基于地磁计转数的引信化学电池相对激活时间测试方法研究

杨文忠， 丁立波， 张合

(南京理工大学 机械工程学院, 江苏 南京 210094)



基于地磁计转数的引信化学电池相对激活时间测试方法研究

杨文忠， 丁立波， 张合

(南京理工大学 机械工程学院, 江苏 南京 210094)

针对小口径引信化学电池激活时间的测试需求，提出了一种利用弹载存储测试技术同时记录化学电池电压曲线和弹道地磁信号的测试方法。给出了引信电池相对激活时间的定义和测试原理；仿真分析了突变磁场的产生方法及局部地磁信号的畸变特性；给出了动态回收试验方法与试验数据。试验结果表明，该测试方法可以获得电池电压上升曲线、弹丸出炮口时刻及电池相对激活时间，对优化电池性能及提升引信作用精度有参考意义。 关键词： 兵器科学与技术； 化学电池激活时间； 地磁计转数原理； 亥姆霍兹线圈； 弹载存储测试

0 引言

引信化学电池是在双环境力下工作的一次性电源，其安全性好，可储存时间长，对于攻击短距离目标的引信极为有利，尤其适合于双环境力结构标准的引信[1]，因此国内外应用广泛。很多电子时间引信都以化学电池作为引信电源且以电池激活做为引信电路工作的起点。起点信号是影响电引信作用精度的重要因素之一，随着引信定时、定距技术水平的不断提高，电池激活时间误差在引信作用精度影响因素中所占的比重越来越高。因此，改进电池激活特性成为提高引信总体性能的重要途径，而如何准确测量电池激活时间则是首先要解决的问题。

化学电池一般采用竖式极片组或叠层式结构，电解液瓶置于竖式极片组中央。在弹丸发射的高过载作用下，激活机构冲破电解液瓶上的塑料薄膜，电解液在弹丸高速旋转离心力作用下，迅速均匀流入竖式极片组中，并与极片发生电化学反应，产生电动势[1]。特殊的结构及工作方式给其激活特性的测试带来了很大的困难，目前国内外化学电池的性能测试主要是电压幅值、电压噪声及放电时间等参数的测试，主要有两种方法：一种是在实验室条件下采用双环境力模拟装置激活电池进行测试，另一种是在真实发射环境下激活电池，采用弹载存储或遥测方式进行测试。文献[2]介绍了一种主要用于模拟引信液体储备电池在炮弹发射时后坐与旋转的环境力模拟装置，其关键的技术是安装引信电池的弹丸碰撞到高速旋转的木制冲击垫上，其瞬态冲击过程参数和弹丸转到额定转速所需要的时间是否符合引信电池的测试条件；文献[3]采用双环境测试平台模拟高冲击和高速旋转的电池激活条件，通过存储测试系统引信电源的一些重要参数进行实测。双环境力模拟装置技术的瓶颈在于旋转机的最高转速及最大后坐力，目前国内实验室中旋转机最高转速不高于20 000 r/min，最大后坐力一般只能达到几千g，因此双环境力模拟装置一般只能用来测试低转速低过载引信电池[4]。某些小口径引信转速达到80 000 r/min,后坐力更是高达70 000g，目前为止国内外还没有双环境力模拟装置能够模拟其激活条件，因此只能采用弹载存储或遥测技术通过动态发射试验进行测试。文献[5]介绍了一种基于现场可编程门阵列的弹载数据回读系统，该系统能够很好地完成数据传输工作，且传输数据迅速、准确、无错帧与丢帧现象，具备一定的工程实用价值；文献[6]介绍了一种膛内多路瞬态信号存储测试技术,在发射过程中将被测载体飞行过程中的各种动态参数和状态信息实时存储下来,发射后将测试仪器回收得到所需要的测试信息。弹载存储测试技术都能够准确记录电池电压曲线随时间的变化规律，可以测试电池电压、噪声及放电时间，但由于无法获知弹药击发或出炮口时刻，因此不能给出电池的激活时间等参数。

