随炮炮口速度测量传感器的研究

第ｌＯ卷２期　２００２年６月　应用基础与工程科学学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＢＡＳＩＣ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　中图分类　：ＴＪ　３０６　文献标识码：Ａ　Ｖ０１．１０．Ｎｏ．２　Ｊｕｎｅ　２ｏｏ２　文章编号：１００５－０９３０（２００２）４３２－０１９９－０７　随炮炮口速度测量传感器的研究　杨述平，　郝晓剑　（华北工学院电子工程系．太原０３００５１）　摘要：简单介绍了区截测速系统的结构及原理，设计了一种体积小、重量轻、结构　简单、可靠性高、成本低的专用区截炮ＦＩ测速传感器．通过在弹道炮上的特性测　试，给出了该传感器实测特性曲线．经过实弹射击证明，整套系统结构简单、使用　方便，为高射速转管武器随炮卖时测量弹丸炮ＦＩ速度提供了一种可行方法．　关键词：炮口速度。测量　炮口速度是指弹丸出炮口瞬问的速度，通过初速测试可以验证设计和研制的效果．对　火炮弹丸进行初速的测试，还可以判断火炮是否寿命终了．故初速的测量是兵器设计与生　产过程中最常见的基础试验，是最频繁的测试参数之一．过去初速测量仅在靶场验收炮弹　时进行，在实战中并不再测量．但随着兵器技术的发展，现在提出了实战应测出每一发弹　丸初速的要求，提出这一要求的意义在于：对高射速炮主要是用来装定引信，使其能在适　当的时刻引爆弹丸，增加弹丸毁伤概率；对地面火炮而言，掌握初速，炮兵可以及时改变射　角，修正弹道诸元，增加火炮命中概率．　为了解决高射速转管炮和先进的加榴炮提高射击精度和射程等技术问题，必须开展　火炮随炮炮口速度测试的研究，实现随炮实时测量弹丸炮１７１速度．提供炮兵修正射击诸　元，或反馈给火炮计算机修正弹道诸元用．　１测速系统的设计　１．１　系统的结构和原理　本测试系统以区截传感器作为主体，将光电结合为一体，利用两套专用区截传感器构　成区截测速装置…．已知区截装置的间距ｓ，测时仪记录弹丸通过两传感器时间ｔ；根据　：ｓ／ｔ，获得弹丸在区截位置间的平均速度．　实际测量时，在“海３０”弹道炮炮口附近一定距离间隔上，在阴线处加工有两个传感　器安装螺孔，两孔间距可精确测得，将传感器安装在炮管的螺孔内，当弹丸经过传感器瞬　间，膛内火焰所发的光由安装在传感器本体内的带尾纤的光电探测器接收，从而产生变化　信号，只需根据弹丸过靶时两传感器获取的过靶波形，处理后精确得到弹丸通过两靶的时　间，便可求得弹丸炮口速度．　在区截测速系统中，要求靶成对使用．靶的设计、安装是否合理，对系统的测量精度有　收稿日期：２００１－０９－２８；修订日期：２００２４）４４）８　作者简介：杨述平（１９６９～），男，讲师，博士生　维普资讯 http://www.cqvip.com

应用基础与工程科学学报　Ｖ０１．１０　很大影响，传感器安装带来的误差，虽不易消除，但可以通过一些手段使之影响减小，如提　高靶的质量，作出工作性能一致的靶来；改进传感器结构，使之能准确在火炮上定位等．另　外它属于恒定系统误差，所以可通过与其它测速方法的比对来进行最后修正．　测速系统的总精度由测距精度和测时精度共同决定．不论测距还是测时，都必须双方　达到一定精度，才能取得满意的总体效果．　１．２测速传感器的设计　由于传感器是安装在火炮身管上进行测量，因此传感器必须结构精巧、坚固耐用，经　得起火炮高温、高压、高冲击等恶劣环境的考验和高速气流的冲蚀，便于在炮上随炮安装　而不影响炮的机动性．　１．２．１　传感器本体的设计　传感器本体结构如图１所示，采用的材料为　３０ＣｒＮｉ２ＭｏＶＡ，安装在“海３０”弹道炮管上的传感器螺孑Ｌ内．为了保证传感器略凸出于阴　线表面且放置在阴线宽度之内，要求传感器头部尺寸应略小于阴线宽度．