炮口烟光电测试方法设计

【装备理论与装备技术】

炮口烟光电测试方法设计

畅院东1，开百胜2

(1.西安工业大学 陕西省光电测试与仪器技术重点实验室，西安710021；

2.黑龙江北方工具有限公司，黑龙江 牡丹江157000)

摘要：针对炮口烟雾浓度测试的目的，设计了一种烟雾浓度光电测试方法；采用半导体激光器作为调制光源，APD作为光敏探测单元，结合锁相放大的方式得出光强与烟雾浓度的对应关系；设计了炮口烟箱结构及信号处理电路，通过理论分析及仿真验证了设计的正确性。

关键词：光电检测；锁相放大器 ；烟雾浓度；透过率

收稿日期：2014-11-15

基金项目：陕西省教育厅2013基金(2013JK1055)

作者简介：畅院东(1986—)，男，硕士研究生，主要从事武器光电测试研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.013

中图分类号：TJ410.6

文章编号：1006-0707(2015)01-0044-05

本文引用格式：畅院东，开百胜.炮口烟光电测试方法设计[J].四川兵工学报，2015(1):44-48.

Citationformat:CHANGYuan-dong,KAIBai-sheng.DesignofPhotoelectricTestingMethodforMuzzleSmoke[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(1):44-48.

DesignofPhotoelectricTestingMethodforMuzzleSmoke

CHANGYuan-dong1, KAI Bai-sheng2

(1.KeyLaboratoryofPhotoelectricTestingandInstrumentTechnologyofShaanxiProvince,

Xi’anTechnologicalUniversity,Xi’an710021,China;

2.HeilongjiangNorthToolCo.,Ltd.,Mudanjiang157000,China)

Abstract:A new method of smoke concentration measuring had been designed for measuring the muzzle smoke concentration. Using semiconductor lasers as the modulated optical sources and APDs as the cells of photosensitive detection, we came to the corresponding relation between light intensity and smoke concentration by combining phase-locking amplifier. The structure of smoke-box and the signal processing circuit were designed and the validity of these designs was demonstrated through theoretical analysis and simulation.

Keywords:photo-electricdetection;phase-lockedamplifier;smokeconcentration;transmittance

现代战争中，常规武器系统在发射过程中产生的烟焰越少越好。因此，保证火炮能量充足的前提下，对烟雾浓度进行检测可以为发射药的研究提供重要的参考依据。现有的烟雾浓度检测方法主要为基于图像检测法和基于光检测法，这2种方法都属于非接触式检测法[1]。相比较而言，图像检测法造价高昂、设备构造复杂，而光检测法具有结构简单、测试精度高等优点受到研究者的重视。该测试技术选用通过光透过量变化原理的烟雾浓度激光检测方法，其解决了小口径炮口烟指标测量的技术难题。该技术可以应用在弹药测量等领域。

1测量原理与结构

1.1测量原理

炮口烟雾测试时，由于发射药燃烧时产生的是混合气溶胶，不是单一烟雾粒子,在实弹试验中很难对炮口烟进行定标。因此在对炮弹发射药产生的烟雾不能定标的情况下，采用了相对透过率来表征烟雾浓度的大小。据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律[2]

A=Lg1/T=KbC

(1)

其中：A为吸光度，T为透过率(T=I/I0，I0是无烟时透过光强，I是有烟时透过光强)，K为消光系数，b为吸收层厚度，C为烟雾浓度。

1.2三光路测量法

为提高该测试技术的可靠性，选用3个激光器和3个光电探测器组成三光路测量法。该测试技术包括烟箱装置、3个激光器和调制驱动单元、3个APD探测器、三路锁相放大及信号处理电路[2-3]等。烟箱装置用于形成密闭环境，收集炮口烟雾，保证测试的准确性[4]。激光器驱动调制单元产生一定频率的正弦波信号，分成两路输出，一路用作锁相放大电路的参考信号，另外一路用作激光器调制信号。三束平行的调制激光束垂直射入烟箱装置，经烟箱装置透射出的激光束分别照射到3个APD探测器的光敏面上。APD探测器将光强信号转化为微弱电信号，经锁相放大及信号处理电路放大处理后分别输出V1、V2、V3。图1为测量原理图。

图1　测量原理

图1(a)为烟箱内无烟雾时，3个光电探测器检测到的光强分别为I10、I20、I30，光电探测器将光强信号转化为微弱电信号再经信号处理电路处理后输出的电压信号分变为V10、V20、V30。图1(b)为烟箱内有烟雾时，3个光电探测器检测到的光强分别为I11、I21、I31，信号处理电路输出的电压值分别为V11、V21、V31。由光电检测基本理论知，光强I与信号处理电路输出电压V成线性关系，这里可表示为

(2)

烟箱内烟雾透射率为

(3)

得到

(4)

消光系数K=σ(λ)，是一个只与透射光波长λ相关的函数[1]，设计中所使用的激光器为单色红外激光器，波长λ是一定的，因此消光系数K为常数。烟雾吸收层厚度b为烟箱宽度，是一定值常数。根据上面所确定的各参数，最终可以得到烟雾浓度的表达式为

(5)

