CN108445253B - 基于正交双地磁线圈的高自旋弹丸转速测试装置及方法 - Google Patents

基于正交双地磁线圈的高自旋弹丸转速测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于正交双地磁线圈的高自旋弹丸转速测试装置及方法，涉及弹丸转速测试技术领域，针对测试高自旋弹丸转速的问题，利用相同正交线圈在特殊位置会输出相同的感生电动势的规律，并且输出曲线会依次输出0值点、交点、极值点的特征，设计了一个存储测试系统，可以准确测试高自旋弹丸的转速，为弹丸的研制提供支撑。

Description

基于正交双地磁线圈的高自旋弹丸转速测试装置及方法
技术领域
本发明涉及弹丸转速测试技术领域，特别是涉及基于正交双地磁线圈的高自旋弹丸转速测试装置及方法。
背景技术
弹丸转速的大小关系到弹丸的飞行稳定性、引信或其它构件的解除保险与工作可靠性等。所以，弹丸转速是相关研究和试验人员十分关心的一个运动参量。多年来，国内外研究者投入了很大的精力从事弹丸转速测试研究工作，得到了多种弹丸转速的测试方法，常用的有以下几种：纸靶法、光学高速摄影法、太阳方位传感器法、无线电遥测法、无线电引信信号监测分析法、多普勒雷达测试法等。
纸靶法虽然简单，但纸靶对弹丸的飞行性能有影响，数据处理麻烦，测量精度不高，只能测短路径的转速。光学高速摄影法需要的高速摄影仪价格昂贵，判读工作量大，而且只能测试炮口附近的短路径转速。太阳方位传感器法适用于大口径弹，并且成本和造价较高，还受到天气的制约。无线电遥测法需要在弹上装遥测设备，在地面上使用复杂的遥测地面站设备，尤其是弹载设备要占用被测弹体的较大空间，加工周期长，动用设备多，实验的成本很高。无线电引信信号监测分析法只适用于装有无线电引信的弹丸，在地面需要一套带有天线的无线电引信弹道监测设备，由于受到引信电子头辐射功率的限制，这种方法测试的距离较短，由于炮管的屏蔽作用，这种方法无法测试弹丸在膛内的转速变化情况。由于设备很多，试验成本很高。多普勒雷达测试法需在弹丸底部刻一定深度的沟槽，刻槽容易造成弹丸飞行破裂、失稳及弹道性能下降，不能测量不刻槽弹丸的旋转速度。单地磁线圈法是利用线圈在均匀地磁场中切割磁力线产生周期性变化的感生电动势来工作的，结构简单，体积小，数据处理简单，成本低，是近年来出现的一种弹丸转速测试方法。该方法需要确定零点，即信号输出为0值的时间点，由于输出信号是一个正弦或余弦信号，在一个周期内只有2个0值点，所以只能给出半个周期内的平均转速，不能够细致地刻画转速变化规律。
发明内容
本发明实施例提供了基于正交双地磁线圈的高自旋弹丸转速测试装置及方法，可以解决现有技术中存在的问题。
本发明提供了基于正交双地磁线圈的高自旋弹丸转速测试装置，所述测试装置包括依次电连接的线圈元件、信号调理电路、A/D转换器、触发器、存储器、中心控制器、系统电源管理模块和接口电路，所述线圈元件、信号调理电路、A/D转换器、触发器、存储器、中心控制器、系统电源管理模块和接口电路均固定在铝制的壳体内，壳体安装在待测试的弹丸内部，所述线圈元件包括两个正交的地磁线圈，弹丸飞行时高速自旋，安装在弹丸内部的两个所述地磁线圈切割磁力线产生感生电动势，所述信号调理电路将实时采样的感生电动势信号进行放大、滤波，所述A/D转换器将信号调理电路送来的信号进行模数变换，所述触发器使用冲击开关控制通断，在弹丸发射的高冲击作用下冲击开关闭合，所述存储器将经A/D转换器转换的数字信号值存储在存储器中，所述中心控制器给所述信号调理电路、A/D转换器、存储器发指令，完成信号的定时采样、转换和存储工作，所述系统电源管理模块为各个电子器件提供稳压电源，所述接口电路用于测试完成后将转速测试装置回收，用计算机读取所述存储器中的数据，再进行数据处理，提供弹丸的转速。
