大位移双向拉绳式速度传感器

王宝元,周发明,衡 刚

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

为了提高火炮的威力，现代火炮尤其是高炮的射速越来越高，使得火炮运动部件的速度提高，运动频率增加，它对火炮的射击精度、可靠性及火炮结构强度将会带来不利的影响[1-4]。如何用实验测试的方法,正确、完整地获取大行程(一般为1 m左右)、高速度和高频率运动部件的运动速度一直是火炮界多年来十分关心的研究课题，研制上述速度传感器也是火炮工程技术人员梦寐以求的目标。它对火炮结构设计修改，火炮故障分析，提高火炮射击精度与运动部件可靠性，缩短火炮研制周期，节约研制经费将会产生积极的促进作用。

目前,用于火炮运动部件大行程、高速度、高频率速度测试主要是带有储能弹簧的测速传感器[5-7](或者称为单向拉绳式速度传感器)。它是依靠发电机原理进行速度测量，这种传统的速度传感器，其工作过程为在一转轴上缠绕有多圈钢丝绳，钢丝绳的一端和转轴固定，而另一端和火炮运动部件相连。同时，转轴上固定有一金属圆盘和一蜗卷弹簧(类似于钟表发条)，金属圆盘周围设有两块磁铁。运动部件拉动钢丝绳向外拉出时，迫使转轴转动，转轴上的蜗卷弹簧收紧而储存弹性能量。同时，转轴上的金属圆盘旋转而切割磁力线，从而在圆盘径向两端产生感应电动势，其大小与转轴转速成正比。当运动部件退回时，钢丝绳的收回完全依靠转轴上的蜗卷弹簧储存的能量工作。当运动部件速度大于蜗卷弹簧收回速度时，钢丝绳的收回速度将小于运动部件的运动速度，这时，该测速仪得到的速度大小及其规律将可能失真。如果弹簧刚度不合适时，这种速度失真程度会更加严重。

为了改变目前一直采用单向拉绳式速度传感器频响低的缺陷，提出一种大位移双向拉绳式速度传感器解决方案，给出传感器工作原理和工作过程，最后给出火炮靶场射击试验速度测量工程验证测试结果。

1 速度传感器工作原理

速度测量方法和结构的实现：在1个薄壁圆筒结构内，在其中心线上安装1个转子和1个微型发电机，发电机轴与上述转子同轴。在转子上缠绕有两根钢丝绳，每根钢丝绳的一端和转子的一端固定，而钢丝绳的另一端和运动物体相连，两根钢丝绳固定在转子的两端，并向中间缠绕，两根钢丝绳在转子上的旋向一致。速度测量时，运动物体带动钢丝绳运动，钢丝绳迫使转子转动，转子带动微型发电机工作，微型发电机输出电压与转子转速成正比。由于钢丝绳在转子上单层缠绕，故钢丝绳在转子上的缠绕半径为常数，通过转子转速可以得到钢丝绳的线速度，从而通过测量微型发电机输出电压，就可获取运动物体的线速度。

本传感器与传统速度传感器的最大区别在于本文所涉及的速度传感器不用任何弹簧，通过两根钢丝绳的交替运动，完整、正确地记录运动物体的速度大小及其规律。两根钢丝绳分别固定在运动物体的两端，当运动物体向一个方向运动时，它带动一根钢丝绳(简称A绳)运动，这根钢丝绳驱动转子转动，转子迫使另一根钢丝绳(简称B绳)在其上缠绕。当运动物体向另一方向运动时，它又带动B绳运动，B绳驱动转子转动，转子迫使A绳在其上缠绕。这样，当运动物体往复运动时，它交替带动两根钢丝绳运动，而两根钢丝绳又交替强迫转子转动，最终完整、正确地记录了运动物体的速度大小及其规律。

由于火炮自动机闩体运动具有大行程、高速度及高频率等特点，故其应用于火炮自动机闩体运动速度测量具有明显优势，它也是火炮后坐部分后坐速度及任何单自由度平动运动部件速度测量的理想传感器。 图1为本速度传感器结构图，图2为本速度测量方法示意图。

