弹体飞行速度测量方法及系统

申请号 CN201610451596.6 申请日 2016-06-21 公开(公告)号 CN105891530A 公开(公告)日 2016-08-24
申请人 上海交通大学; 发明人 崔峰; 杨刚; 樊冬; 曾庆贵; 刘武; 张卫平; 吴校生; 陈文元;
摘要 一种弹体飞行速度测量方法及系统,通过将基于MEMS技术的柔性热膜速度 传感器 设置于待测弹体的拉伐尔管的进气道扩张段的壁面上,利用进气道内流场速度与弹体飞行速度的单调函数关系,由柔性热膜速度传感器测量进气道壁面流场流速,进而计算弹体的实时飞行速度,所述的柔性热膜速度传感器通过设于进气道扩张段管壁的缝隙开孔传输 信号 ,本 发明 取代了引信 涡轮 发 电机 兼用速度传感器的工作形式,将柔性热膜速度传感器保形贴装于弹丸引信拉伐尔进气道壁面上,无须改变弹丸的原有引信结构,能获得全弹道参数辨识所需的弹体实时飞行速度。
权利要求

1.一种弹体飞行速度测量方法,其特征在于,通过将基于MEMS技术的柔性热膜速度传感器设置于待测弹体的拉伐尔管的进气道扩张段的壁面上,利用进气道内流场速度与弹体飞行速度的单调函数关系,由柔性热膜速度传感器测量进气道壁面流场流速,进而计算弹体的实时飞行速度,所述的柔性热膜速度传感器通过设于进气道扩张段管壁的缝隙开孔传输信号
2.根据权利要求1所述的弹体飞行速度测量方法,其特征是,具体包括以下步骤:
1)将柔性热膜速度传感器贴于弹体拉伐尔管壁面,形成两路热温差型惠斯通电桥电路和一路热损失型惠斯通电桥电路;
2)获得模拟测量信号并经滤波、放大和模数转换后传递到数字处理单元;
3)数字处理单元根据飞行速度数据列表获得弹体速度并输出飞行速度信号。
3.根据权利要求1或2所述的弹体飞行速度测量方法,其特征是,所述的柔性热膜速度传感器包括:加热热电阻、环境测温热电阻、两对测温热电阻以及柔性衬底,其中:柔性衬底上设有绝缘保护层,柔性衬底和绝缘保护层之间设有支撑膜,加热热电阻和测温热电阻设置于绝缘层保护层与支撑膜之间,环境测温热电阻设置于柔性衬底与绝缘保护层之间,两对测温热电阻分别位于加热热电阻两侧,柔性衬底中设有隔热空腔,加热热电阻和测温热电阻位于隔热空腔上方。
4.根据权利要求3所述的弹体飞行速度测量方法,其特征是,所述的支撑膜对应设置于隔热空腔上方,支撑膜悬空的面积为1mm2以下。
5.根据权利要求3所述的弹体飞行速度测量方法,其特征是,所述的环境测温热电阻、加热热电阻和测温热电阻都为迂回线状结构,迂回线的线宽不超过10μm,所述的环境测温热电阻阻值为加热热电阻阻值的两倍以上。
6.根据权利要求3所述的弹体飞行速度测量方法,其特征是,所述的柔性衬底和支撑膜的材料为聚酰亚胺。
7.根据权利要求3所述的弹体飞行速度测量方法,其特征是,所述的绝缘保护层为厚度
5μm以下的聚合物薄膜或厚度1μm以下的无机物薄膜。
8.根据权利要求7所述的弹体飞行速度测量方法,其特征是,所述的聚合物薄膜材料为聚酰亚胺、聚对二甲苯或苯并环丁烯,无机物薄膜材料为氮化化硅或氧化
9.一种弹体飞行速度测量系统,其特征在于,包括:设置于弹体拉伐尔管内壁面的柔性热膜速度传感器、热温差型测速电桥电路、热损失型测速电桥电路、信号处理电路以及数字处理单元,其中:热温差型测速电桥电路和热损失型测速电桥电路都与柔性热膜速度传感器相连组成惠斯通电桥电路并将各自的测量信号传到信号处理电路,数字处理单元从信号处理电路接收经过模数转换后的测量信号后输出飞行速度信号。
10.根据权利要求9所述的弹体飞行速度测量系统,其特征是,所述的热温差型测速电桥电路包括第一热温差型测速电桥电路和第二热温差型测速电桥电路,信号处理电路包括与第一热温差型测速电桥电路相连的第一信号处理电路、与第二热温差型测速电桥电路相连的第二信号处理电路和与热损失型测速电桥电路相连的第三信号处理电路。

