基于光栅尺的发射药药型尺寸测量系统

严 蕊 张 婷 刘志伟 陈 曼 王婧娜 胡 岚

(西安近代化学研究所)

基于光栅尺的发射药药型尺寸测量系统

严 蕊 张 婷 刘志伟 陈 曼 王婧娜 胡 岚

(西安近代化学研究所)

针对传统发射药药型尺寸测量仪存在的问题，研制了一套基于光栅尺的发射药药型尺寸测量系统。给出系统的总体结构与工作原理。采用2/1樟标准药对系统测量结果进行了验证，利用两种药型发射药产品对测量系统和传统尺寸测量仪的测量结果进行了对比试验，结果表明：系统测量结果与标准药的总体平均值无显著差异，测量系统分辨率达到1μm，量程达到0.02～100mm。

发射药药型尺寸测量系统 光栅尺 孔径 弧厚

随着火炸药技术的发展，新型发射药的配方和工艺技术不断进步。药型尺寸作为影响火药弹道性能的重要因素，一直是各种新型药剂必须控制的指标之一。为了适应不同武器发射对弹丸形状尺寸的要求，发射药被制成球状、片状、带状、环状、粒状、管状及梅花形等；从内孔数来看，有无孔、单孔和多孔之分。发射药药型尺寸的测定包括长度、宽度、弧厚、孔径及外径等指标。常规测量(长度测量)采用直尺、游标卡尺及百分表等工具测试，人员目测读数并记录[1]。除去由手工测量带来的偶然误差，对于非刚性的发射药样品，利用游标卡尺等接触测量工具测量时，测量结果受测量工具力度的影响较大。采用药型尺寸测量仪进行测量时，将样品置于可调节方位的载物台上，在高倍显微镜下通过目镜十字形基线确定样品位置，通过电子按钮进行测量，计算机负责完成数据的储存、处理和输出。这种非接触式测量仪能够客观、快速、准确地完成测量。

然而，现役发射药药型尺寸测量仪器大多存在一些不足，主要包括：建立在电子表格基础上的数据处理系统功能不够，数据处理繁琐；数码千分尺较短，单批测量药型数量有限，不能满足大药量测试需要；电脑拍照图形失真，人工修复工作量大，增加了测试的偶然误差[2,3]。为此，笔者利用光栅测量技术开发了一套药型尺寸测量系统，以扩大药型测试量程，提高测量精度，并通过光栅尺完成量值溯源[4,5]。

1 发射药药型尺寸测量系统

发射药药型尺寸测量系统(图1)分为光学系统、数据采集传输系统和测试控制系统3部分。系统采用特有的光栅尺测量技术，实现精密测量和量值溯源，结合光学系统，设计专用软件，完成药型尺寸测量系统的自动控制、图像采集、数据传输和结果处理输出功能，降低由标准药间接溯源带来的误差。

图1 发射药药型尺寸测量系统结构示意图

1.1 光学系统

光学系统包括一套高精度的显微镜系统和一套光栅尺测量系统。通过目镜与物镜的合理匹配，使显微镜系统的总放大倍数最高可达100。其中，物镜可以选择2.5倍、10倍两种范围，目镜可选10倍。

光栅尺测量系统利用精密光栅定量测量，和原普通标尺测试系统相比，其精度较高。考虑到光栅标尺移动回位“死位移”值，设计时需预先确定并输入校正值，降低测试误差。光栅尺测量系统避免了原系统需要通过标准药校正溯源的缺点，直接向最高标准溯源，因此其测量量程扩大到0.02～100mm，测试精度提高约10倍。

1.2 数据采集传输系统

数据采集传输系统采用组态王软件进行上层软件界面的组态设计，将不同规格发射药测试方法和基础数据预先内置。系统能在Windows XP操作环境下运行，窗口操作界面，包括数据存储和处理系统，满足大量数据存储和测试报告按自主设定格式输出的要求。软件主要功能有：

a. 用户登录。设定密码进入用户界面。

b. 药型选择。根据测试药型，在预设软件库中选择合适的测试药型。

c. 药型批次。输入测量批次，并可加注标记，实现数据分类管理。

d. 药型测量。进入测量界面，在预设软件库中先选择测量药型，再设置测量方法(如“一条线法”、“三条线法”等)，然后选择需要测量的药型长度、弧厚、孔径及外径等指标，完成选择后，读取光栅尺初始数据开始测量。

