CN109916240B - 一种埋头弹冲击挤进过程研究用模拟弹丸测速系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种埋头弹冲击挤进过程研究用模拟弹丸测速系统，包括模拟弹丸和加速度测量模块，加速度测量模块固定在模拟弹丸的内部，包括电源电路、加速度传感器、信号调理电路、处理器和Flash；所述模拟弹丸与埋头弹外形、尺寸、重心、质量一致，且具有保护加速度测量模块的功能，所述电源电路为加速度测量模块其余电路提供所需直流电，加速度传感器采集模拟弹丸冲击挤进过程中的加速度模拟信号，加速度模拟信号通过信号调理电路后，将加速度数字信号发送至处理器，并将数据存储到Flash。本发明提供了一种埋头弹冲击挤进过程研究的完整测速系统，具有完全等效、可回收、可靠性高、高g值测量等优点，可对冲击挤进过程中的小信号进行高精度测量。

Description

一种埋头弹冲击挤进过程研究用模拟弹丸测速系统

技术领域

本发明属于弹丸冲击挤进过程技术领域，具体涉及一种埋头弹冲击挤进过程研究用模拟弹丸测速系统。

背景技术

埋头弹是将弹丸全部缩在药筒内，整体呈简单圆柱体或其他较规则形状的一种特殊结构弹药。相对于相同口径的常规弹药而言，埋头弹体积小，重量轻，总体性能好。对于中小口径的自动火炮系统，使用埋头弹会大大缩短全弹长和送弹距离，减少供弹循环时间，从而在提高射速的同时，节省了约的弹药存空间，增加了火炮系统的弹药携带量。由于埋头弹装药结构简单规则，可运用旋转闭锁新原理，有效减少闭锁撞击，使供弹机的结构紧凑，简化了设计。此外，埋头弹火炮系统能在不改变原有炮塔尺寸的条件下换装较大口径的弹药系统，所采用的旋转药室能在缩小火炮系统总体尺寸的条件下提高战斗威力和装甲武器的生存能力。

衡量火炮武器系统先进性的主要指标是内弹道的先进性，而內弹道过程是一个伴随着能量转化的复杂物理化学过程，具有高温、高压、高速及持续时间短等特点，同时伴随有剧烈的震动和冲击，因此，对内弹道过程的速度检测系统有很高的要求。而且，埋头弹冲击挤进过程发生在弹管内部，短时加速度很高，且弹丸发射多伴随烟尘，常用的光学、多普勒效应等测量方式难以应用或测量误差大，此外，实际的埋头弹弹丸内部空间极其狭小，弹载式测量装置无法内置，也不能为测量系统提供充分的保护，这些特点给冲击挤进过程的研究带来了很大的困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种埋头弹冲击挤进过程研究用模拟弹丸测速系统，针对埋头弹内部空间不足以及冲击挤进过程特性，设计完整的模拟弹丸测量系统，以较准确、方便地对冲积挤进过程的加速度进行测量。

本发明采用以下技术方案：

一种埋头弹冲击挤进过程研究用模拟弹丸测速系统，包括模拟弹丸和加速度测量模块，加速度测量模块设置在模拟弹丸的内部，包括电源电路、加速度传感器、信号调理电路、处理器和Flash；电源电路分别与加速度传感器、信号调理电路、处理器、Flash以及串行接口电路连接提供所需直流电，加速度传感器采集模拟弹丸冲击挤进过程中的加速度模拟信号，加速度模拟信号通过信号调理电路后，将加速度数字信号发送至处理器，并将数据存储到Flash中用于进行测速分析。

具体的，信号调理电路包括四电阻差分放大电路、双端低通滤波电路以及16位模数转换器，四电阻差分放大电路增益可调，用于将加速度传感器输出的单端电压信号转换为差分电压信号，双端低通滤波电路对差分信号进行滤波后与16位模数转换器连接，对加速度传感器输出的小电压信号进行测量。

进一步的，加速度传感器的电压信号输出端通过电阻R3与ADA4940型全差分放大器的第8引脚连接，将单端信号转换为差分信号；ADA4940型全差分放大器的第5引脚经电阻R5与第8引脚连接，ADA4940型全差分放大器的第4引脚经电阻R2分两路，一路与第1引脚连接，另一路经电阻R6接GND；差分信号经过双端RC一阶低通滤波回路滤波后输入到AD7915型差分ADC，将模拟信号转换为数字信号。

