《电子技术应用》
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电磁轨道炮过载测试系统设计
2018年电子技术应用第12期
马子光1,2,马游春1,2,孙宇梦1,2
1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室,山西 太原030051; 2.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
摘要: 针对一般的用于瞬态参数测试的电子仪器设备在强电磁干扰的影响下无法正常工作的问题,设计了一种能够有效屏蔽强电磁干扰的膛内过载测试装置。该测试装置的壳体结构采用多层电磁屏蔽性能良好的金属材料制做而成,结构内部采用聚氨酯灌封工艺进行填充。内部电路系统结合低功耗设计和数据采集存储技术,完成整个飞行过程中过载参数的采集与记录。在电磁轨道炮实弹测试试验中,测试装置可靠地记录了弹丸的过载数据。试验结果表明,该测试装置的结构外壳对强电磁场起到了有效的电磁屏蔽,内部电路系统得以成功获取弹丸的瞬态过载参数。
中图分类号: TP274+.2
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.181575
中文引用格式: 马子光,马游春,孙宇梦. 电磁轨道炮过载测试系统设计[J].电子技术应用,2018,44(12):51-54.
英文引用格式: Ma Ziguang,Ma Youchun,Sun Yumeng. Design of overload test system for electromagnetic rail gun[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(12):51-54.
Design of overload test system for electromagnetic rail gun
Ma Ziguang1,2,Ma Youchun1,2,Sun Yumeng1,2
1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China; 2.Key Laboratory of Instrument Science & Dynamic Measurement of Ministry of Education, North University of China,Taiyuan 030051,China
Abstract: In view of the problem that the general electronic instrument and equipment used for transient parameters testing can not work normally under the influence of strong electromagnetic interference, an overload testing device which can effectively shield the strong electromagnetic interference is designed. The shell structure of the testing device is made of multilayer metal materials with good electromagnetic shielding performance, and the internal structure is filled with polyurethane filling technology. The internal circuit system combines low-power design and data acquisition and storage technology to complete the acquisition and recording of overload parameters during the whole flight process. In the actual firing test of electromagnetic railgun, the test device reliably recorded the overload data of the projectile. The result of the experiment shows that the shell structure of the test device has effective electromagnetic shielding for strong electromagnetic fields,and the internal circuit system has successfully acquired the transient overload parameters of the projectile.
Key words : electromagnetic rail gun;electromagnetic shielding;overload test

0 引言

    伴随着武器装备技术的不断进步,为了适应全新的战场环境,许多新型高科技武器应运而生,电磁轨道炮就是其中之一。电磁轨道炮是利用电磁力产生动能并推进弹丸加速到超高速的炮射武器,它较传统的火炮速度更快、射程更远、体积更小,同时由于其在发射过程中不会产生烟雾,因此隐蔽性也更好。然而,在进行电磁轨道炮过载测试试验时,因其不同于常规火炮的发射方式,其膛内的强电磁场对绝大多数电子元件都会造成破坏,这将对一般的过载参数测试装置造成极大的毁伤[1-2]

    因此,针对常规过载测试装置在强电磁环境下受到的电磁干扰影响,本文提出了电磁屏蔽技术,旨在通过壳体对电磁场进行有效屏蔽,使测试系统不受电磁干扰,以保证电路系统稳定工作[3]。同时结合采集存储技术、低功耗设计,实现数据的获取及回收,最终得到电磁轨道炮的瞬态过载参数。

1 测试系统的电磁屏蔽设计

1.1 屏蔽材料选择及效能分析

    电磁屏蔽技术作为电磁轨道炮过载测试系统设计的重点,在设计中起着举足轻重的作用。因此,寻找并采用合适的屏蔽材料,是消除强电磁干扰的关键所在。

    目前,常用于电磁屏蔽的材料多为具有良好导电性能和导磁性能的金属材料(如导电率较高的紫铜、纯铝,导磁率较高的45#钢、纯铁、坡莫合金),以及可作为电磁密封衬垫的弹性导电橡胶等材料[4]

    材料屏蔽的效果由屏蔽体对电磁场强度削弱的程度决定,一般用屏蔽效能(SE)来表示,通常定义为空间内某点未加屏蔽时的电场强度E0(或磁场强度H0)与加屏蔽后的电场强度ES(或磁场强度HS)的比值,以dB作为单位[5-6]

