本發(fā)明屬于精密測(cè)試計(jì)量領(lǐng)域，特別是基于x射線的炮口初速測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

彈丸初速度的測(cè)量是火炮最基本的靶場(chǎng)試驗(yàn)之一，也是表征火炮性能的基本參數(shù)之一。彈丸初速是檢驗(yàn)火炮能量分配的重要參數(shù)，它是炮身、反后座裝置設(shè)計(jì)的原始參數(shù)，可以鑒定發(fā)射系統(tǒng)的優(yōu)劣以及壽命。此外，炮口初速還對(duì)火炮精確度影響較大，實(shí)現(xiàn)其精確測(cè)量就能夠有效修復(fù)偏差。

目前，彈丸速度測(cè)量方法主要有測(cè)時(shí)儀測(cè)速法、雷達(dá)測(cè)速法、攝影法以及機(jī)械法等。這些方法測(cè)量的炮口初速并不是真正的炮口初速度，而是從后效區(qū)外彈道處速度經(jīng)空氣動(dòng)力學(xué)公式推出來(lái)的炮口初速。

彈丸高速出炮口伴隨著大量的炮口焰和等離子體流，對(duì)現(xiàn)有測(cè)量?jī)x器的測(cè)量精度影響巨大，現(xiàn)有的測(cè)量方法無(wú)法測(cè)出炮口實(shí)際速度，而且火藥燃?xì)獾牧W(xué)效應(yīng)也會(huì)損害和干擾常規(guī)測(cè)量?jī)x器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于x射線的炮口初速測(cè)量裝置。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案為：一種基于x射線的炮口初速測(cè)量裝置，包括觸發(fā)單元、x射線發(fā)生裝置、x射線探測(cè)采集單元以及數(shù)據(jù)分析處理模塊；

所述觸發(fā)單元包括高壓探針、高速采集設(shè)備和放大整形電路，高壓探針位于炮彈軌道的內(nèi)側(cè)壁后座基處，用于炮彈發(fā)射時(shí)采集高壓信號(hào)，高壓采集設(shè)備通過(guò)輸入端口接收高壓信號(hào)，放大整形電路用于對(duì)高壓信號(hào)進(jìn)行放大整流處理，得到觸發(fā)上升沿電平；

所述x射線發(fā)生裝置用于產(chǎn)生設(shè)定輻射角的x射線，形成單光幕；

所述x射線采集單元包括多個(gè)x射線高速探測(cè)器、電流轉(zhuǎn)電壓芯片、多級(jí)放大電路、整形電路以及計(jì)時(shí)器；x射線高速探測(cè)器并排設(shè)置在單光幕厚度方向，多個(gè)x射線高速探測(cè)器所連直線與彈丸飛行軌跡垂直；x射線高速探測(cè)器用于檢測(cè)x射線發(fā)生裝置發(fā)射的x射線強(qiáng)度并轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，電流轉(zhuǎn)電壓芯片用于將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，多級(jí)放大電路用于對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理，整形電路對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行整形處理，計(jì)時(shí)器用于記錄彈丸通過(guò)x射線高速探測(cè)器的時(shí)間；

所述數(shù)據(jù)分析處理模塊包括pcie數(shù)據(jù)采集模塊、波形顯示模塊、角度處理模塊和dsp數(shù)據(jù)處理單元，pcie數(shù)據(jù)采集模塊用于將整形后的信號(hào)進(jìn)行高速采集，并顯示在波形顯示模塊，角度處理模塊用于根據(jù)信號(hào)高低電平的變化，通過(guò)數(shù)字圖像處理測(cè)量第一路信號(hào)的下降沿與最后一路信號(hào)的下降沿連線與垂直線之間的角度，該角度即為彈丸在炮口的偏差角；dsp數(shù)據(jù)處理單元用于根據(jù)偏差角和計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間，得到多個(gè)傳感器的速度值，根據(jù)設(shè)定的速度范圍剔除速度范圍以外的數(shù)據(jù)，將速度進(jìn)行求平均處理，得到炮口初速度。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著效果為：

(1)本發(fā)明利用x射線來(lái)測(cè)量火炮的炮口實(shí)際初速，不僅能夠測(cè)得高電磁干擾、強(qiáng)炮口火焰條件下的速度，而且單光幕的測(cè)量方法能夠避免多光幕處理速度和延時(shí)的不一致以及多光幕光線無(wú)法嚴(yán)格平行的誤差，測(cè)試精度更高；(2)本發(fā)明提供的炮口初速度是在炮口實(shí)際精密測(cè)試出來(lái)的，不存在假想推理以及根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)逆推的過(guò)程，因此測(cè)量結(jié)果更加精確。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明單光幕x射線炮口初速測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1示出的a區(qū)域的部分結(jié)構(gòu)放大圖。