作为传感器的核　心——微型光电二极管（只适用于原理实验）安装在图１中Ｍ３－６Ｈ的螺孑Ｌ中，作为保护窗　的蓝宝石＿２　安装在图１中锥度为１：５０，直径为２．５ｍｍ的孑Ｌ中，当弹丸通过传感器时，　利用弹带或尼龙弹托擦拭保护窗，保证其透光性．其材料可以选用耐高温、高压、不怕高速　气流冲蚀及弹丸磨损的蓝宝石或石英玻璃．　火炮射击时，膛内具有高温、高压、瞬变的特点．从传感器的安装方式可以看到，传感　器也承受了巨大的膛压作用．为了保证传感器联结强度符合要求，对联结螺纹的弯曲强度　和剪切强度进行校核，采用第四强度理论验算螺纹强度的相当应力，经理论分析，传感器　的联结强度符合要求①，由此可见，传感器在“海３０”弹道炮上的安装是安全的．　、　ｒ　２０　，　Ｉ、　－５＾Ｉ　＇　２．２ｈ１２　｝｝７㈠　／。／／／／／／／／／，。　，　ｋ　Ｉ　一ｌ一　・　：＝＝　ｌ－卯一　十　１　Ｉｎ　；　鲁　Ｉｎ　／／／／　Ｌ　／　｜｜｜｜　ｔ　｜｜｜｜／Ｉ　Ｉ　Ｉ　　１ｘ　２．５　，　１　．　７５　．～　１５　图１　测速传感器本体结构图　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｍｕｚｚｌｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｓｅｎｓｏｒ　ｒｅａｌｉｔｙ（ｎｏｕｍｅｎｏｎ）　１．２．２宝石窗凸出量的分析　在本实验中，分析蓝宝石窗凸出量ｈ的目的是研究弹带　（纯铜材料）擦拭宝石窗的有效面积，保证传感器的接收性能．蓝宝石与弹带之间的作用　①郝晓剑．随炮炮口速度测量光纤传感器的研究［Ｄ］．［硕士论文］．华北工学院，１９９７．１２一ｌ７　维普资讯 http://www.cqvip.com

杨述平等：随炮炮口速度测量传感器的研究　如图２所示．　为简化计算，先作以下假设：　①蓝宝石对弹带产生的形变仅为径　向变形，忽略横向变化．　②蓝宝石的凸出部分为标准的球冠　状，表面积Ｓ　＝２￣ｒｒｈ；式中ｒ为球冠半径．　③蓝宝石与铜弹带之间的作用引起　弹带变形属于弹性变形范畴．　④蓝宝石在火药气体辐射的波长范　围内是完全透明的．　通过分析弹带与蓝宝石的相互作用　并利用虎克定律可以得出①，弹带的变形　量ｈ＝１３００１ｘｍ，蓝宝石窗的凸出量理论最　图２蓝宝石与弹带作用示意图　为弹带的最大笃向厚度，ｈ为弹带的变形量，　△＾为弹带的弹性回复量，　为弹丸速度　Ｆｉｇ　２　Ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｏｆ　ｓａｐｐｈｉｒｅ　ａｎｄ　ｂａｌｌｉｓｔｉｃ　ｓｔｒａｐ　大值为ｈ　＝２．０６１ｘｍ．由于弹带的变形量　ｈ明显大于ｈ　，即此时宝石窗与弹带作　用引起弹带的变形属于弹塑性变形；因此　假设③不能成立．　当弹带的变形处于弹塑性变形阶段时，无论变形量ｈ多大，蓝宝石窗上承受的最大应　力　都不大于铜弹带的屈服极限　＝２１０～２３０ＭＰａ．　值远远小于蓝宝石的抗压强度　（２１００ＭＰａ），所以弹带对宝石窗的磨损可忽略不计．另外，由于炮口速度可达１０００ｍ／ｓ，而　弹带的宽度仅为几个ｍｍ左右，因此弹带与宝石窗的接触时间仅有几ｍｓ．因此，弹带上的　作用力对传感器本体联接的影响可忽略不计（即前文对传感器本体联接的计算有效）．　为简化分析，将假设③改为：　③蓝宝石与铜弹带之间的作用引起弹带变形属于弹塑性变形范畴，弹带对宝石的磨　损可忽略不计，但当塑性应力取消后，按弹性变形计算其回复量．　但当弹带运动到　点右方时，弹带处于卸载状态，即弹性形变恢复．根据上面计算的　结果可知，其弹性回复量Ａｈ…＝２．０６１ｘｍ．这样，由假设③可得弹带擦拭宝石的面积Ｓ　：　７ｒｒ（ｈ＋Ａｈ）；故　ｓ　＝　１．２．３传感器的最小探测量可靠性分析　＝（　１＋　Ａｈ）＞５ｏ％　（１）　由式（１）可知ｈ的变化与面积的比值成反比，即宝石窗凸出量ｈ越大，Ｓ　／ｓ。宝石越接　近５０％．故可以５０％的最小擦拭面积来衡量传感器的探测性能是合理的．　（１）炮口温度的估算　已知理想气体定律　ｐＶ＝Ｃ．Ｔ　（２）　①见第２００页脚注①　维普资讯 http://www.cqvip.com