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    在对大多数电子产品进行电磁屏蔽时,一般认为屏蔽效能达到30 dB,就能有效屏蔽电磁干扰[7]。屏蔽材料的各项参数如表1所示。

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    为了有效屏蔽电磁炮膛内复杂的电磁环境,该设计采用“45#钢-紫铜-坡莫合金-纯铁-铝”的多层组合材料作为过载测试装置的壳体材料,五层金属采用压力焊接工艺压为一体。同时,为避免设备在外部接口处的电磁泄漏,选择具有弹性且屏蔽性能优越的导电橡胶衬垫进行密封,从而达到更好的屏蔽效果。

1.2 测试装置结构外形设计

    该过载测试装置的外形尺寸设计为Φ50 mm×75 mm,其平面结构示意图如图1所示。

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    为了能够满足强度的要求,该结构的最外层选择45#钢材料;内部依次为紫铜、坡莫合金、纯铁和纯铝,多层金属材料得以有效削弱电磁场造成的影响;结构体顶部设计为弧面形状,并将质软的软铝金属包裹于结构顶部,目的是在设备落地回收时起到缓冲作用。

    该测试装置的主结构三维模型图如图2所示。加速度传感器固定于纯铁层圆筒的底面上,介于铝筒与主结构体之间;铝筒结构内部放置电路板与电池组,传感器的信号线与供电线通过铝筒底部的走线孔连接到采集电路板上;结构内部空隙部分通过聚氨酯灌封胶固化填充。多层金属材料制作而成的结构壳体对电磁场起到了有效的屏蔽作用。

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2 系统硬件电路设计

    过载测试系统主要功能是获取运动载体的加速度信息,并对加速度模拟量经过数字量化及编码后,将数据进行存储,最后在试验完成后将数据可靠地回读[8-9]

    该采集存储系统主要由A/D转换单元、FPGA控制单元、数据存储单元、电压转换单元组成,原理框图如图3所示。系统采用外部断线触发上电,经过程序延时之后,各模块开始工作。当A/D转换模块采集的信号大于所设定的阈值时,开始触发数据存储状态,FPGA控制单元将编码后的数字信号进行缓存及打包,最后发送到FRAM数据存储单元。

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2.1 FPGA控制模块 

    受整个系统结构小型化的限制,各元器件的选型都是本着节省空间的原则,选择小封装的芯片。该系统主控芯片选用系统ACTEL公司的FPGA,型号为AGLN250-CS81,尺寸仅为5 mm×5 mm,大大减小了PCB布局空间。该系列FPGA采用Flash结构,无需外围配置芯片,具有单芯片、非易失性、上电即行等优点,方便设计与开发。

2.2 电路系统低功耗设计

    为使得该测试系统拥有较长的续航时间,以保证系统在电量充足的状态下正常工作,本系统提出了电路的低功耗设计,主要从两方面进行:(1)选择功耗较小的电子元件;(2)从硬件电路设计方面考虑。该系统在低功耗状态下的电流不超过7 mA。

2.2.1 FPGA低功耗设计

    该系统控制模块所选择的IGLOO系列FPGA是一款超低功耗芯片,它在其特有的Flash*Freeze睡眠模式下最低功耗仅为5 μW,且能保证内部RAM和寄存器正常工作[10]。当外部FF管脚为低电平时,FPGA进入待机睡眠模式;当外部FF管脚为高电平时, FPGA正常工作。睡眠模式的内部控制原理如图4所示。

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2.2.2 逻辑低功耗设计

    该系统所需的电压包括5 V和2.5 V模拟电压,以及3.3 V和1.5 V数字电压,均由SPX3819系列芯片转换得到。低功耗设计的电路原理图如图5所示。

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    低功耗设计的工作过程为:系统触发上电以后,系统处于低功耗模式。在该模式下,数字电压3.3 V和1.5 V电源芯片使能端有效;模拟电压5 V和2.5 V电源芯片的使能信号PWON置低电平,调理电路不供电。同时,给A/D转换芯片AD7983和存储芯片FRAM供电的3.3 V隔离电压输出由电子开关ADG801使能端APEN控制。系统延时结束后,FPGA控制PWON和APEN置高电平,此时低功耗模式结束,采集存储系统开始工作。