优选地，两个所述地磁线圈所用的材质、匝数和形状完全相同。
本发明还提供了基于正交双地磁线圈的高自旋弹丸转速测试方法，所述方法包括以下步骤：
安装测试装置，所述测试装置包括依次电连接的线圈元件、信号调理电路、A/D转换器、触发器、存储器、中心控制器、系统电源管理模块和接口电路，所述线圈元件、信号调理电路、A/D转换器、触发器、存储器、中心控制器、系统电源管理模块和接口电路均固定在铝制的壳体内，壳体安装在待测试的弹丸内部，所述线圈元件包括两个正交的地磁线圈；
所述测试装置放入弹丸时上电，在弹丸发射后开始高速自旋，所述触发器中的冲击开关在弹丸发射的高冲击作用下闭合，所述线圈元件开始采集感生电动势信号，并存储在存储器中；
测试结束后从存储器中读取两条数据曲线，称水平地磁线圈的输出曲线为εx，称竖直地磁线圈的输出曲线为εy，εx和εy幅值相同，相位差90°；
提取εx的0值点所对应的时间T[i]：如εx直接存在0值点，此时T[i]＝pτ，其中p表示整个测试时间序列中的第p个时间点，p≥0且p＝0表示时间的起点，τ表示采样时间；
提取εx和εy的交点所对应的时间T[i+1]：如εx(qτ)和εy(qτ)直接相等，此时T[i+1]＝qτ，其中q表示整个测试时间序列中的第q个时间点且q>0；
提取εx的极值点所对应的时间T[i+2]：对于εx(rτ)，如果diff(sign(diff(εx(rτ))))＝2，则为极大值点，如果diff(sign(diff(εx(rτ))))＝-2，则为极小值点，此时T[i+2]＝rτ，其中r表示整个测试时间序列中的第r个时间点且r>0，diff()表示差分函数，sign()表示符号函数；
找到由所有的εx的0值点、εx和εy的交点、εx的极值点所对应的时间组成的时间序列T[i]，当由εx的0值点转到εx和εy的交点以及由εx和εy的交点转到εx的极值点时，弹丸转过的的角度都是45°，则由平均转速公式n[i]＝7.5/(T[i+1]-T[i])计算转速；当由εx的极值点转到εx的0值点时，弹丸转过的角度是90°，则由平均转速公式n[i]＝15/(T[i+1]-T[i])计算转速，其中n表示转速。
优选地，在提取εx的0值点的时间T[i]时，如由于采样时间的影响导致不存在测试数据为0值的时间点，则利用εx上和0值点最接近的0值点前后两点坐标(pτ,εx(pτ))和((p+1)τ,εx((p+1)τ))，通过线性插值得到εx的0值点所对应的T[i]＝pτ-τεx(pτ)/(εx((p+1)τ)-εx(pτ))。
优选地，在提取εx和εy的交点所对应的时间T[i+1]时，如果不存在直接相等的点，则在εx曲线上的交点前后各找一个和交点最接近的点(qτ,εx(qτ))和((q+1)τ,εx((q+1)τ))，连成一条直线；在εy曲线上的交点前后各找一个和交点最接近的点(qτ,εy(qτ))和((q+1)τ,εy((q+1)τ))，连成一条直线，然后求出两条直线的交点坐标，其横坐标近似认为εx和εy的交点所对应的时间T[i+1]＝qτ+τ(εx(qτ)-εy(qτ))/(εy((q+1)τ)-εy(qτ)-εx((q+1)τ)+εx(qτ))。
本发明实施例中的基于正交双地磁线圈的高自旋弹丸转速测试装置及方法，针对测试高自旋弹丸转速的问题，利用相同正交线圈在特殊位置会输出相同的感生电动势的规律，并且输出曲线会依次输出0值点、交点、极值点的特征，设计了一个存储测试系统，可以准确测试高自旋弹丸的转速，为弹丸的研制提供支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于正交双地磁线圈的高自旋弹丸转速测试装置的结构框图；