应用基础与工程科学学报　Ｖ０１．１０　理想气体可逆绝热过程的泊松方程　ｐＷ：Ｃ２　（３）　式中Ｃ　，　为常数；　为热容比（　／Ｙ　）．　由式（２），式（３）可得（ｐＶ）　＝Ｐ　・ｐＶｒ＝Ｐｒ　Ｃ　＝（Ｃ　Ｔ）　＝Ｃ　・Ｔｒ，即　Ｐｒ　＝Ｃ　・Ｔｒ／Ｃ２＝Ｃ・Ｔｒ　式中Ｃ为新的常数．　已知炮口膛压Ｐ　＝８０ＭＰａ，炮内膛压Ｐ　＝３００ＭＰａ，炮内温度Ｔ２＝３０００Ｋ，根据（４）式可　得：　（４）　（Ｐｌ／ｐ　）　＝（　／　）　（５）　对于火药气体　取１．２５，代入上式可得炮口处的火药气体温度Ｔ＝Ｔ１，Ｔ１＝　・Ｔ２＝３０００×　丽　砸而＝２３０３Ｋ．　（２）５０％宝石窗的光通量计算　根据光辐射原理，绝对黑体的光谱辐射出射度公式，即普朗克公式为　Ｍ＾＝６＇１Ａ　［ｅｘｐ（６＂２／ｈ．Ｔ）一１］　（Ｗ／ｍ　）　（６）　式中：第一辐射常数ｃ　＝３．７４×１０　。（Ｗ・ｍ　），第二辐射常数ｃ　＝１．４３９×１０　（ｍ・Ｋ）．　在工程设计中常用公式（７）对某波长间隔（Ａ，一Ａ　）内辐射出射度Ｍ　进行快速估　算：　一等ｅｘｐ（一等）　＋　（Ａ＋　）　（Ｗ／ｅｍ２　㈩　式中：ｃｌ＝３．７４１５×１０　（Ｗ・Ｉｘｍ　／ｃｍ　），ｃ２＝１．４３８８×１０　（Ｉｘｍ・Ｋ）．　利用上式估算时，当Ａ为Ａ　和Ａ　之间的中心波长且ＡＴ＜２７１４的情况下，误差小于　１％．在验证方案可行性时，因单发射击，温升不大，可选用硅光电二极管，但将来进行多管　高射速舰炮的速度测量时，由于是连发，必须采用光纤光电二极管，以适应高温的需要．硅　光电二极管光谱范围约在０．４～１．２１ｘｍ之间，峰值波长约为０．８～０．９．如选Ａ＝（Ａ，＋　Ａ２）／２＝０．８ｖ，ｍ，ＡＴ＝１８４２．４＜２７１４，即可以Ａ＝０．８　ｍ代入式（６）中得Ｍ　＝３９．０８　Ｗ／ｃｍ　，其误差小于１％．　在Ａ＝，ｒ（Ｄ／２）　（Ｄ＝２．５ｍｍ为传感器端面透光部分截面直径）面积范围内的火药气　体辐射可近似为黑体辐射，距截面距离为　的接收面上的辐照度　Ｅ＝　仃　式中，　＝Ｌ—ｈ＝１５ｍｍ，Ｒ＝Ｄ／２＝１．２５ｍｍ．　・（／旦４），　ｏ（、　８）　所以，距截面距离为　的接收面上的辐照度Ｅ＝３９．０８×（１．２５／１５）　＝０．２７１Ｗ．　设弹带擦拭蓝宝石窗的面积Ｓ　＝５０％Ｓ　（此为被擦拭面积的极小值），则辐照度　Ｅ　＝０．５Ｅ＝０．１３６Ｗ．　（３）探测器的选型　若后级电路输入电流，设计为大于４１ｘＡ，，则Ｒ　：２９．４１　Ａ／ｗ，即所选探测器件的辐　维普资讯 http://www.cqvip.com

Ｎｏ．２　杨述平等：随炮炮口速度测量传感器的研究　２０３　射灵敏度应大于２９ｐ．Ａ／Ｗ．验证性实弹射击实验中选用的硅光电二极管其辐射灵敏度在　０．２～０．４ｐ．Ａ／ｐ．Ｗ之间，可见实验中在弹带擦拭５０％Ｓ。的情况下，传感器仍能满足设计　要求．目前国外市场已有超低噪声的带尾纤光敏二极管，其不同的波长有不同的响应率，　在６３２．８ｎｍ波长时，其典型值为０．３６Ａ／Ｗ；在９００ｎｍ波长时，其典型值为０．５５Ａ／Ｗ．将　来在进行多管高射速舰炮的速度测量时，可采用这种光敏二极管，以提高传感器灵敏度．　因此，在宝石窗设计中，其凸出量的大小对传感器灵敏度影响不大；但其值受膛线深　度的．　２传感器特性测试　用该传感器组成区截测速系统是一种新型的炮口速度测量方法．作者用这种传感器　在“海３０”炮上做了实弹射击试验，实验用弹丸分别为“海３０”穿甲弹和榴弹．　