按上述分析可知，烟雾浓度的测试结果只受T值的影响。

1.3结构设计

烟箱测试装置结构分为两个部分。第一部分减压聚烟装置，只是起到聚拢烟雾的作用，并且让炮弹从箱体飞出，这样大大的减小了炮弹的冲击波，起到了保护箱体的作用。第二部分为负压测试装置，主体是一个负压箱，负压箱由于压强的作用，将正压箱内的烟雾吸进其内，并对烟雾进行浓度测量。整个装置既可以保证能够承受炮弹的强大冲击力，也能保护测试装置不被破坏，更能保证测试的准确性，图2为整体结构图。

图2　烟箱整体结构

测试之前先将负压箱用真空泵抽成负压，测试时炮弹从正压箱飞射出去，安装在正压箱后面的探测装置器探测到炮弹飞出则负压箱打开箱门，由于烟雾喷出需要时间，烟雾喷出时负压箱开始吸收烟雾，当负压箱内的气压达到标准大气压时，感应装置感应到将箱门关闭。此时负压箱处在密封状态下对烟雾浓度进行测量。

正压箱由连接支架、箱体和感应装置组成。图3为正压箱的结构设计。

图3　正压箱的结构设计

负压箱主要负责烟雾的测量，主要由箱体、连接支架、推杆、挡板、压力传感器、真空泵、激光器和光电探测器及固定支架等组成。图4为负压箱的结构设计，图5为负压箱的内部结构设计。

图4　负压箱的结构设计

图5　负压箱的内部结构

2建模与分析

应用Simulink软件进行炮口烟箱光电测试技术建模，并对检测烟雾浓度信号的过程进行理论仿真[5]。图6为该测试技术的建模图，运用的是典型的锁相放大器，即实际信号先经过交流放大和带通滤波后与参考信号相乘，得到的信号再经过直流放大和低通滤波后输出最终信号[6]。

图6　仿真模型

1) 实际信号波形。实际信号为透射过烟箱的激光光强信号，即理论信号经过一定频率的正弦波调制后再叠加噪声信号，噪声主要为白噪声。图7为仿真得到的实际信号。

2) 锁相放大器输出波形。实际信号先进行放大，再经过带通滤波器，与经过90°相移的参考信号(正弦波调制信号)相乘得到如图8所示波形。

图7　实际信号波形

图8　锁相放大器输出波形

3) 滤波后输出波形。图9为乘法器输出信号经过放大，再经二级滤波最终输出信号的波形，图10为透过率变化理论信号波形(单位：V)。最终得到的信号波形与理论信号波形相吻合。在激光烟雾浓度检测中应用锁相放大器可以很好的实现微弱信号的处理，获得理想的结果。

图9　滤波后输出波形

图10　透过率变化信号理论波形

3电路设计与仿真

1) 前置放大电路。前置放大器对APD输出的交流微电压信号进行放大，放大倍数为A1=1+R1/R2，图11为前置放大电路原理图。

2) 移相电路。RC与运放结合可以组成有源移相电路，图12为滞后型移相电路，当R6=16 kΩ时，相移角度约为90°。

3) 带通滤波电路。图13为带通滤波原理图，R8和C3组成低通滤波，高于这个频率的不能通过。耦合电容C 实现一级放大和二级放大各个静态工作点及放大参数的互补影响，同时也起到通交隔直的作用，R11与C4组合实现了高频滤波效果，可有效去除高频部分噪声信号。

4) 信号相关电路仿真。采用ADI公司的AD630作为信号相关器。AD630由两个预算放大器A和B、切换开关S、输出积分放大器，比较器COPM、片内电阻。片内补偿电容组成。由COPM驱动开关S置A或B，通道A和B之间的隔离度超过100 dB。该芯片是设计锁相放大器最为理想的集成芯片。加载激励信号n(t)=sin(ωt+90°)，r(t)=5sinωt则uo(t)= n(t)×r(t)=2.5sin(2ωt)。图14为信号相关电路仿真。

5) 整体仿真。基于以上各电路模型仿真，组合各部分电路原理图得到最终的信号处理电路。图15为整体原理图。图16为原始低频信号与输出信号的波形图。

图11　前置放大电路仿真

图12　移相电路仿真

图13　带通滤波器电路仿真

图15　整体电路原理

图16　低频信号与输出信号

依据测试模型分析，给信号处理电路加载激励信号，即一个低频信号与一个高频信号相乘获得的信号，通过观测电路处理后的输出信号与这个低频信号的吻合程度来判断电路设计是否正确。由图16可知，信号处理各项指标符合设计要求。

4结论

本文根据烟雾的变化特点，结合朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律和光电转换理论建立起烟雾浓度和电路输出电压之间的比例关系。通过采用锁相放大原理对微弱电信号进行放大处理的方法，应用Matlab和Multisim软件对该测试技术进行建模分析和电路设计理论仿真。得到了理想的结果，证明了该测试技术的正确性。

参考文献：

[1]王劲松,李海兰.新型枪口烟测试系统[J].探测与控制学报,2009,31(12):58-61.

[2]冯继青,高春清.激光对于烟雾的穿透特性分析[J].光学技术,2006,32(6):883-885.

[3]朱晓莉,厉霞.基于AD630的双相锁相放大器设计[J].测控技术,2012,41(6):19-23.

[4]武山,吕子峰.大气模拟烟雾箱系统的研究进展[J].环境科学学报,2007,27(4):529 -536.

[5]薛定宇,陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2002.

[6]王琦.基于Simulink的锁定放大器仿真技术的实现[J].电子质量,2012,7(8):13-14.

[7]李强，闫光虎，严文荣，等.消焰剂对炮口烟焰的影响[J].四川兵工学报，2013(7):133-136.

(责任编辑周江川)