第1期
火炮发射与控制学报
JO U RNA L OF G UN L A U NCH &CO N T RO L
·85·
刚体运动加速度传感器
王宝元, 周发明, 衡 刚, 喻华萨
(西北机电工程研究所, 陕西咸阳 712099)
摘 要:对于火炮结构而言, 加速度响应量可分为弹性振动加速度和刚体运动加速度。本文的目的是提出一种强冲击刚体运动加速度传感器, 以解决火炮尤其是大口径火炮后坐部分后坐刚体运动加速度测量, 消除传统测量方法测量信号中出现的结构应力波或弹性波干扰现象。利用电磁感应原理和机械原理, 将微型角加速度敏感元件的角量转化为运动物体的线量。敏感元件不固定在运动物体上, 完全隔离由于弹性波引起的信号干扰, 确保输出量仅为刚体运动加速度信号。它也是其他物体大行程刚体运动加速度测量的理想传感器。
关键词:固体力学; 火炮; 刚体运动; 加速度测量; 传感器
中图分类号:T J301 文献标志码:A 文章编号:1673-6524(2009) 01-0085-03
Acceleration Sensor of Rigid Body Movement
WANG Bao -y uan , ZHO U Fa -ming , HENG Gang , YU Hua -sa
(N or thw est Institute o f M echa nical &Elect rical Engineering , Xiany ang 712099, Shaanxi , China )
A bstract :Fo r g un structure , the acceleration respo nses we re divided into the acceleratio n of elastic vibra -tion and the accele ration of rig id body movement . In order to solve the measurement problem of rig id body movement acceleration o f gun , especially recoiling parts of large calibe r gun , a ty pe o f acceleration senso r
of rigid body m ovement under the condition of strong im pact w as developed . The metho d can remove the interfere signal of stress w ave o r elastic w ave in traditional m easurement m ethod . By use of electromag -netism induction principle and mechanical principle , the ang ular quantity of the micro senso r accele ration w as transformed into the translational quantity of mo ving body acceleration . The senso r w as not mo unted on the moving body , this can com pletely insulate the interfere sig nal of stress w ave to m ake sure that the output quantity just w as the acceleration sig nal of rigid body m ovement . The sensor is also an ideal senso r that can be used in