一种高速弹丸测速装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于分析及测量控制技术领域，特别涉及一种高速弹丸的测速装置。
【背景技术】
[0002]由于现代飞机的速度快，噪音更低，发动机更大，因此发生与飞鸟相撞的可能性日益增大。那么在飞机设计过程中考虑鸟撞因素，提高飞机的抗撞击能力，就显得至关重要。因此，在飞机设计中有专门的鸟撞实验。鸟撞实验的目的一般有两个:一是确定破损时飞机的临界速度；二是测量撞击过程中有关应变、位移、撞击力等数据，供设计及生产使用。高速撞击实验中，速度是一个重要参数，因此在地面超高速撞击模拟实验中必须准确测得实验弹丸的速度。
[0003]要说明的是:对速度超过Ikm.s-1的高速弹丸，以往基于光线遮断的光电法已不能满足需求，原因是光电管电流时间曲线下降沿时间约为几个ms量级，因此，基于光线遮断的测速方法只适合于几十到几百米每秒的速度范围。对速度超过Ikm.s-1的小尺寸弹丸(直径小于1mm)，需要利用反射光来触发光电管，其电流时间曲线的上升沿约为5ns。因此，设计了一种速度大于Ikm.s-1的弹速测量系统。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中缺乏对速度大于Ikm.s-1的小尺寸弹丸的测速装置，本发明的发明目的在于提供一种高速弹丸测速装置，采用发射光触发GTlOl光电管，能够对小尺寸且速度大于km.s-1的弹丸速度准确测量。
[0005]一种高速弹丸测速装置，包含弹丸捕捉器、光纤、设备盒，所述光纤一端连接在设备盒上，别一端连接在弹丸捕捉器的二个探测口上；
[0006]所述设备盒内部包含有激光器、光电检测模块、单片机主控模块、计数模块、脉冲发生模块、电源模块和显示模块；
[0007]所述激光器通过光纤向弹丸捕捉器发射光源；
[0008]所述光电检测模块用于根据光纤采集到的弹丸经过二个探测口时的光通量变化，转换为电信号，作为计数模块的外部中断源；
[0009]所述脉冲发生模块用于产生高频脉冲；
[0010]计数模块对用于对脉冲发生模块产生的脉冲进行计数，并根据所述外部中断源向单片机主控模块输出高频脉冲计数；
[0011]所述单片机主控模块用于与根据计数模块提供的二个高频脉冲计数完成速度计算，以及与显示模块通讯完成显示功能。
[0012]优选地，所述弹丸捕捉器固定在炮口，所述弹丸捕捉器由一个弹丸出口通道组成，所述弹丸出口通道上设有二个探测口。
[0013]优选地，所述光纤为一路发射多路接收的铠装光纤。
[0014]优选地，所述光纤的一端采用SMA905接口连接到设备盒。
[0015]优选地，所述光电检测模块由比较器和放大电路组成；
[0016]所述放大电路主要包含光电二极管，所述光电二极管上接有用于调整放大倍数的电阻Rl和电阻R2、用于改善光电二极管的频谱特性的偏置电压以及退偶电容Cl和C2 ;
[0017]所述比较器采用所述光电二极管的反馈电压作同相输入，另一输入端加一个固定电压做参考电压。
[0018]优选地，所述计数模块采用DSP芯片，采用DSP片内事件捕获单元实现脉冲计数功會K。
[0019]优选地，所述计数模块与单片机主控模块通过串行通信接口的SCI方式通讯。
[0020]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
[0021]I)能够准确、方便有效的测量弹丸的出炮口速度。
[0022]2)采用非接触式测速技术，无需对靶网布线，减少工作人员劳动量。
[0023]3)采用光电检测技术，并设计了多芯铠装光缆和专用前置放大电路，在恶劣环境下，比如野外和存在爆炸冲击、烟雾等干扰因素具有抗干扰能力强，测量精度高等优越性。
[0024]4)本发明将脉冲发生器的频率提高到100MHz，速度的绝对误差可达± 1.2m.s—1;
[0025]5)选用激光器的输出功率稳定性，信号的波动小，确保每次发射弹丸都能够准确检测信号。
[0026]6)本发明提供的弹丸捕捉器(安装在炮口处)，该装置紧凑简单，无需采用防震措施，在捕捉器的定长两点间安装两个光纤探头，弹丸经过时只是切断光路，对弹丸的出口速度和弹丸的姿态不会产生影响。同时只要给测速电路持续供电，一次安装可支持连续多次测量，无需人工维护。
【附图说明】
[0027]图1为本发明高速弹丸测速装置的结构示意图。
[0028]图2为本发明中弹丸捕捉器的结构示意图。
[0029]图3为本发明设备盒中各模块的连接示意图。
[0030]图4为本发明中光电检测模块的结构示意图。
[0031]图5为本发明中单片机控制模块的结构示意图。
[0032]图6为本发明中脉冲发生模块的电路图。