说明书全文

弹体飞行速度测量方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种弹体速度实时测量领域的技术,具体是一种弹体飞行速度测量方法及系统。

背景技术

[0002] 进行飞行弹体弹道参数辨识最直接、经济有效的方法是利用速度传感器实时测量弹体的飞行速度,尤其是获得弹体的发射初速和在弹道最高处时的最小速度点。迫击炮弹、火箭炮弹以及榴弹等弹体的飞行速度多采用弹丸自身的旋转式气动涡轮电机作为速度传感器来测量。旋转式气动涡轮发电机作为弹丸的引信电源,利用弹丸飞行产生的气体动能来发电,多采用中心孔进气道,安装在引信头部中心位置,中心直进气道为收敛扩张管,即拉伐尔管。
[0003] 但是,气动涡轮发电机兼用作测速电机即速度传感器时,则要求灵敏度高,其输出信号要快速的随弹体速变化而变化。因此,气动涡轮发电机兼用速度传感器存在以下缺点:弹丸出炮口后,由于涡轮电机迟滞造成输出频率先迅速增大,并不真实反映初速;在弹道上最小弹速附近,存在进入气流速度小于电机启动所需的最小速时,涡轮发电机将会停转;
由于限速,高速下不能用,即涡轮发电机兼用的速度传感器不能有效地实时测量飞行弹体的全弹道速度特性。

发明内容

[0004] 本发明针对现有技术存在的上述不足,提出一种弹体飞行速度测量方法及系统,能够用于获得全弹道参数辨识所需的弹体实时飞行速度。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的:
[0006] 本发明涉及一种弹体飞行速度测量方法,通过将基于MEMS技术的柔性热膜速度传感器设置于待测弹体的拉伐尔管的进气道扩张段的壁面上,利用进气道内流场速度与弹体飞行速度的单调函数关系,由柔性热膜速度传感器测量进气道壁面流场流速,进而计算弹体的实时飞行速度。
[0007] 所述的柔性热膜速度传感器通过设于进气道扩张段管壁的缝隙开孔传输信号。
[0008] 所述的弹体飞行速度测量方法具体包括以下步骤:
[0009] 1)将柔性热膜速度传感器贴于弹体拉伐尔管壁面,形成两路热温差型惠斯通电桥电路和一路热损失型惠斯通电桥电路;
[0010] 2)获得模拟测量信号并经滤波、放大和模数转换后传递到数字处理单元;
[0011] 3)数字处理单元根据飞行速度数据列表获得弹体速度并输出飞行速度信号。
[0012] 所述的柔性热膜速度传感器包括:加热热电阻、环境测温热电阻、两对测温热电阻以及柔性衬底,其中:柔性衬底上设有绝缘保护层,柔性衬底和绝缘保护层之间设有支撑膜,加热热电阻和测温热电阻设置于绝缘层保护层与支撑膜之间,环境测温热电阻设置于柔性衬底与绝缘保护层之间,两对测温热电阻分别位于加热热电阻两侧,柔性衬底中设有隔热空腔,加热热电阻和测温热电阻位于隔热空腔上方。
[0013] 所述的支撑膜对应设置于隔热空腔上方,支撑膜悬空的面积为1mm2以下。
[0014] 所述的环境测温热电阻、加热热电阻和测温热电阻都为迂回线状结构,且迂回线的线宽不超过10μm,所述的环境测温热电阻阻值为加热热电阻阻值的两倍以上。
[0015] 所述的柔性衬底和支撑膜的材料为聚酰亚胺。
[0016] 所述的绝缘保护层为厚度5μm以下的聚合物薄膜或厚度1μm以下的无机物薄膜。
[0017] 所述的聚合物薄膜材料为聚酰亚胺、聚对二甲苯或苯并环丁烯,无机物薄膜材料为氮化化硅或氧化
[0018] 本发明涉及一种弹体飞行速度测量系统包括:设置于弹体拉伐尔管内壁面的柔性热膜速度传感器、热温差型测速电桥电路、热损失型测速电桥电路、信号处理电路以及数字处理单元,其中:热温差型测速电桥电路和热损失型测速电桥电路都与柔性热膜速度传感器相连组成惠斯通电桥电路并将各自的测量信号传到信号处理电路,数字处理单元从信号处理电路接收经过模数转换后的测量信号后输出飞行速度信号。
[0019] 所述的热温差型测速电桥电路包括第一热温差型测速电桥电路和第二热温差型测速电桥电路,信号处理电路包括与第一热温差型测速电桥电路相连的第一信号处理电路、与第二热温差型测速电桥电路相连的第二信号处理电路和与热损失型测速电桥电路相连的第三信号处理电路。技术效果
[0020] 与现有技术相比,本发明取代了引信涡轮发电机兼用速度传感器的工作形式,将柔性热膜速度传感器保形贴装于弹丸引信进气道壁面上,无须改变弹丸的原有引信结构,能获得全弹道参数辨识所需的弹体实时飞行速度。附图说明
[0021] 图1为飞行速度测量系统组成示意图;
[0022] 图2为柔性热膜速度传感器安装位置示意图;
[0023] 图3为柔性热膜速度传感器安装位置放大示意图;
[0024] 图4为柔性热膜速度传感器剖面安装图;
[0025] 图5为柔性热膜速度传感器平面示意图;
[0026] 图6为热温差型测速电桥电路示意图;
[0027] 图7为热损失型测速电桥电路示意图;
[0028] 图8为有限元仿真曲线图;
[0029] 图中:1拉伐尔进气道、2拉伐尔管、3柔性热膜速度传感器、11进气道收缩段、12进气道喉部、13进气道扩张段、21缝隙开孔、31柔性衬底、32加热热电阻、33测温热电阻对、34环境测温热电阻、35引线、36引脚、37绝缘保护层、38支撑膜、39隔热空腔、331第一测温热电阻、332第二测温热电阻、333第三测温热电阻、334第四测温热电阻。