acceleration measurement of othe r bodies in long displacement rigid bo dy mo vem ent . Key words :so lid -state m echanics ; g un ; rigid body movement ; acceleration measurement ; sensor 在火炮研制过程中, 不可避免地会出现一些故障或战技指标不能达标的难题, 如何用较少的费用、较短的周期研制出高性能的火炮系统, 一直是人们追求的目标。正确的系统设计和必要的理论计算是火炮研制成功的基础, 但实验测试研究也是故障诊断和提高火炮性能的必不可少的条件之一[1-3]。
对于火炮结构而言, 加速度响应量可分为弹性振动加速度和刚体运动加速度。弹性振动加速度作用时间短, 成份复杂, 而刚体运动加速度作用时
间长, 物体运动位移大
[4-5]
。火炮后坐部分沿后坐
方向运动规律基本呈现为刚体大位移特征。火炮后坐部分是发射弹丸的直接部件, 它的运动规律不仅对火炮的总体布局、全炮受力和关键部件的强度设计有着重要的影响, 而且还对火炮射击精度和射击密集度有影响。大口径火炮后坐部分后坐行程较长, 一般为1m 左右, 如何用实验测试的方法获取大口径火炮后坐部分刚体运动加速度, 对此, 科技人员进行了多年的探索, 但到目前为止, 尚未见
收稿日期:2008-08-05; 修回日期:2008-11-13) , , , E @163
·86·
到这方面的应用报道[6]。
火炮发射与控制学报2009年3月
法拉第电磁感应定律制作而成, 也就是当通过回路所包围的面积的磁通量Υ发生变化时, 回路中产生的感生电动势U 与磁通量对时间t 的变化率成正比, 即:
U (1)
t
当运动物体匀速平动时, 角加速度敏感元件匀速转动, 这时, 敏感元件中的磁通量保持不变, 它对时间的变化率为0, 敏感元件输出的电压(数量等于感生电动势U ) 为0; 当运动物体变速平动时, 角加速度敏感元件也变速转动, 这时, 敏感元件中的磁通量发生变化, 它对时间的变化率为 Υ/ t ≠0, 敏感元件输出的电压与磁通量对时间的变化率成正比。通过测量角加速度敏感元件的输出电压, 就可知道转子的角加速度, 最后获取平动物体的平动加速度[8-11]。简单地说, 就是利用平动物体平动加速度与微型角加速度敏感元件输出电压成正比这一数学关系式进行加速度测量的。
本文与传统加速度传感器的最大区别在于, 本文所涉及的加速度传感器能完整、正确地获取强冲击条件下的运动物体大行程(一般为1m ) 刚体运动加速度, 能完全隔离由于弹性波引起的信号干扰。也就是说, 本文所涉及的加速度传感器能将强冲击条件下的刚体运动加速度和弹性振动加速度完全分离。图1为加速度传感器结构原理图。
[7]
目前, 用于火炮部件在射击条件下的加速度测量用传感器主要有四大类, 即压电型、压阻型、应变型和伺服型。压电型加速度传感器应用最为广泛, 它以压电晶体材料作为转换元件, 输出与加速度成正比的电荷或电压信号。典型的压电型加速度传感器包括基座, 中心螺杆, 压电换能元件, 惯性质量和预紧螺母组成。应变型加速度传感器是用粘贴在弹性梁上的应变片作敏感元件来进行加速度测量的, 应变片由优质电阻丝构成。当粘贴电阻丝的弹性梁产生应变时, 电阻丝的长度发生变化, 从而使电阻发生变化。压阻型加速度传感器是利用在硅悬臂梁自由端装有惯性质量块, 靠近固定端有扩散的惠斯登电桥, 通过惯性质量块, 将其感受到的加速度转变为惯性力, 硅片上感受到作用力时, 就产生了应变, 从而使惠斯登电桥不平衡而输出与加速度成正比的电压值。典型的伺服型加速度传感器当惯性质量块偏离平衡位置时, 由高增溢放大器检测出这一偏移量, 该偏移信号通过伺服放大器提供电流, 由驱动电流产生与偏移方向相反的电磁力, 该力迫使质量块返回原位。上述4种加速度传感器的共同缺点是不能将弹性振动加速度和刚体运动加速度分离。如果将这些传感器用于大口径火炮后坐部分后坐运动加速度测量, 得到的测量结果不仅包含了刚体运动加速度, 而且弹性波引起的干扰也在其中。这样, 不仅加速度曲线失真, 而且得到的数值往往比真实值高出一个数量级。火炮发射属于短时强冲击, 发射引起的后坐部分弹性波不可避免, 而且此信号非常强烈。
