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磁致位移傳感器在自行火炮性能測試中的應用

來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2022-01-28 10:21

  

對于位移量的測量廣泛存在千自行火炮、坦克、起重類工程裝備的性能檢查中。在某型突擊炮火控系統性能檢測的各項指標中剛度、低速調炮速度、漂移速度等是其中的重要內容。此類測試量均屬千小位移量檢測。目前,火炮生產廠家、部隊和大修廠對上述項目采用秒表、坐標靶板結合人工記錄的方法。自動化程度低、測試準備時間長、測量精度難以保證。國內相關院所研發了一 些諸如拉線式位移測量設備,在保證精度的前提下可以實現自動化測量,但測量設備的安裝繁瑣、附件較多。部隊急需的是安裝簡單、附件少、操作容易的便攜型檢測設備。本文提出了 一 種利用磁致位移傳感器測量火炮位移量參數的新型便攜檢測設備的方法。
1磁致位移傳感器的工作原理
 
磁致位移傳感器基于磁致伸縮效應和逆磁致伸縮效應。鐵磁材料和亞鐵磁材料由千磁化狀態的改變,其長度和體積都要發生微小的變化,這種現象稱為磁致伸縮,鐵磁材料受到機械應力之后,其磁化狀態也會發生改變,稱之為逆磁致伸縮效應。材料在磁化狀態下長度的變化稱為線磁致伸縮,是焦耳在 1842 年發現的;體積的變化稱為體磁致伸縮通常研究的磁致伸縮是指線磁致伸縮,其大小用磁致伸縮系數入來描述。
以稀土元素鉞(Tb)、鎊(D y )和鐵(Fe)合金制成的棒狀體的線磁致伸縮系數入比金屬、合金和鐵氧體材料的入大 1-2 個數量級 ,具有超大磁致伸縮效應,因此稱ThDyFe為稀土超磁致伸縮材料。該材料在3000Afm的磁場中基本飽和,飽和磁致伸縮系數入s=750x10--6 ,磁致伸縮系數入與外加磁場 H (A/m )的對應關系構成材料的磁致伸縮曲線,實驗證明稀土超磁致伸縮材料的磁致伸縮曲線是穩定和可重復的,即在相同磁場下稀土超磁致伸縮材料產生完全相同的應變值。
磁致位移傳感器的位置磁鐵裝在運動部件上,而傳感器主體則裝在— 個固定部件上。傳感器工作時,脈沖發生器A發給磁致波導鋼絲激勵脈沖電流i,該脈沖電流將產生一 個圍繞波導鋼絲的旋轉磁場。位置磁鐵也產生 一 個固定的磁場。當兩個磁場相交時,根據Widemanm 效應,金屬隨其瞬間變形產生波導扭曲,使波導鋼絲產生磁致彈性伸縮,即形成一 個磁致旋轉波(應變波)。
經過計算該旋轉波沿著波導鋼絲以 v= 2800m/s 的速度向兩邊傳播。當它傳到波導鋼絲一 端的波檢測器B時被轉換成電信號。通過測量磁致旋轉波從位置磁鐵傳到波檢測器的時間t就能確定位置磁鐵和波檢測器之間的距離。這樣,位置磁鐵和波導絲產生相對運動,通過磁致位移傳感器就可以確定位置磁鐵的位置和速度。
L=vt式中:t為發射脈沖與反射脈沖的時間差,v 為旋轉波的波速,L為磁鐵和波檢測器間距。該傳感器系統屬千絕對測量系統。位置磁鐵的位置可自動確定,斷電對測量精度不造成任何影響。
2、位移量的測量方法
在實際測量中,測量的在一段時間內位置磁鐵移動的距離,因此只要選擇一個時間起點(往往是程序運行開始點),通過計時就可得到位置磁鐵移動的距離,磁致旋轉波從位置磁鐵傳到波檢測器的時間差,該時間差的測量精度決定了位置測量的精度。對該時間的測量采用的是脈沖計數法。
得到的移動距離單位是毫米。脈沖電流發生器向波導絲發出激勵電流,位置磁鐵合成后作用在波導絲上形成應力信號,該信號在波檢測器內感應出電信號并對此信號放大和整形然后再比較器內和參考電平比較,超過參考電平則發出觸發信號給FPGA處理器計數,處理器將計數值(時間)和傳輸速率值做乘法運算后得到瞬時位移值,然后將此值在RS485串口輸出。
3、磁致位移傳感器性能
該傳感器可以實現非接觸、絕對式測量,具有高精度、大量程的特點,傳感器能承受高震蕩的環境。傳感器輸出信號為絕對值,所以即使電源中斷重接也不回對數據接收構成問題,更無需重新調整零位。由于傳感器組件都是非接觸的,所以即使測量過程不斷重復的,也不回對傳感器造成任何磨損。傳感器的線性度為0.387%,重復性誤差為±0.287%,分辨率0.05mm。測量范圍為50-20000mm,多位置測量、輸出信號模式為模擬量SSI、RS485、RS422,PEM等,使用溫度范圍-40℃~+85℃。
4、在自行火炮性能測試應用舉例
某型突擊炮火控系統性能檢查中的許多指標為位移量。而剛度、低速調炮速度、漂移速度極其微小也可以轉換為位移量檢測。測量微小的位移量參數采用了位移變換器。位移變換器由辭職位移傳感器、傳感器座、炮身箍和位置磁鋼組成。
辭職位移傳感器固定在磁力傳感器基座上并將基座安裝在車體上甲板上。套箍固定在身管中部的環槽中。套箍上安裝了位置磁鋼,位置磁鋼套住磁致伸縮傳感器的波導鋼絲套桿。輸出信號電纜與工控機連接。
測量水平方向的最小瞄準速度、漂移速度、水平方向超調量時將套箍支臂。測量垂直方向的最小瞄準速度、漂移速度、垂直方向超調量時將套箍支臂、磁致伸縮傳感器的安裝方法。
測量炮身的水平方向漂移速度時,檢測開始后計算機對位移傳感器傳來的信號采樣一段時間后停止,同時繪制出漂移速度曲線并計算出在此時間間隔內的平均實際漂移速度為7.255mil/min,符合技術檢驗規范的要求。
測量炮身垂直方向最大瞄準速度時,檢測開始后炮手以最大速度扳動操縱手柄垂直調炮,計算機對位移傳感器傳來的信號采樣一段時間后停止,同時繪制出最大瞄準速度曲線并計算出在此時間間隔內的最大瞄準速度為5.56°/s,符合技術檢驗規范的要求。
5、結束語
磁致伸縮傳感器是基于磁致伸縮效應的新型位移傳感器。該傳感器具有非接觸、絕對式測量,高精度、量程大和環境適應性好的特點。將磁致位移傳感器應用在自行火炮性能檢測中,使剛度、低速調炮速度、漂移速度等困擾部隊的檢測項目實現了準確、高效的測量。經過大量實裝測試證明,該方法適合于對自動火炮、坦克部分工程裝備所涉及的小位移量相關性能指標進行檢測,適用范圍較廣。


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