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弹丸炮口速度测试技术研究

作　者: 范建英
导　师: 秦丽；李杰
学　校: 中北大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 炮口初始速度线圈靶磁阻传感器
分类号: TJ410.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

随着现代常规武器打击精度的日益发展,弹丸炮口速度作为惯性导航单元外弹道解算重要初始参数之一,该参数精确、实时的测量,直接影响到外弹道解算精度和弹丸的命中率。本课题将线圈靶与磁阻传感器相结合来实时测量弹丸炮口速度。利用内嵌于炮管制退器中的两组距离固定可测的通电线圈可产生一定大小的磁场,安装于弹丸内的磁阻传感器和信号采集处理电路通过两组通电线圈时,测得通过两组线圈的时间,进而实时解算出弹丸炮口速度。该测量系统具有体积小、价格便宜、操作方便、实时性好等优点。分析测试系统恶劣的测试环境,并理论上分析与计算本测量系统产生误差的误差源,计算得出最大相对误差不超过0.197%。以某100弹为例,利用ANSYS有限元分析与仿真炮上系统磁感应强度与分布。建立炮管、线圈数学模型,仿真炮管磁屏蔽大小,根据炮管磁屏蔽后的磁场大小和缠绕线圈的匝数、层数确定两组线圈的通电电压。仿真两组通电线圈的磁矢量分布与磁感应强度大小,为磁阻传感器量程的选择和采集信号的提取与解算以及系统的可行性分析提供依据。针对常规弹药需要体积小、高抗过载、高动态要求,选择体积小、灵敏度高的HMC1043磁阻传感器和体积小、高集成度、高效率的STM32F405RG控制器作为系统主要元器件搭建硬件电路,并设计相应的软件程序进行控制,实时解算弹丸炮口速度。最后,通过地面试验考核系统的抗过载和实时测速能力。先用ANSYS仿真系统结构在10000g冲击作用下位移偏移与应力变化在材料允许范围后,再用马歇特锤试验验证系统的抗过载能力。用100mm口径的空气炮验证测量系统的实时测速能力,同时用空气炮的激光测速仪测得弹丸飞行出炮口的速度进行对比,本测量系统的实时测速误差为0.202%,接近于理论分析的测速误差,验证了本设计系统的正确性和可操作性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-10
第一章绪论  10-18
  1.1 本课题的研究背景及意义  10-11
  1.2 弹丸炮口速度国内外相关技术动态及分析  11-16
    1.2.1 国内外外测法测量弹丸炮口速度技术  11-12
    1.2.2 国内外内测法测量弹丸炮口速度技术  12-15
    1.2.3 分析与比较几种测量方法  15-16
  1.3 本课题的研究内容及章节安排  16-18
    1.3.1 本课题的主要研究内容  16-17
    1.3.2 本课题的章节安排  17-18
第二章弹丸炮口速度测试系统总体设计方案  18-31
  2.1 外弹道理论分析  18-21
    2.1.1 常用概念介绍  18-19
    2.1.2 弹道飞行轨迹分析  19-21
  2.2 电磁学有限元分析理论  21-23
    2.2.1 麦克斯韦方程  21-22
    2.2.2 电磁场的一般微分方程  22-23
    2.2.3 常用静态电磁场边界条件  23
  2.3 系统应用环境分析  23-24
  2.4 弹丸炮口速度测试系统组成结构及工作原理  24-28
    2.4.1 弹丸炮口速度测量原理  24-26
    2.4.2 炮上单元组成结构及分析  26-27
    2.4.3 弹丸内信息处理电路组成  27-28
  2.5 系统设计误差分析  28-30
  2.6 本章小结  30-31
第三章炮上线圈磁感应强度分析与仿真  31-43
  3.1 炮上组件通电电压分析计算  31-36
    3.1.1 炮管磁屏蔽系数理论分析  31-33
    3.1.2 炮管磁场强度二维仿真  33-36
  3.2 通电线圈磁感应强度分析  36-41
    3.2.1 空间线圈磁感应强度计算  36-38
    3.2.2 通电线圈磁感应强度仿真  38-41
  3.3 本章小结  41-43
第四章弹丸炮口速度测量系统设计与实现  43-57
  4.1 系统硬件电路设计  43-52
    4.1.1 磁阻传感器电路设计  44-45
    4.1.2 信号调理电路设计  45-47
    4.1.3 磁阻传感器复位模块设计  47-48
    4.1.4 信号处理模块设计  48-50
    4.1.5 FLASH存储电路设计  50
    4.1.6 供电电路设计  50-52
  4.2 系统软件程序设计  52-56
    4.2.1 系统总体软件设计流程  52
    4.2.2 STM32F405RG初始化程序设计  52-53
    4.2.3 STM32F405RG ADC采集模块分析  53-54
    4.2.4 定时器模块分析  54-56
  4.3 本章小结  56-57
第五章地面试验验证  57-70
  5.1 试验目的及方法  57
  5.2 抗过载试验  57-63
    5.2.1 抗过载仿真分析  58-61
    5.2.2 抗过载结构试验  61-63
  5.3 实时测速试验  63-69
  5.4 本章小结  69-70
第六章结论与展望  70-73
  6.1 全文工作总结  70-71
  6.2 下一步工作及建议  71-73
参考文献  73-76
攻读硕士学位阶段的研究成果  76-77
致谢  77

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