图2为图1中线圈元件的结构示意图；
图3为图2中两个地磁线圈输出的感生电动势的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1、图2和图3，本发明实施例中提供了基于正交双地磁线圈的高自旋弹丸转速测试装置，该装置包括依次电连接的线圈元件、信号调理电路、A/D转换器、触发器、存储器、中心控制器、系统电源管理模块和接口电路，如图1所示，所述线圈元件、信号调理电路、A/D转换器、触发器、存储器、中心控制器、系统电源管理模块和接口电路均固定在铝制的壳体内，壳体安装在待测试的弹丸内部。所述线圈元件包括两个正交的地磁线圈，该两个地磁线圈所用的材质、匝数和形状完全相同，如图2所示。弹丸在飞行时，由于其飞行区域有限，通常认为其飞行区域内的地磁场是不变的。弹丸飞行时高速自旋，安装在弹丸内部的两个地磁线圈切割磁力线产生感生电动势，测试装置采集地磁线圈输出的感生电动势信号，并存储在存储器中。如图3所示，输出的两条曲线变化规律相同，即幅值相同频率相同，只是相位相差90°。
图3中两条曲线分别表示图2中水平地磁线圈和竖直地磁线圈输出的感生电动势。水平地磁线圈的感生电动势曲线从第一个0值点开始，转过45°出现和竖直地磁线圈的感生电动势曲线的交点，再转过45°出现极小值点，再转过90°出现又一个0值点，再转过45°出现和竖直地磁线圈的感生电动势曲线的交点，再转过45°出现极大值点，再转过90°出现又一个0值点，完成一个周期，周而复始。利用曲线表现出来的规律，将以上各个0值点、交点、极值点出现的时间用一个时间序列T[i](i≥1)依次记录，当由水平地磁线圈的0值点转到两条曲线的交点以及由两条曲线的交点转到水平地磁线圈的极值点时，弹丸转过的的角度都是45°，由平均转速公式n[i]＝7.5/(T[i+1]-T[i])计算转速；当由水平地磁线圈的极值点转到水平地磁线圈的0值点时，弹丸转过的角度是90°，由平均转速公式n[i]＝15/(T[i+1]-T[i])计算转速，可以更为细致地刻画出转速的变化规律。
基于相同的发明构思，本发明还提供了基于正交双地磁线圈的高自旋弹丸转速测试方法，该方法实施基于上述装置，重复之处不再赘述，所述方法包括以下步骤：
步骤1，安装测试装置，测试装置中的水平地磁线圈位置至于水平位置；
步骤2，弹丸发射同时触发器开始采集地磁线圈产生的感生电动势信号，并存储在存储器中；
步骤3，测试结束后从存储器中读取两条数据曲线，称水平地磁线圈的输出曲线为εx，称竖直地磁线圈的输出曲线为εy，εx和εy幅值相同，相位差90°；
步骤4，提取εx的0值点所对应的时间T[i]：如εx直接存在0值点，此时T[i]＝pτ，其中p(p≥0,p＝0表示时间的起点)表示整个测试时间序列中的第p个时间点，τ表示采样时间；如由于采样时间的影响导致不存在测试数据为0值的时间点，则利用εx上和0值点最接近的0值点前后两点坐标(pτ,εx(pτ))和((p+1)τ,εx((p+1)τ))，通过线性插值得到T[i]＝pτ-τεx(pτ)/(εx((p+1)τ)-εx(pτ))；
步骤5，提取εx和εy的交点所对应的时间T[i+1]：如εx(qτ)和εy(qτ)直接相等，此时T[i+1]＝qτ，其中q(q>0)表示整个测试时间序列中的第q个时间点；如果不存在直接相等的点，则在εx曲线上的交点前后各找一个和交点最接近的点(qτ,εx(qτ))和((q+1)τ,εx((q+1)τ))，连成一条直线；在εy曲线上的交点前后各找一个和交点最接近的点(qτ,εy(qτ))和((q+1)τ,εy((q+1)τ))，连成一条直线，然后求出两条直线的交点坐标，其横坐标可近似认为εx和εy的交点所对应的时间T[i+1]＝qτ+τ(εx(qτ)-εy(qτ))/(εy((q+1)τ)-εy(qτ)-εx((q+1)τ)+εx(qτ))。
