微型化放入式电子测压器的研究Word下载.docx
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论文答辩日期2010年5月15日
学位授予日期________年______月______日
论文评阅人
答辩委员会主席
2010年5月11日
原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的学位论文,是本人在指导教师的指导下,独立进行研究所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。
对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律责任由本人承担。
论文作者签名:
日期:
关于学位论文使用权的说明
本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定,其中包括:
①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件;
②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文;
③学校可允许学位论文被查阅或借阅;
④学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文;
⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容(保密学位论文在解密后遵守此规定)。
签名:
导师签名:
摘要
膛压作为火炮内弹道的重要性能参数,其测试一直是改进火炮系统获取重要动态数据的必要手段。
为了满足中小口径火炮以及新型身管武器与弹药研制对膛压测试的迫切需求,因此本文设计了微型化放入式的电子测压器。
该仪器选用TI公司生产的高性能低功耗MSP430系列单片机作为控制芯片,组成主从处理系统,实现对膛压信号的交叉采集与存储。
该测试系统体积小(仅为21.9cm3)、功耗低、采样频率、触发电平以及测量量程可编程,无外部引线,能够承受最大600MPa的压力。
可以在现场实时实况的记录被测弹体射击过程膛压变化状况,并能够在系统掉电的情况下保持测试所得的数据。
模拟应用环境下的动态校准保证了仪器的测试精度。
应用红外通信技术设计的接口,可以方便的读取仪器所记录的数据,以供分析。
本论文阐述的内容包括以下几个方面:
1)分析了膛压测试的环境,介绍了微型化放入式电子测压器的功能要求与性能指标,对系统进行总体设计,包括系统总体结构与测试方案。
2)在总体方案的基础上,研究了压力信号采集的实现方式,根据系统的参数指标对传感器进行选型,对系统硬件电路进行设计,包括调理电路、采样触发、信号的采集与存储以及红外通信接口等几个部分的硬件设计与实现。
3)对系统的软件进行设计和实现,包括单片机部分的软件设计和红外数据通信中上位机部分的软件设计。
4)系统设计的关键技术,包括微型化设计、低功耗设计、采样频率和触发电平及测量量程可编程设计、抗干扰设计。
5)介绍了测试系统的静态标定以及应用环境下的动态校准与相关性校准,并对所测数据进行了分析。
关键词:
膛压测试,微型化,低功耗,红外通信,校准
ResearchOnTheMiniatureInternalElectronicPiezoGauge
Abstract
Astheimportantparameterofartilleryinteriorballistics,Chamberpressuretesthasbeenanecessarymeantoaccesstheimportantdynamicdatafordevelopingandimprovingartillerysystems.Inordertomeetthedemandforsmallandmedium-caliberandnewkindsofbarrelweaponandmunitionsforchamberpressureoftesting,sotheminiatureinternalelectronicpiezogaugeisdesigned.ItusesMSP430MCUascoreelementtocomposeaPrincipalandsubordinatemultiprocessorssystemtosampleandsavechamberpressureeachother.Theapparatusisofsmallsize(only21.9cm3),highprecision,capableofworkingunder600MPa.Ithasverylowpowerconsumption,andthesamplingfrequencyandthetriggerlevelandthemeasurementrangeprogrammedadjustable.Itcanrecordreal-timedataofthemovementinformationoftheobjectbeingmeasuredandstorethosedataforeverevenifpower-down.ThedynamiccalibrationintheapplicationenvironmentprovidesthesecurityforthetestaccuracyUsinginfraredcommunicationstechnologydesignedinterface,youcaneasilyreadinstrumentsrecordeddataforanalysis
Thefollowingaspectsofthispaperwereproposed:
1)Thisthesisanalysesthetestenvironmentofthechamberpressure,introducesthefunctionalrequirementsandperformanceindicators,theoveralldesignofthesystem,includingtheoverallstructureofthesystemandtestprogram.