3 系统逻辑控制设计

3.1 系统负延时逻辑设计

    负延时设计的目的是为测试装置预留出安装准备时间,使测试系统在工作之前处于低功耗待机模式。负延时程序的流程如图6所示。

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    系统负延时的具体步骤为:系统上电后,FPGA首先完成初始化,然后启动延时功能;在延时过程中,定义两个计数器,秒计数器的进位作为分计数器的增加信号;当计数器增加到与设置好的延时时间相同时,则延时结束,模拟电路和电子开关的上电使能信号置高电平,系统进入采集状态。  

3.2 数据存储控制逻辑设计

    该系统选用的存储器件为FRAM铁电存储芯片FM25H40C。数据存储状态的具体步骤为:(1)系统延时结束后,电路上电各模块开始工作;(2)FRAM初始化后进入待存储状态;(3)当A/D模块采集的电压信号大于所设定的阈值时,开始触发数据存储,此时FPGA给FRAM发送写指令;(4)当写指令到来时,数据循环写入FRAM,首先完成FRAM的写使能,使能代码为06H,然后写入写数据指令,指令代码为02H,后接24位地址,最后写入循环数据;(5)数据循环写入FRAM,直到收到结束指令后停止写入数据,数据存储状态结束。数据存储控制逻辑的程序流程图如图7所示。

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4 系统测试

    过载测试装置首先做了模拟冲击测试的试验,实验结果如图8所示。冲击试验中测得的最大加速度为28 647 G,试验结果表明,该过载测试装置能够完成高过载参数的采集。

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    测试装置又在某研究所进行了电磁炮的实弹测试试验,测试结果如图9所示。过载测试装置测得电磁炮弹丸在发射过程中的最大加速度为25 763 G。试验结果表明,该装置能够有效屏蔽强电磁干扰,并完成强电磁环境下过载参数的采集与存储。

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5 结束语

    本文设计的电磁轨道炮膛内过载测试装置采用了电磁屏蔽技术、低功耗设计和数据采集存储技术,能够保证系统在强电磁环境下正常工作。在试验中,系统成功完成了电磁炮弹丸瞬态过载参数的记录,具备抗干扰能力强、功耗低、可靠性高等优势。

    电磁轨道炮过载测试系统的研究,对电磁炮的发展和改进、对我国武器装备的不断创新有着重要的意义和价值。   

参考文献

[1] 汤铃铃.电磁轨道炮弹引信所处强磁场环境分析、屏蔽及利用[D].南京:南京理工大学,2014.

[2] 刘小强,魏光辉,潘晓东,等.现代战场电磁环境与电磁屏蔽技术[J].装备环境工程,2007,4(1):39-43.

[3] 刘琳,张东.电磁屏蔽材料的研究进展[J].功能材料,2015,6(3):24-28.

[4] 古映莹,邱小勇,胡启明,等.电磁屏蔽材料的研究进展[J].材料学报,2005,19(2):53-56.

[5] 裴东兴,祖静,马铁华,等.强电磁环境下膛压测试技术研究[J].电子测量与仪器学报,2011,25(12):1013-1017.

[6] LEE H C,KIM J Y,NOH C H,et al.Selective metal pattern for mation and its EMI shielding efficiency[J].Applied Surface Science,2006,52(8):2665-2672.

[7] 张翼,宜天鹏.电磁屏蔽材料的研究现状与进展[J].屏蔽技术与屏蔽材料,2006,24(6):77-81.

[8] ZHANG W D,CHEN L J,XIONG J.Ultra- high g dece-leration-time measurement for the penetration into steel target[J].International Journal of Impact Engineering,2007,34(3):436-447.

[9] 于洋.电磁炮膛内弹丸测速系统设计[J].四川兵工学报,2011,32(6):43-46.

[10] 吴正阳.基于FPGA的小型弹上三向过载记录仪[J].中国测试,2017,33(9): 60-63.




作者信息:

马子光1,2,马游春1,2,孙宇梦1,2

(1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室,山西 太原030051;

2.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)