低成本弹载侵彻过载测试系统设计

周 强，贾方秀，张天宇，李 浩

(南京理工大学 智能弹药国防重点学科实验室，南京 210094)

准确获取弹丸侵彻过程中的过载信号对于控制起爆深度和分析弹体及装药的受力情况具有重要的意义[1]。目前研究弹丸侵彻过程采用的测量手段主要是高速摄影。高速摄影可以记录弹丸飞行中的瞬间动作，方便对实验过程进行直观分析，但要求其视野前方无障碍物阻隔。针对高速摄影的缺陷，研究人员提出了弹载测试系统的方案[2]。弹载测试系统安装于弹体内部，在侵彻过程中获取侵彻动态参数，并在侵彻过程结束后进行数据回收[3-4]。整个数据采集过程不与外界通信，从而保证了测试系统记录数据的稳定性和持续性[5]。国外加拿大Controlex公司成功研制出可承受10万g过载的弹载三轴加速度测试系统[6]；美国ISE公司研制出了多款商用弹载测试系统，量程可达10万g，可适应多种弹种的结构要求[7]。国内中北大学开发了一系列弹载测试系统，成功测得过侵彻过载数据[8]；吴三灵等将弹载测试系统应用于侵彻多层硬目标的实验并成功测得数据[9]。

国内已逐步将弹载测试系统应用于实际测试，加速度传感器大都选用的是压阻式，且测量过载不超过5万g。压电式传感器相较于压阻式，它的量程大、灵敏度高、信号不易受外界环境影响。但它不适合用于稳态测量。本研究根据侵彻过载信号的特征，设计了一种基于ICP压电传感器的弹载测试系统。测量范围可达10万g，给出了信号调理模块和数据采集存储模块的方案。此系统具备体积小、成本低、安装方便和可循环的特点。利用马歇特锤装置以44 000 g连续冲击，经检测系统仍能正常工作。最后，以100 kHz采样率采集马歇特锤下落过程的过载变化，采集到的数据曲线符合马歇特锤信号响应特征，验证了此系统方案的可行性。

1 总体方案

在设计此过载测试系统时，要求能够测量弹丸轴向最大10万g的过载，而市场上满足量程要求的传感器型号较少。通过综合比较，最终选定了一款量程10万g的ICP压电加速度传感器。ICP传感器是内装微型IC放大器的压电传感器，它的优点在于将传统的压电加速度传感器与电荷放大器集于一体，使用方便、灵活、特别适用于现场测试及在线监测；精度高且输出放大后的信号，不易受现场环境干扰[10]。但是它使用的难点在于传感器的接口为二线制，它的供电线和输出信号线为同一根线，供电上要求恒压恒流源，并且自身存在直流电压偏置，如图1所示。

本研究围绕ICP传感器的特点设计了一个测试系统。整个测试系统可分为4个部分：压电加速度传感器模块、信号调理模块、数据采集存储模块和电池模块。考虑到轴向加速度是弹体侵彻实验中最重要的参数，故将传感器沿弹轴方向安装在机械外壳上。安装时，保证传感器与弹体轴线重合，使传感器的横向效应降到最低。另外，为了满足测试系统的低成本及循环使用的要求，将电池模块与其他三部分分开独立灌封，以方便更换电池使系统再次工作。工作时，传感器将采集到的过载信号转化成电压信号输出，再经由信号调理电路放大滤波后进行A/D转换。当主控芯片判断转换信号满足设定的触发阈值条件后，进行数据存储操作。数据存储完毕后，系统进入休眠状态。在侵彻实验结束后回收弹丸，取出测试系统装置，通过通信接口读出数据，进行数据处理。测试系统组成框图如图2。

2 系统硬件电路设计

2.1 信号调理模块

本系统采用的ICP传感器主要参数如表1所示。

表1 ICP传感器主要参数

由表1可知传感器供电电压为20～30 V，输出电压为±5 V，而A/D采集口电压范围为0～3.3 V，电池供电电压为10 V，因此必须经过电压调理才能使传感器正常工作并使输出信号的电压范围与A/D采集模块相匹配。信号调理模块主要包括升压、恒流源激励、稳压放大、电压跟随4个部分。图3为信号调理电路原理图。

考虑到在弹丸侵彻过程中电池存在损坏的可能性，在电池输入处接入一个大电容存储备用电量，以保证完整采集整个侵彻过程中的过载数据。电容的容值为

(1)