圖3是圖1示出的a區(qū)域的x光機(jī)高壓電源的運(yùn)行流程圖。

圖4是圖1示出的b區(qū)域的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖5是圖1示出的c區(qū)域x射線高速探測(cè)器的結(jié)構(gòu)圖。

圖6是圖1示出的d區(qū)域信號(hào)調(diào)理單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖7是彈丸炮口偏向角度測(cè)量的示意圖、labview界面顯示多路測(cè)量波形示意圖和整形后經(jīng)圖像處理得到角度的示意圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合圖1，本發(fā)明的一種基于x射線的炮口初速測(cè)量裝置，包括觸發(fā)單元、x射線發(fā)生裝置、x射線探測(cè)采集單元以及數(shù)據(jù)分析處理模塊；

所述觸發(fā)單元包括高壓探針、高速采集設(shè)備和放大整形電路，高壓探針位于炮彈軌道的內(nèi)側(cè)壁后座基處，用于炮彈發(fā)射時(shí)采集高壓信號(hào)，高壓采集設(shè)備通過(guò)輸入端口接收高壓信號(hào)，放大整形電路用于對(duì)高壓信號(hào)進(jìn)行放大整流處理，得到觸發(fā)上升沿電平；

所述x射線發(fā)生裝置用于產(chǎn)生設(shè)定輻射角的x射線，形成單光幕；

所述x射線采集單元包括多個(gè)x射線高速探測(cè)器、電流轉(zhuǎn)電壓芯片、多級(jí)放大電路、整形電路以及計(jì)時(shí)器；x射線高速探測(cè)器并排設(shè)置在單光幕厚度方向，多個(gè)x射線高速探測(cè)器所連直線與彈丸飛行軌跡垂直；x射線高速探測(cè)器用于檢測(cè)x射線發(fā)生裝置發(fā)射的x射線強(qiáng)度并轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，電流轉(zhuǎn)電壓芯片用于將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，多級(jí)放大電路用于對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理，整形電路對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行整形處理，計(jì)時(shí)器用于記錄彈丸通過(guò)x射線高速探測(cè)器的時(shí)間；

所述數(shù)據(jù)分析處理模塊包括pcie數(shù)據(jù)采集模塊、波形顯示模塊、角度處理模塊和dsp數(shù)據(jù)處理單元，pcie數(shù)據(jù)采集模塊用于將整形后的信號(hào)進(jìn)行高速采集，并顯示在波形顯示模塊，角度處理模塊用于根據(jù)信號(hào)高低電平的變化，通過(guò)數(shù)字圖像處理測(cè)量第一路信號(hào)是下降沿與最后一路信號(hào)的下降沿連線與垂直線之間的角度，該角度即為彈丸在炮口的偏差角；dsp數(shù)據(jù)處理單元用于根據(jù)偏差角和計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間，得到多個(gè)傳感器的速度值，根據(jù)設(shè)定的速度范圍剔除速度范圍以外的數(shù)據(jù)，將速度進(jìn)行求平均處理，得到炮口初速度。

進(jìn)一步的，所述x射線發(fā)生裝置包括帶長(zhǎng)方形通孔的鉛板、x光機(jī)、直流可調(diào)開關(guān)電源、全橋逆變電路、高頻變壓模塊、倍壓電路、驅(qū)動(dòng)電路、stm32控制系統(tǒng)和電壓電流采樣電路；

所述帶長(zhǎng)方形通孔的鉛板設(shè)置在x光機(jī)鏡頭前端，用于限定x射線的輻射角，得到單光幕；所述直流可調(diào)開關(guān)電源用于將市網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，經(jīng)全橋逆變電路、高頻變壓模塊和倍壓電路處理后為x光機(jī)射線管供電；所述電壓電流采樣電路用于采集x光機(jī)射線管的電壓和電流并反饋給stm32控制系統(tǒng)，所述stm32控制系統(tǒng)產(chǎn)生pwm波并通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制全橋逆變電路的開關(guān)頻率。

進(jìn)一步的，所述x射線高速探測(cè)器為硅光電二極管。

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。

實(shí)施例

參見圖1、圖2，本實(shí)施例的一種基于x射線的炮口初速測(cè)量裝置，主要包括x光機(jī)110、高壓電源模塊a、觸發(fā)模塊b、探測(cè)器c、信號(hào)調(diào)理單元d以及計(jì)時(shí)器190和dsp數(shù)據(jù)處理模塊200。

