子弹出口速度测定

炮弹初速度测量的两种方式目前国内炮弹初速度测量的方法主要有两种，第一种，就是利用多卜勒原理做成的测速仪。

它由高频发射接收装置、放大装置、滤波装置、信处装置、控制装置、以及显示装置和固定装置等组成。

但是，由于炮弹初速极快，可达每秒数千米，完全不同于普通运动目标的速度测量，所以，对系统的性能要求非常高。

比如，要求系统的频率源要很稳定，放大电路的动态范围要很宽，信号处理电路的处理速度要很快，总之，要系统地响应能力非常强，响应时间非常短，而普通的一些电子元件很难达到如此的高要求，所以，此类测速系统的造价往往非常昂贵，价位从几十万元到几千万元不等。

第二种，就是利用截取装置，来获得炮弹初速在截取装置的不同截面（该截面是垂直于炮弹的飞行速度的，也就是炮弹飞行方向上的物理法平面）上的响应时间，而截取平面的距离是事先设计好的，而且可以做到很精确，同时炮弹飞过截取平面时靠的是光电或电磁感应，所以响应非常快，利用距离除以时间，从而可非常精确地测量出炮弹的飞行初速度。

目前，广泛使用的几种截取装置是天幕靶、光幕靶、线圈靶、网靶和金属箔靶等几种。

之所以把截取装置叫做什么靶，那是由于该截取装在跑弹飞行方向的前方或平行于炮弹的飞行方向，似乎是要击中，实际上只是穿过或飞过，所以形象地称为什么靶。

由于天幕靶和光幕靶与炮弹非接触，而且不受飞行物材料的限制，使用方便，相对于多卜勒测速仪的价位要低得多，渐渐为广大用户而采用。

HG202C-4两路测速仪是在保留了HG202C-3型测速仪的优点、改进了它的不足之处，并集中了国内所有测速仪的优点的基础上、研制而成的新型智能化测速仪，其特点如下：一、本机工作可靠、芯片采用新型的单片机，集成度高、所用元器件少、因此可靠性高，将单片机应用于测速仪上是本机的独创。

二、本机操作简单、数据处理智能化、用户不需要学习计算机“语言”，只要按“用户手册”揿动按键就可进行数据处理。

三、本机对所测到的速度Vx可自动进行空气阻力修正；药室容积修正；药温修正；弹重修正；当日修正；射角修正；射频及每发间隔时间等，凡制式弹或用户事前提出的弹道参数可全部固化在机内，非制式弹的弹道参数，可通过“双功能键”很方便的输入机内。

子弹测速系统设计子弹出膛时的初速度是衡量枪支质量的重要内容。

测量枪支子弹出膛速度的方法有多种，如红外光电测速、激光测速、雷达测速等。

然而其结构复杂、成本高，而且这些测速方法都是用在精度要求比较高的场合。

一、子弹测速原理及其实现应用光敏二极管的光电转换原理，以89C51单片机为核心软硬件相结合实现来检测子弹出膛时初速度测量的方法以及实现过程。

图1 平行放置的梯形架当子弹穿入梯形架时，非门的输出为“0”，外部发生中断，并启动定时/计数器1计数。

当子弹穿入梯形架2时，外部产生中断，并停止定时/计数器1计数。

由于单片机的外部晶振频率是已知的，所以，可以得到子弹在两梯形架之间运行的时间T0。

两梯形架之间的固定距离为S，经过大量的试验，S的最佳距离设定为200mm。

由于S相对于子弹的飞行速度来说，S的值非常小，所以子弹在此段距离内的运动可视为匀速运动.由匀速运动公式可得,V=S/T0 (1) 单片机的机器周期为T1，定时/计数器的机器周期为12T，当子弹穿入梯形架1 时，定时/计数器1开始计数，当子弹穿入梯形架2时，定时/ 计数器1停止计数，定时/计数器 1 所计的数值为N，所以，子弹在两梯形架之间实际运行时间T0的数学表达式为:T0=12×T1×N (2) 由上述的速度公式，经单片机进行数据处理，计算出相应的速度V。

一方面送入显示，另一方面保存该数据，准备以串行通讯的方式送入上位机。

硬件设计如图2所示。

如果想提高系统的精度，只要改变单片机的外部晶振频率即可。

系统采用动态显示方式，数码管选用共阴极的。

74LS07是正向驱动器件，由74LS07分别驱动四个数码管的段码和位码。

图2 子弹测速硬件原理框图二、单片机子弹测速软件系统由于子弹出膛时的速度在一定范围内，所以本系统分别设置了子弹的速度上、下限。

定时器/计数器1计数过多或过少，都应该视为错误信号或干扰信号。

在编写程序时，首先要考虑抗干扰技术，本系统抗干扰是通过软件实现的。

测量子弹速度一次物理教学尝试为落实教学改革，本人作了各方面的教学尝试。

下面以“曲线运动”这章节为例，介绍一个探索性和开放性问题情境的创设。

活动：测量子弹速度活动目的：灵活应用物理知识，设计最佳测量子弹速度方案活动形式：小组活动活动材料：玩具手枪、白纸、复写纸、米尺、秒表讨论：1.测玩具手枪射出速度你能想出多少种方法?你需要何种工具?2.你设计的测量手段有哪些优点?3.分析实验误差产生的原因，思考如何减少误差?4.动手做一做你设计的方案小组评比及反思：1.归纳出每种测量子弹速度方案的优、缺点。