“海３０”弹道炮实弹射击试验波形见图３，两传感器的间距为１０５．５ｍｍ，根据波形图　可求得弹丸通过两传感器的时间．应根据第二次上升的波形来检测时间，应在波形图上前　沿最陡峭位置（斜率最大的地方）取一时间值，由此可求出弹丸炮口处的平均速度．　“海３０”弹丸过靶波形呈Ｎ形，在第一次缓慢上升后有一个下降过程，然后再快速上　升．第一次缓慢上升是由于火药气体泄漏越过弹托前面引起的信号，当铜弹带或者尼龙弹　托堵住蓝宝石窗口时信号下降，再当弹带或尼龙弹托离开蓝宝石窗口时，引起第二次上　升，得到所需的弹丸过靶信号．另外在图３的两幅波形图中，所呈现的Ｎ形波并不完全一　致，使用尼龙弹托的穿甲弹Ｎ形波显著，当尼龙弹托未到保护窗时，已有较多的火药气体　泄漏，因而其Ｎ形波第一个上升幅度较大；而使用铜弹带的榴弹由于闭气好，Ｎ形波第一　个上升幅度较小．过靶时间应根据第二次上升的波形来处理获取触发计时仪的信号．　目　●　目　＾　逛　逛　１．ｍｓ　ｍｓ　（ａ】穿甲弹弹丸过靶波形（尼龙弹托）　（ｂ】榴弹弹丸过靶波形（ｉｌ弹带）　图３　“海３０”弹道炮实弹射击试验波形图　Ｆｉｇ．３　Ｗａｖｅｆｏｒｍｓ　ｏｆ　ｓｉｇｎａｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｊｅｃｔｉｌｅ　ｐａｓｓｉｎｇ　ｐａｉｒｅｄ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　经５发射击（两发穿甲弹、三发榴弹），波形未发生明显变化，验证了利用弹带或尼龙　弹托擦拭保护窗的设想．表１为由两靶过靶波形图的时间求得的５发弹丸速度，由于读取　维普资讯 http://www.cqvip.com

应用基础与工程科学学报　时间间隔时存在人为误差，所得到的速度略有差异．和雷达连发射击比对初速偏低．检查　经实弹射击试验后的２个传感器，其中第二靶（距炮口较近）的传感器完整无损，第一靶　的传感器蓝宝石窗有损伤，经分析原因是蓝宝石凸出量大于３Ｏ丝，在传感器头部可明显　看出挂铜的痕迹．安装时可采用测压油压痕的方法判断凸出量，使其凸出量更为精确．　表１　不同弹种的弹丸速度　Ｔａｂｌｅ　１　Ｔｈｅ　ｓｐｅｅｄｓ　ｏｆ、　ａｒｉｏｕｓ　ｐｒｏｊｅｃｔｉｌｅｓ　３　结论　１．用该传感器组成区截测速系统是一种新型的炮口速度测量方法．经过实弹射击证　明，该方案可行，锥销形蓝宝石窗进行气体密闭是成功的，蓝宝石窗经多发射击考验能承　受火药气体的烧蚀及弹带弹托的摩擦，合适的凸出量保证了宝石窗的透光性能，因此过靶　波形未有明显变化．与其它区截装置（纸靶、线圈靶、天幕靶）相比，该传感器在尺寸、重　量、价格以及性能等多方面都具有一定的优势．　２．为了使这套区截测速系统更适用于实战火炮的测速，今后需进一步改进：一是使用　带石英尾纤的光电探测器（适应连发时产生高温的需要）来取代验证试验中的微型光敏　二极管．二是使用激光后向散射原理的专用区截光纤传感器，在传感器中有两根光纤，其　中一根为光源光纤，另一根是光电探测光纤，分别用来传送和接收光．采用半导体激光器　作为光源，可以获得较大的光能输出，这对提高传感器灵敏度有益．另外，由于激光的单色　性好，因此可以采用干涉滤光片把火药燃烧产生的火光滤掉，这对进一步提高传感器的可　靠性十分有利．　参考文献　［１］　徐长福．火炮测试技术［Ｍ］．北京：兵器工业出版社，１９８８：１３２—１３７　［２］　［美］小哈得逊Ｒ　Ｄ．红外系统原理［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９７５：９８—１００　［３］郭志猛，宋月清，陈宏霞，等．超硬材料与工具　Ｍ］．北京：冶金工业出版社，１９９６：３１—３５　［４］　高稚允，高岳．光电检测技术［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９９５：９７—１０２　［５］　汤定元，糜正渝．光电器件概论［Ｍ］．上海：上海科学技术文献出版社，１９８９．１６８—１７０　维普资讯 http://www.cqvip.com