具体实施方式

[0030] 下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例1
[0031] 如图1所示,本实施例的弹体飞行速度测量系统包括:设置于弹体拉伐尔管2内壁面的柔性热膜速度传感器3、热温差型测速电桥电路、热损失型测速电桥电路、信号处理电路以及数字处理单元,其中:热温差型测速电桥电路和热损失型测速电桥电路都与柔性热膜速度传感器相连组成惠斯通电桥电路并将各自的测量信号传到信号处理电路,数字处理单元从信号处理电路接收经过模数转换后的测量信号后输出飞行速度信号。
[0032] 所述的热温差型测速电桥电路包括第一热温差型测速电桥电路和第二热温差型测速电桥电路,第一热温差型测速电桥电路于第一信号处理电路相连,第二热温差型测速电桥电路于第二信号处理电路相连,热损失型测速电桥电路与第三信号处理电路相连。第一信号处理电路、第二信号处理电路和第三信号处理电路都与三通道模数转换器(ADC)相连。数字处理单元与三通道ADC相连,获得数字测量信号,最后输出飞行速度信号。
[0033] 所述的第一热温差型测速电桥电路和第二热温差型测速电桥电路与柔性热膜速度传感器3相连,组成两路完整的热温差型惠斯通电桥电路。热损失型测速电桥电路与柔性热膜速度传感器3相连,组成完整的热损失型惠斯通电桥电路。
[0034] 如图2~3所示,所述的拉伐尔管2的中心处为拉伐尔进气道1,其依次分为进气道收缩段11、进气道喉部12以及进气道扩张段13。基于MEMS技术的柔性热膜速度传感器3贴设于进气道扩张段13处的壁面上,其引脚36通过设置于壁面的缝隙开孔21与测量系统其它元件相连。MEMS技术是指采用溅射沉积、光刻刻蚀、电、磨抛、切片等微细加工工艺的技术。
[0035] 如图4~5所示,所述的柔性热膜速度传感器3包括:加热热电阻32、环境测温热电阻34、由两对测温热电阻组成的测温热电阻对33以及柔性衬底31,其中:柔性衬底31上设有绝缘保护层37,加热热电阻32、环境测温热电阻34和测温热电阻331、332、333、334设置于柔性衬底31与绝缘保护层37之间,两对测温热电阻分别位于加热热电阻32两侧。测温热电阻对33包括第一测温热电阻331、第二测温热电阻332、第三测温热电阻333以及第四测温热电阻334。
[0036] 所述的柔性衬底31底部设有矩形隔热空腔39,加热热电阻32和测温热电阻对33位于隔热空腔39上部,隔热空腔39顶部设有面积1mm2以下的支撑膜38。加热热电阻32位于支撑膜38中央,第一测温热电阻331和第三测温热电阻333作为上游热电阻Ru位于加热热电阻32的左侧,第二测温热电阻332和第四测温热电阻334作为下游热电阻Rd位于加热热电阻32的右侧。环境测温热电阻34同样位于第四测温热电阻334右侧的柔性衬底31上。加热热电阻
32、测温热电阻对33以及环境测温热电阻34通过引线35与设置于最右侧的引脚36相连。
[0037] 所述的柔性热膜速度传感器3贴于进气道扩张段13的壁面上,引脚36部分位于缝隙开孔21内与引信内其它电子器件相连。柔性热膜速度传感器3位于拉伐尔进气道1中的部分在垂直流向方向上的宽度在5mm以下,沿流向的长度在2mm以下。整个柔性热膜速度传感器3的厚度不超过50μm。
[0038] 所述的缝隙开孔21为细长缝隙通孔,沿着流向方向的长度不大于200μm,垂直于流向方向的长度不大于5mm,引线35穿过缝隙开孔21后用密封胶封合。