1 传感器结构及工作原理
在一个薄壁圆筒内, 在其中心线上安装1个转子和1个微型角加速度敏感元件。角加速度敏感元件为圆柱结构, 它有1个转轴, 该轴与转子同轴。角加速度敏感元件与转子用联轴器相连。在转子上缠绕有1根钢丝绳, 其一端和转子固定, 另一端和运动物体相连。同时, 转子轴安装有一蜗卷弹簧, 当火炮后坐时, 钢丝绳从薄壁圆筒内拉出, 蜗卷弹簧收紧而储存能量, 当火炮复进时, 钢丝绳需收回, 蜗卷弹簧释放能量, 并将钢丝绳缠绕在转子上。转子将物体的平动运动转换为微型角加速度敏感元件的转动运动。微型角加速度敏感元件是利用
加速度传感器主要由输出信号线1, 角加速度敏感元件安装架2, 角加速度敏感元件3, 角加速度敏感元件转轴4, 联轴器5, 转子轴6, 转子7, 转子外壳8, 蜗卷弹簧盒9, 蜗卷弹簧10, 盖板11, 转子轴12和钢丝绳13组成。角加速度敏感元件安装架2、转子外壳8和盖板11为一个整体, 并与传感器安装架固连而保持不动。蜗卷弹簧盒9、敏感元件8固连。10
第1期王宝元, 等:刚体运动加速度传感器
·87·
蜗卷弹簧盒9相连, 另一端与转子轴12相连。
运动物体加速度测量时, 运动物体带动钢丝绳从转子外壳8中将钢丝绳拉出, 由于钢丝绳一端固
定在转子上, 故这时转子绕转子轴6转动, 通过联轴器5, 使得角加速度敏感元件转轴4和转子同步旋转。从而将平动物体的平动加速度转化为角加速度敏感元件的转动运动。同时, 蜗卷弹簧10卷紧而储存了能量。当运动物体朝相反方向运动时, 在蜗卷弹簧作用下, 钢丝绳收回, 转子反向旋转。通过测量角加速度敏感元件输出电压量, 就可以获取平动物体运动加速度的大小及其变化规律。
在膛内运动期间, 后坐部分运动加速度测试曲线。在弹丸膛内运动期间, 后坐部分运动加速度测试结果最大值为180g , 计算结果和测试结果相对误差为3. 7%。
3 结 论
1) 提出了一种强冲击刚体运动加速度传感器, 以解决火炮尤其是大口径火炮后坐部分后坐刚体运动加速度测量, 消除传统测量方法测量信号中出现的结构应力波或弹性波干扰现象。
2) 研制的刚体运动加速度传感器经过了实验验证, 测试结果和理论分析结果相对误差小于4%。
3) 本文提出的传感器适用于火炮单发射击过程运动加速度实验测试, 对于连发射击过程, 其测试受限制。参考文献:
[1]谈乐斌, 张相炎, 管红根, 等. 火炮概论[M ]. 北京:北京
理工大学出版社, 2005.
[2]张相炎, 郑建国, 杨军, 等. 火炮设计理论[M ]. 北京:北
京理工大学出版社, 2005.
[3]吴三灵, 温波, 于永强, 等. 火炮动力学试验[M ]. 北京:
国防工业出版社, 2004.
[4]清华大学工程力学系. 机械振动(上册) [M ]. 北京:机械
工业出版社, 1980.
[5]季文美. 机械振动[M ]. 北京:科学出版社, 1985. [6]张月林. 火炮反后坐装置设计[M ]. 北京:国防工业出版
社, 1984.
[7]李科杰. 新编传感器技术手册[M ]. 北京:国防工业出版
社, 2002.
[8]徐灏. 机械设计手册(第5卷) [M ]. 北京:机械工业出版
社, 1992.
[9]程守诛. 普通物理学(第2册) [M ]. 北京:人民教育出版
社, 1979.
[10]王宝元, 李魁武. 自动武器机构动力学[M ]. 北京:国防
工业出版社, 2003.
[11]傅建平, 张晓东, 张培林, 等. 火炮后坐复进运动动态
检测与模糊评估[J ]. 火炮发射与控制学报, 2007(3) :58-61.