2)Basedonthegeneralsystemicscheme,weresearchonthewayofcollectingthepressuresignal.Accordingtotheparameterindicesofthesystem,wechoosethetypeofthesensor,designthesystemichardware,includingconditioningcircuit、sampletriggering、thesignalcollectionandsaveandtheIrDAportandsoon.
3)ThesoftwareisdesignedwhichincludestheprogramaboutthepartofMCUandthepartofinfraredcommunicationinterface.
4)Keytechnologiesofsystemdesign,includingmicro-design,low-powerdesign,thesamplingfrequencyandthetriggerlevelandthemeasuringrangeadjustableprogramming,anti-jammingdesign.
5)Itproposedthetestsystem’sstaticcalibrationandthecalibrationoftheappliedenvironmentandthepressurecurverelevancecalibration,andanalyzesthemeasureddata.
Keywords:
chamberpressuretest,miniature,lowpowerconsumption,infraredcommunication,calibration
目录
1绪论
1.1本课题的来源、目的及意义1
1.2膛压测试及测压器的发展现状2
1.2.1膛压测试简介2
1.2.2国内外电子测压器的发展现状3
1.3本课题完成的工作及研究内容5
2电子测压器的总体方案设计
2.1系统功能要求与性能指标7
2.1.1系统功能要求7
2.1.2性能指标8
2.2系统总体结构设计8
2.3测试方案设计10
2.3.1采样策略的设计10
2.3.2数据存储的设计11
2.3.3触发方式11
2.3.4握手协议的设计12
2.3.5工作状态设计13
3测试系统硬件设计与实现
3.1硬件总体结构设计15
3.2主控芯片MCU的选择15
3.3压力信号的采集与调理16
3.3.1压力信号的采集16
3.3.2信号的调理17
3.4电源管理模块19
3.5外围晶振选择20
3.6红外接口模块的设计21
3.6.1IrDA简介21
3.6.2红外收发器的选择22
3.6.3通信接口电路设计23
3.7系统壳体结构设计24
4测试系统软件设计与调试问题分析
4.1应用开发软件概述26
4.2单片机软件设计26
4.2.1主单片机的程序设计27
4.2.2从单片机的程序设计33
4.3上位机软件设计34
4.4系统调试中关键问题分析及解决方案37
5测试系统设计的关键技术
5.1系统的微型化设计41
5.1.1电路模块的微型化41
5.1.2电池结构的微型化42
5.1.3传感器结构的优化43
5.1.4接插件的选择43
5.1.5壳体结构的微型化44
5.2系统的低功耗设计45
5.2.1硬件电路的低功耗设计45
5.2.2软件的低功耗设计47
5.2.3系统总功耗计算49
5.3系统重要参数可编程设计50
5.3.1采样频率的可编程设计50
5.3.2测量量程的可编程设计51
5.3.3触发电平的可编程设计52
5.4系统抗干扰设计53
6测试系统的校准与实测数据分析
6.1电子测压器的静态标定55
6.2电子测压器应用环境下的动态校准56
6.3利用压力曲线的相关性校准59
6.4实测数据分析61
7总结
7.1全文总结64
