基于激光技术测量气炮中弹体的飞行速度

　　0　引　言

　　气炮作为一种动力学实验模拟装置,可广泛用于研究物体撞击问题。对于物体之间的撞击研究,已越来越受到人们的重视。例如,汽车的安全极限、生物体的生理和心理损伤、材料的结构响应等。在不同撞击速度下,物体会出现凹陷、嵌入、断裂和穿洞等不同的现象和效应。因而,气炮中弹体或飞片(以后简称弹体)的飞行速度,特别是击中靶体的速度是衡量气炮性能和研究靶体力学效应的一项重要指标。

　　测量气炮中弹体的飞行速度,主要有金属探针法、电磁法和激光测速法。它们的基本原理都是通过测量弹体到达不同测点的时间,再用公式v=s/t计算弹体的飞行速度,但以上3种技术在工程实现过程中有较大差别。金属探针法是较早使用的一种技术,属于接触式测量。在每次实验中必须更换新探针,消耗人力物力,实验效率低,特别是每次实验探针的贴放对实验的重复性影响很大。由于是接触式测量,故准确性低。电磁法是一种非接触性测量,但在实际应用中仍存在许多不足。首先它要求在靶区附近建立一个恒定的磁场,而产生磁场的装置一般都比较笨重;其次对靶体和弹体有特殊要求。例如要求靶体为非金属材料,而弹体必须为良磁导体,这就限制了它的应用范围。激光测速法为非接触性测量,具有系统稳定,测量精度高,测速范围大,抗干扰能力强等特点。传统测量系统由He-Ne激光器、光敏管、专用电源、记录示波器或动态记录仪等组成。

　　系统所用设备较多,维护和使用不便,整个测量系统成本偏高。这里提出一种以半导体激光器、光敏管和专用时间间隔测量芯片为核心的激光测量系统,其结构简单,操作方便,体积小,性价比高。

　　1　半导体激光器-光敏二极管测速的基本原理

　　1.1　半导体激光器工作原理

　　半导体激光器体积小,功耗低,性价比高,抗干扰能力强,采用它和光敏二极管组成的测量系统具有非接触测量、响应速度快和准确可靠等特点。

　　实际半导体激光器是一个激光二极管-光敏二极管(LD-PD)结构。为实现可靠稳定的工作,半导体激光器包含一个PD,它可产生一个正比于激光束强度的电流,可以通过跟踪激光管光功率的变化控制激光器的激光束强度电流。图1中的电路是实际用于控制可见激光管输出恒定的平均光功率。电阻R5将光电管PD的输出电流转换为一定幅度的电压,加到由放大器组成的积分器的反向输入端。积分器电容C1使输出平滑,并阻止反馈回路受到影响。积分器的泄放电阻R4是为了保证在增加和减小激光器输出的平均光功率时进行补偿。R5上产生的电压与R1和R2对Vref的分压(该分压电压可以通过R1与R2的值选择进行调整)相比较,经A1产生一个误差信号。该信号通过调整Q1的导通状态,调节流过激光器LD的电流,以达到控制激光器LD输出光功率的目的。