e. 数据存储处理。共有256个批次数据存储，可自动完成最大值、最小值、平均值的计算，并进行测量误差和不确定度评定。

f. 用户配置。可进行多组用户定义管理，通过用户优先级的设置，限制数据查询权限。

采用先进的数字信号系统代替原拍照系统，避免了因成像系统图形失真和人工修复而带来的测试误差，使测试精度提高到不大于0.01mm。利用CPS-GA数据采集模块，将图像信号转变成数字化信息，通过S7-200-226 PLC控制器传输到测试终端。

1.3 测试控制系统

将数码千分尺与测试控制系统组合，测试数据用数字信号传输给处理软件，以满足不同尺寸发射药的测量需求，实现大批量数据的同时测定。

十字线刻度可调旋转测试平台针对药型边缘判断困难的问题，将原定位盘改进为定刻度可旋转平台，按任意角度旋转测量，测试数据数字信号传入处理系统自动计算，从而降低测试误差。

2 系统性能测试

2.1 准确度与精密度

表1 2/1樟标准药药型尺寸测定结果

采用t检验对测定结果进行评价：

当重复测量次数n=10时，自由度f=n-1=9，查tα，f表可知：

t0.05，9=2.26

t孔径

t弧厚

因此，采用基于光栅尺的发射药药型尺寸测量系统进行尺寸测量未引起明显的系统误差，即所测数据的平均值与总体平均值之间不存在显著差异。同时，孔径和弧厚的RSD均为1%左右，说明系统精密度较好。

2.2 药型尺寸测试结果

选取两种单孔药和一种七孔药分别在基于光栅尺的发射药药型尺寸测量系统和传统药型尺寸测量仪上进行测量，结果见表2。可以看出，基于光栅尺的发射药药型尺寸测量系统所测得的数据与传统药型尺寸测量仪相当，基于光栅尺的发射药药型尺寸测量系统的测量分辨率达到1μm，是传统仪器的10倍。

表2 药型尺寸测试结果 mm

3 结束语

笔者采用基于光栅尺的发射药药型尺寸测量系统实现了发射药药型测试的自动化与智能化，提高了测试精度，降低了测试误差；光栅尺测量技术的应用使测量分辨率提高到1μm；千分尺测量系统使测试量程扩展至0.02～100mm；经检验，系统测定结果与标准药的总体平均值无显著差异，能够满足发射药药型尺寸测量要求。

[1] 王琼林.国外枪炮发射药技术发展概况[J].火炸药学报,1998,21(4):54～58.

[2] 田广丰,康建成,胥会祥,等.小型推进剂管状装药药形尺寸数字化检测技术[J].火炸药学报,2006,29(4):61～64.

[3] 杨均匀,袁亚雄,张小兵,等.基于图像处理的火药尺寸测量方法及其实现[J].火炸药学报,2005,28(1):28～30.

[4] 节德刚,刘延杰,孙立宁,等.基于双光栅尺的高速高精度位移测量方法[J].光学精密工程,2007,15(7):1077～1083.

[5] 黄敏.一种基于单球测量的光面环规测量方法[J].计量与测试技术,2011,38(7):8.

DimensionMeasurementSystemforPropellantsBasedonGratingRuler

YAN Rui, ZHANG Ting, LIU Zhi-wei, CHEN Man,WANG Jing-na, HU Lan
(Xi’anModernChemistryResearchInstitute)

Considering the shortcomings of existing measurement systems for propellants, a grating ruler-based dimensional measurement system for propellants was developed and its overall structure and the operating principle were provided. The measuring result verified by standard 2/1 Zhang propellants shows that, as compared to the traditional dimensional measurement system, no obvious difference exists between them and the resolution of the system developed is 1μm along with the measuring ranges from 0.02 to 100mm.

dimensional measurement system for propellants, grating ruler, aperture, web

TH822

A

1000-3932(2017)04-0376-03

2016-10-25，

2017-02-25)

国防科工局技术基础项目(JSJL2015208A006)。

严蕊(1983-)，副研究员，从事含能材料理化分析的研究，yanrui204@126.com。