基于激光技术测量气炮中弹体的飞行速度

王建军,刘晓玲,田晓霞

摘 要:气炮是广泛用于研究物体撞击速度与破坏效应的一种动力学实验装置。针对传统测量气炮中弹体飞行速度方法存在的问题,提出新型激光测速方案。通过测量弹体遮挡不同测点激光束的时刻,计算弹体的飞行速度。根据该方案设计的测量系统做了仿真分析和标定实验,证明设计方案正确可行。目前,已研制成功并已应用于实际测量,极大地提高了测量的效率和准确度。

关键词:气炮;激光测速;时间间隔;硬件描述语言;可编程器件

中图分类号:TP302文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)12-121-03

Measurement of Body′s Velocity in Air Gun Based on Laser Technique

WANG Jianjun1,LIU Xiaoling2,TIAN Xiaoxia2

(1.Sichuan TOP Vocational College of Information Technology,Chengdu,611743,China;

2.Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi′an,710024,China)

Abstract:Air-gun is a dynamical experimental equipment that is widely used to study the velocity of object and damage and destructive effects.A new system is proposed to measure the body′s velocity in air-gun based on laser technique.The principle and constitution of the system are introduced in detail.Parts of the simulation and experiments are presented.The system has been applied successfully,the efficiency and accuracy of measurement are improved.

Keywords:air-gun;laser measuring velocity;time interval;hardware description language;programmable logic device

0 引 言

气炮作为一种动力学实验模拟装置,可广泛用于研究物体撞击问题。对于物体之间的撞击研究,已越来越受到人们的重视。例如,汽车的安全极限、生物体的生理和心理损伤、材料的结构响应等。在不同撞击速度下,物体会出现凹陷、嵌入、断裂和穿洞等不同的现象和效应。因而,气炮中弹体或飞片(以后简称弹体)的飞行速度,特别是击中靶体的速度是衡量气炮性能和研究靶体力学效应的一项重要指标。

测量气炮中弹体的飞行速度,主要有金属探针法、电磁法和激光测速法。它们的基本原理都是通过测量弹体到达不同测点的时间,再用公式v=s/t计算弹体的飞行速度,但以上3种技术在工程实现过程中有较大差别。金属探针法是较早使用的一种技术,属于接触式测量。在每次实验中必须更换新探针,消耗人力物力,实验效率低,特别是每次实验探针的贴放对实验的重复性影响很大。由于是接触式测量,故准确性低。电磁法是一种非接触性测量,但在实际应用中仍存在许多不足。首先它要求在靶区附近建立一个恒定的磁场,而产生磁场的装置一般都比较笨重;其次对靶体和弹体有特殊要求。例如要求靶体为非金属材料,而弹体必须为良磁导体,这就限制了它的应用范围。激光测速法为非接触性测量,具有系统稳定,测量精度高,测速范围大,抗干扰能力强等特点。传统测量系统由He-Ne激光器、光敏管、专用电源、记录示波器或动态记录仪等组成。系统所用设备较多,维护和使用不便,整个测量系统成本偏高。这里提出一种以半导体激光器、光敏管和专用时间间隔测量芯片为核心的激光测量系统,其结构简单,操作方便,体积小,性价比高。

1 半导体激光器-光敏二极管测速的基本原理

1.1 半导体激光器工作原理

半导体激光器体积小,功耗低,性价比高,抗干扰能力强,采用它和光敏二极管组成的测量系统具有非接触测量、响应速度快和准确可靠等特点。

实际半导体激光器是一个激光二极管-光敏二极管(LD-PD)结构。为实现可靠稳定的工作,半导体激光器包含一个PD,它可产生一个正比于激光束强度的电流,可以通过跟踪激光管光功率的变化控制激光器的激光束强度电流。图1中的电路是实际用于控制可见激光管输出恒定的平均光功率。电阻R5将光电管PD的输出电流转换为一定幅度的电压,加到由放大器组成的积分器的反向输入端。积分器电容C1使输出平滑,并阻止反馈回路受到影响。积分器的泄放电阻R4是为了保证在增加和减小激光器输出的平均光功率时进行补偿。R5上产生的电压与R1和R2对Vref的分压(该分压电压可以通过R1与R2的值选择进行调整)相比较,经A1产生一个误差信号。该信号通过调整Q1的导通状态,调节流过激光器LD的电流,以达到控制激光器LD输出光功率的目的。

图1 控制半导体激光器光功率输出原理图

1.2 激光-时间间隔测速的基本原理

设3个间隔距离为d1,d2的光敏二极管p1,p2,p3分别对应半导体激光器L1,L2,L3及其发射的激光束,如图2所示。

图2 激光-时间间隔测速原理图

激光器发射连续激光束,当无弹体时,光敏管输出为高电平;当飞行的弹体到来时,其首先遮住p1,使之在时刻t1输出为低电平;之后弹体依次遮住p2,p3使它们分别在时刻t2,t3输出为低电平,最后到达靶体。