更进一步的，AD7915型差分ADC第6、7、8引脚分别与MSP430F149处理器的一组SPI通信功能引脚连接，处理器的另一组SPI通信功能引脚与Flash存储器第1、2、5、6引脚连接。

具体的，加速度传感器采用1C109型电容式加速度传感器。

具体的，电源电路采用AMS1117芯片，能够提供2.5V、3.3V和5.0V电压。

具体的，处理器采用MSP430F149芯片，处理器上电后，通过与加速度传感器设定阈值的比较确定数据存储到Flash的初始时间，存储开始后开始计时，到达存储时间进入低功耗模式，等待被回收。

具体的，加速度测量模块还设置有串行接口电路，处理器提供串行接口电路与PC端连接，用于将采集的数据读取到PC端，电源电路与串行接口电路连接用于供电。

具体的，模拟弹丸包括弹体、弹芯、弹带和尾翼，弹体设置在弹芯的前端，尾翼设置在弹芯的后端，加速度测量装置设置在弹体内，一端与弹芯连接，弹体的前端壁薄，内部为中空结构，后端壁厚。

进一步的，模拟弹丸的外形、尺寸、重心、质量均与埋头弹相同。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明提供一种埋头弹冲击挤进过程研究用模拟弹丸测速系统，将加速度测量模块设置在模拟弹丸的内部，加速度传感器采集模拟弹丸冲击挤进过程中的加速度模拟信号，加速度模拟信号通过信号调理电路后，将加速度数字信号发送至处理器，并将数据存储到Flash中用于进行测速分析，系统实现了对埋头弹弹丸的完全等效，可以对加速度传感器的小电压信号进行准确、高精度采集，且对加速度采集模块提供充足的保护，以供回收利用，综合考虑弹丸和测速装置，为埋头弹冲击挤进过程研究提供了很好的解决办法。

进一步的，加速度测量模块采用四电阻差分放大电路和16位模数转换器，可以有效抑制零点偏移和共模信号，放大差模信号，高精度采集加速度传感器的小电压信号。

进一步的，1C109型电容式加速度传感器用于采集冲击挤进过程中的加速度，传感器测量范围为±10000g，可耐±20000g的冲击，供电电压为3-7V直流电，具有大量程、低供电电压、高灵敏度等优点。

进一步的，采用AMS1117系列稳压器芯片对加速度测量模块中其余芯片进行供电，可提供2.5V、3.3V、5.0V三种稳定的直流电压，AMS1117系列稳压器芯片性能稳定、使用简单、成本低。

进一步的，处理器采用MSP430F149芯片，用于控制模数转换器和Flash以及Flash与PC端之间的数据传输，可以对数据进行高速地读写，同时低功耗性能优越，能降低系统功耗。

进一步的，通过设置串行接口电路，能够实现与PC端连接，用于回收后的实验分析，保证数据的后续分析处理。

进一步的，弹体的前端壁薄，内部为中空结构，后端壁厚，模拟弹丸内部空间大，可供内置加速度测量装置，并对加速度测量装置具有很好的保护作用，可以对其进行回收，并重复使用，对其他测量装置具有通用性。

进一步的，本发明的模拟弹丸与真实埋头弹完全等效，外形、尺寸、重心、质量均保持一致，实现与埋头弹的完全等效，确保模拟弹丸发射过程中与实际效果一致。

综上所述，本发明具有完全等效、可回收、可靠性高、高g值测量等优点，可对冲击挤进过程中的小信号进行高精度测量。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明模拟弹丸结构示意图；

图2为本发明加速度测量模块原理图；

图3为本发明加速度测量模块的信号调理电路结构示意图；

图4为本发明加速度测量模块的测试结果示意图。

其中：1.弹体；2.尾翼；3.弹带；4.弹芯；5.加速度测量模块。

具体实施方式

本发明一种埋头弹冲击挤进过程研究用模拟弹丸测速系统，包括模拟弹丸和加速度测量模块5，模拟弹丸与埋头弹外形、尺寸、重心、质量保持一致，实现与埋头弹的完全等效，且对整体结构进行优化，可以内置并最大限度保护加速度测量模块，以供回收利用；在对电源电路、加速度传感器、信号调理电路、处理器、Flash以及串行接口电路进行封装处理后，将整个加速度测量模块内置到模拟弹丸内部，最后，对模拟弹丸进行回收处理，将数据传输到PC端进行分析处理，可以得到冲击挤进过程中速度变化曲线，从而达到较为方便、准确地对埋头弹冲击挤进过程进行分析的目的，整个系统较为简单，具有很强的实用性。