式中：U0为电池总电压(V);I0为系统所需总电流(mA);T为弹丸侵彻所需时间(ms);U1为系统正常工作所需最低电压(V)。

令U0=10 V，I0=80 mA，U1=7.4 V，结合弹丸侵彻仿真结果T=3.2 ms，计算得到C1=99 μF。加入设计余量将容值翻倍，最终选取C1=220 μF。用整流二极管提供恒压恒流输出，由于ICP传感器的供电线缆与输出线缆相同，输出信号中耦合着恒流源的直流偏置信号，需要去除信号中的直流分量得到交流分量。在ICP传感器输出处加入电容C2，利用电容的“隔直流通交流”的特性即可实现。另外，传感器输出的电压为±5 V，通过稳压放大和电压跟随电路适当分压，以满足A/D采集口的电压范围要求。具体实现如图3所示，根据电压叠加原理，可以得到：

(2)

进而得到：

(3)

取R2=R3，R5=3R4，U2=14 V，UICP+=±5 V，则Uadc1的范围为0.25～3 V。Uadc1的最大值仅在过载10万g时达到。因此，输出电压满足A/D采集口的电压要求。

2.2 测试系统触发方式设计

本测试系统的数据采集流程设计主要考虑两个方面。一方面，若直接从系统上电就开始采集数据，极有可能在弹丸发射前的准备过程中，Flash存储空间就已存满，系统进入休眠状态；另一方面，测试系统安装在弹体内部，无法从外部提供触发信号，只能从软件上实现内部触发。考虑到火炮发射过程中膛内的恶劣环境对信号的干扰，采用多次比较阈值的方式实现内触发。

基本思路如图4所示，系统在上电后先进行循环采样，将测得的过载信号值与设定的触发阈值进行比较，当采样值连续4次均大于设定的触发值时，程序判定满足触发条件，系统由循环采样状态进入顺序采样存储状态。当Flash芯片存满后，系统进入休眠状态，等待读数。

整个系统的存储序列如图5所示，程序在系统内部事先开辟一大一小两个缓存数组，分别为b(n)、a(n)。小数组a(n)用于循环采样，大数组b(n)用于顺序采样。系统处于循环采样时，程序将采集的数据从a1到an依次存储，当存到数组a(n)末尾时，新采集的数据重新从头开始进行覆盖存储，等待触发信号来临。当数组中ak～ak+3连续4个数均大于触发阈值后，程序判断触发信号有效，由循环采样进入顺序采样。系统处于顺序采样时，此时采集的数据都为有效数据，直接依次存入数组b(n)中，一直到数组b(n)存满。最后，程序集中将数组a(n)、b(n)中的数据写入Flash存储芯片中。

此触发方式保证了测试系统在上电到电池电量耗尽这段时间内都处于正常工作状态。存储数据的拼接方式如图6所示，可以发现数组a(n)中还记录了一部分触发点前的信号数据，最大限度地还原了弹丸整个过程中的过载变化情况，保证了数据的准确性和完整性，分析结果可信度高。

3 低成本和可循环设计

整个测试系统的组装结构如图7所示。整体尺寸为Φ32 mm×80 mm，结构简单，加工难度低，安装方便快捷。两块小型电路板通过支承架安装于壳体内部，ICP传感器通过螺纹与壳体连接。考虑到电池容量有限且方便更换，将电池舱与电路测量部分分开灌封。因此，只需更换电池舱就可使此测试系统重新工作，从而达到循环使用的目的。

4 实验验证

4.1 抗过载性能验证

为了检验此系统的连续抗冲击能力，使用马歇特锤冲击装置对整个测试装置进行了连续冲击试验。马歇特锤冲击装置实物如图8所示。整个装置可产生最大值44 000 g的冲击加速度。

试验前将测试装置安装于仿弹丸壳体内部，仿弹丸壳体通过螺纹连接在锤杆上。试验时先将测试系统接通电源，使其处于正常工作状态，然后按照所设计的冲击方向固定在锤头上，将锤杆升至较大摆角直至满量程连续冲击数次后，取下测试系统检查其工作状态是否正常。经过5次连续冲击后，此测试系统上下电功能、工作状态、读数功能均正常，说明具备连续多次抗高过载能力，满足可重复使用要求。

4.2 过载采集测试

为了检验此测试系统能否正常采集过载数据，把带有传感器的测试系统同样固定在落锤上，抬升锤杆至7 000 g刻度处释放。结束后取出测试系统，根据读出的数据绘制的曲线图如图9所示。

结合采集数据和图9可以得到，测试系统测得的过载峰值为6 992 g，脉宽为300 μs左右。波形和峰值脉宽都符合马歇特锤的过载响应特性，而实际弹丸过载的脉宽为毫秒级，证明了此测试系统能够满足采集弹丸侵彻过程中的过载的要求。

5 结论

本文对落锤试验测得的数据进行处理，分析得测试系统有效获取并还原了马歇特锤的过载变化情况。此测试系统体积小且可重复使用，但目前只经过实验室测试验证，考虑到在弹丸实际发射、与目标作用等过程中，其环境和情况会更恶劣更复杂，本系统还需进一步实弹检验。