弹载高冲击三维加速度存储测试仪

陈宏亮，马少杰，张锦明

(南京理工大学 智能弹药技术国防重点学科实验室， 南京 210094)

C8051F506

弹载高冲击测试技术在现代工程应用中具有重要的作用，特别是在军工领域如硬目标侵彻引信的环境信息获取和新研制的高g值加速度传感器的性能验证等方面具有非常高的实用价值[1]。根据测试的实际使用环境，要求测试装置的量程大，精度和采样频率高，抗冲击能力强，体积和功耗小[2]。目前有2种弹载高冲击测试方法，信号同步传输法和硬回收法[3]。信号同步法是在试验弹实时侵彻过程中将测试到的过载信息通过无线电发送到地面基站，这种方法无线电信号容易受干扰，且在高冲击载荷的作用下难以保证信号高速传输的连续性。硬回收法是将传感器、测试仪器、存储器封装在一个独立的装置内，将该装置放到试验弹中进行试验，回收后读取存储器内的数据。硬回收法可靠性高，技术难度较小，是目前常用方法。国外，M.J.Forrestal等人研制的加速度记录装置记录到的最大加速度值为20 000g[4]；瑞士武器系统与弹药试验中心研制了弹道飞行数据记录器[5]，通过140 mm滑膛炮发射使炮弹高速侵彻钢筋混凝土靶板，成功记录到了90 000g的峰值加速度，持续脉宽大于200 μs。国内，中北大学研制了一种超高g值加速度测试装置，成功测试到了整个弹道加速度信号，加速度最大值为45 000g[6]，以上所述的弹载高冲击测试均为硬回收法。

作者采用硬回收法设计一种能够测试高冲击三维加速度的弹载存储测试仪，能在实弹侵彻试验中可靠应用。

1 总体方案设计

弹载存储测试仪进行硬目标侵彻试验时，环境十分恶劣，伴随有数万g的高冲击加速度、高频振动信号和高背景噪声，为保证测试仪在实际应用环境的可靠使用，测试仪的设计应遵循如下准则[7]：

1) 抗高冲击过载：为对加速度传感器信号的采集与存储，必须使测试仪抗冲击能力强，主要采用强化灌封、设计保护壳体、机械滤波等措施；

2) 低系统功耗：测试仪记录时间虽然只有几百毫秒，但试验时，从发射前准备到发射过程到测试仪回收需要测试仪工作较长的时间，因此需要进行低功耗设计；

3) 低系统噪声：测试仪需要加速度信号作为触发信号，对信噪比要求高，确保可靠触发和精准测量。

4) 体积小、质量轻：要产生高幅值的冲击加速度，需用小直径、轻质量的试验弹高速侵彻硬目标靶板，因此留给存储测试模块的空间有限，且小体积有助于提升测试仪的抗冲击性能。

根据实际使用需求，弹载存储测试仪的主要性能指标设计为：① 数据采集通道≮3个通道；② 每个通道均可存储测试0～150 000 g加速度；③ 每个通道的记录时间均≮300 ms；④ 每个通道的低通滤波截止频率为4 kHz；⑤ 每个通道的采样频率均为50 kHz；⑥ 采样分辨率≮12 bits；⑦ 记录从膛内发射到侵彻靶板到试验弹回收的整个弹道加速度信号曲线。

2 保护模块设计

测试仪的保护模块主要由外壳体、内壳体和薄滤波垫组成，如图1。为方便调试采用了模块化设计，内壳体分电池保护壳体和电路板保护壳体，存储测试电路板和电池组分别固定于壳体内部，三轴高g值加速度传感器固定在电路板保护壳体的下部，为减小质量，均采用低密度的A、B双组分微泡材料加压保温灌封以保护内部器件。外壳体通过螺纹盖板螺纹拧紧对内部壳体起到固定和保护的作用。