2 实例应用
为了验证刚体运动加速度传感器原理和输出
结果的正确性, 选择了1门大口径火炮为试验对象。将火炮后坐部分简化为1个自由度力学模型, 设后坐部分质量为m , 炮膛合力为P pt , 后坐阻力为R , 后坐-复进位移为x , 则后坐部分运动微分方程为:
2m 2=P pt -R d t
(2)
应用方程式(2) , 编写计算机程序, 采用龙格-库塔法求解微分方程式, 并代入火炮后坐部分质量m
参数, 以及炮膛合力P pt 和后坐阻力R 运动规律表格数据, 得到了弹丸在膛内运动期间, 后坐部分最大运动加速度为187g 。
同时, 在靶场进行了实弹射击试验, 采用笔者研制的刚体运动加速度传感器进行了火炮后坐部分运动加速度测试。图2是用本传感器得到的弹丸
第1期
火炮发射与控制学报
JO U RNA L OF G UN L A U NCH &CO N T RO L
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刚体运动加速度传感器
王宝元, 周发明, 衡 刚, 喻华萨
(西北机电工程研究所, 陕西咸阳 712099)
摘 要:对于火炮结构而言, 加速度响应量可分为弹性振动加速度和刚体运动加速度。本文的目的是提出一种强冲击刚体运动加速度传感器, 以解决火炮尤其是大口径火炮后坐部分后坐刚体运动加速度测量, 消除传统测量方法测量信号中出现的结构应力波或弹性波干扰现象。利用电磁感应原理和机械原理, 将微型角加速度敏感元件的角量转化为运动物体的线量。敏感元件不固定在运动物体上, 完全隔离由于弹性波引起的信号干扰, 确保输出量仅为刚体运动加速度信号。它也是其他物体大行程刚体运动加速度测量的理想传感器。
关键词:固体力学; 火炮; 刚体运动; 加速度测量; 传感器
中图分类号:T J301 文献标志码:A 文章编号:1673-6524(2009) 01-0085-03
Acceleration Sensor of Rigid Body Movement
WANG Bao -y uan , ZHO U Fa -ming , HENG Gang , YU Hua -sa
(N or thw est Institute o f M echa nical &Elect rical Engineering , Xiany ang 712099, Shaanxi , China )
A bstract :Fo r g un structure , the acceleration respo nses we re divided into the acceleratio n of elastic vibra -tion and the accele ration of rig id body movement . In order to solve the measurement problem of rig id body movement acceleration o f gun , especially recoiling parts of large calibe r gun , a ty pe o f acceleration senso r
of rigid body m ovement under the condition of strong im pact w as developed . The metho d can remove the interfere signal of stress w ave o r elastic w ave in traditional m easurement m ethod . By use of electromag -netism induction principle and mechanical principle , the ang ular quantity of the micro senso r accele ration w as transformed into the translational quantity of mo ving body acceleration . The senso r w as not mo unted on the moving body , this can com pletely insulate the interfere sig nal of stress w ave to m ake sure that