基于弹载存储测试技术，本文提出了一种同步采集电池电压与弹道地磁信号的测试方法，可以给出电池电压上升曲线与弹丸出炮口时刻的对应关系，从而获知电池激活时间等参数。

图1 化学电池激活时间曲线Fig.1 Activation time curve of chemical battery

1 化学电池相对激活时间测试方法

化学电池激活时间是指在规定的电流负载条件下，自激活机构开始动作至电池输出电压达到标称值的时间[7]。本文所述的化学电池相对激活时间是指以弹丸出炮口为计时起点，电池电压V达到引信电路可靠工作电压的时间。图1为化学电池理想激活时间曲线，tf为弹丸击发时刻，ts为电池电压开始上升时刻，tm为弹丸出炮口时刻，tw为电池电压达到引信电路工作电压时刻，t90为达到电池最大电压90%时刻，tmax为最大电压时刻，其中定义的相对激活时间为炮口至引信系统可靠工作点之间的时间即T=tw-tm. 激活时间大于零表示引信电路工作起点在弹丸出炮口之后，激活时间小于零表示引信电路工作起点在弹丸出炮口之前。

为了测量电池的相对激活时间，在试验弹丸上安装地磁计转数传感器，采用弹载存储测试技术同时采集电池电压曲线与弹丸旋转产生的交变地磁信号，根据弹道地磁信号判断弹丸出炮口的时刻。

由于发射药爆燃引起的强烈电磁干扰，膛内和后效期内地磁传感器的信号呈现很大的不确定性，不能够表示出弹丸出炮口的准确时刻。为此，在弹道上远离炮口区的某一特定位置上叠加一个与地磁场方向相反的局部磁场，形成一个磁场突变区。弹丸在飞经该磁场突变区域时，地磁计转数传感器的输出信号将产生相应的幅度和周期畸变。

将地磁信号放大并与电池电压同步采集存储，回收弹丸后对地磁信号进行分析，可以获得弹丸飞过磁场突变区域中心的时刻。由于弹丸在炮口附近每旋转一周前进一个导程的距离，弹丸从炮口飞行至磁场突变区的旋转圈数可以通过飞行距离与导程的比值得出，因此从回收的弹道地磁信号中，可以通过地磁突变区域中心反推出弹丸出炮口的时刻，进而可以分析电池激活时间等参数。

图2 亥姆霍兹线圈三维模型Fig.2 Helmholtz coil three-dimensional model

图3 亥姆霍兹线圈磁场示意图Fig.3 Schematic diagram of Helmholtz coil magnetic field

图4 B与X关系曲线Fig.4 Relationship of B and X

图5 叠加磁场波形Fig.5 Waveform of superposed magnetic field

2 叠加磁场的产生

局部磁场利用亥姆霍兹线圈产生。亥姆霍兹线圈是一对彼此平行且连通的共轴圆形线圈，如图2所示。

在两线圈内的电流方向一致，且线圈之间距离等于线圈的半径时，会在其公共轴线中点附近产生较均匀磁场区，而公共轴线以外的磁场会迅速减小。

用多物理场Comsol multiphysics软件建立亥姆霍兹线圈模型，可得到在两线圈中心且平行于线圈方向的磁场强度变化，如图3所示。

为了采集到比较明显的地磁突变信号，希望产生的局部磁场与地磁场方向相反，强度相当，因此亥姆霍兹线圈产生的磁场强度应为地磁场的2倍，约为0.1 mT. 根据不同的线圈直径和线圈匝数，可以计算出产生所需磁场强度的线圈电流值。图4为仿真所得亥姆霍兹线圈磁场强度B与线圈位置X的关系曲线。

