基于压电式加速度计的弹丸初速存储测试系统

　　弹道修正引信不仅具有传统引信系统的保证弹药安全和控制战斗部起爆的功能,还具有实时感知及辨识弹道环境,据此辨识弹道、预测落点,进而和目标点进行比较,根据偏差形成控制指令控制修正机构的动作,达到修正弹道的目的,以提高传统弹药的射击精度.由于这种方案只需将库存弹药的原引信换为弹道修正引信,就可以将传统弹药进行灵巧化改造,所以国内外开展了弹道修正引信的研制工作[1].弹丸初速散布对弹丸的射击精度有一定影响[2],所以,弹道修正引信模块应具有对弹丸初速的测量功能.在弹道修正引信研制过程中,需要对弹丸　　初速的测量精度进行评估,因此,设计了基于Kis-tler公司的8742A10型压电式冲击加速度传感器的弹丸初速存储测试系统,通过对存储测试系统所测弹丸内弹道加速度值进行积分,求出炮口初速,和靶场测速雷达数据对比,进而对利用加速度积分法测炮口初速的测量精度进行评估.

　　1　系统需求分析

　　由内弹道学可知[3],内弹道过程是一个伴随着能量转化的复杂物理化学过程,内弹道过程具有高温、高压、高速及时间很短的特点,同时伴随着剧烈的冲击与振动,这些都给系统设计和检测精度带来了不同程度的影响.

　　在火炮发射过程中,真实脉冲信号加速度幅值有时会非常高,这对整个测试系统,从传感器、放大器到数据采集系统都是一种非常严峻的挑战,但首当其冲的还是加速度传感器,不管是压电型加速度传感器、压阻型加速度传感器或电容式及其它型式的加速度传感器,都有可能发生故障,其故障模式归结为以下几种:传感器损坏、传感器零漂、非线性、动态性能变差.解决该问题的方法是选用固有频率高、集成度高的加速度传感器,该方法可以在一定程度上抑制真实脉冲效应.

　　弹丸初速是通过对弹丸内弹道加速度积分求得的,而弹丸内弹道加速度的特点是时间短、变化快.所以需要对弹丸加速度进行高速采样,并存储在系统内部,积分后得弹丸初速.引信应用场合的特殊性,又决定了对所设计存储测试系统的要求是:空间体积尽可能小、系统功耗尽可能低.系统采用Kistler公司的8742A10型压电式冲击加速度传感器正是由内弹道的上述特点决定的,具有体积小、量程大、固有频率高、集成度高等优点.

　　2　系统设计方案

　　系统原理结构框图如图2所示,由传感器、信号调理模块、电源模块、AD模块、控制模块、存储器、通信模块七部分构成.传感器选用小体积的Kistler公司的8742A10型压电式冲击加速度传感器(如图1),量程10 000gn;灵敏度0.5 mV/gn;固有频率100kHz;工作温度-55~120℃;非线性误差1%FSO;横向灵敏度1.5%;温度灵敏度系数0.06%/℃;激励电压18~30 V.加速度传感器将加速度信号转化为电荷信号,再由电荷放大器将电荷信号转化为电压信号.电荷放大器实际上是一个具有深度电容负反馈的高增益运算放大器,当放大器开环增益和输入电阻、　反馈电阻足够大时,放大器的输出电压u正比于输入电荷q.由于电荷放大器的输出幅值较小,还需要相应的比例运算电路对其进行放大.AD模块将信号调理模块输出的模拟信号转换为数字信号,控制模块完成对AD模块的控制、存储器的读写操作以及与上位机通信控制.存储器完成数据存储,通信模块完成数据上传功能.