周玉昆,李向天,祝本明
(中国兵器工业第五八研究所 四川 绵阳 621000)
压电引信瞬发度测量研究及实现
周玉昆,李向天,祝本明
(中国兵器工业第五八研究所 四川 绵阳 621000)
针对弹药压电引信结构特点,提出了一种基于软件相位同步测频频率计的压电引信瞬发度测量方法。研究了压电引信动态特性,分析了相位同步测频频率计测量原理,通过计算频率计闸门开启时间内高速模数转换的采样点个数,并除以采样频率得到该型号火箭弹压电引信瞬发度的测量时间,实现了对XX火箭弹压电引信瞬发度的半自动化测试。测试结果表明,该方法多次测量的结果差值在±1us以内,具有测量精度高,操作便捷,一致性较好特点。
频率计;相位同步测频;压电引信;瞬发度;高速模数转换
压电引信是现代弹药中广泛使用的触发式引信之一,其特点是具有极高的瞬发度,能够减少弹药因着速不同造成的炸高散布。压电引信头部机构为压电传感器,该类型引信利用压电传感器的压电效应,将发生碰撞时的动能转变为电起爆信号[1-2]。瞬发度是压电引信的一个重要性能指标,在压电引信制造和安装到弹药上之前,其瞬发度均需进行多次测量。
提出了基于软件相位同步测频频率计[3]的压电引信瞬发度测量方法,实现了对某型火箭弹压电引信瞬发度的准确、快速测试。
图1为压电陶瓷的正压电效应原理和压电引信等效电路,在受外力撞击时相当于一个阻、容器件的并联电路,且传感器内部的压电陶瓷是一个电荷泵[4-5]。当压电传感器受外力撞击时,产生的电荷与受力大小成正比的关系。正压电效应原理和压电传感器的等效电路表达式为:
式(1)、(2)中:R为压电传感器等效电阻;Q为压电陶瓷受外力撞击时产生的电荷;U为压电传感器两端电压;C为压电传感器分布电容之和;F为受到的外力;d33为压电陶瓷的压电模量。
图1 正压电效应原理和压电引信等效电路
假设压电传感器受外力与时间的关系F-t有如下关系:
式(3)中是压电传感器受到的最大外力;是到达最大外力的时间。将式(3)代入式(2)
将式(5)代入式(1)中,得到压电陶瓷输出信号与时间的U-t关系如下:
某型号火箭弹上的压电传感器瞬发度时间小于100 us,其。将撞击发生时U=0,t=0作为条件代入式(6)。由式(6)得U-t关系式为:
压电传感器受到外力撞击后输出信号的U-t曲线如图2所示。
图2 压电传感器U-t波形图谱
通过示波器测量该型号火箭弹压电传感器受外力后的输出信号。信号波形前端曲线上升,与图2中前端波形基本吻合,式(3)、(7)在波形前端能够成立。该压电引信的安全阈值Vo=100 V。压电传感器输出电压达到阈值时,火箭弹压电引信输出起爆信号,压电引信与压电传感器的时序关系如图3所示。
图3 压电引信与压电传感器时序关系
图4所示为一台手动微型重力冲击台,图中a、b、c、d分别为冲击台的横梁、导轨、托盘和底座;e为安装在托盘上的某型号火箭弹压电引信;f为压电引信馈线;g为托盘下方光电传感器馈线。测试开始前,托盘卡在冲击台横梁上。松开托盘,托盘将在重力作用下顺着导轨向下运动直至撞击到冲击台底座。压电传感器与光电传感器均安装在托盘上,撞击发生后,两种传感器的同步触发,其触发时序关系如图5所示。
图4 手动微型重力冲击台
从图5可知,被测压电引信瞬发度等于光电传感器与压电引信输出信号下降沿之间的时间间隔。本方法采用软件相位同步测频频率计测量压电引信的瞬发度:通过高速模数转换采集光电传感器输出信号和压电引信起爆信号,由软件根据采集的数据判定光电传感器信号和压电引信起爆信号的下降沿,并以光电传感器的输出信号下降为原电平的10%为频率计闸门开启时间、引信起爆信号电平下降为原电平的10%为频率计闸门关闭时间,模数转换采样时钟为基准脉冲[6-7]。每次模数转换均对应一个采样时钟,频率计闸门的开启、关闭与采样时钟同步。
图5 光电传感器与压电引信触发时序关系
在对时间间隔进行测量时,测量结果受到量化误差、时基误差以及触发误差的影响[8]。本设计中采用的相位同步测频频率计消除了等精度频率计中存在的个基准脉冲的量化误差[9-10]。图5中,闸门开启时间内压电引信信号仅输出了1次起爆信号,则引信起爆信号瞬发度的测量可表示为[11]:
当采样时钟的时基误差为时,瞬发度的真实值为:
则时基误差对测量结果造成的相对误差为:
由式(10),采用软件相位同步测频频率计测量压电引信瞬发度,测量结果的精度与基准脉冲的脉宽精度相关。本设计中采用65 MHz温补精密晶振作为高速模数转换的采样时钟。该晶振的振频率精度<±25 PPM,频率温度稳定度≤±25 PPM,频率电压稳定度<±10 PPM,年老化率≤±5 PPM,每个时钟周期误差約1.0×10-12s[12],则采样时钟造成的相对误差6.5×10-7。
触发误差主要由光电传感器输出信号和压电引信起爆信号上造成。在量化误差和时基误差确定的情况下,过大的触发误差反应了被测火箭弹压电引信存在缺陷。