[0033]图7为本发明中计时模块的流程示意图。
[0034]图8为本发明系统原理流程示意图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0036]如图1和图3所示，本发明一种基于DSP的高速弹丸测速装置，包含弹丸捕捉器、光纤、设备盒，所述光纤一端连接在设备盒上，别一端连接在弹丸捕捉器的二个探测口上。设备盒内部有光电检测模块、单片机控制模块、计数模块、脉冲发生模块、电源模块和显示丰旲块。
[0037]下面对本发明的各个部件作详细说明。
[0038](一 )弹丸捕捉器
[0039]如图2所示，弹丸捕捉器由一个弹丸出口通道组成，弹丸出口通道上设有二个探测口。弹丸捕捉器固定在炮口，通过螺纹或法兰接口将光纤的一端安装到弹丸捕捉器的探测口中。弹丸捕捉器的作用是在不改变炮体机械结构基础上的给光线探头提供稳定的安装支撑，以防止开炮时震动对测速的影响。
[0040]( 二 )光纤
[0041]由于探头安装位置也要起到耐高压和密封效果，所以探测口的孔径非常小(直径4_)，这样弹丸反射的光信号能够回到光纤中的非常少。考虑到光路本身的损耗，光电检测模块可能无法检测到信号。本发明优选了一种一路发射多路接收的铠装光纤，避免了分立光学元件复杂的调节和准直过程，且结构简单、成本低、体积小、易于调试。光纤中心为一路发射芯，环绕周围6路接收芯。为减少光路损耗，采用专用SMA905接口(接到设备盒的接口)。与其他光纤测速系统相比，本发明在接收端排列多根光纤回路以扩大接收孔径，其前置准直透镜既能获得良好的出射光束，又可以将反射回的光信号通过透镜会聚到后焦面的多根光纤中传送至光电检测模块。
[0042](三)激光器
[0043]弹丸发射过程中，会伴随气体发光现象。所以本发明优选采用了波长为650nm的激光器，同时加装对应波长的滤光片可以滤除掉其他频段的杂光。
[0044](四)光电检测模块
[0045]如图4所示，光电检测模块用于检测弹丸经过时的光通量变化，转换为电信号，作为计数模块的外部中断源，主要由放大电路、比较器电路组成。
[0046]放大电路主要采用光电二极管，由于激光器产生的光束经弹丸捕捉器内壁的光滑面漫反射，因此光电二极管一直受到反射光的照射，处于导通状态，经实验测试，光电二极管的反馈电压为200mV。当弹丸穿过光纤探头时，由于弹丸表面经过处理，反射芯的光通量变大，使得光电二极管的反馈电压突升(该光电二极管上升沿反应时间是ns级)到600mV。
[0047]在实际应用中，对于微弱的反射光产生的电信号，需要对光电信号进行放大处理，放大电路的放大倍数由Rl和R2决定，大小为(Rl+R2)/R2，放大倍数不宜过高，否则对运算放大器的增益带宽的影响，一般低于20倍。本发明设为可调，Rl为滑阻，大小为150K，R2大小为10K。对于光电二极管，弹丸的速度较高，通过探头时光通量变化持续时间极短，所以光电二极管响应时间是测速电路首要考虑的问题。在实验时可以通过给二极管加反偏电压来提高其响应速度，原因是反偏电压使得二极管的结电容变小，响应速度增快，本设计采用15V的偏置电压改善光电二极管的频谱特性，防止电源受到干扰，特地设计了退偶电容Cl和C2，
[0048]比较器电器采用光电二极管的反馈电压作同相输入，另一输入端加一个固定电压做参考电压，触发前Uin电压显示0.2V，触发后显示0.6V，将参考电压u 调至0.4V。当u in小于Uraf时，也就是子弹未到达探头，输出导通，V _输出为OV低电平；u in大于u 时，输出截止相当于开路，Vwt输出为5V高电平。两端电压相差1mv以上就能使得该芯片的输出状态发生变化，本发明是检测微弱电压变化，所以选用LM339芯片是很合适的。光电二极管检测弹丸通过时光通量的变化，比较器的作用是根据二极管反馈电压给捕获单元开始计数信号。
[0049]为了避免系统受到外部噪声的干扰，光电测检模块应和设备盒有效接地，减少电磁干扰。
[0050](五)单片机控制模块
[0051]以AT89S51单片机为控制核心，来完成与计数模块的通信，和显示计数模块发来的脉冲个数以及对脉冲发生模块频率控制字的写入控制。
[0052]半导体技术发展的同时，数字信号处理器(DSP)的应用越来越普遍。相比于微控制器(MCU)，DSP无论在运算速度和精度方面都有着极大的优势，为此在一些高速和复杂信号处理的情况下，DSP非常实用。但是系统同时存在慢速设备比如串口通信，数据显示等，DSP会加入大量的延时周期，降低系统性能。所以选用MCU和DSP合作的方式，DSP负责高频脉冲计数，MCU负责数据写入，显示和通信。
[0053]该测速系统中单片机起到重要作用，如附图5所示，通过改写DDS芯片