请参阅图2，加速度测量模块5包括电源电路、加速度传感器、信号调理电路、处理器、Flash以及串行接口电路；

电源电路为其余电路提供不同电压的直流电，加速度传感器采集模拟弹丸冲击挤进过程加速度模拟信号，模拟信号通过信号调理电路后，将加速度模拟信号转化为差分信号并转换为数字信号，在处理器控制下，将数据存储到Flash中，回收后，通过串行接口电路将数据读取到PC端。

电源电路主要采用AMS1117系列芯片，可以提供2.5V、3.3V、5.0V三种电压，并通过二极管对电源电路进行保护，为其余电路提供稳定的直流电压；

加速度传感器采用1C109型电容式加速度传感器，用于采集加速度模拟信号，具有大量程、高灵敏度、较宽频率范围、低供电电压等优点，测量范围为±10000g，可耐±20000g的冲击，用于采集模拟弹丸冲击挤进过程加速度模拟信号；

信号调理电路包括四电阻差分放大电路、双端低通滤波电路以及16位模数转换器，四电阻差分放大电路增益可调，将加速度传感器输出的单端电压信号转换为差分电压信号，双端低通滤波电路对差分信号进行滤波后与16位模数转换器连接，对加速度传感器输出的小电压信号进行准确、高精度测量。

请参阅图3，信号调理电路由ADA4940型差分放大器、AD7915型差分ADC以及低通滤波电路构成，加速度传感器采集到的加速度电压信号与ADA4940型差分放大器信号输入端连接，并转换为差分信号通过低通滤波电路与AD7915型差分ADC信号输入端连接，将加速度模拟信号转化为数字信号；

加速度传感器电压信号输出端与通过电阻与ADA4940型全差分放大器第8引脚连接，将单端信号转换为差分信号，可有效提高系统的抗干扰能力，与ADA型全差分放大器相连接的4个电阻决定放大器的增益，可通过调节电阻值的大下设置增益值，差分信号经过双端RC一阶低通滤波回路滤波后输入到AD7915型差分ADC，将模拟信号转换为数字信号，AD7915型差分ADC第6、7、8引脚为与MSP430F149处理器一组SPI通信功能引脚连接，处理器另一组SPI通信功能引脚与Flash存储器第1、2、5、6引脚连接，SPI通信过程受处理器控制，可实现数据的高速传输，第3引脚一路经电阻R1接输出，另一路经电容C1接GND；第4引脚一路经电阻R4接输出，另一路经电容C2接GND；为保证Flash存储空间足够，处理器上电后，通过与加速度设定阈值的比较确定数据存储到Flash的初始时间，存储开始后开始计时，到达存储时间进入低功耗模式，停止加速度信号的采集存储，等待被回收，经计算，在设定存储时间范围内，能够保证Flash存储空间足够，此外，能够很大程度上降低加速度采集模块的功耗，缩小供电电池的体积，进而减小该模块的尺寸。

处理器采用MSP430F149，分别与AD7915型差分ADC、Flash以及串行接口电路连接，控制AD与Flash之间的数据传输以及串行接口电路与PC的数据传输，Flash主要用于数据存储，处理器上电后，通过与加速度设定阈值的比较确定数据存储到Flash的初始时间，存储开始后开始计时，到达存储时间进入低功耗模式，等待被回收。

请参阅图1，模拟弹丸包括弹体1、弹芯4、弹带3、尾翼2，弹体1和弹芯4通过螺纹连接，加速度测量装置5设置在弹体1的后端，一端固定在弹芯4上，弹芯4和尾翼2通过螺纹连接，弹带3和弹体1通过卡槽固定，弹芯4与弹体1连接位置中心处开M5螺纹槽，其中，弹体1和尾翼2使用45#钢材，弹芯4使用6063-T6铝合金材料，弹带3使用PA 6材料，其外形、尺寸、重心、质量均与真实埋头弹保持一致，与真实埋头弹完全等效；确保模拟弹丸发射过程中与实际效果一致；

模拟弹丸的弹体1作为飞行过程中的负荷载体，承受回收时模拟弹丸遇到的冲击力，弹体1分为前、后两部分，前面部分壁厚较薄，后面部分壁厚较厚，弹体1前端由于壁厚较薄，内部有一定的空间，起到吸能盒的作用，吸收冲击过程大部分能量，弹体1后端壁厚较厚，对加速度测量装置5起到有效的保护作用，弹体1前端和后端存在明显的分界点，分界点是应力集中点，对弹丸后端起到保护作用。并且弹体1前端和后端存在明显的分界点，弹体1受到冲击力后，分界点将会成为应力较为集中的位置，因此会更易损坏，避免将过多的冲击力传输到弹体1的后端，确保内置的加速度测量装置5的回收利用，从而保证数据的后续分析处理，并有效降低成本。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