高壓探針150安裝在炮彈軌道160的內(nèi)側(cè)壁上，位于彈丸位置的后側(cè)區(qū)域，并且作為觸發(fā)單元140的輸入信號(hào)。炮彈161發(fā)射前放置于炮彈軌道160內(nèi)，并卡在炮彈軌道160的后座上。觸發(fā)單元140接收高壓探針150的信號(hào)，在內(nèi)部觸發(fā)電平，并傳輸至a單元，a單元給x光機(jī)110供電，發(fā)射的x射線經(jīng)過(guò)帶長(zhǎng)方形通孔的鋁板100后，形成x光窄光幕101。探測(cè)器170與x光機(jī)110相對(duì)放置，并且垂直于炮彈軌道160以及飛行彈丸161的飛行軌跡。探測(cè)器140與信號(hào)調(diào)理單元180相連，計(jì)時(shí)器190根據(jù)信號(hào)調(diào)理單元180調(diào)理出的波形信號(hào)的上升沿或者下降沿記錄飛行彈丸161穿越探測(cè)器170所探測(cè)的窄光幕區(qū)域101的時(shí)間。計(jì)時(shí)器190將記錄的時(shí)間傳輸給dsp數(shù)據(jù)處理模塊200。pcie數(shù)據(jù)采集模塊220采集經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理單元180放大整流后的多路探測(cè)器信號(hào)，并將16路信號(hào)同時(shí)輸入labview波形顯示界面230上，并在同一個(gè)界面上去顯示。角度處理模塊240根據(jù)獲得的多路波形分析得出角度偏差值并將其傳遞給dsp數(shù)據(jù)處理模塊200。dsp數(shù)據(jù)處理模塊200根據(jù)彈丸輸入的長(zhǎng)度、彈丸經(jīng)過(guò)測(cè)量的時(shí)間以及測(cè)出的角度偏差去計(jì)算彈丸的炮口初速度，并且將處理過(guò)的數(shù)據(jù)信息通過(guò)光纖傳輸給遠(yuǎn)端的pc機(jī)210。

由于彈丸在炮口發(fā)生的角度偏差，導(dǎo)致在探測(cè)區(qū)域里實(shí)際經(jīng)過(guò)探測(cè)器的彈丸長(zhǎng)度小于測(cè)得的彈丸真實(shí)長(zhǎng)度。彈丸的長(zhǎng)度為l，彈丸在炮口的偏向角為φ，計(jì)時(shí)器記錄到彈丸經(jīng)過(guò)探測(cè)器的時(shí)間為t，得到炮口初始速度的計(jì)算公式：

高壓電源模塊a包括：x光機(jī)110、220v的市電單元121、直流可調(diào)開關(guān)電源122、全橋逆變igbt單元123、高頻變壓?jiǎn)卧?24、倍壓電路單元125、驅(qū)動(dòng)電路126、電壓電流采樣電路127、stm32控制系統(tǒng)130、rs485通信模塊132以及pc機(jī)133。

pc機(jī)133預(yù)先通過(guò)上位機(jī)界面輸入電壓參數(shù)、電流參數(shù)以及直流可調(diào)開關(guān)電源的參數(shù)，arm-stm32控制單元130經(jīng)過(guò)485通信總線132實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵指令的接收以及數(shù)據(jù)的發(fā)送。stm32控制系統(tǒng)130接收到上位機(jī)設(shè)置的參數(shù)后，調(diào)節(jié)相應(yīng)定時(shí)器的重裝值，產(chǎn)生所需占空比的pwm波以及設(shè)定所要輸出的電壓和電流。兩個(gè)直流可調(diào)開關(guān)電源122將220v的市電121轉(zhuǎn)換為后續(xù)逆變單元所需要的直流電壓(0-48v)以及為燈絲供電電源提供電壓。為了驅(qū)動(dòng)igbt全橋逆變123的開斷，使逆變單元輸出高頻直流電壓，需要用ir2130驅(qū)動(dòng)電路126將pwm控制脈沖進(jìn)行功率上的放大。經(jīng)過(guò)逆變單元123后，要將已產(chǎn)生的高頻交流電壓進(jìn)行高頻變壓升壓124至輸出幾kv的電壓，再通過(guò)倍壓電路125升壓至實(shí)速測(cè)量系統(tǒng)x光機(jī)110的x射線管所需要的110kv高壓。在高壓輸出端之后，接上電壓電流采集電路127，利用霍爾傳感器進(jìn)行電壓電流采樣反饋給stm32，經(jīng)stm32進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換和計(jì)算后，將結(jié)果顯示在stm32f103板的液晶顯示屏上，并將結(jié)果與設(shè)定參數(shù)值進(jìn)行比較，形成閉環(huán)反饋控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)pwm占空比參數(shù)從而使輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定。

