基于光电倒置开关的子母弹抛撒过载测试仪

祁少文，范锦彪，王 燕

（1.电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；

2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051）

0 引言

子母弹战斗部是现代高科技战争中常用的一种战斗部，子母弹关键技术之一是抛撒，常用的抛撒方式有活塞抛撒、囊式抛撒、中心爆管抛撒等［1］。子母弹抛撒子弹过载的测量，对于检验子弹的抗冲击性和实验效果的评定以及结构的改进是一个重要的衡量指标。采集记录数据的方法通常采用的是存储测试的方法［2-5］。存储测试实现了对现场信息的实时采集与存储记录，事后通过专用接口电路与计算机通信，在计算机上通过专用软件对测得的数据进行读取和处理，再现被测现场信息。在做子母弹抛撒试验时，往往是在装配厂先装配好，再通过卡车拉到爆破场地进行实验。由于装配和路上需要时间，以及种种不确定因素的影响，考虑到电池电量的问题，常采用爆炸现场断线上电的方式，但由于装配条件的限制，经常会无意中磨断导线而提前上电，在无法知情的情况下实验，得不到数据，并且如果走线的槽开的稍微大些，将会改变装置结构，对实验的抛撒效果产生影响。本文针对此问题，提出了基于光电倒置开关的子母弹抛撒过载测试仪。

1 光电倒置开关

1.1 光电倒置开关的结构及工作原理

光电倒置开关结构如图1所示。光电倒置开关是由小钢球、光电器件（接收器、发射器）、盖板、电路模块、外筒和机械壳体等组成。为了抵抗高冲击，用环氧树脂在真空中灌封外筒。最终引出的三根线为控制上电线、电源线和地线。

图2是光电倒置开关的电路原理图。光电倒置开关的光电器件由接收器和发射器组成。发射器由发光二极管构成，它直接把电能转化成光能，在电极上加正向偏压后，由于PN 结的存在，将会把部分能量转化成光能。接收器由光敏三极管构成，将接收到的光信号转化为电信号。发射器和接收器安装固定在同一个对光基线的壳体上，内腔装有小钢球，通过小钢球的运动隔断发射器和接收器之间的光通路，使得开光电路系统做出响应，产生开关导通或者断开。如图1所示，竖直及水平状态下，小钢球不会挡住发光二极管D1发出的光线，光敏三极管Q1接收到光，导通，ID 拉高到VCC，通过HC4050，ON输出低电平；倒置后小钢球挡住D1的光线，光敏三极管接收不到光，断开状态，ID 为低电平，通过HC4050，ON 输出高电平。将ON 接到数据采集存储模块中，即可作为上电开关，控制系统状态。为了防止误上电，在数据采集模块设定判断ON 持续1min为低电平，才认为是上电［6-8］。

1.2 光电倒置开关的抗冲击实验

光电倒置开光在抛撒实验中要承受几万g 的冲击，能否经受得住高冲击，成为了测试仪的关键。首先，为了提高倒置开关的抗冲击性，在真空中用环氧树脂对其进行灌封。其次，用空气炮实验进行冲击测试。空气炮装置如图3所示，其原理是突然把压缩的空气释放来推动子弹，子弹沿管身运动对目标进行碰撞，产生高g 值加速度，同时用差动式激光多普勒测试仪记录整个过程，进而可以得到目标所受的加速度冲击值。

试验时，经差动激光干涉仪产生具有多普勒效应的调频信号，经数字示波器采集或直接传输到计算机。对该调频信号进行频率解调后，用相关算式即可获得目标所受的加速度冲击值［9-10］。图4为其中一次测得的加速度曲线。经过多次实验，发现该倒置开关具有45 000 g 的抗过载能力，而一般的子母弹抛撒实验都在40 000 g 以下，满足了要求。

图1 光电倒置开关的结构框图Fig.1 Structure diagram of electro-optical inversion switch

图2 光电倒置开关的电路原理图Fig.2 The circuit principle diagram of electro-optical inversion switch

图3 空气炮装置Fig.3 The device of air guns

图4 其中一次测得的加速度曲线Fig.4 One of the acceleration curves

2 基于光电倒置开关的子母弹抛撒过载测试仪

2.1 测试系统总体设计

测试系统主要由电源、传感器（加速度传感器，量程据实际情况而定）、数据采集存储模块、倒置开关模块、USB 接口单元、壳体、缓冲材料等部分组成。高g 值加速度传感器用来测试子弹在抛撒过程中的冲击过载，数据采集存储模块由模拟信号调理电路、A／D、铁电存储器、CPLD、单片机组成，负责抛撒过程中信息的采集。实验结束后数据通过USB接口传输到计算机中。不同的测试要求，通过单片机及CPLD 来完成。

2.2 测试系统工作原理

利用倒置开关进行电源管理，确定上电以后，电源管理单元输出+5V 和+3.3V，给系统供电，晶振送出16MHz时钟信号，系统数据采集模块进入待触发状态，循环采样。电路触发后，信号经过调理单元，进入A／D；在CPLD和单片机控制下，A／D采样的数据写入铁电存储器；铁电存储器写满后，CPLD 发送控制信号給电源管理单元，系统进入低功耗状态。系统存储的数据，通过USB接口读到计算机内存当中，测试专用的软件对数据进行分析处理。

