基于薄膜式磁传感器的转速测试新方法研究*

任先贞,裴东兴,沈大伟

(中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051)

基于薄膜式磁传感器的转速测试新方法研究*

任先贞,裴东兴,沈大伟

(中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051)

目前转速测量的方法通常采用雷达法和光学高速摄影法,但其测量方法成本高、不能实时显示数据。因此设计了内测法测量弹丸的转速,将测试装置放置在弹丸内部,利用薄膜式地磁传感器切割磁感线产生感应电动势来反应弹丸的转速变化,并提出了处理转速的新方法——中心点处求法。通过多次实验,验证了该系统的可行性,与现有方法相比,测得结果误差小、精度高,对今后研究弹丸的章动参数都有很高的参考价值。

薄膜式地磁传感器;转速;中心点处求法

0 引言

弹丸在飞行过程中,近似于一个刚体运动,其中转速是一个重要的研究参数[1]。国内外学者研究了很多测量弹丸转速的方法,主要采用的方法为外测法,其中有弹底刻槽法[2]、光学高速摄影法[3]、线阵CCD器件摄影法[4]等。弹底刻槽法,通过多普勒信号可以得出弹丸的旋转速度,但对于弹底较薄的弹丸并不适用[5]。高速摄影法,虽然可以采集到弹丸飞行过程中的阴影成像,但需几十台摄影机及平面镜等设备,成本较高,并且后续冲洗照片等需要长时间完成。线阵CCD器件摄影法,成本高而且需要中心站和测量站,易受条纹宽度的影响。针对以上问题,提出采用内测法[6]将薄膜式线圈磁传感器置于测试装置内部测出弹丸的转速,该方法成本较低,性能稳定,便于安装。

1 弹丸转速测试原理

1.1 薄膜式地磁传感器原理

薄膜线圈粘贴于弹丸壁表面,用漆包线缠绕在表面,体积小,便于安装,如图1、图2所示为薄膜式地磁传感器示意图和其安装示意图。

图1 薄膜式地磁传感器

地磁场是一个弱磁场,地磁的强度随地域的变换而不同。弹丸在飞行过程中,如图3所示,闭合电路在地磁场内切割磁感线产生感应电动势,其产生的感应电动势为:

图2 安装示意图

(1)

式中:E为线圈中产生的感应电动势;N为线圈匝数;Φ为磁通量;t为时间;B为地磁场强度;S为线圈面积;θ为线圈的旋转角;γ为弹轴Z′(N)与磁场强度B之间的夹角。

图3 弹丸飞行模拟图

1.2 薄膜式地磁传感器的设计

薄膜线圈地磁传感器的设计有三个方面的因素,线圈面积S和线圈匝数N[6],还有磁导率μ的变化,通过实验来确定最合适的线圈匝数。通过表1的比较,在线圈面积相同的时候,随着线圈匝数的增加,磁传感器产生的感应电动势也逐渐增大,同时灵敏度也会变大,灵敏度增大使实验测得的数据更加准确,但是线圈匝数增加也会带来一些不利的因素,其中最大的影响就是会出现漏磁的现象,因此要选择合适的线圈匝数,进而达到合适的灵敏度[7],经过实验比较,选择50 mm×50 mm的线圈。

实验所处的位置为某靶场内,该位置的磁场大小为5.42×10-5T。

表1 不同尺寸的薄膜磁传感器的感应电动势比较

2 弹载测试系统

系统的硬件设计是测试系统的核心,该系统是由薄膜式地磁传感器、信号调理电路、Flash存储器、A/D转换器、MSP430、电源管理模块组成,通过USB通信接口电路连接计算机,读取数据,得出转速的曲线,如框图4所示。

图4 系统框图

2.1 信号调理电路设计

2.1.1 放大电路设计

由于磁传感器的输出大约为30 mV,信号幅值较小,因此将输出的信号经过放大电路处理送入模数转化器,通过设计采用INA128仪表放大器对信号进行放大,VREF为偏置电压,通过采用置位电路[8],如图5所示,可以解决传感器在实际应用中的强磁场干扰,从而可快速恢复灵敏度,其输入输出关系如下

(2)

式中:Vin+、Vin-为地磁传感器的差动输出;VREF为正偏置电压;G为放大倍数。

图5 放大电路原理图

2.1.2 滤波电路设计

图6 滤波电路原理图

(3)

2.2 AD转换电路设计

在该系统中,选择MSP430单片机对整个系统进行控制,采用AD7862进行模数转换,AD7862是一个高速并行接口,单电源3.3 V供电。它包含两个4 μs的延时ADC,两个锁存器,一个内部为2.5 V参考电压和一个高速并行输出端口,并对模拟输入有过电压保护。

2.3 电源电路设计

该系统的数字电路和模拟电路都采用3.3 V锂电池供电,电源管理芯片使用TI公司生产的LP5996。为降低功耗,系统采用LP5996分时/分区供电,如图7所示。ON1和ON2分别为VDD、VEE的控制引脚,系统上电前,ON1处于高电平状态,VDD为控制电路模块供电,ON2为低电平,模拟板、存储器及模数转化器不工作。当系统上电后,ON2被拉高,VEE为模拟电路供电以及数字板中的部分电路供电,系统循环采集,在数据采集完后系统自动将ON1管脚置低,系统再次进入低功耗状态[9],如图7所示。