记录t1,t2和t3,用这3个时间分别开启和关闭三个时间间隔计数器:计数器1、计数器2和计数器3,即:

n1(计数器1) = t2( 关门 )- t1( 开门 )

n2(计数器2) = t3( 关门 )- t2( 开门 )

n3(计数器3) = t3( 关门 )- t1( 开门 )

又已知,计数器的时钟为τ,由它可以计算出3个计数器记录的间隔时间为τn1,τn2和τn3。

在光敏二极管机械定位后,可以测量出其间距d1,d2和d3。根据位移、时间和速度三者之间的关系,可以计算出弹体在3个区间的平均速度,即:

v1=d1/(τn1);v2=d2/(τn2);v3=d3/(τn3)

在实际工程中,这3个计算值还可以相互验证,并用于判断系统的工作状态。

2 VHDL硬件描述语言设计的逻辑电路及仿真

在电路设计过程中,采用VHDL硬件描述语言,提高了设计速度,大大降低了制作和调试PCB板的时间和工作量。整个电路用Alteral公司的CPLD芯片实现。

2.1 VHDL语言描述的硬件电路

采用VHDL语言描述的硬件电路主要包括3组逻辑电路,其功能为M位10进制计数器、M进制计数器、M选一选择器、BCD译码器和N-M译码器。图3为其中一组功能框图。

图3 VHDL语言描述的硬件电路功能框图

以两路(一组)光脉冲信号为例,设启动信号为M位10进制计数器的开门信号,在它到来时,计数器开始计数;停止信号是关门信号,在它到来时,计数器停止计数。M位10进制计数器将计数结果送到M选一选择器。选择器由一个M进制计数器产生的进位脉冲控制。计数结果由选择器按每次选择一位的方式输出给BCD译码器。BCD译码器将数据变为LED段信号,同时选择控制信号同步送至N-M译码器,其中2(N-1)

系统的测量精度与时钟频率和芯片的速度有关。实际电路采用10 MHz ,即测量精度优于0.1 μs。最大测量值由计数器的位数决定,根据实际需要设为6位,即最大测量时间间隔为100 ms。另外,还设了系统复位信号,以保证在每次测量前使计数器输出为零。

2.2 软件仿真

首先在计算机上对设计的电路进行功能仿真。图4为6位计数器工作情况的仿真波形。SW1为启动脉冲,它在8.3 μs到达计数器(假设以仿真起点为时间零点);SW2为停止脉冲,它在454.0 μs到达计数器,两个脉冲的时间间隔为:454-8.3=445.7 μs。仿真的时钟频率为20 MHz,计数结果为8 914,即对应的时间间隔为:8 914×0.2=445.7 μs。仿真结果表明,该电路的功能和时序完成正确,符合设计要求。

图4 6位计数器工作的仿真波形

3 实验标定与分析

为验证该电路在PCB板上工作时测量的准确性和评估其工作的稳定性,用信号源DG535对其做了标定实验,其原理框图如图5所示。标定原理是:DG535产生T0,A两路信号,时间间隔ΔT可以人为设定,精度优于1 ns,同时用数字示波器监测DG 535输出。这样测量显示的数据即可以与DG 535设定的数据进行比较,也可以用示波器来验证和对比。实验结果表明,该电路工作十分稳定,测量重复性很好,测量结果与DG 535设定值完全吻合,最小变化值为0.1 μs(时钟为10 MHz)。

图5 标定电路原理框图

测速系统在气炮上进行实际测量的实验数据见表1。

表1 测速系统在气炮上的部分实际测量值

气压 /kPa2.5578.51012.515

n1121 42880 67571 67867 32561 47155 43851 457

n2116 83574 62865 69861 21055 68649 78246 220

V1 /m/s8.2312.4013.9514.8516.2718.0219.40

V2 /m/s8.6413.5015.3716.5018.1420.2921.60

说明:d1=10 cm,d2=10.1 cm;τ=100 ns。

由表1可以看出,在撞击至靶体之前弹体始终是处于加速状态,气压越高,加速现象越明显。如果增加测点数,可以详细描述弹体在气炮中的加速过程和验证运动方程。

由实验数据可以看出,随着所加气压的增高,弹体速度有明显的增加。弹体速度和气压的关系基本与理论设计吻合。

影响测速结果的因素主要有:光敏器件的间距、光敏器件的响应速度和测量电路的时钟。经综合评定,给出测量系统的合成标准不确定度为1%。

4 结 语

在测量气炮中弹体的飞行速度时,激光测速较金属探针法、电磁法更具优势。该方法原理简单、可靠,抗干扰能力强,能实现快速准确的测量。设计的半导体激光器、光敏管和专用时间间隔测量芯片为核心的激光测量系统能准确、稳定、可靠,能迅速读取测量结果,操作维护简单方便,特别适合非电学专业人员的使用。同时在设计专用时间间隔测量电路时,采用VHDL语言和可编程逻辑器件,提高了设计速度,大大降低了制作和调试PCB板的时间和工作量。最后的仿真和实验表明,设计完全达到了技术要求。该系统已交付实际应用,满足了用户的需要,取得了良好经济效益。

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