测试系统由主板、高速采集卡和计算机外设组成。高速采集卡有4路输入通道,采样率65 MHz。光电传感器产生的信号输入采集卡的通道1,压电引信起爆信号经过电阻分压后输入采集卡的通道2。采集卡与主板间通过CPCI总线通讯,经模数转换后的数据通过CPCI总线传输至主板。由主板对采集到的数据进行处理。
图6 测量流程图
测量软件启动后,设置高速采集卡对通道1、2上的信号进行连续采集。采集卡上的FPGA将采集的数据以2048个采样点的数据为一帧进行组帧,并将组帧后的数据存储在采集卡上的缓存中。每完成一帧数据的采集后,高速采集卡向主板发送中断请求。主板接收到中断请求后,通过CPCI总线读取采集卡上缓存中的数据。主板对采集的数据分析、处理,判断光电传感器和压电引信输出信号下降时刻,统计软件频率计闸门开启时间内模数转换次数,通过式(9)计算出压电引信的瞬发度,并将采集到信号波形和瞬发度显示在计算机屏幕上。流程图如图6所示。
图7是示波器检测到某型号火箭弹压电引信起爆信号波形。图8是测试系统检测到同型号火箭弹压电引信起爆信号波形。从图7、图8可见:结果差值在±1 μs以内,测试结果一致性较好。
图7 压电引信输出波形
文中介绍了基于软件相位同步测频频率计测量压电引信瞬发度的方法及设计实现。该测试系统实现了对某型号火箭弹压电引信瞬发度的半自动化测量,在保证测量精度的前提下,提高了测量效率。测量软件中的专家系统、报表等功能,为用户在测量过程中故障定位、记录等提供了便捷的手段。
图8 压电引信输出波形
从测试结果可知,测试系统能够正确检测到该型号火箭弹压电引信输出的起爆信号。相对于示波器,检测设备测试的瞬发度具有更高的测量精度。使用检测设备对同一只压电引信进行测试,多次测量的结果差值在±1 us以内,测试结果一致性较好。
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Research and implementation of measurement method piezoelectric fuze instantaneous
ZHOU Yu-kun,LI Xiang-tian,ZHU Ben-ming
(N0.58 Research Institute of China Ordnance Industries,Mianyang 621000,China)
According to the structure characteristics of ammunition piezoelectric fuze,a piezoelectric fuze instantaneous measurement method is proposed,which based on measuring the phase synchronization software Frequency meter.Study on the dynamic characteristics of piezoelectric fuze,analyzes the measured phase synchronization frequencies measuring principle,by calculating the sampling points which is high-speed AD conversion of frequency meter gate opening time,dividing the sampling frequency and getting the measuring time of XX rocket piezoelectric fuze instant degree,implements semi-automated testing of XX rocket piezoelectric fuze instant degree.The test results show that the measurement error is within±1us between the results of multiple measurements,has high accuracy,easy operation,good consistency.
frequency meter;phase synchronous frequency measurement;piezoelectric fuze;instant degrees;high-speed AD conversion
TN384
A
1674-6236(2017)09-0083-04
2016-07-09稿件编号:201607079
国家自然科学基金项目(61133016)
周玉昆(1976—),男,四川绵阳人,工程师。研究方向:计算机应用技术。