为防止测试仪内部器件和结构在高频振动下发生共振，对测试仪进行机械滤波设计，机械滤波的机理为应力波的反射衰减[8]。机械滤波分为测试仪的内部滤波和安装滤波，内部滤波如图1所示，外壳体、电池保护壳体和电路板保护壳体之间均放置有毛毡、聚四氟乙烯两种材料叠加的薄滤波垫，整体厚度为2.0 mm；安装滤波如图2所示，测试仪在试验弹上安装前后均放置有薄滤波垫，整体厚度为2.0 mm。试验弹在侵彻硬目标时，冲击产生的压缩应力波到达测试仪壳体和复合垫片界面时，由于垫片材料的波阻抗与测试仪壳体材料相差很大，透射系数较小，应力波绝大部分反射为拉伸波，侵彻试验时，应力波会在垫片处经历多次反射，应力波频率越高，反射次数越多，应力波耗散越大，从而起到冲击应力衰减和滤波的作用[9-10]。

3 电路模块软硬件设计

3.1 电路模块工作原理

硬目标侵彻试验单次成本较高，为提高试验的成功率，测试仪采用两套完全一样电路模块进行测试，保证冗余性。图3为测试仪电路模块的工作原理图，主要包括4大部分：电源模块、信号调理部分、MCU和数据存储与回读部分。其中信号调理部分包括调零电路、可调增益的差分放大电路和低通滤波电路，用于对三维加速度信号进行处理；MCU包括数据采集和控制模块，主要器件为C8051F506单片机，用于对整个测试仪的控制和数据的A/D转换；电源模块给整个存储测试系统供电，主要器件为三端集成稳压源LP2950-3.3；数据存储与回读部分对采集到的数据进行存储与回读至计算机，主要器件为铁电存储器。

3.2 增益可调的差分放大电路设计

MEMS压阻式三轴高g值加速度传感器输出的差分信号微弱，需要对其进行放大处理。测试仪在实际使用时，每次侵彻不同的目标靶板，加速度的幅值不同，传感器输出的最大电压也不同，而单片机的A/D模块的输入电压范围0～3.3 V是确定的，为使放大后的电压幅值尽可能地接近A/D采样输入电压范围，达到适用不同量程传感器、侵彻不同目标靶板的目的，采用增益可调的差分放大电路。

增益可调的差分放大电路原理图如图4所示，采用2个ANALOG DEVICES公司的AD8426仪表放大器和1个4通道的AD5254数字电位计。Vout_X+和Vout_X-分别表示加速度传感器X轴2个桥臂电压经过调零后到差分放大器的输入端，SSX为经差分放大后的X轴加速度信号，通过数字电位计调节RG1和RG2间的电阻RG阻值即可改变放大器的放大倍数G，差分放大器的传递函数为

Vout=G×(VIN+-VIN-)+VREF

式中：

设X为主控器写入到数字电位器的八位二进制数，X[00000000,11111111]，有

可得到差分放大电路放大后输出电压为

测试仪Y和Z通道的差分放大原理类似，不再重复阐述。

3.3 低通滤波器设计

硬目标侵彻试验过程中除了刚体本身的过载信号外，还包含着大量不需要的高频信号分量，为了虑除不需要的高频信号分量，避免A/D转换后的信号产生混叠现象，需要对放大的加速度信号进行低通滤波处理。

为使滤波器在带通内幅频特性更加平坦，高于截止频率的信号衰减得更快，滤波器设计为-3 dB截止频率为4 kHz，品质因数Q为0.707的单位增益有源二阶低通滤波器[11]。其中，采用单位增益是为了尽可能减少R、C元件，同时使运算放大器的带宽最大。TLC2264是TI公司推出的四路轨对轨运算放大器，只需采用一个器件即可构建三通道低通滤波器，具有低功耗和低噪声的特点。图5为采用TLC2264设计的三通道低通滤波器X通道电路图，Y、Z通道类似，不再画出。

3.4 软件设计

软件控制流程图如图6所示，主要分为两大部分：写数据部分和读数据部分。MCU通过判断I/O口的高低状态判定是读操作或写操作。读操作时，MCU从铁电存储器读取数据，然后将数据通过UART发送电脑端。写操作时，MCU首先通过指令控制数字电位器调节放大器的放大倍数，随后开启A/D进行3个通道高速循环采样，选用三轴高g值加速度传感器的Z轴方向(与炮管轴向平行)的膛内发射加速度作为触发信号，当加速度传感器Z轴方向输出值连续多次大于设定阈值时，触发内部的延时计数器，将数据存储到存储器中，完成指定长度的数据存储后，关闭A/D模块，进入等待状态，完成写操作。