速度传感器主要由输出信号线1，微型发电机固定架2，微型发电机3，微型发电机轴4，联轴器5，转子轴6，转子外壳7，转子8，盖板9，转子轴10和钢丝绳11组成。

火炮运动部件速度测量时，按图2所示的方法布置传感器，速度传感器12安装架和导向滑轮组15安装架之间不能有相对运动。当火炮运动部件14向右运动时，它带动钢丝绳11(A绳或图2中的序号13)向外拉出，A绳驱动转子8转动，转子8又迫使钢丝绳11(B绳)在转子上缠绕，当火炮运动部件14向左运动时，它又带动B绳向外拉出，B绳驱动转子8转动，转子8迫使A绳在转子上缠绕。这样，转子表面也就是钢丝绳始终和火炮运动部件保持相同速度。转子转动时，通过联轴器5带动微型发电机3同速转动，微型发电机转速与其输出电压成正比。这样，通过记录微型发电机输出电压就可得到火炮运动部件速度的大小及其变化规律。

使用本文速度传感器时，应按照图2所示的方法安装传感器，滑轮安装架和传感器之间不能有相对运动，同时，二者之间的距离应大于运动物体的最大行程。

2 灵敏度系数计算

速度传感器敏感元件为测速发电机，速度敏感元件可以精确地输出测速发电机转速与其输出电压的线性关系。由于缠绕钢丝绳的转子和测速发电机转子同步旋转，因此，缠绕钢丝绳的转子的外表面切线方向的线速度就是火炮运动部件的线速度。只要精确地给出测速发电机转速与其输出电压的线性关系(即测速发电机的输出斜率)，并精确地测量出缠绕钢丝绳的转子的半径，就可以得到速度传感器的灵敏度系数，也就是，火炮运动部件的速度与速度传感器输出电压的线性关系。

设测速发电机的输出斜率为f，V/(1 000 r·min-1),它表示输出电压与其转速之比。当测速发电机转速达1 000 r/min时，测速发电机的转速灵敏度系数定义为:

(1)

式中：k的单位是1 000 r·min-1/V。取测速发电机缠绕钢丝绳的转子半径为r，当测速发电机输出电压为U时，缠绕钢丝绳的转子半径外表面切线方向速度为:

v=2πrkU

(2)

设:

s=2πrk

(3)

则:

v=sU

(4)

式中：s就是速度传感器的灵敏度系数，在上述转子半径r计算中，已考虑了钢丝绳半径的因素。

3 实例应用

3.1 高炮自动机炮闩速度实验测试

高炮自动机炮闩是典型的高速往复运动部件，运动频率很高，后坐速度可以达到十几每秒米[8]。图3和图4给出了实验测试曲线和理论计算速度曲线，两者曲线形状相似，而且数值也较接近。

用单向拉绳式速度传感器测量同一高炮自动机闩体运动速度，其测试结果如图5所示，测试曲线严重失真。

3.2 火炮后坐部分后坐速度实验测试

火炮后坐部分后坐复进属于大行程高速度运动，其速度测试有一定难度，利用作者研制的速度传感器，进行了后坐部分后坐速度测试。所选择的火炮后坐部分最大后坐速度实验测试值为10.4 m/s,出现在后效期内，它和理论值9.9 m/s基本一致，速度实验测试曲线如图6所示。分析测试曲线，后坐速度从0到最大值所经过的时间大于弹丸膛内时间，约3 ms。也就是说，在后效期结束点附近，后坐速度达到最大值，后坐速度测试值与理论分析规律一致。

4 结 论

1)为了克服传统速度传感器的缺陷，研制了一种大位移双向拉绳式速度传感器。传感器位移行程可以达到1.6 m,速度测量值可以达到18 m/s。

2)该速度传感器通过火炮靶场射击实验验证，得到了高炮自动机闩体运动速度随时间变化测试曲线、火炮后坐部分后坐与复进运动速度随时间变化测试曲线，速度传感器实验测试值与理论计算值符合性较好。

3)传统速度传感器依靠蜗卷弹簧储存能量，测量往复运动时，可能会出现频率响应跟不上的现象，使速度测试曲线失真。而这里设计的速度传感器放弃了弹簧储能过程，依靠两根拉绳交替驱动速度传感器转子来实现速度测量，保证了速度传感器转子和运动部件同步运动，也保证了频率的同步。

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