2.3 数据采集存储模块的设计

存储模块的结构如图5所示。模拟信号调理部分对传感器的模拟信号进行放大、滤波等处理，将模拟信号转换为适合A／D 转换器输入的信号。考虑到系统精度，放大单元选用的是低功耗仪表放大器INAl28；选用高性能低功耗可轨到轨运放OPA2340，对放大信号进行滤波处理。A／D 转换器将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，选用高速高精度低功耗ADC AD7492进行模数转换，确保测试仪的低功耗和高精度。抛撒过程时间只有几十ms，故测试仪容量设计为256 K×8bit，负延迟为128K×8bit，采样频率500kHz，记录时间为512 ms，负延迟为256 ms，完全符合设计要求。CPLD和单片机共同控制A／D 变换器和铁电存储器对数字信号进行存储操作。数据存储完毕后，测试系统进入休眠状态以降低功耗。USB 接口电路选择CYPRESS的CY7C68013，单片机控制将数据通过USB芯片传输到计算机。

图5 存储模块的结构框图Fig.5 The structure diagram of storage module

3 验证试验与数据分析

如图6所示，过载测试仪用于某型号战斗部的中心管爆炸抛撒测试实验，中心爆管位于中心，子弹呈环形对称两层排列。测试系统装在子弹内，布置在离中心爆管较近的内层。工厂装配前，检查倒置开关与测试仪的采样存储模块是否连接良好，接通系统的电源，系统立即为倒置开关提供电源，倒置开关进行初始化配置，关闭采样存储模块的模拟电路，此时测试仪的控制电路处于值更状态，倒置开关处在激活状态，整个测试系统处于低功耗状态。装配过程中只是相对于倒置开关有水平的操作，不会打开开关。爆破前几分钟，子母弹倒立1min，倒置开关判断达到倒置条件，向存储测试电路发出上电控制信号，系统的模拟电路得到供电，开启测试仪的采样存储模块，进入工作状态，倒置开关进入待机模式，节省功耗。实验时战斗部前端引信起爆，导爆索切割蒙皮，点火药被点燃，点火药燃烧产生的高温燃气与炽热的固体粒子经过药床中央传火管上的各传火孔喷入抛撒药床，点燃抛撒药，中心管内抛撒药燃烧释放出高温高压气体，当管内的气体压力超过管本身的承压强度极限时，中心管爆裂。最终蒙皮破裂，子弹抛撒出母体。

图7是中心管爆炸抛撒子弹所受冲击过载实测曲线图。从中可以看到，加速度测试曲线存在着一定程度上的零点漂移，为了减小与真实速度之间的的误差，要先对过载曲线去除零漂。参考爆炸分析信号小波变换的处理方法，可以从实测数据中提取出真实的冲击过载信号。经过matlab滤掉过载曲线的低频零漂以后，可以得到过载曲线如图9所示。

从中看到，零点漂移已经得到了去除。爆炸抛撒的瞬间，会有大量的高频信号叠加在过载曲线上，因此要想得到真实的过载曲线，必须用低通滤波的方法进行滤波处理。低通滤波的关键是滤波截止频率如何选择。通过经典的频谱分析和ANSYS模态分析（图9即为通过matlab处理后的爆炸冲击过载频谱图）相结合的方法选择了低通截止频率为4.7kHz［11-12］。

通过matlab的FIR 滤波器进行低通滤波处理后的曲线如图10所示，在曲线的1.4ms左右，有一个接近4 000 g的极大值，分析可知应为中心管爆炸时子母弹开仓前作用到传感器上的爆炸冲击波。随着子母弹开仓，过载值在降到0以后又迅速上升。整个过程中加速度最大值为5 942 g，脉冲宽度为大约620μs。

用matlab对子弹抛撒的加速度曲线进行积分即可得到子弹抛撒的速度曲线，如图11所示，可得爆炸时的抛撒速度为19.85 m／s。在实验过程中，为了进行准确性对比，子母弹抛撒过程中使用高速摄影机对配重子弹抛撒过程进行了拍摄，经过专业软件分析初速为20.35m／s。以照相机算出的速度为标准，系统的相对误差为：

可知该系统的误差非常小，测出的数据真实可信。

图6 抛撒实验装配图Fig.6 Assembly drawing of the scatters experiment

图7 爆炸冲击过载实测曲线图Fig.7 The measured curve of the explosion impact overload

图8 经过小波变换去除零漂的过载曲线图Fig.8 The overload curves after the wavelet transform to get rid of zero drift

图9 爆炸冲击信号频谱分析图Fig.9 The spectrum analysis diagram of explosion impact signal

图10 滤波后加速度曲线Fig.10 The acceleration curve after filtering

图11 经过matlab处理的抛撒过程速度曲线图Fig.11 The speed curve of scatters process by matlab processing scatters process

4 结论

本文提出了基于光电倒置开关的子母弹抛撒过载测试仪。该测试仪由光电倒置开关和数据采集存储模块组成，很好地替代了断线上电的方式，可以完成对子弹受到的加速度的实时采集存储。验证试验表明该测试仪可以很好的完成对子母弹抛撒过程中子弹加速度的实时采集存储，测出的数据真实可信。对于检验子弹的抗冲击性和实验效果的评定以及结构的改进具有重要意义。下一步将对该系统进行进一步的完善，重点对数据的无线传输以及信标机的应用进行研究。

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