图7为设计制作好的测试仪实物图，金属壳体材料为铝合金，整体尺寸为Φ70 mm×70 mm，测试仪包含两套完全独立的测试模块，左右引出的接线端为两套测试模块的调试控制端口。

4 侵彻试验与结果分析

为检验测试仪的实际使用性能，对其开展硬目标侵彻试验。试验时，将测试仪装入到试验弹中，试验弹通过炮击的方式在膛内加速，然后高速侵彻钢筋混凝土靶板，通过回收装置将试验弹回收并回读试验数据至计算机处理。试验条件为：目标靶板为钢筋混凝土靶板(强度C30)，目的是为了更加接近实际使用环境，靶板厚度1.5 m；试验弹出炮口速度为804.2 m/s，由天幕靶测速获得，炮口距靶40.5 m；试验平台为 125 mm火炮，采用水平发射方式，炮管轴线与靶板垂直，实测试验弹出炮口到侵彻靶板自由飞行的时间约为50.4 ms。

图8为测试仪记录到的一条完整的试验三轴加速度信号曲线，包括试验弹从膛内加速发射到侵彻钢筋混凝土靶板再到回收，整条曲线记录的时间约为400 ms。三轴高g值加速度传感器输出的加速度信号经过测试仪内的滤波器，滤去了不需要的干扰信号，整个弹道加速度信号清晰，噪声较小。

由图8和图9可知，试验弹从出炮口到侵彻靶板自由飞行的时间约为51.2 ms，考虑到弹体本身长度和测试误差，测试仪记录的飞行时间与实际通过天幕靶测试得到的飞行时间50.4 ms较为接近。其中，Z轴方向加速度在峰值处存在剧烈振荡，分析原因为螺纹盖板没有完全旋紧，剧烈振荡后，测试仪内部结构微变形压紧，振荡消失。取振荡部分包络曲线中值，则膛内Z轴方向加速度的幅值在15 000g左右，持续时间约为12.9 ms，X轴和Y轴方向的幅值分别为-1 336g和-1 250g。

试验弹侵彻钢筋混凝土靶板时，加速度传感器Z轴方向加速度的总体趋势为试验弹圆锥形头部刚开始入靶时，加速度幅值瞬间增大，当试验弹完全进入靶板内部时，加速度值减小并维持一定大小，试验弹出靶时，加速度值减小至零。由图10可知，试验弹在侵彻钢筋混凝土靶板过程中的波形特征与实际分析的波形特征相符，测试仪测得的X、Y、Z轴方向加速度幅值分别为-5 010g、3 455g、-48 050g，Z轴方向从试验弹开始侵彻到试验弹出靶的持续时间约为3.0 ms。图10中右边存在反向较小的加速度信号为试验弹尾翼出靶脱落产生的。理想情况下正向垂直侵彻钢筋混凝土靶板X轴和Y轴方向的加速度均为0，但实际情况时，无法完全保证侵彻角度为90°侵彻，且三轴加速度传感器存在横向效应，因此会存在较小的X和Y轴方向的加速度值。

由图11可知，试验弹回收过程中，测试仪测得的X、Y、Z轴方向加速度幅值分别为23 970g、-21 070g、17 980g，各方向产生较高加速度的原因是试验弹回收时碰到靶板后方的废弃钢筋混凝土堆产生变向。

通过波形特征和试验数据分析可知，本次弹载侵彻试验测试仪准确地记录到了试验弹的整个弹道的三维加速度曲线，试验结果与实际波形特征及其记录时间较为吻合。

5 结论

本测试仪以单片机C8051F506为核心处理芯片，在硬件电路和软件程序的作用下，对三轴高g值加速度传感器获取的加速度信号进行信号调理，采样后存储到存储器中，并将试验数据回读至计算机。通过强化灌封、设计保护壳体、加机械滤波垫方式有效提高测试仪抗高冲击过载能力。利用该测试仪进行弹载侵彻试验，测试仪准确地记录到试验弹从膛内发射到侵彻钢筋混凝土靶板再到回收的全弹道三维加速度曲线。试验结果表明，该测试仪具有3通道数据采集，数据采集速度较快，存储容量较大，功耗低，系统体积较小和使用方便等优点。在承受48 000g幅值、3 m脉宽和15 000g幅值、13 ms脉宽的冲击载荷下依旧能够正常工作，满足弹载存储测试仪的预定设计要求。

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