the output quantity just w as the acceleration sig nal of rigid body m ovement . The sensor is also an ideal senso r that can be used in acceleration measurement of othe r bodies in long displacement rigid bo dy mo vem ent . Key words :so lid -state m echanics ; g un ; rigid body movement ; acceleration measurement ; sensor 在火炮研制过程中, 不可避免地会出现一些故障或战技指标不能达标的难题, 如何用较少的费用、较短的周期研制出高性能的火炮系统, 一直是人们追求的目标。正确的系统设计和必要的理论计算是火炮研制成功的基础, 但实验测试研究也是故障诊断和提高火炮性能的必不可少的条件之一[1-3]。
对于火炮结构而言, 加速度响应量可分为弹性振动加速度和刚体运动加速度。弹性振动加速度作用时间短, 成份复杂, 而刚体运动加速度作用时
间长, 物体运动位移大
[4-5]
。火炮后坐部分沿后坐
方向运动规律基本呈现为刚体大位移特征。火炮后坐部分是发射弹丸的直接部件, 它的运动规律不仅对火炮的总体布局、全炮受力和关键部件的强度设计有着重要的影响, 而且还对火炮射击精度和射击密集度有影响。大口径火炮后坐部分后坐行程较长, 一般为1m 左右, 如何用实验测试的方法获取大口径火炮后坐部分刚体运动加速度, 对此, 科技人员进行了多年的探索, 但到目前为止, 尚未见
收稿日期:2008-08-05; 修回日期:2008-11-13) , , , E @163
·86·
到这方面的应用报道[6]。
火炮发射与控制学报2009年3月
法拉第电磁感应定律制作而成, 也就是当通过回路所包围的面积的磁通量Υ发生变化时, 回路中产生的感生电动势U 与磁通量对时间t 的变化率成正比, 即:
U (1)
t
当运动物体匀速平动时, 角加速度敏感元件匀速转动, 这时, 敏感元件中的磁通量保持不变, 它对时间的变化率为0, 敏感元件输出的电压(数量等于感生电动势U ) 为0; 当运动物体变速平动时, 角加速度敏感元件也变速转动, 这时, 敏感元件中的磁通量发生变化, 它对时间的变化率为 Υ/ t ≠0, 敏感元件输出的电压与磁通量对时间的变化率成正比。通过测量角加速度敏感元件的输出电压, 就可知道转子的角加速度, 最后获取平动物体的平动加速度[8-11]。简单地说, 就是利用平动物体平动加速度与微型角加速度敏感元件输出电压成正比这一数学关系式进行加速度测量的。
本文与传统加速度传感器的最大区别在于, 本文所涉及的加速度传感器能完整、正确地获取强冲击条件下的运动物体大行程(一般为1m ) 刚体运动加速度, 能完全隔离由于弹性波引起的信号干扰。也就是说, 本文所涉及的加速度传感器能将强冲击条件下的刚体运动加速度和弹性振动加速度完全分离。图1为加速度传感器结构原理图。
[7]
目前, 用于火炮部件在射击条件下的加速度测量用传感器主要有四大类, 即压电型、压阻型、应变型和伺服型。压电型加速度传感器应用最为广泛, 它以压电晶体材料作为转换元件, 输出与加速度成正比的电荷或电压信号。典型的压电型加速度传感器包括基座, 中心螺杆, 压电换能元件, 惯性质量和预紧螺母组成。应变型加速度传感器是用粘贴在弹性梁上的应变片作敏感元件来进行加速度测量的, 应变片由优质电阻丝构成。当粘贴电阻丝的弹性梁产生应变时, 电阻丝的长度发生变化, 从而使电阻发生变化。压阻型加速度传感器是利用在硅悬臂梁自由端装有惯性质量块, 靠近固定端有扩散的惠斯登电桥, 通过惯性质量块, 将其感受到的加速度转变为惯性力, 硅片上感受到作用力时, 就产生了应变, 从而使惠斯登电桥不平衡而输出与加速度成正比的电压值。典型的伺服型加速度传感器当惯性质量块偏离平衡位置时, 由高增溢放大器检测出这一偏移量, 该偏移信号通过伺服放大器提供电流, 由驱动电流产生与偏移方向相反的电磁力, 该力迫使质量块返回原位。上述4种加速度传感器的共同缺点是不能将弹性振动加速度和刚体运动加速度分离。如果将这些传感器用于大口径火炮后坐部分后坐运动加速度测量, 得到的测量结果不仅包含了刚体运动加速度, 而且弹性波引起的干扰也在其中。这样, 不仅加速度曲线失真, 而且得到的数值往往比真实值高出一个数量级。火炮发射属于短时强冲击, 发射引起的后坐部分弹性波不可避免, 而且此信号非常强烈。