将亥姆霍兹磁场与地磁场(Be=0.05mT)反向叠加可得到如图5所示的磁场强度B与线圈位置X的关系曲线。

在均匀磁场中，当一个闭合线圈平面法线与地磁线呈一个角度φ,并绕平面轴线旋转时,在线圈内产生感应电动势:E=-Ndφ/dt，N为线圈匝数。假设地磁场强度为Be，弹丸转速为ω，线圈面积为S,则感应电动势[8-9]为

(1)

从(1)式可知，弹丸旋转一周, 与之对应，地磁线圈也输出信号正弦波的一个周期，且转速越高, 输出电压越大。将(1)式进一步推导可得地磁线圈切割叠加磁场产生的感应电动势[10]为

(2)

式中：μ为线圈芯的磁导率；α为线圈初始相位；Bs为叠加磁场强度。线圈半径R不同时，感应电动势突变范围会不同，当α恒定时，改变R值可得到不同的感应电动势变化曲线，如图6所示。

图6 不同线圈半径时电动势变化曲线Fig.6 Curves of induction electromotive force for coils with different radii

图6中线圈半径R分别取15 cm、25 cm、35 cm和50 cm. 由图6可知，随着线圈半径的增加，感应电动势明显突变的范围依次增大，而感应电动势突变范围的增大，不利于线圈中心位置的精确定位。并且线圈半径越大，产生同等大小的磁场需要的激励电流和线圈匝数也要增加，这会给线圈的绕制和试验现场电源设备带来不便。因此在考虑试验安全性和可行性的前提下，取线圈半径R=15 cm.

改变线圈初始相位会改变局部磁场的叠加位置，因此当线圈半径一定时，改变相位α会产生不同的叠加曲线，图7为R=15 cm时，α在0 rad、π/2 rad、π rad、3π/2 rad时的感应电动势变化曲线。

由图7看出：当α分别为π/2 rad和3π/2 rad时，叠加磁场的感应电动势变化未经过零点，此时感应电动势变化的周期数明显减少，即感应电动势的方向改变次数明显减少；当α分别为0 rad和π rad时，叠加磁场的感应电动势变化经过零点，此时感应电动势变化的周期数明显，即感应电动势的方向改变次数明显增多。因此，无论弹丸在膛内初始位置的相位如何，都能明显区别和定位亥姆霍兹线圈的位置。

3 动态回收试验方案设计

为了实现以上原理，本试验采用如图8所示方案。

总体试验方案由弹道炮、磁靶(亥姆霍兹线圈)及回收箱组成。其中在回收靶道中距离炮口L=25 m处安装亥姆霍兹线圈产生局部磁场，在磁靶后方一定位置放置回收箱回收弹丸。

测试方案需采集的地磁线圈切割叠加磁场产生的感应电动势信号和电池电压信号，通过弹内存储电路实现。弹内存储电路主要有信号处理模块、模拟信号转换为数字信号(A/D)模块、存储模块和电源模块组成，其中存储模块采用具有低功耗、抗高过载特性的非易失性铁电存储器，电源模块采用锂电池。信号采集分为两路：一路为电池电压分压后的模拟信号，另一路为地磁信号。由于测试主要关注地磁频率信息，为了方便信号处理，对地磁感应信号进行整形处理，存储电路直接采集整形后的方波信号。整个系统原理框图如图9所示，弹内存储电路如图10所示。

图7 不同相位叠加时电动势变化曲线Fig.7 Curves of induction electromotive force at different phases

图8 试验方案框图Fig.8 Test scheme

图9 系统原理框图Fig.9 Schematic diagram of system

图10 弹内存储测试电路Fig.10 Storage testing and measurement circuit in shell

图11 感应电动势与电压数据关系曲线图Fig.11 Curves of induction electromotive force and battery voltage