7.2本文的创新点及不足64
7.3应用前景展望66
参考文献67
攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研工作70
致谢
1.1本课题的来源、目的及意义
随着科技的日新月异,高、精、尖武器系统被广泛研制并应用于现代战争中,作为克敌制胜的重要工具,被应用于航天、航空、航海等领域,其性能的好坏显得至关重要,同时其测试环境也变得越来越复杂。
测试设备是完成对武器系统测试的重要手段,他们的性能好坏直接关系到测试结果的精确程度。
在对武器系统的测试精度要求越来越高的要求下,作为一种有效的测试手段—存储测试技术应运而生。
作为运动体工况参数测试的有效手段,存储测试技术发展及应用前景广阔,并且已经发展成为测试,计量技术与仪器学科的一个重要分支。
随着芯片集成水平的提高与控制技术的飞速发展,也为存储测试技术的发展注入了新鲜的血液,使得测试系统朝着智能化、多通道、自适应等方向发展,也提高了存储测试系统的容量、灵活性和可靠性[1-2]。
作为信息存储测试理论基础的信息论是从通信技术领域中起源的,现代信息理论的应用将有益于完善和提高存储测试技术发展。
目前,用于膛压测试的方法主要有传统的测压法、引线电测法、内置式的电子测压等方法。
传统的测压法使用虽然方便,但只能获得最大压力,无法获取整个发射过程的膛压动态曲线,不利于系统整体分析。
引线电测法准确度高,可获得膛压-时间曲线,完整的反映火药燃烧规律,但要在炮身或药筒上打孔安装传感器,操作不便,应用受到限制。
中北大学祖静教授的课题组在国内最早研制成功了内置式电子测压器,但其体积为80cm3,可实现大口径火炮膛压的测试,无法满足现在中小口径火炮膛压测试的需求。
本论文主要研究在恶劣环境下实现微型化、低功耗的压力测试,处于高温、高压环境中,此类测试需满足一个共同的要求:
测试仪器必须放入场内进行测试,同时又不能影响装药量和发射时产生的效果。
如果要满足这样的要求,目前的测压系统只能够实现对大中口径火炮的测试,而对于大部分中小口径,尤其是小口径火炮则无能为力。
同时新型身管武器与新型弹药的研制、定型,试验等过程也都需要测试膛内压力,内弹道参数,由于部分身管武器口径的限制,对于测试仪器的体积提出了更高的要求。
因此研制适于小口径火炮和身管武器膛内压力测试的仪器已经迫在眉睫。
1.2膛压测试及测压器的发展现状
1.2.1膛压测试简介
所谓测试系统,是指为了获取某种被测信息而专门设计的装置或仪器。
测试系统是由有关器件、仪器和装置等有机组合而成的整体。
测试系统的目的是准确可靠地获取被测信息[3],对于不同的应用对象,系统设计的具体要求是不同的。
在各种不同型号口径的火炮研制、生产、试验、验收、勤务等过程中都需要测量最大膛压,膛压测试是关系火炮弹药有效使用和安全使用的重要检测工作,也是部队弹药化试验室内弹道常规测试主要项目。
目前应用较多的膛压测试方法是塑性变形测压法和引线电测法。
传统的塑性变形测压法是利用塑性敏感组件(如铜质、铝质的球体或圆柱体)受压后的变形量来获取最大膛压值的[4]。
测量时,铜柱(球)测压器放置于药室或药筒内,火药燃气压力通过活塞作用于铜柱(球),使其发生永久变形,试验后取出铜柱(球),用千分尺测量其变形量,再按照铜柱(铜球)变形量与膛压值的对照表得出测试的最大膛压值。
此外,测试时塑性测压器件还受到压力脉宽和温度的影响。
在相同峰值压力作用下,压力脉宽越小,变形量越小,压力脉宽越大,变形量越大。
这一现象从铜柱测压表现分析,当压力作用时间很短时,由于材料本身的动态特性的影响,铜柱的残余变形很小。
若作用时间非常短,有可能出现尚未进入塑性区,压力己经消失的情况,也就不能够产生塑性残余变形,此时用铜柱压力并不能反映真实压力值。
当作用时间“无限”长,铜柱的残余变形达到最大,即为静态加载残余变形。
而膛压测试时,温度偏高,材质变软,受压力作用产生的塑性变形将偏大;