Ｎｏ．２　杨述平等：随炮炮口速度测量传感器的研究　Ａ　Ｓｔｕｄｙ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｍｕｚｚｌｅ　Ｖｅｌｏｃｉｔｙ　Ｓｅｎｓ０ｒ　ＨＡＯ　Ｘｉａｏｊｉａｎ　ＹＡＮＧ　Ｓｈｕｐｉｎｇ，　ｎｓｔｉｔｕ１ｅ　０ｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００５　１）　ｆ　Ｄｅｐｔ．。ｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉ“　ｌＡｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａＩ１ｄ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ・　Ａ　ｉｌｅｗ　ｋｉｎｄ　０ｔ　ｍｕｚｚ１ｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｓｅｎｓ０ｒ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｗｈｉｃｈ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ａｓ：Ｓｉｌｌａ１１　ｉｎ　ｓｉｚｅ，ｌｉｇｈｔ　ｍ　ｗ　ｇｈｔ＇　ｓｉｍＤ１ｅ　ｉｎ　ｓｔｎｌｃｔｕｒｅ，ｈｉｇｈ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｌｏｗ∞ｓｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔ。ｔｈｅ　ｆ　ｎｎｇ　ｔ。　ｔ　ｂａｌｌｉｓｔｉｃ　ｇｕｎｓ　ｃａｌｉｂｅｒ　３０ｍｍ，ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｗａＶｅ　ｆｏｒｍｓ　ｏｎ　ｔｈｅ。“ｔｐ“ｔ。±　“　邮　ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｈａｖｅ　ｓｈｏｗｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐａｉｒｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａＬｓ　ｓ　ｍｐｌｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｉｓ　ｅａｓｙ　ｉｎ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ，ｉｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｍｅａｓｕ　ｔｈｅ　ｍｕｚｚｌｅ　。ｌ０ｃｌｃＹ　ｉ。　ｒａｐｉｄ—ｆｉｒｅ　ｍｕｌｔｉ—ｂａｒｒｅｌ　ｒｏｔａｒｙｇｕ”。・　．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｕｚｚｌｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ；ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