基于磁感应的弹丸落/着点定位方法研究*

郭尚生，吴晓颖，张万君

(1辽沈工业集团有限公司，沈阳 110045;2装甲兵工程学院，北京 100072)

0 引言

研究弹丸立靶密集度试验和制导弹药首发命中率试验皆采用活动靶车进行，靶车上安装有6m*6m的木制靶板，射击后，由人员利用简单测量工具对落点进行测量，工作量大，安全性差，工作效率低，同时由于靶板太大，加之受气候影响，经常导致靶车倾覆，给试验带来许多困难。若实现动态非接触测量弹丸落/着点坐标，例可采用 CCD交互测量，需要 3台CCD设备布置在不同的站点，通过交互式测量确定弹丸落点。但由于需要动用大量昂贵设备，组织和实施困难，因此在实践中极少采用。文中针对现有试验中存在的问题，利用弹丸通过预定磁场时磁场强度和方向能够发生变化的特性以及磁传感器对弱磁场变化感知能力来实现电磁转换测量弹丸落点。

1 电磁定位系统工作原理

磁性物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。利用该效应制成的传感器称为磁阻传感器。当外加磁场平行于磁阻传感器内部磁场方向时，电阻几乎不随外加磁场变化，当外加磁场偏离磁阻传感器内部磁化方向时，电阻发生变化。通过各向异性磁阻的电阻值随周围磁场强度发生改变的特性，感知弹丸距磁阻传感器的距离，进而确定弹丸通过靶板时的落/着点位置，利用该原理测量弹丸落/着点位置的装置称为感应定位系统。该定位系统由磁阻传感器阵列靶、通电线圈、自动检靶仪、数字传输仪和数据处理系统等组成。其中的磁阻传感器是由各向异性物质构成的电桥，在没有外加磁场作用的情况下，若在电桥的一端加载电压，电桥的另一端输出电压不变;如果有外加磁场的作用，磁阻传感器的电阻会发生变化，导致输出电压的变化，通过测量电压变化，可以获得外加磁场的变化情况。磁阻传感器工作原理如图1所示。

图1 磁阻传感器的工作原理图

对于一定的工作电压，如对HMC1021Z磁阻传感器输出电压与外界的磁感应强度成正比。

式中:k为磁阻传感器灵敏度;B为待测磁感应强度;U0为外加磁场强度为0时传感器的输出量。

在电磁定位系统中，为降低地磁场的影响，首先绕制一定规格的线圈并通交流电建立一个弱磁场。该线圈半径为a，通电电流为i，匝数为n。采用圆柱坐标系构建线圈在其垂直轴线上的磁场分析模型，该磁场在某一点M处的磁感应强度为:

图2 线圈靶磁场分析模型

式中:n为线圈匝数;i为通过线圈的电流;a为线圈半径;z为测量点距线圈中心的距离;r为线圈任一点到M点的距离;μ0为真空磁导率。

据式(3)可以计算出通电线圈不同位置处的磁场强度，结合式(1)，可计算出磁传感器在线圈不同位置处的输出电压值。

当有弹丸通过感应线圈时，线圈周围的磁场会随着弹丸位置的变化发生改变。利用磁阻传感器组成的阵列将不同位置处的磁阻变化转变成电压信号输出，根据输出电压的变化，确定弹丸通过线圈的位置，实现实时非接触精确测量弹丸落/着点的目的。

2 电磁定位系统基本结构

电磁定位系统为完成精确定位的功能，应包括磁阻传感器阵列靶、自动检靶仪、数字传输仪和数据处理系统等。系统工作过程如图3所示。

图3 系统工作过程

线圈靶的作用是在线圈周围形成弱磁场。利用电磁理论计算磁场内不同点的磁场强度，对弹丸接近磁场时的各种情况进行分析、设定和静态试验，分析各种干扰对磁场的影响，着重分析典型尺寸弹丸以不同速度、不同姿态进入磁场，导致磁场强度和方向的变化规律;寻找磁阻传感器因磁场变化引起的输出变化规律，为模型建立提供依据。

传感器的作用是将弹丸经过磁场时磁场强度和方向的变化转化为电压输出。传感器选取充分考虑灵敏度、测量的精度，覆盖的范围以及外加磁场变化和输出的线性度等因素，同时要考虑其对环境的适应性，如对高低温、沙尘、振动等耐受程度，力求选择适应性强、灵敏度高和测试范围广的产品。传感器在靶上的布置位置，在满足测试要求的基础上，应牢固可靠，减少受弹概率。图4即为传感器阵列的安装位置示意。

图4 传感器阵列安装位置示意图

自动检靶仪能够实时检测到由传感器阵列发出的信号，并将该信号准确无误快速的传给数据传输仪器，在传输仪器中将信号进行整形滤波放大等处理，利用有线或无线传输方式，传给数据处理系统。

数据处理系统是该定位系统的核心部分，它包括磁场的分布规律，磁阻变化规律和弹丸位置的对应关系等。

静态磁场的分布规律由电磁理论分析得到，根据不同位置处的磁场强度与距线圈的距离的3次方成反比;弹丸经过线圈时磁场的变化通过静态试验获得，试验中研究典型尺寸弹丸，不同弹体材料，弹丸着靶姿态、着靶速度等对磁阻变化的影响规律，建立一系列数学模型，实现磁阻变化和弹丸位置的一一对应关系;最后探索试验各种干扰因素对磁阻传感器灵敏度和输出的影响，利用软件编写修正模型。在各种软件的支持下，各种模型运行，实现对磁阻传感器输出电量值的处理，得到弹丸落点坐标。实现利用电磁定位系统精确测量弹丸落点坐标。通过显示系统显示结果。

3 系统软件设计

该定位系统的核心在于获得磁阻变化和弹丸位置之间精确的一一对应关系，为此需要对影响磁阻变化的主要影响因素进行修正，从而需要利用软件设计进行修正。

为克服外部复杂磁场环境对传感器的信号测量的影响，在每次使用前必须对磁阻传感器进行置位/复位(S/R)，来保证传感器一直处在高灵敏度模式下工作。S/R电流带的目的是把磁阻传感器恢复到测量磁场的高灵敏度状态，一旦传感器被置位(或复位)，可实现低噪音和高灵敏的磁场测量。由于磁阻传感器输出的电压信号很低，不能够直接进行传输，因此需要利用两到三级的放大电路对磁阻传感器输出的电压信号进行逐级放大，最终得到消除干扰的输出信号，用于后续的分析和处理，具体的放大电路设计可参考文献[10]。

软件模型建立的主要依据为静态磁场的分布规律和电磁理论，其次为试验状态下获得的不同影响因素对定位精度影响的量化数据，然后对数据进行分析处理，拟合成相应的关系式，最终获得输出和弹丸落点之间一一对应关系。

4 结论

通过对电磁定位系统工作原理的分析和结构探讨后，认为在一定理论分析和模拟实验的基础上，能够寻找到弹丸位置和磁阻变化的对应关系，从而实现弹丸落/着点的非接触测量，为改变试验研究测量手段和完善测量方法提供思路。为电磁定位系统测试设备的研制奠定了理论基础和技术支撑。但该研究仅限于理论分析和静态试验阶段，距离工程应用仍具有一定的距离。

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