反之,温度偏低,材质变硬,产生的塑性变形将偏小。
所以还需对由压力—变形表查得的压力还要进行脉宽修正和温度修正。
一般温度修正表的温度范围为-20℃~50℃,脉宽修正表的脉宽范围为:
2.0ms~14ms[5-6]。
如下图1.1、1.2所示分别为铜柱测压系统工作原理和铜球测压系统工作原理。
图1.1铜柱测压系统工作原理图1.2铜球测压系统工作原理
引线电测法是通过在药筒底部安装压力传感器,由地面的电荷放大器和数据记录仪器测试记录,实现对膛压信号的测试。
其特点是准确度高,可获得膛压-时间曲线,完整的反映膛压随时间的变化规律等优点,但其系统比较复杂,特别是要在炮身或药筒上打孔引线,操作不便,使它的应用受到限制。
其测量原理如下图1.3所示。
实验时传感器的输出信号通过低噪声电缆与电荷放大器连接,由于火炮射击时后坐力等因素的影响电缆容易损坏,而且膛压测试实验通常都是在野外进行,需要现场布线,安置实验仪器,这给实验带来诸多不便[7-8]。
图1.3传统电测法的测量原理框图
由于这两种方法现已不能满足高新武器与弹药研制、定性对膛压测试的要求,因此,2008年3月颁布的国军标GJB-2973A-2008“火炮内弹道试验方法”已把放入式的电子测压法列为火炮膛压测试的新方法,已逐步取代应用了上百年的内置式的机械测压法。
本文所研究的微型化放入式电子测压仪器是火炮膛压测试仪器,用于57mm口径以上的火炮膛压曲线的测试,测试时直接放入药室或药筒中,在火炮发射的过程中自动记录火炮的膛压变化过程(P-t曲线)。
使用放入式电子测压器不需要在药筒底部打孔安装传感器,不需要通过炮尾系统引出电缆,在发射现场不需要配置专用仪器,放入式电子测压器体积小、测试精度高、无引线、使用方便、可重复使用,是火炮膛压测试的理想仪器。
1.2.2国内外电子测压器的发展现状
中北大学(原太原机械学院)祖静教授的课题组多年来一直致力于武器系统动态参数测试技术的研究。
采用存储测试技术在国内最早成功研制了火炮膛压测试仪器―电子测压蛋[9],该仪器能在火炮发射时自动记录存储膛压变化过程(P-t曲线),测试精度高,电子测压蛋于1989年获得中国发明专利,1991年获得国家发明二等奖。
20世纪80年代末奥地利AVL公司率先在国际上推出了内置式的电子测压器,在过了10年左右的时间,俄罗斯也于1991年也推出了类似的产品。
2000年,同样是奥地利国家的HPI公司推出了型号为B251产品性能遥遥领先于国内的第三代型内置式电子压力测试仪,该测试仪配置了专用传感器、研制了专用电池、运用控制技术设计可控的供电方式使得仪器能够在高低温的环境下保温48小时,而且体积小、仅有22cm3,与铜柱(铜球)式机械测压器体积相当,可以实现对中小口径火炮膛压的测试。
其实物图如下图1.4所示。
美国和俄罗斯等国也已经在大、中、小各口径的火炮测试中广泛应用内置式电子压力测试仪。
图1.4奥地利HPI公司600MPa内置式电子压力测试仪
国内已有多家单位使用了电子测压蛋,获取了100mm滑膛炮、105mm突击炮、122mm榴弹炮、125mm突击炮、130mm榴弹炮、155mm榴弹炮等中大口径火炮的大量膛压数据,该产品测量范围是600MPa,体积80cm3(见图1.5)。
图1.5中北大学研制的600MPa、80cm3的“电子测压蛋”
目前,国内研制的放入式电子测压器主要存在以下问题:
(1)体积大。
在火炮膛压测试中,要求测试仪器体积不超过药室容积的2.5%,因此使用范围受到限制,只能用于100mm口径以上的火炮膛压测试,而国外的同类产品可以用于50mm以上口径火炮的膛压测试。
(2)不能满足弹药试验的勤务要求。
测试仪器要随着弹药保高低温(低温-40℃保温48h,高温55℃保温48h),这对仪器的高低温性能和电池的高低温特性有很高的要求。
由于没有有效的电源控制技术及研制专用电池,目前电子测压器只能连续工作8小时。
(3)价格昂贵、可靠性差,国外传感器精度高、可靠性高、重复性好,但是成本高,有些产品对国内禁运。
