边玉亮，严晓龙，王 康，沈大伟

（1.阜阳师范学院 信息工程学院，安徽 阜阳 236041；2.中海油能源发展股份有限公司山西分公司，山西 晋中 030600；3.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051）

引信膛内三轴加速度测试

边玉亮1，严晓龙1，王 康2，沈大伟3

（1.阜阳师范学院 信息工程学院，安徽 阜阳 236041；2.中海油能源发展股份有限公司山西分公司，山西 晋中 030600；3.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051）

引信作为炮弹最关键的组成部分，由于膛内的恶劣环境影响，引信所受到的超高加速度对引信的可靠性至关重要。本文设计了一种基于弹载测试技术的微型三轴加速度测试系统。该微型测试系统替代原先引信的位置，同时将高g值三轴加速度传感安装在引信最薄弱的地方。MSP430F149单片机作为系统的主控制器，通过对三轴加速度在膛内整个过程的输出的信号进行采集、存储，从而获得引信在内弹道所受到的加速度值。本设计系统对弹丸、火炮以及引信的设计和研究具有十分重要的参考价值。

引信；弹载测试技术；MSP430F149；三轴加速度传感器

炮弹的引信装置作为炮弹引爆最重要的部件之一，在炮弹的发射过程中，随着弹丸一起在膛内剧烈运动。在此期间，引信不仅承受着炮膛膛压引起的轴向冲击力，还要时刻承受着炮管由于自身剧烈振动而引起的横向冲击载荷的影响。炮弹发射过程中在膛内所受到的外界影响十分复杂，在很大程度上影响着引信机构的安全性和可靠性[1-4]。由于引信自身结构原理的限制，使得膛内超高的膛压和炮管振动的作用成为影响引信能否正常工作的关键因素。弹丸发射过程中在膛内所承受到的完整加速度信号的获取一直是弹丸全弹道参数获取的难点课题。传统的膛内加速度测试方法采用硬线连接的方式将采集信号进行实时传输[5]，这种方法由于需要引出导线传输信号，因此发射过程中的带电气体和干扰信号会在很大程度影响数据采集的准确性。该方法具有数据捕获率低，可靠性不高等缺点。

本设计系统采用美国德州仪器公司的MSP430F149超低功耗单片机作为测试系统的主控制器，为测试系统提供所有的控制信号。为了实际测试引信所受到的加速度值，因此将高g值三轴加速度传感器安装在引信机构中最薄弱的部位。系统选用非易失的Nand-flash存储器作为测试数据存储芯片，防止系统掉电时数据丢失。为了适应严格的测试环境，系统采用模块化的思想，减小测试系统体积的同时保证系统的可靠性，成功的获取了弹丸引信在膛内的三轴加速度数据。

1 弹载测试系统总体方案设计

弹载测试系统是依据存储测试技术设计的一种弹上测试系统[6]。该系统是为了各种弹丸或引信进行全弹道飞行参数获取而专门制作的数据采集系统[7]。弹载测试系统通常被安装在引信或者弹丸内部最薄弱的位置，测试使用的传感器被单独取出通过刚性链接固定在特定位置，承受该位置正常状态下所受到的环境力，并实时的将所采集到的数据记录并保存到测试系统的存储单元中。由于测试仪是由电子电路构成的，因此该测试系统还要进行特殊的抗高冲击设计以保证测试系统不会在工作过程中发生损坏[8]。

1.1 弹载测试系统结构

弹载测试系统主要用来实时测试被测参量，并且将所测得的实验数据进行实时记录保存。由于仪器安装在弹丸上与弹丸一起飞行。因此，测试结束后需要对测试装置进行回收处理。采用自制的数据通信接口，使用专门的上位机读取软件将存储单元中的数据读取出来，再经过程序转换处理，将采集到的三轴加速度数据信号保存到计算机中[9]。