图12 感应电动势周期变化曲线Fig.12 Periodic changing curve of induction electromotive force

4 试验数据分析

回收弹丸后将采集到的地磁线圈感应电动势数据和电池电压数据进行整理，可以得到如图11所示关系曲线，图11中时间0点对应存储器记录的第一个数据。

图11中信号在88 ms附近产生了明显突变，即此刻弹丸刚好穿过亥姆霍兹线圈位置。根据图11的数据，计算出地磁感应信号相邻两个上升沿的时间间隔，即可得到其周期变化曲线如图12所示。由图12可知，信号周期有两处异常，起点处的异常是由于炮口火焰干扰造成的，而弹道中的周期异常则是在经过亥姆霍兹线圈位置时产生的，因此可根据第二次信号周期变化区的中点确定线圈中心位置。

弹丸旋转一周、前进一个导程的距离对应地磁信号一个周期，根据亥姆霍兹线圈到炮口的距离L，弹丸旋转一圈的飞行距离s，可以得到炮口到线圈位置的地磁信号周期数为n=L/s；在本试验中L=25 m，s=0.714 4 m,计算可得n=34.99，近似为35. 即从磁场突变位置向前数35个地磁周期为炮口位置。如图13所示，61 ms时刻为炮口位置，63 ms时刻电池电压达到5 V，即该电池相对激活时间为2 ms.

针对某引信化学电池进行了回收试验共8发，回收到弹丸6发，其中1发无数据，另外5发回读数据如表1所示。其中激活时间波动较为明显，除电池本身激活差异外，试验中存在的其他误差有：

1)试验设置误差：本试验中，线圈中心位置与炮口之间的距离为25 m，在布置线圈位置时存在的误差范围为±5 mm. 5 mm距离造成的误差大约为5 μs，相对电池激活时间可忽略。

2)原理误差：弹丸在飞行过程中，导程衰减会引起误差，但是在25 m的范围内的衰减可忽略。

3)数据处理误差：从感应电动势波形及周期变化曲线中确定线圈中心位置时，电动势畸变最大范围为1 ms，在10%的误差估计范围内，线圈中心位置的误差为0.05 ms.

图13 炮口位置示意图Fig.13 Schematic diagram of muzzle position

表1 回读数据

综上所述，考虑到线圈转数近似误差，误差时间总和小于0.1 ms，相对化学电池激活时间，误差在可接受范围内，对测试结果精度基本无影响。

5 结论

本文提出了一种利用地磁计转数原理加局部磁场突变的方法，来测试小口径电引信化学电池相对激活时间和幅值。重点介绍了该方法的原理和实现方案；给出了电池相对激活时间的定义及意义；对测得的数据及数据的误差来源进行了分析。在实弹精度试验中补偿了电池激活时间带来的误差后，引信作用精度明显提升，证明了该方法测得的电池激活时间的精确性。本文提出的方法操作简单、实施方便、精度高，可用来测试化学电池激活时间及幅值，对改善化学电池存在的问题及提升引信作用精度有参考意义，且该方法同样适用于旋转弹中的其他电池激活性能测试研究。

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Testing Method for Relative Activation Time of Fuze Chemical Battery Based on Geomagnetism Turns-counting

YANG Wen-zhong， DING Li-bo， ZHANG He

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China)

A method to use the memory testing technology for the simultaneous record of the voltage curve of chemical battery and the geomagnetic signal in the trajectory is presented for the test requirement of activation time of small-caliber fuze chemical battery. The relative activation time of chemical battery and the testing principle are given. The generation method of mutation magnetic field and the distortion performance of local magnetic field are analyzed, and a dynamic recovery test method and the experimental data are given. The experimental results show that the proposed method can be use to get the voltage curve of chemical battery, the time when a projectile passes a muzzle, and the relative activation time of chemical battery, which has an important significance to optimize the cell performance and improve the precision of fuze. Key words: ordnance science and technology; battery chemistry-activation time; geomagnetism turns-counting principle; Helmholtz coil; memory testing

2016-11-07

杨文忠(1991—)，男，硕士研究生。E-mail:yangwz0727@163.com

丁立波(1977—)，男，副教授，硕士生导师。E-mail: dinglibo@mail.njust.edu.cn

TJ430.6+4

A

1000-1093(2017)04-0810-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.04.024