[0039] 所述的环境测温热电阻34、加热热电阻32以及测温热电阻对33都为迂回线状结构,有利于增大电阻阻值,提高测量灵敏度和分辨率,迂回线的线宽小于等于10μm。环境测温热电阻34的阻值大于等于两倍加热热电阻32的阻值。环境测温热电阻34用于监测环境温度的变化,作为加热热电阻32恒温控制时的温度补偿。
[0040] 所述的环境测温热电阻34、加热热电阻32以及测温热电阻对33都为包括粘附层和热阻层的双层薄膜金属材料。粘附层的材料为铬或,热阻层的材料为铂。
[0041] 所述的柔性衬底31和支撑膜38为柔性聚酰亚胺。所述的绝缘保护层37为厚度5μm以下的聚合物薄膜或厚度1μm以下的无机物薄膜,聚合物薄膜材料为聚酰亚胺、聚对二甲苯或苯并环丁烯,无机物薄膜材料为氮化硅、氧化硅或氧化铝。引线35和引脚36的材料为金属或镍。
[0042] 本实施例中的弹体飞行速度测量方法,通过将基于MEMS技术的柔性热膜速度传感器设置于待测弹体的拉伐尔管进气道扩张段的壁面上,利用进气道内流场速度与弹体飞行速度的单调函数关系,由柔性热膜速度传感器测量进气道壁面流场流速,进而计算弹体的实时飞行速度,具体包括以下步骤:
[0043] 1)将柔性热膜速度传感器设置于弹体拉伐尔管壁面并与热温差型测速电桥电路和热损失型测速电桥电路相连形成完整的惠斯通电桥电路。
[0044] 如图6所示,测温热电阻对33的上游热电阻Ru和下游热电阻Rd分别与两个外部电路精确电阻R1、R2构成热温差型惠斯通电桥电路的差动输出电路的两个支路,测温热电阻对33构成对应的二路热温差型惠斯通电桥电路。如图7所示,所述的加热热电阻Rh、环境测温热电阻Rf和三个外接电阻Ra、Rb、Rc构成热损失型惠斯通电桥电路,相连的加热热电阻Rh和外接电阻Ra构成惠斯通电桥电路的一个支路,环境测温热电阻Rf与外接电阻Rh、Rc构成惠斯通电桥电路的另一个支路。为满足电桥平衡,加热热电阻Rh的工作温度Th可设置为高出环境测温热电阻Rf的工作温度50~300℃。所述的加热热电阻Rh的工作温度Th根据外接电阻Rc和外接电阻比Ra/Rh确定。
[0045] 所述的热温差型测速电桥电路,在弹丸飞行速度为0即拉伐尔进气道1内无流速时,上游热电阻Ru和下游热电阻Rd的温度差ΔT为0。测温热电阻对33与加热热电阻32的距离越小,测温热电阻对33的温度越高;有流速时,上游热电阻Ru和下游热电阻Rd的冷却速度不同,两者温差变大,从而两个支路间输出的电势差V12变化,进而根据放大后电势差V0的大小计算出拉伐尔进气道1内的流速大小v。
[0046] 如图7所示,对于热损失型测速电桥电路,加热热电阻32的热量由外加电源提供,当弹丸飞行速度引起的拉伐尔进气道1内流速v较大时,热量主要通过流体强迫对流带走,根据King公式可得: 其中: 为施加给加热热电阻32的电功率,A*(Th-Tf)为流失到柔性衬底31的热量,B*(Th-Tf)为空气带走的热量,Th为加热热电阻32的工作温度,Tf为环境温度即拉伐尔进气道1内气体温度,A、B为结构参数。
[0047] 所述的柔性热膜速度传感器3工作模式为恒温差模式,即Th-Tf恒定,且加热热电阻32的阻值Rh不变,即加热热电阻32的电流Ih和流速v的大小一一对应。当流失到柔性衬底31的热量越小,柔性热膜速度传感器3的灵敏度越高。
[0048] 由于环境温度变化会对恒温差测量结果产生影响,根据环境温度热电阻33的温度测量值可对敏感电路进行温度补偿;所述的环境测温热电阻34的阻值Rf大于等于加热热电阻32阻值Rh的2倍,以降低加热控制电路的功耗。