本文设计的测试系统由高g值三轴加速度传感器、电路调理模块、接口电路、缓冲材料和专用高强度外壳组成[10]。其中高g值三轴加速度传感器是经过高精度传感器校准、标定之后，安装在引信部位。高强度外壳是使用特制材料加工而成，一方面起到保护测试电路不被破坏和屏蔽外界干扰信号的作用，另一方面是防止测试系统与弹体之间发生相对运动从而破坏测试系统。由于测试系统被安装在弹丸内部，采用专用锂电池供电无外部引出线，系统功耗是设计测试系统首要考虑的事情。因此系统采用超低功耗的MSP430F149微控制器作为整个测试系统的核心控制器，该控制器主要起到控制数据采集的采样策略、控制数据存储以及与上位机进行数据通信等作用。传感器输出信号的适配电路起对传感器输出信号的调理、放大等作用，使信号与A/D转换电路匹配。A/D转换电路包括高速模数转换器、三轴加速度传感器输出信号通道选择和应答信号。Flash存储器作为系统的数据记录载体，将测试数据完整的保存下来。为了提高系统存储速度，Flash存储器采用多片流水线操作模式，由单片机提供不同时刻的选通信号。上位机接口电路用于MSP430F149单片机与计算机通信，弹丸回收后，将数据通过接口电路发送到计算机中。测试系统的原理框图如图1所示。

图1 测试仪结构原理框图

1.2 MSP430软件设计

火炮发射实验属于危险的大型实验，实际测试实验之前，实验准备和协调过程十分复杂。为了完成实验，炮弹在发射数小时甚至数天之前，测试装置就要提前安装到指定位置。但是由于测试环境对测试系统体积和功耗的要求，也同时限制了测试系统的内存大小，所以本系统采用负延时采样策略。在单片机中预设加速度比较阈值，三轴加速度在炮弹发射时轴向加速度输出信号与此阈值比较作为触发条件，直到炮弹发射达到触发条件时，才会进入正式采样阶段，并且保存触发之前的数据，保存数据的大小可以通过软件程序进行调整。

本系统采用超低功耗MSP430F149单片机作为系统的主控制器，主要作用是提供A/D转换电路的三个通道选通信号、NAND Flash的指令控制信号和地址信号以及与上位机进行并行通信。该单片机的主程序设计流程图如图2所示。

图2 主程序流程图

数据采集和存储在上电开始后直接进行，首先进入循环存储阶段，由单片机预先设置此阶段数据存储的容量大小。触发后进入预设循环采样以外的地址进行存储并保存触发时存储地址。数据读出通过上位机发出读数指令触发单片机的中断进行，上位机根据读出数据和保存的触发地址值进行数据的重新组合、显示。Flash储存器擦除操作采用整片擦除，擦除指令也是由上位机发出，采用外部中断触发单片机进行擦除操作。

1.3 抗高过载设计

为了真实的测得引信处的三轴加速度数据，弹载测试系统要被安放到弹丸引信的对应位置处。为了保证测试系统在整个测试过程不被破坏，并且准确的获取加速度信号，因此将弹载测试系统分为传感器模块和测试电路模块分别进行抗冲击处理。

测试系统将高g值加速度传感器与测试电路做成两个相互独立的模块，分别使用高强度环氧树脂进行灌封。高g值加速度传感器是获取加速度信号的最关键部件，必须能够准确的感知到引信所受到的加速度作用，为了尽可能的减少由于过多的机械结构连接引入系统高频的干扰信号，使用真空灌封的方式将加速度传感器与弹丸十分紧固的结合在一起。而将测试电路用高性能的缓冲橡胶包裹起来，起到明显的缓冲效果。

最后，在实验室内通过高精度的冲击试验台对测试电路和加速度传感器分别进行配对校准和标定。实际进行测试实验时，将测试电路与标定后的加速度传感器进行配对使用。测试系统结构原理图如图3所示。

