摘要：炮口初速是电磁线圈炮研究中不可忽略的重要参量，然而受电磁驱动器发射时的复杂电磁环境制约，传统的测量设备已不能满足实验要求。鉴于此，提出了一种基于激光传感器、STC89C52RC单片机、光纤传导的测速系统，并且在系统的软硬件设计中，采用合理便捷的方法，对几个潜在的误差源进行了规避，有效降低了复杂电磁环境对仪器的影响，取得了良好的测量精度，同时又节约了成本。经验证：该系统具有精度高、调试简单、操作灵活、成本低等优点。

　　关键词: 激光传感器;速度测量;单片机;光纤

　　中图分类号: ****　　 文献标识码: A

　　1 引言在武器系统的研究、定型、生产质量控制、产品检验及弹道学理论研究中，都需要测定弹丸的飞行速度。作为体现弹丸综合性能重要参量之一的炮口初速，是必须被测定的。通常，炮口初速的测量，可以通过多种测速方法得到。如：多普勒雷达法(精度高、设备庞大、价格昂贵)，照相测速法(精度较高、但工序繁杂，周期长)，网靶(精度差且成本高);线圈靶(易受外界电磁干扰)等等。[1]

　　电磁线圈炮，作为极具发展前景和应用价值的新一代武器系统，对其发射机理的研究已日益引起人们的关注。因此，其炮口初速的测量势必成为重要的研究内容之一。然而，电磁炮的发射原理、工作环境及工作特点与传统火炮有着根本的不同，其发射时具有大电压、大电流、强电磁环境以及超高的弹丸初速等特点，这就造成传统测量方法及设备很难达到实验和测量精度要求。因此，设计一种能够满足研究需求的测速系统已经迫在眉睫。

基于这个目的，本文设计了一种以激光对射式数字光电传感器、抗电磁干扰单片机、光纤为核心的测速系统。该系统能够有效避免强电磁干扰，同时满足测量精度要求以及实验重复性测量需求。 2 系统的组成及工作原理 1.1 系统测量理论依据对于高速运动的物体，如子弹、炮弹等的速度测量，常用的测量方法按原理可分为三类，即瞬时速度测量法、平均速度测量法和多普勒原理测量法。对于测量500-2000m/s 运动目标的速度，精度要求达到0.02%，瞬时速度测量法和多普勒测速法基本不能满足要求[2]。因此，针对电磁线圈炮超高射速的特点，本文采用基于移动激光靶的平均速度测量法。平均速度测量法是通过测量高速飞行的物体飞过两激光光靶的时间△t和两光靶之间的距离S，再经过数据处理而获得其平均速度的方法。 1.2 组成及工作原理系统主要由移动光靶、信号触发、主控系统三大部分组成。其工作原理如图1[3]所示。在进行测量时，首先，根据研究需要调节前靶(触发靶)和后靶(结束靶)在靶道导轨上的位置，位置确定以后，从靶道标尺上读出两光靶之间的距离S，然后将距离S通过拨码开关输入给主控系统，输入完毕后进入待测状态。当有弹丸发射经过前靶，前靶两端激光传感器探头之间的光束被瞬间遮断，光信号转换为电信号触发主控系统启动计时，当弹丸发射经过后靶，后靶两端激光传感器探头之间的光束被瞬间遮断，光信号转换为电信号触发主控系统停止计时，这样就得到了弹丸通过两光靶之间距离S所用的时间t，经单片机处理后获得弹丸速度v，并由液晶显示出来。复位以后，重复上述过程可进行新的测量。 3 误差分析在系统实现之前，为避免引入较大误差，影响仪器最后应用效果，特对若干潜在的误差源进行分析，经分析误差主要源于四个方面：

　　⑴两光靶之间距离的确定，有可能引进误差。系统采用移动激光靶，即两光靶之间的距离在靶道量程范围内，可以任意调节，这样可以使测量变得更灵活，测量结果更丰富，更有利于研究工作，但同时也带来了较大误差引入的可能。因此，在光靶和靶道的设计和选用过程中，一定要保证精度。

　　⑵光纤传感器产生的激光光束的形状、截面分布及光强分布对触发所产生的影响。激光光束从实际上说是有一定大小的，在很多测量系统中由于精度要求不高，不需考虑激光束的形状以及截面分布。然而在高精度光电测量系统中，就需要考虑光束形状以及光强分布对测量系统造成的影响。除此之外，传感器中激光发生器功率漂移、比较失调电压等误差都会直接引起通过激光束的位置偏差，这些偏差对高精度激光测速系统的影响是不可忽略的。因此，在选择传感器时要特别注意。

　　⑶激光传感器的灵敏度，也就是其从感应到光信号到将光信号转换为脉冲数字信号并传给主控系统所用的时间。如果传感器的灵敏度不够，将引入不可预计的误差，使测量结果失去可信度。

　　⑷弹丸形状对触发造成的影响。通常，根据空气动力学理论，弹丸前端都是比较尖锐的，如果测量时弹丸与光束位置没有正对，那么触发位置将不是弹丸前端，导致触发时间出现偏差，引入误差。[4]

以上四个方面都是在系统软硬件设计中需要注意的。 4 系统硬件设计 1.3 移动光靶及靶道的设计 1.3.1 移动光靶的设计有机玻璃具有质量轻、强度高、不易变形且加工方便等特点，因此选择有机玻璃作为移动光靶制作原材料。并将其设计为一体的环形，以保证其结构稳定。其结构简图如图2所示。 光靶中部最大直径处开两个正直对射的通孔，通孔内部攻丝。将激光传感器探头安装固定于通孔内。通过位于光靶底部的两个紧固孔，用螺栓将光靶固定于可在靶道自由滑动的滑块上，固定时要注意是两光靶处于平行位置。移动光靶设计的关键是，一定要保证用于安装探头的通孔是正直对射的。 1.3.2 靶道的选择选用高精度赤道仪的底座作为光靶靶道。该底座上有两个可在0-1000mm量程内自由移动的滑块，用以安装光靶。靶道上设有用于读取两光靶之间距离的刻度表，最小刻度为0.5mm。不仅如此，该底座还可以通过调节螺杆，调节靶道左右和上下移动，使其方向与弹丸的发射方向保持一致。因此，选用赤道仪底座作为光靶靶道，在使测量变得灵活便捷的同时还保证了测量精度，有效降低了由距离S引入的误差。 1.4 光电传感器的选择光电传感器是测速系统的核心部分，其选择是否得当直接关系着仪器的测量精度。选择时要充分考虑以下三点：⑴传感器产生激光光束的截面要小，光强要足且分布均匀，不易被其他光源干扰;⑵传感器反应速度要快，即灵敏度要高;⑶抗电磁干扰能力强。因此，本系统采用欧姆龙公司的BRF-HN高速型光电传感器,该型光电传感器采用光纤传导，可以有效避免电磁干扰，反应时间为50us，光斑截面为直径1.2mm的圆形，且不易受外界光源影响，在阳光不大于10000 lx，白炽光不大于3000 lx 的环境下可正常使用。经验证该型传感器完全满足设计要求。 1.5 主控部分的设计主控部分由微控制器、距离输入及速度显示三部分构成。其电路图如图3所示。[5]

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