[0049] 所述的热损失型测速电桥电路采用恒温差反馈控制方法使加热热电阻32的工作温度Th相对环境温度Tf保持恒定的温度差。当拉伐尔进气道1内的有气流流过时,加热热电阻32的热量被带走,使得Rh变小,因而放大器的输入电压差E12和输出电压E0变大,使得流过加热热电阻32的电流Ih增大进而加热,使得阻值Rh再次增大。通过测得的加热热电阻32的工作电流Ih或电压,就可实现流速v的测量。
[0050] 2)热温差型测速电桥电路和热损失型测速电桥电路产生的模拟信号经滤波、放大和模数转换后传递到数字处理单元。
[0051] 所述的第一热温差型测量电桥电路、第二热温差型测量电桥电路与热损失型测量电桥电路并行测量,产生的三路模拟测量信号分别依次经过滤波、放大和模数转换后形成对应的拉伐尔进气道1内流速的数字测量信号,并传递到数字处理单元。
[0052] 3)数字处理单元根据飞行速度数据列表获得弹体的飞行速度并输出飞行速度信号。
[0053] 所述的数字处理单元根据已标定的飞行速度数据列表记录的速度测量饱和值,自动在三路量程信号间切换并无缝生成单输出弹丸最终需要的飞行速度信号。
[0054] 所述的切换是指,数字处理单元通过运行相应的程序确定二路热温差型测速电桥电路可测的两段速度量程大小,并确定可测得的最大值;当测量的速度超过最大值时,切换到热损失型测速电桥电路以输出高速飞行速度信号。
[0055] 所述的数字处理单元包括微控制器存储器微控制器可以为ARM处理器、DSP芯片或现场可编程阵列。
[0056] 所述的已标定的飞行速度数据列表是指,测量前将弹体固定在静态吹风系统的出风口,逐步改变风速大小,获得相应的拉伐尔进气道1内的流速变化,从而实现对三路信号进行弹丸飞行速度、拉伐尔进气道1内流速和电桥电路输出三者之间的标定,最终获得关联飞行速度大小的三路电桥电路输出信号形成的飞行速度数据列表。传感器飞行速度数据列表存储在存储器中。
[0057] 所述的微控制器连通相应量程的测温热电阻所在的惠斯通电桥电路输出飞行速度测量信号。两路热温差型测量电桥电路用于低飞行速度的测量,测速范围为0.1~10m/s,用于飞行弹丸弹道最高点附近的低速精细测量。
[0058] 所述的热损失型测量电桥电路采用恒温差控制方法,用于高飞行速度的测量,测速范围为10~400m/s,主要用于测量弹丸发射上升段和下落段的速度。【注意改为10‐400m/s了】
[0059] 所述的测温热电阻对33速度的测量灵敏度和测量范围不同。测温热电阻距离加热热电阻32越远,速度测量饱和值越小,但灵敏度越高。测温热电阻对33可兼顾流速测量的量程和灵敏度。
[0060] 如图8所示,弹丸飞行速度与拉伐尔进气道1内壁柔性热膜速度传感器3所在的流场流速之间的有限元仿真曲线,有限元仿真时,拉伐尔进气道1总长为25.4mm,进气道收缩段11长为4.06mm,进气道喉部12长为2.54mm,进气道扩张段13长为18.8mm,其入口处直径10.67mm,进气道喉部12直径7.93mm,出口直径10.16mm。柔性热膜速度传感器3贴于进气道扩张段13的相对位置。仿真曲线表明,柔性热膜速度传感器3处的流场速度与弹丸飞行速度之间为单调函数关系,弹体飞行速度0‐350m/s对应进气道内扩张段13壁面流速为0‐75m/s,因此,根据本发明贴于拉伐尔进气道1内扩张段壁面上的柔性热膜速度传感器3的输出大小,可计算出弹丸的实时飞行速度,进而实现弹道参数辨识。
[0061] 与现有技术相比,本发明取代了引信涡轮发电机兼用速度传感器的工作形式,将柔性热膜速度传感器保形贴装于弹丸引信拉伐尔进气道壁面上,无须改变弹丸的原有引信结构,能获得全弹道参数辨识所需的弹体实时飞行速度。
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