图7 电源电路原理图

3 中心点处求转速法

转速的求法是根据其特征值点的选取,一般测转速的方法为基于零点的半周期求法[10],其特征点为零点;另一种方法为基于极值点的半周期求法[10],其特征点包括波峰、波谷;转速的测量是通过对弹丸转动的周期求倒数得到的,即

(4)

在本次实验结果处理中,采用以波峰与波谷之间的中心点为特征点,求得转动的周期,近似的认为以5个波峰为一个转动周期,通过实验的验证,可以有效减少误差,更接近于理论值

(5)

4 实验结果及数据处理

通过接口电路将采集到的数据上传至上位机,转速测试系统选用的采样频率为25 kHz,采样时间为38 ms,处理得出图8所示的全弹道感应电动势曲线。

图8 弹丸感应电动势曲线

图9 0～4 ms弹丸转速曲线

由图9所示,弹丸在0～0.01 s的时刻中会有短暂的振动,这是由于弹丸受到内部磁场的干扰,振动比较明显,到0.01 s之后,弹丸出炮口,曲线逐渐下降,感应电动势的幅值在下降,说明弹丸转速在逐渐降低,将转速局部曲线放大,如图10所示。

图10 转速局部放大图

通过对波峰处和中心点处的数据进行读取,根据式(6),计算得到表2所示数据,对结果进行分析,并计算出相对误差的大小,如表3所示,相对误差1是根据波峰点的理论值与测得值计算得出;相对误差2是中心点的理论值与测得值计算得出的。

表2 弹丸在1 s内测得转速值

表3 转速值误差分析比较

图11 误差曲线图

根据上表所示,在波峰处转速测得的值与理论值相差较大,如图11所示,并且每个点之间的取值会稍有偏差,通过表3的对比,在中心点处测得的转速值误差较小,因此选用中心点处的求值方法更符合实际值。

将各个点处得到的转速值的大小进行数据拟合,得出转速曲线如图12所示。根据转速曲线可以清楚地看到,在0.02 s时转速为最大值25 320 r/min,之后的转速逐渐下降,直至落地,与实际测得的值吻合。

图12 转速曲线图

5 总结

该测试装置通过薄膜式地磁传感器来感应弹丸的转速变化,提出了中心点处的求得转速值的方法,实验表明,通过计算分析得出新的转速计算方法,与实际测得的值一致,是一种行之有效的方法,同时该装置还可以测得章动参数等。

[1] 常树茂, 王利, 弓楠. 基于地磁传感器的弹丸转数测试 [J]. 弹箭与制导学报, 2011, 31(5): 200-205.

[2] 艾剑良. 攻击机作战效能评估的顶层数学模型 [J]. 飞行力学, 1999, 17(2): 19-24.

[3] 曹红松, 冯顺山, 赵捍东, 等. 地磁陀螺组合弹药姿态探测技术研究 [J]. 弹箭与制导学报, 2006, 26(3): 142-145.

[4] 徐玮. CCD立靶测量系统测量精度分析研究 [D]. 北京: 中国科学院研究生院, 2012.

[5] 李岳霖, 庞伟正, 王芳, 等. 基于信号处理技术提取轻武器弹丸转速方法研究 [J]. 弹箭与制导学报, 2006, 26(1): 542-546.

[6] 裴东兴, 马铁华, 范锦彪, 等. 弹丸的章动参数测量方法CN201310050975. 0 [P]. 2013-07-24.

[7] 冯传亮, 梁志剑, 李新娥. 基于薄膜线圈式磁传感器的弹体转速测量方法 [J]. 机械管理开发, 2013, 135(5): 80-81.

[8] 孙笠森, 岳凤英, 李永红, 等. 基于磁阻传感器的数字式磁强计的设计 [J]. 传感技术学报, 2014, 27(1): 48-52.

[9] 岳晗. 旋转弹转速、炮口速度及章动参数测试技术研究 [D]. 太原: 中北大学, 2014.

[10] 曹咏弘, 范锦彪, 祖静. 基于薄膜线圈的高自旋弹丸转速测试方法研究 [J]. 弹箭与制导学报, 2011, 31(1): 204-206.

Research on a New Speed Measurement Based on Diaphragmatic Geomagnetic Sensors

REN Xianzhen,PEI Dongxing,SHEN Dawei

(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Currently, rotational speed is commonly measured by radar and optical high-speed photography method, but their high cost and failure in real-time data display result in falling back on the method for rotational speed measurement. Therefore, internal measurement was designed to test projectile speed. Test devices are installed inside projectile, and rotational speed change could be reflected by induced electromotive force produced by diaphragmatic geomagnetic sensors cutting magnetic induction line, and a new method for processing speed was proposed, which was center point method. Through several experiments, feasibility of the system was verified. Compared with conventional method, the measured result was small in error with high precision, and this could be referred for future research on projectile nutation parameter.

diaphragmatic geomagnetic sensors; speed; center point method

2016-03-31

山西省回国留学人员重点科研项目(2008003)资助

任先贞(1991-),女,山西阳泉人,硕士研究生,研究方向:智能仪器与动态测试。

TJ410.6

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