如圖3示出的x光機(jī)高壓電源運(yùn)行的流程圖，主程序在啟動(dòng)之后不斷地調(diào)用參數(shù)預(yù)置模塊，對(duì)電壓電流及直流開關(guān)電源參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。經(jīng)過(guò)檢測(cè)，如果參數(shù)配置不成功的話，會(huì)繼續(xù)調(diào)用參數(shù)配置模塊。如果參數(shù)配置成功，stm32則產(chǎn)生相應(yīng)占空比的pwm波，驅(qū)動(dòng)電路126將脈沖功率放大去控制igbt的開斷123，再經(jīng)過(guò)高頻變壓124、倍壓電路125產(chǎn)生高壓直流電。通過(guò)霍爾傳感器來(lái)采集x射線管的管電壓、電流信號(hào)，反饋給stm32，之后stm32f103主控制器通過(guò)其自帶的液晶顯示屏顯示實(shí)時(shí)的電流電壓值。如果實(shí)際電壓超過(guò)限額電流電壓，則總程序關(guān)閉，如果沒有超過(guò)，則進(jìn)行閉環(huán)的電壓電流反饋調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)并穩(wěn)定到所設(shè)定的電壓電流值。

圖4是圖1示出的b區(qū)域的結(jié)構(gòu)原理圖，也就是觸發(fā)模塊的結(jié)構(gòu)圖。觸發(fā)模塊b包括高壓探針150和觸發(fā)單元140，觸發(fā)單元由高速采集設(shè)備1401、放大整形電路1402以及觸發(fā)電平信號(hào)1403組成。彈丸161從炮彈導(dǎo)軌160發(fā)射時(shí)，需要在短時(shí)間內(nèi)在軌道加上非常大的電壓和電流，從而產(chǎn)生力帶動(dòng)飛行彈丸161在炮彈軌道160中做加速運(yùn)動(dòng)。一加電，高壓探針150就可以探測(cè)到電壓的變化，并將電壓變化的信號(hào)傳給高速采集設(shè)備1401，采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形電路1402的放大與整形后，將觸發(fā)電平1403輸出給arm控制單元130。

圖5示出的是圖1中c區(qū)域x射線高速探測(cè)器的結(jié)構(gòu)圖，一個(gè)高速探測(cè)器170非常小，x光的窄光幕101是有一定厚度的，在其厚度方向上，放置16個(gè)型號(hào)一樣的高速探測(cè)器170。高速探測(cè)器170為長(zhǎng)方體，長(zhǎng)度方向尺寸大于寬度方向尺寸，其與x光機(jī)110相對(duì)的面和x光機(jī)110平行，并且垂直于彈丸161的飛行軌跡。多探測(cè)器的設(shè)置能夠避免方向上的偏差，提高采樣的準(zhǔn)確性，而且保證每次都能夠采集到彈丸的飛行時(shí)間數(shù)據(jù)。所述的高速探測(cè)器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)改進(jìn)的光電二極管，軟x射線可以直接照射探測(cè)器，不需要閃爍體將x光轉(zhuǎn)化為可見光，再將可見光的強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電流的強(qiáng)度，而是直接將x射線的強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電流或電壓的變化。

圖6示出的是圖1區(qū)域d信號(hào)調(diào)理單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，包括電流轉(zhuǎn)電壓芯片1801、多級(jí)放大電路1802及整形電路1803。探測(cè)器的微弱電流信號(hào)1701是探測(cè)器單元170輸出的信號(hào)，其強(qiáng)度較小、波形不規(guī)整、噪聲干擾較大，直接對(duì)其處理分析難度較大，因此需要對(duì)其放大整形處理。將探測(cè)器輸出的微弱電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電流轉(zhuǎn)電壓芯片1801后轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，由于需要信號(hào)放大倍數(shù)較大，采用多級(jí)放大電路1802來(lái)實(shí)現(xiàn)，并將放大后的電壓信號(hào)送至整形電路1803實(shí)現(xiàn)波形的規(guī)整以及干擾信號(hào)的濾出。

圖7是彈丸炮口偏向角度測(cè)量的示意圖、labview界面顯示多路測(cè)量波形示意圖和整形后經(jīng)圖像處理得到角度的示意圖。炮口彈丸因沖擊力而產(chǎn)生章動(dòng)，其相比于預(yù)定軌道方向的偏向角為φ，pcie數(shù)據(jù)采集單元采集16路信號(hào)，如圖7中上半部分示出的圖，圖7下半部分是經(jīng)過(guò)整流后在labview界面上顯示的波形圖集合。圖像處理模塊可以將第一傳感器信號(hào)與最后一個(gè)傳感器信號(hào)下降沿之間的夾角測(cè)量出來(lái)，從而間接測(cè)量得到彈丸在炮口的偏向角度。