请参阅图4，横轴为加速度采集时间，纵轴为加速度值，测试时设置加速度阈值为2000g，加速度信号采集时间为0.1s，外部直流源模拟加速度信号，通过调节直流源电压值来测试加速度测量装置5功能实现情况，加速度测量装置5传输至PC端的数据为双字节16进制数字量，通过MATLAB软件将数字量转换为对应的加速度值拟合出加速度值(G)-时间(t)的曲线。可以看出，加速度测量装置5在加速度值达到2000g后开始采集，且计时开始，0.1s后结束，测试结果符合设计要求。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种埋头弹冲击挤进过程研究用模拟弹丸测速系统，其特征在于，包括模拟弹丸和加速度测量模块(5)，加速度测量模块(5)设置在模拟弹丸的内部，加速度测量模块(5)包括电源电路、加速度传感器、信号调理电路、处理器和Flash存储器；电源电路分别与加速度传感器、信号调理电路、处理器、Flash存储器以及串行接口电路连接提供所需直流电，加速度传感器采集模拟弹丸冲击挤进过程中的加速度模拟信号，加速度模拟信号通过信号调理电路后，将加速度数字信号发送至处理器，并将数据存储到Flash存储器中用于进行测速分析，信号调理电路包括四电阻差分放大电路、双端低通滤波电路以及16位模数转换器，四电阻差分放大电路增益可调，用于将加速度传感器输出的单端电压信号转换为差分电压信号，双端低通滤波电路对差分信号进行滤波后与16位模数转换器连接，对加速度传感器输出的小电压信号进行测量。

2.根据权利要求1所述的埋头弹冲击挤进过程研究用模拟弹丸测速系统，其特征在于，加速度传感器的电压信号输出端通过电阻R3与ADA4940型全差分放大器的第8引脚连接，将单端信号转换为差分信号；ADA4940型全差分放大器的第5引脚经电阻R5与第8引脚连接，ADA4940型全差分放大器的第4引脚经电阻R2分两路，一路与第1引脚连接，另一路经电阻R6接GND；差分信号经过双端RC一阶低通滤波回路滤波后输入到AD7915型差分ADC，将模拟信号转换为数字信号。

3.根据权利要求2所述的埋头弹冲击挤进过程研究用模拟弹丸测速系统，其特征在于，AD7915型差分ADC的第6、7、8引脚分别与MSP430F149处理器的一组SPI通信功能引脚连接，处理器的另一组SPI通信功能引脚与Flash存储器的第1、2、5、6引脚连接。

4.根据权利要求1所述的埋头弹冲击挤进过程研究用模拟弹丸测速系统，其特征在于，加速度传感器采用1C109型电容式加速度传感器。

5.根据权利要求1所述的埋头弹冲击挤进过程研究用模拟弹丸测速系统，其特征在于，电源电路采用AMS1117芯片，能够提供2.5V、3.3V和5.0V电压。

6.根据权利要求1所述的埋头弹冲击挤进过程研究用模拟弹丸测速系统，其特征在于，处理器采用MSP430F149芯片，处理器上电后，通过与加速度传感器设定阈值的比较确定数据存储到Flash的初始时间，存储开始后开始计时，到达存储时间进入低功耗模式，等待被回收。

7.根据权利要求1所述的埋头弹冲击挤进过程研究用模拟弹丸测速系统，其特征在于，加速度测量模块(5)还设置有串行接口电路，处理器提供串行接口电路与PC端连接，用于将采集的数据读取到PC端，电源电路与串行接口电路连接用于供电。

8.根据权利要求1所述的埋头弹冲击挤进过程研究用模拟弹丸测速系统，其特征在于，模拟弹丸包括弹体(1)、弹芯(4)、弹带(3)和尾翼(2)，弹体(1)设置在弹芯(4)的前端，尾翼(2)设置在弹芯(4)的后端，加速度测量模块(5)设置在弹体(1)内，一端与弹芯(4)连接，弹体(1)的前端壁薄，内部为中空结构，后端壁厚。

9.根据权利要求8所述的埋头弹冲击挤进过程研究用模拟弹丸测速系统，其特征在于，模拟弹丸的外形、尺寸、重心、质量均与埋头弹相同。

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