弹载电子测试仪的设计*

2012-12-10裴东兴沈大伟刘祖凡

弹箭与制导学报 2012年3期

裴东兴，祖静，张瑜，沈大伟，刘祖凡

(中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原 030051)

0 引言

武器系统动态参数的测试，由于其测试环境的恶劣性，对于测试装置提出了特殊的要求。基于存储测试的弹载电子测试仪可置于被测体体内实时、完整记录被测参数变化规律的优点被广泛应用于弹药性能和弹道的测试。这种无需引线且具有良好电磁兼容性的弹载电子测试仪在多种动态参数如各种弹箭发射、飞行、终点环境的加速度、姿态、压力等动态参数的测试中发挥了重要的作用，成为我国多种高价值弹药性能的主要测试手段[1－2]。文中针对目前国内在弹体体积较小、需承受抛撒或撞击目标时高冲击环境下参数的测量难题进行了深入的研究，并成功应用于多个弹载多参数测试试验。

1 国内外的发展现状

国外的弹载电子测试仪有着广泛的应用，1996年美国国防部和美国陆军联合提出了强化超小型遥测和传感器系统(hardened subminiature telemetry and sensor system，HSTSS)计划，以开发和演示新一代高g值遥测技术，并将这些产品用于测试领域，美国陆军研究实验室(ARL)、圣路易斯(德法)联合研究所、美国阿伯丁靶场等多个武器研究和试验的重要单位相继发表了一系列关于弹体飞行过程中动态参数测试的技术研究和实测报告。瑞士的武器系统与弹药试验中心设计了高g值弹道飞行数据记录器FDR，其结构紧凑(232mm × 64mm)，重量较轻(3.58kg)[3－5]。为了避免FDR的损坏，敏感的电路部分和电池(抗冲击氧化银电池)用一种三组分的环氧树脂进行灌封，并用钢外壳进行保护，并且成功测得90000g的最大加速度。

国内在无线遥测技术领域也进行了大量的工作，研制的微型弹载姿态遥测系统成功获取了某火箭弹的飞行参数，但是对于弹体体积较小、需承受抛撒或撞击目标时高冲击环境下参数的测量，无线遥测系统难以完成[6]。国内的弹载存储测试系统的研究始于20世纪80年代，中北大学较早开展了这方面的工作，根据弹载存储测试的特点曾经设计了3代专用大规模集成电路，第一代的TJ8815A、TJ8815B，第二代的HB9401、HB9402、HB9403A、HB9403B，第三代的HB0201、HB0202等共8种，这些专用大规模集成电路减小了电路的体积，提出并实现了随被测体运动规律的变化而自适应、自动化的改变采样规律的技术，在国内外未见报道。基于以上专用大规模集成电路的使用，中北大学曾大量成功的测得弹体侵彻素混凝土靶、钢筋混凝土靶的加速度数据以及弹丸穿透钢质靶板的冲击数据和导弹、弹丸飞行的姿态参数的数据，为弹载电子测试仪的设计积累了许多宝贵的经验。

2 弹载电子测试仪的总体方案设计

2.1 弹载电子测试仪的总体结构

弹载电子测试仪的体系结构是：把弹上动态参数测试必不可少的功能结构部分放置到弹载电子测试仪上，而把尽可能多的功能结构部分如接口、数据传输、计算机、控制、数据处理、显示、绘图等功能部件放置在地面。再经过特殊的校准系统进行校准，及专门的恶劣环境可靠性考核系统进行考核使其适应弹载测试的恶劣环境。

弹载电子测试仪完成被测参量的获取和存储记录，通过抗高冲击壳体缓冲结构的有效防护，可以提高仪器的存活性。通过专用数据通信接口，地面计算机完成对弹载电子测试仪的参数设置及实验数据的读取、处理、显示。

弹载电子测试仪由电路模块、电池、上电开关、面板、传感器接口、通讯接口、灌封结构、壳体缓冲结构等组成。仪器的原理框图见图1，图中传感器1为轴向安装的加速度传感器;传感器2和3为径向安装的加速度传感器;传感器4为自制的地磁传感器;电路的核心中心控制电路采用本研究室研制的专用ASICHB0202，完成对整个测试系统的控制，为了确保数据的可靠性采用了两级防护结构(见2.2关键技术)。

图1 弹载电子测试仪原理框图

2.2 关键技术

国中国的防护结构：为了确保数据的可靠采集和存储，该测试仪采用了国中国的防护结构，即仪器的外壳采用高强度钢以保护内部的电路模块，同时在仪器电路模块内部进一步采用高强度钢对核心存储部分闪存进行保护，即使电路模块在撞击目标时结构损坏确保闪存内数据的完整性。

智能采样策略：为了满足弹上多种变化规律，采样频率、增益以及偏置的选择及设置关系到能否正确获取完整的信号和测试数据的质量。测试仪采用的专用ASIC-HB0202具有多种采样策略，可根据被测对象的特点、信号的变化规律，实时调整采样频率、增益及偏置等参数。

强化缓冲技术：为了确保仪器的可靠性对仪器进行强化处理，即电路模块采用真空灌封工艺，用高强度高硬度环氧树脂灌封，使得在高冲击过载作用下不致因灌封材料弹塑性变形而拉断板间的连接线和板上焊点，同时在电路模块周围增加合适的缓冲结构对电路进行缓冲;为了确保测试仪在高速旋转时各部件间没有相对位移，设计了止转结构。

3 实测数据分析

上述的弹载电子测试仪已在靶场进行了20余次实弹测试，成功获取了某引信在膛内和飞行过程的加速度及转速参数(数据捕获率为96%)，以下对其中一组典型数据进行分析。

3.1 引信加速度信号的实测分析

图2为利用弹载测试仪测试的某引信在膛内及其发射过程的三轴加速度曲线。

图2 某引信在膛内和发射过程的加速度信号

在图2中可以看出，Z代表轴向加速度，X和Y分别代表了两维径向加速度。可以看出其轴向最大加速度为11670g;其径向的最大加速度为7930g。

由F=ma可知，加速度跟压力成正比，本次试验同时通过放入式电子测压器获得了火炮膛压曲线，图3为膛压曲线与轴向加速度曲线的比较。

根据相关系数rxy公式：

式中：rxy为相关系数，Xi为 i时刻的膛压值，Yi为i时刻的加速度值，为膛压平均值，为加速度平均值，i=1，2，…，13，N=13。计算得膛压曲线和轴向加速度曲线的相关系数为98.8%，说明膛压曲线和轴向加速度一致性很高。

图3 膛压与轴向加速度的曲线的比较

3.2 引信转速信号的实测分析

图4(a)为引信在0～1s内的转速信号变化过程;图4(b)为其在0～100ms内曲线的展开，可以看出在膛内的发射过程中转速变化比较复杂，最后在炮口处使得转速稳定;图4(c)为膛外转速的变化曲线，可以看出所测得引信膛外转速变化在大约1s时间内从1.764×104r/min降到了1.74×104r/min。