弹载高g值三轴加速度测试系统技术分析

刘红娟，沈大伟，李新娥*，卓 露

(1.电子测试技术国家重点实验室，太原030051;2.仪器科学与动态测试教育部重点实验室中北大学，太原030051;3.山东特种工业集团有限公司，山东淄博255201)

目前，国内外主要有三种测试膛内加速度的方法，分别是高g值遥测技术、硬线传输技术和动态存储测试技术。硬线传输技术是在弹丸发射过程中，使用引线直接传输信号的一种测试方法，此方法对引线电缆的强度和收线杯的容积要求都很大，测试结果大部分在最高膛压前后信号即中断以至于无法达到测试预期的效果[1]，甚至在某些场合下无法引线。高g值遥测系统可以对遥测数据流进行实时显示与处理，但这种方法容易在传输过程中引入空间无线干扰，测试精度低，电路实现复杂[2－4]。

近些年随着动态存储测试技术[5]在低功耗、微体积方向的不断发展，利用存储测试技术获取加速度信号的方法得到了广泛运用[6－7]。利用此技术开发的弹载加速度测试系统采用测试专用ASIC芯片(如HB0202)已在多次靶场实验中成功测得了实验数据[8]，但不足之处是这类专用芯片功能单一且性能不稳定，电路实现复杂，在三通道测试中多通过损失数据精度的方法来实现通道识别[9]。本文提出的弹载高g值三维加速度测试系统在以往存储测试技术发展的基础[10]上采用xilinx公司的CPLD芯片为控制中心，配合性能高、功耗低的COMS模拟电路、A/D芯片及铁电存储器，具有精度高、性能稳定、体积小、功耗低等优点，能为准确分析膛内压力变化规律和研究冲击载荷对火炮性能的影响提供技术支持。

1 测试系统工作原理

整个测试系统分为三部分:机械外壳、电路内筒、传感器内筒。共使用三个高g值加速度传感器，并沿X、Y、Z轴三个方向安装在传感器内筒的机械外壳上。工作前，将测试系统安装在弹体内部“中心点”上，保证Z轴传感器质心与弹体轴线重合，目的是为了既不影响被测体的振动频率特性又将传感器的横向效应降至最低[11]。工作时，测试系统在CPLD总控制下，传感器将采集到的物理量转化成电量输出，电信号经由信号调理电路放大滤波后进行A/D转换并存储，根据以往测试经验及膛内加速度信号特点，采用了800 kHz的采样频率，系统在满足内触发条件后，进行有效数据存储，存满后，程序控制模拟部分下电。发射完成后，将装置收回，连接到上位机读取数据后，做相应的数据处理。系统原理框图如图1所示。

图1 测试系统原理框图

2 测试系统微体积设计

存储测试技术微体积设计中，主要考虑机械外壳设计、印制电路板大小及各部件安装结构三个方面的因素[12]。对于本系统根据膛内加速度信号有效采样时间只在几十毫秒内，信号存储量小等特点，尽量简化电路组成结构并对电路板进行模块化、多层板设计。电路板分别由数字板、模拟板和传感器调理板组成，三块板叠放在电路内筒中，并选购兵器204所的988加速度传感器，实现小型化，整个测试装置结构尺寸为φ25 mm×50 mm。

3 测试系统低功耗设计

电池是存储测试系统中唯一的供能装置，电池的体积直接影响整个系统的大小，所以节能是动态测试技术永恒的话题。在存储技术的发展中主要通过选择低功耗芯片(如模拟电路选择功耗低的静态CMOS芯片)和对电路的供电状态进行合理规划来实现系统的低功耗设计。在本系统中，采用分区/分时电源管理技术有效地控制功率消耗，配合使用CD4013和LP5996，对电路的数字和模拟部分按需上电，分开供电，来降低系统功耗，方法如下。

LP5996是具有两个使能端的电源管理芯片，可分别控制两路电源输出。CD4013由两个独立工作的D触发器组成，如图2和图3所示。

图2 CD4013中D触发器1

图3 CD4013中D触发器2

如图中所示，ON负责系统上电，OFF负责系统全局下电;ONA控制LP5996其中的一个使能端，负责数字电路部分上电，ONB控制LP5996另一个使能端，负责模拟电路部分上电;TC信号是存储器记满后由CPLD发出的，负责模拟电路下电。通过图中可知，需要上电时，只需给ON一个高脉冲，便可通过ONA经过电容式置位电路改变ONB的状态，上电过程便于操作且降低了引入噪声的概率。系统工作各状态的供电情况如下图4所示，其中VCC为电池电源，VDD为数字电源，VEE为模拟电源。

图4 系统状态转换图

系统在各工作状态的功耗情况如下表1所示。

表1 系统功耗

4 测试系统触发方式设计

在存储测试系统中，通过触发技术使系统进入有效数据存储状态。本实验中，由于测试装置安装在被测弹体内部，无法从外部提供触发信号，火炮发射过程中炮膛内的恶劣环境难免会对信号产生干扰，而且内弹道阶段持续时间极短，为保证触发精度，防止误触发，本设计采用了多次比较内触发方式，通过对CPLD进行编程实现。基本原理是对轴向测得的加速度信号值与设定的触发值进行比较，当轴向加速度信号值连续比较三次均大于设定的触发值时，则判定为满足触发条件，比较计数器会产生触发信号，驱动负延迟计数器，系统由循环采样存储状态进入采样存储状态。

此触发方式使电路完全适应环境信号，触发点即为第一个采样点，记录采样过程数据的存储器起点地址是随机的且仅取决于被测信号。用延迟计数器作为采样过程控制因子，采用延迟计数器加比较器来实现灵活的延迟设置，负延迟时间灵活可控。有效数据记录完整准确，保证了数据的精确度。所有过程全部由CPLD实现，适应性强且减少了硬件电路数量，缩小了整个系统的体积。

5 实测结果

上述高g值三维加速度测试系统已在靶场进行了实弹测试，成功获取了某引信在膛内及其发射过程中的加速度参数。

5.1 轴向加速度

图5 轴向加速度曲线

如图5所示，在0～2 ms中，轴向加速度曲线振荡频率较低，这一阶段，弹丸的弹带挤入弹线;2 ms～14 ms中，曲线震荡频率迅速升高，振幅加大，并且在6 ms处受到膛内最大压力，轴向加速度达到最大值8 466 gn(滤波后);14 ms～19 ms中，曲线振荡频率又逐渐降低;19 ms～23 ms中，曲线又出现明显震荡，此时，弹丸出炮口，持续时间5 ms。对轴向加速度信号进行积分后得到的轴向最大速度为600.599 m/s。

5.2 径向加速度

如图6和图7所示，弹丸在弹带挤入弹线，和出炮口处在径向都发生了明显的震动，震动频率及震动幅度都很大，对曲线进行滤波后得到，在炮口处，X轴径向加速度正向峰值为1 950 gn，负向峰值为－1 040 gn;Y轴径向加速度正向峰值为1 060 gn，负向峰值为－966 gn;如果引信零件无法承受如此高的纵向冲击，就可能会导致引信失去炮口保险，发生早炸。

图6 X轴－径向加速度曲线

图7 Y轴－径向加速度曲线

6 结论

本文提出的弹载高g值三维加速度测试系统，充分利用了动态存储测试技术的优势，具有小体积、低功耗、精度高等优点，能够成功的载入弹上并在恶劣的膛内环境中获取了有效数据。经实验测得的数据与理论分析情况相符，从实测结果来看测试系统成功获取了弹丸在内弹道各个阶段的加速度情况。此研究对于弹丸和火炮的设计、验收及研究有着十分重要的意义。

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