步骤6，提取εx的极值点所对应的时间T[i+2]：对于εx(rτ)，如果diff(sign(diff(εx(rτ))))＝2，则为极大值点，如果diff(sign(diff(εx(rτ))))＝-2，则为极小值点，此时T[i+2]＝rτ，其中r(r>0)表示整个测试时间序列中的第r个时间点。
步骤7，找到由所有的εx的0值点、εx和εy的交点、εx的极值点所对应时间组成的时间序列T[i]，当由εx的0值点转到εx和εy的交点以及由εx和εy的交点转到εx的极值点时，弹丸转过的的角度都是45°，由平均转速公式n[i]＝7.5/(T[i+1]-T[i])计算转速；当由εx的极值点转到εx的0值点时，弹丸转过的角度是90°，由平均转速公式n[i]＝15/(T[i+1]-T[i])计算转速。
实验说明
在设定每分钟600转的转台上得到一条实验曲线，采样频率为1K，采样时间τ＝0.001，利用上述的测试装置及方法，在一个周期内，提取到的在εx曲线上的0值点前后的点为(0.001,1.006e-5)和(0.002,-8.04e-5)；在εx曲线上交点前后的点为(0.0013,-0.000979)和(0.014,-0.001044),在εy曲线上交点前后的点为(0.013,-0.00106)和(0.014,-0.00099)；极值点为(0.026,-0.001441)；在εx曲线上0值点前后的点为(0.051,-1.01e-5)和(0.052,8.045e-5),在εx曲线上交点前后的点为(0.063,0.0009792)和(0.064,0.0010436),在εy曲线上交点前后的点为(0.063,0.001057)和(0.064,0.000994),极值点为(0.076,0.0014411)；在εx曲线上0值点前后的点为(0.101,1.006e-5)和(0.102,-8.04e-5),得到的时间序列为T[i]＝[0.001111,0.013611,0.026,0.05111,0.063611,0.076,0.10111,...]，由转速公式n[i]＝7.5/(T[i+1]-T[i])及n[i]＝15/(T[i+1]-T[i])，可得到转速n随时间的变化规律为n[i]＝[600.0,605.4,597.3,600.0,605.4,597.3,...]，最大误差为0.897％。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.基于正交双地磁线圈的高自旋弹丸转速测试装置，其特征在于，所述测试装置包括依次电连接的线圈元件、信号调理电路、A/D转换器、触发器、存储器、中心控制器、系统电源管理模块和接口电路，所述线圈元件、信号调理电路、A/D转换器、触发器、存储器、中心控制器、系统电源管理模块和接口电路均固定在铝制的壳体内，壳体安装在待测试的弹丸内部，所述线圈元件包括两个正交的地磁线圈，所述测试装置放入弹丸时上电，在弹丸发射后开始高速自旋，安装在弹丸内部的两个所述地磁线圈切割磁力线产生感生电动势，所述信号调理电路将实时采样的感生电动势信号进行放大、滤波，所述A/D转换器将信号调理电路送来的信号进行模数变换，所述触发器使用冲击开关控制通断，在弹丸发射的高冲击作用下冲击开关闭合，所述存储器将经A/D转换器转换的数字信号值存储在存储器中，所述中心控制器给所述信号调理电路、A/D转换器、存储器发指令，完成信号的定时采样、转换和存储工作，所述系统电源管理模块为各个电子器件提供稳压电源，所述接口电路用于测试完成后将转速测试装置回收，用计算机读取所述存储器中的数据，再进行数据处理，提供弹丸的转速。