1 传感器结构及工作原理
在一个薄壁圆筒内, 在其中心线上安装1个转子和1个微型角加速度敏感元件。角加速度敏感元件为圆柱结构, 它有1个转轴, 该轴与转子同轴。角加速度敏感元件与转子用联轴器相连。在转子上缠绕有1根钢丝绳, 其一端和转子固定, 另一端和运动物体相连。同时, 转子轴安装有一蜗卷弹簧, 当火炮后坐时, 钢丝绳从薄壁圆筒内拉出, 蜗卷弹簧收紧而储存能量, 当火炮复进时, 钢丝绳需收回, 蜗卷弹簧释放能量, 并将钢丝绳缠绕在转子上。转子将物体的平动运动转换为微型角加速度敏感元件的转动运动。微型角加速度敏感元件是利用
加速度传感器主要由输出信号线1, 角加速度敏感元件安装架2, 角加速度敏感元件3, 角加速度敏感元件转轴4, 联轴器5, 转子轴6, 转子7, 转子外壳8, 蜗卷弹簧盒9, 蜗卷弹簧10, 盖板11, 转子轴12和钢丝绳13组成。角加速度敏感元件安装架2、转子外壳8和盖板11为一个整体, 并与传感器安装架固连而保持不动。蜗卷弹簧盒9、敏感元件8固连。10
第1期王宝元, 等:刚体运动加速度传感器
·87·
蜗卷弹簧盒9相连, 另一端与转子轴12相连。
运动物体加速度测量时, 运动物体带动钢丝绳从转子外壳8中将钢丝绳拉出, 由于钢丝绳一端固
定在转子上, 故这时转子绕转子轴6转动, 通过联轴器5, 使得角加速度敏感元件转轴4和转子同步旋转。从而将平动物体的平动加速度转化为角加速度敏感元件的转动运动。同时, 蜗卷弹簧10卷紧而储存了能量。当运动物体朝相反方向运动时, 在蜗卷弹簧作用下, 钢丝绳收回, 转子反向旋转。通过测量角加速度敏感元件输出电压量, 就可以获取平动物体运动加速度的大小及其变化规律。
在膛内运动期间, 后坐部分运动加速度测试曲线。在弹丸膛内运动期间, 后坐部分运动加速度测试结果最大值为180g , 计算结果和测试结果相对误差为3. 7%。
3 结 论
1) 提出了一种强冲击刚体运动加速度传感器, 以解决火炮尤其是大口径火炮后坐部分后坐刚体运动加速度测量, 消除传统测量方法测量信号中出现的结构应力波或弹性波干扰现象。
2) 研制的刚体运动加速度传感器经过了实验验证, 测试结果和理论分析结果相对误差小于4%。
3) 本文提出的传感器适用于火炮单发射击过程运动加速度实验测试, 对于连发射击过程, 其测试受限制。参考文献:
[1]谈乐斌, 张相炎, 管红根, 等. 火炮概论[M ]. 北京:北京
理工大学出版社, 2005.
[2]张相炎, 郑建国, 杨军, 等. 火炮设计理论[M ]. 北京:北
京理工大学出版社, 2005.
[3]吴三灵, 温波, 于永强, 等. 火炮动力学试验[M ]. 北京:
国防工业出版社, 2004.
[4]清华大学工程力学系. 机械振动(上册) [M ]. 北京:机械
工业出版社, 1980.
[5]季文美. 机械振动[M ]. 北京:科学出版社, 1985. [6]张月林. 火炮反后坐装置设计[M ]. 北京:国防工业出版
社, 1984.
[7]李科杰. 新编传感器技术手册[M ]. 北京:国防工业出版
社, 2002.
[8]徐灏. 机械设计手册(第5卷) [M ]. 北京:机械工业出版
社, 1992.
[9]程守诛. 普通物理学(第2册) [M ]. 北京:人民教育出版
社, 1979.
[10]王宝元, 李魁武. 自动武器机构动力学[M ]. 北京:国防
工业出版社, 2003.
[11]傅建平, 张晓东, 张培林, 等. 火炮后坐复进运动动态
检测与模糊评估[J ]. 火炮发射与控制学报, 2007(3) :58-61.
2 实例应用
为了验证刚体运动加速度传感器原理和输出
结果的正确性, 选择了1门大口径火炮为试验对象。将火炮后坐部分简化为1个自由度力学模型, 设后坐部分质量为m , 炮膛合力为P pt , 后坐阻力为R , 后坐-复进位移为x , 则后坐部分运动微分方程为:
2m 2=P pt -R d t
(2)
应用方程式(2) , 编写计算机程序, 采用龙格-库塔法求解微分方程式, 并代入火炮后坐部分质量m
参数, 以及炮膛合力P pt 和后坐阻力R 运动规律表格数据, 得到了弹丸在膛内运动期间, 后坐部分最大运动加速度为187g 。
同时, 在靶场进行了实弹射击试验, 采用笔者研制的刚体运动加速度传感器进行了火炮后坐部分运动加速度测试。图2是用本传感器得到的弹丸