图3 测试电路结构原理图

2 实际测试过程

将三轴加速度传感器安装到引信部位，用高强度高硬度环氧树脂进行真空灌封。实际测试时打开测试系统的操作面板，将电路与专用电源对接在一起，启动测试，使测试系统进入循环采样待触发状态。然后，将测试系统连同引信外壳，安装到弹丸顶部固定，随弹丸发射。测试系统记录能够记录膛内整个过程的加速度值，每个通道采样频率能够达到100 kHz。对弹丸回收后，单片机通过通信接口将采集到的数据发送到计算机中。

3 实测数据分析

根据在靶场实弹测试结果，实际所测得的三轴加速度数据如下图所示。图4(a)是加速度传感器测得的引信部位轴向加速度信号，图4(b)和图4(c)分别是弹丸引信部位两个相互垂直的径向加速度信号。对弹丸轴向加速度数据进行积分后可以得到弹丸速度变化时间曲线如图5所示。出炮口时，弹丸速度最大达到739.5 m/s，与靶场通过雷达测速得到的742.1 m/s十分吻合，说明实验测试数据的可靠性。

由图中可以看到，弹丸膛内轴向过载达到了11 500 g左右，对两个径向加速度进行合成后得到径向加速度达到9 000 g，整个膛内过程大概持续了16 ms。曲线上两端出现信号剧烈震荡的地方，信号前端出现较大振动的原因是由于旋转弹的弹带部位被挤入炮膛的膛线中时所产生的谐振信号。后端产生更大的振动则是由于弹丸被膛内高压气体推出炮口时，弹丸进入后效期阶段，加速度慢慢降低，转速增大到最大值，空气阻力变大。虽然还是处于加速阶段，但由于膛内压力急剧降低使得弹丸推力降低，同时弹丸失去了炮膛的径向约束，再加上高速旋转弹丸自身的章动和进动运动造成的。由图4(a)可知，轴向振荡的正向峰值达到了17 000 g，负向峰值达到了19 000 g，比膛内加速度要大得多。因此炮口处的恶劣环境对引信的破坏更加严重，对引信的要求更加严格。

图4 加速度实验曲线

图5 膛内弹丸速度变化曲线

4 总结

通过实际测试数据可知，弹丸在整个膛内过程对引信的冲击和过载主要有三个地方。一是弹丸弹带挤入膛线时，轴向和径向的高频振荡；二是弹丸发射后7 ms时，轴向过载达到最大值11 500 g；三是弹丸出炮口时，振荡幅值轴向达到了17 000 g和19 000 g，径向达到了9 000 g。因此，在弹丸引信设计时，应当主要考虑以上分析的三个时间点，而且出炮口时的恶劣环境对引信的可靠性能影响最大。

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Fuze triaxial acceleration test in the bore

BIAN Yu-liang1,YAN Xiao-long1,WANG Kang2,SHEN Da-wei3
(1.College of Information Engineering,Fuyang Normal University,Fuyang Anhui236041,China;2.CNOOC Energy Technology&Services Limited Shanxi Branch,Jinzhong Shanxi030600,China;3.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement of Ministry of Education,North University of China,Taiyuan Shanxi030051,China)

As the most important component of a projectile,fuze has a very high acceleration due to its harsh environment,which is very important to the reliability of the fuze.In this paper,a miniature three axis acceleration testing system based on missile borne test technology is designed.The micro test system replaces the position of the original fuse,and at the same time,three axis acceleration sensor with a high g value is installed at the weakest point of the fuze.MSP430F149 microcontroller as the main controller of the system,through three axis acceleration in the bore of the entire process of the output signal acquisition and storage,so as to obtain the internal ballistic trajectory of the acceleration.This design system possesses very important reference value to the design and research of the projectile,artillery and fuze.

fuze;missile test technology;MSP430F149;three axis acceleration sensor

TJ43

A

1004-4329（2017）03-040-04

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329（2017）03-040-04

2017-06-02

安徽高校自然科学研究项目（KJ2017A838，KJ2012B138）资助。

边玉亮（1990- ），男，硕士，助教，研究方向：嵌入式系统开发与智能仪器设计。