2.如权利要求1所述的基于正交双地磁线圈的高自旋弹丸转速测试装置，其特征在于，两个所述地磁线圈所用的材质、匝数和形状完全相同。
3.基于正交双地磁线圈的高自旋弹丸转速测试方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
安装测试装置，所述测试装置包括依次电连接的线圈元件、信号调理电路、A/D转换器、触发器、存储器、中心控制器、系统电源管理模块和接口电路，所述线圈元件、信号调理电路、A/D转换器、触发器、存储器、中心控制器、系统电源管理模块和接口电路均固定在铝制的壳体内，壳体安装在待测试的弹丸内部，所述线圈元件包括两个正交的地磁线圈；
所述测试装置放入弹丸时上电，在弹丸发射后开始高速自旋，所述触发器中的冲击开关在弹丸发射的高冲击作用下闭合，所述线圈元件开始采集感生电动势信号，并存储在存储器中；
测试结束后从存储器中读取两条数据曲线，称水平地磁线圈的输出曲线为εx，称竖直地磁线圈的输出曲线为εy，εx和εy幅值相同，相位差90°；
提取εx的0值点所对应的时间T[i]：如εx直接存在0值点，此时T[i]＝pτ，其中p表示整个测试时间序列中的第p个时间点，p≥0且p＝0表示时间的起点，τ表示采样时间；
提取εx和εy的交点所对应的时间T[i+1]：如εx(qτ)和εy(qτ)直接相等，此时T[i+1]＝qτ，其中q表示整个测试时间序列中的第q个时间点且q＞0；
提取εx的极值点所对应的时间T[i+2]：对于εx(rτ)，如果diff(sign(diff(εx(rτ))))＝2，则为极大值点，如果diff(sign(diff(εx(rτ))))＝-2，则为极小值点，此时T[i+2]＝rτ，其中r表示整个测试时间序列中的第r个时间点且r＞0，diff()表示差分函数，sign()表示符号函数；
找到由所有的εx的0值点、εx和εy的交点、εx的极值点所对应的时间组成的时间序列T[i]，当由εx的0值点转到εx和εy的交点以及由εx和εy的交点转到εx的极值点时，弹丸转过的角度都是45°，则由平均转速公式n[i]＝7.5/(T[i+1]-T[i])计算转速；当由εx的极值点转到εx的0值点时，弹丸转过的角度是90°，则由平均转速公式n[i]＝15/(T[i+1]-T[i])计算转速，其中n表示转速。
4.如权利要求3所述的基于正交双地磁线圈的高自旋弹丸转速测试方法，其特征在于，在提取εx的0值点的时间T[i]时，如由于采样时间的影响导致不存在测试数据为0值的时间点，则利用εx上和0值点最接近的0值点前后两点坐标(pτ，εx(pτ))和((p+1)τ，εx((p+1)τ))，通过线性插值得到εx的0值点所对应的T[i]＝pτ-τεx(pτ)/(εx((p+1)τ)-εx(pτ))。
5.如权利要求3所述的基于正交双地磁线圈的高自旋弹丸转速测试方法，其特征在于，在提取εx和εy的交点所对应的时间T[i+1]时，如果不存在直接相等的点，则在εx曲线上的交点前后各找一个和交点最接近的点(qτ，εx(qτ))和((q+1)τ，εx((q+1)τ))，连成一条直线；在εy曲线上的交点前后各找一个和交点最接近的点(qτ，εy(qτ))和((q+1)τ，εy((q+1)τ))，连成一条直线，然后求出两条直线的交点坐标，其横坐标近似认为εx和εy的交点所对应的时间T[i+1]＝qτ+τ(εx(qτ)-εy(qτ))/(εy(q+1)τ)-εy(qτ)-εx((q+1)τ)+εx(qτ))。
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