相对于国外的传感器而言,国内生产的压力传感器的精度低、体积较大,稳定性差。
(4)动态压力测试精度不可靠。
作为火炮、弹药、引信等共性的基础性的压力测试手段,测压器的动态校准尚未与静态计量接轨。
由于其使用环境的特殊性,需要建立专门的动态压力校准系统,保障电子测压器的测试精度。
由于长期缺乏资金的支持,放入式电子测压器的技术水平发展比较缓慢,已远落后于国外同类产品的技术水平,不能满足多种新型火炮、弹箭的压力测试的需求。
总之,弹药在发射过程中膛内的测试环境极端恶劣,不仅要求测试仪器耐高压、抗高冲击振动、适应高低温环境,同时要求测试仪器具有微小体积、高可靠性、高精度的特点。
然而目前的测压系统只能够满足大中口径的火炮膛压的测试,对于大部分中口径,尤其是小口径火炮膛压的测试则无能为力。
同时新型身管武器与新型弹药的研制、定型及试验等过程也都需要测试膛内压力、内弹道参数,他们对于测压系统的体积提出了更高的要求,因此研制适于中小口径火炮膛内压力测试的仪器已经迫在眉睫。
1.3本课题完成的工作及研究内容
微型化放入式电子测压器是一种基于存储测试技术和结构设计技术的用于膛内压力信号测试的系统。
本论文所做的研究内容是在张小琴所做工作的基础上进行的,最终完成了22cm3微型化放入式电子测压器的研制、生产及推广应用。
重点研究了放入式电子测压器的微型化技术、低功耗技术、电源控制技术。
微型化放入式电子测压器体积22cm3,测量的压力范围为600MPa,系统采样频率、触发电平和量程均可由计算机编程设置,测试数据通过红外接口、USB接口读入计算机,再进行后续的数据处理。
建立了模拟膛压发生器校准系统,微型化放入式电子测压器在应用环境下进行了动态特性的校准,保证了系统的测试精度。
本论文阐述的内容包括以下几个方面:
1)分析测试环境对微型化放入式电子测压器的功能、性能指标要求,明确设计思路,得出测试系统的总体设计方案,对系统总体结构和测试方案进行设计。
测试方案包括采样策略、触发方式、握手协议、工作状态等。
2)依据总体设计方案,对微型化放入式的硬件电路进行设计,其中包括:
硬件总体结构的设计,膛内压力信号的采集与处理电路模块的设计,电源管理模块与系统外部时钟芯片的选择与应用,红外数据通信电路及接口模块的设计等。
同时设计了系统的壳体结构。
3)在硬件电路设计的基础上,实现系统软件程序设计。
软件程序设计的内容主要有两个方面的内容:
一方面是下位机要实现的系统采样、存储、读数与编程等功能程序的编写;
另一方面是上下位机之间通信以及下位机软面板操作的编写。
4)针对测试系统软硬件的设计,对其中较为关键技术的应用进行了详细的分析。
5)对系统进行了静态标定;
建立模拟膛压发生器校准系统,对系统的动态特性进行了校准,并对多口径火炮的实测膛压数据进行了分析。
完整的测试系统是将信息采集、存储以及信息读取等功能完整的结合在一起的有机整体。
设计这样一个完整的系统,首先要有总体的设计思路,要明确被测试对象的特点,然后再根据测试对象的具体功能要求与特定的环境特点,设计系统实现的总体方案,其中包括总体结构设计与测试方案设计。
2.1系统功能要求与性能指标
2.1.1系统功能要求
放入式电子测压仪器是新型火炮膛压测试仪器,适用于火炮、弹药发射过程中自动测量火炮膛压曲线,以获得火炮的内弹道参数。
在火炮膛压测试的过程中,对于所用电子测压器的体积,军标要求其体积不能超过药室容积的2.5%,此外对于需要保温测试时,测试仪器在随弹药一起保温时,要能够经受从-40℃到55℃保温48h甚至更长时间的考验。
有时测试环境中还会产生极高的瞬时电流,例如电热化学炮发射时的瞬间电流就可达到100000A,此时就会产生极强的电磁干扰。
因此,这些恶劣的测试环境对测试仪器的耐高压、抗高冲击振动、适应高低温环境,以及微体积、高可靠性的性能与特点提出了更高
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