2.请每位同学写写探究问题的感受探究过程：【方案一】枪口瞄准竖直放置的白纸板，子弹射穿白纸。

用秒表测时间，用直尺测子弹走直线运动路程，利用公式求出子弹射出速度v 0 =x/t,可行性分析：有学生认为白纸不易破，难找击中点，建议在白纸上垫复写纸，白纸上留下的黑点就是击中 。

但更多的学生认为这个方案根本不可行，因为子弹不是走直线而是做平抛运动，v 0 =x/t只适用于物体做直线运动情况。

教师设疑：此方案不能测出v 0 吗?做平抛运动就不能用v 0 =x/t算出v 0 吗?【方案二】用米尺测量出子弹下降高度y和水平射程x，利用平抛运动知识可行性分析：有学生提出，测y目的是为测量运动时间，既然能用尺间接测量，当然也可用秒表直接测量，故方案一留下的疑问学生已能自行找到答案。

也有学生认为时间太短，可能还来不及按秒表，误差太大。

对如何减少误差，学生提出可以用重锤线辅助判断初速度方向是否水平，但本节课并无提供此仪器，学生建议可用细线固定钢笔替代。

也可让子弹平抛落地运动时间越长误差越小，如：让子弹下落一层楼高等。

【方案三】让子弹做竖直上抛、竖直下抛、斜向下抛运动可测量出v 0 有学生提出用抛体运动知识求速度，经大家讨论认为可行。

这方案跟上学期的内容联系起来，且不论操作难易程度，学生能提出这个方案是非常可贵的，教师应及时肯定加以鼓励。

第17卷第4期湖　北　工　学　院　学　报2002年12月Vol .17No .4　Journa l of Hube i Polytechn ic Un iversity D ec .2002[收稿日期]2002-06-20[作者简介]余晓军;1977-ΓΚ男Κ新疆精河人Κ华中科技大学硕士研究生Κ研究方向Π测试计量技术及仪器1[文章编号]1003-4684;2002Γ12-0105-03基于光电信号转换原理的子弹测速系统余晓军Κ王选择Κ谢铁邦;华中科技大学机械工程与科学学院Κ湖北武汉430074Γ[摘　要]研制了一套用于测量弹丸飞行速度的多功能测速系统Κ介绍该系统基于光电信号转换的测速原理、方法与软硬件设计1误差分析表明Κ测速误差小于1.2m s 1[关键词]激光靶Μ速度测量Μ单片机[中图分类号]TN 29[文献标识码]ΠA 枪弹测速不仅可以作为鉴定枪支性能的一项重要的检测手段Κ还可以用来对枪支产品进行出厂检测1本项目的主要任务是确定各种枪支所发射子弹的出口速度Κ从而估算出枪支的杀伤力Κ为枪支进行分类管理及执行任务时的枪支选择提供依据1传统的测量低伸弹道飞行速度的系统Κ主要是接触性测量系统1这些系统不仅精度低Κ而且对外弹道特性有影响1随着科学技术的飞速发展Κ接触式测试系统已经逐渐被非接触式测量系统所取代1由于非接触式测量系统;如光幕靶Κ天幕靶Γ精度高Κ因此在国内外被广泛应用1在非接触测量系统中Κ光幕靶由于结构简单Κ受外界约束条件小Κ抗干扰能力强而倍受青睐11　光幕靶测速原理及系统组成弹丸速度难以用简单的方法进行直接测量Κ常用间接测量方法获得1如在枪炮口前方一定距离设置两靶Κ两靶间距离为d Ψ武器射击时用测时仪测量弹丸经过d 距离的时间t Ψ从而间接获得弹丸在此区间内平均速度v 01光幕靶以此基本测速原理Κ以无形的光幕作为靶面Κ当弹丸穿过光幕靶时Κ造成光幕接收部分光线的变化Κ经过光电转换Κ发出区截信号1用两道光幕靶配合后续处理电路Κ构成测速系统1据上述构思Κ设计并完成的测速系统具有以下功能Π根据靶距的不同而输入不同的长度Κ实时显示子弹速度Κ计算和显示平均速度Κ全部测试工作完成后可根据需要打印各次速度及平均速度1测试系统的结构如图1所示1图1　系统结构图该系统由信号产生和信号处理两部分组成1测试时Κ信号产生部分将光幕光强的变化转变为电压的变化Κ该变化的电压信号经过预处理电路整形Κ产生脉冲信号Κ直接输入单片机的外部中断引脚1单片机记下子弹穿过两道光幕的时间Κ根据两道光幕之间的距离Κ由计算机计算出弹丸的飞行速度12　硬件设计硬件设计的目的是为了实现光电信号的提取和转化1包括两大部分Π光幕信号的产生和接收Κ信号转换电路1211　光幕信号的产生和接收本系统采用激光作为光源1激光作为一种新型光源Κ与其他光源相比有方向性强Κ光亮度极高Κ性能稳定的优点Κ同时解决了以往同类仪器复杂的光源驱动电路设计1为了得到扇形光幕Κ本系统利用一个圆柱透镜Κ使激光扩束为一道很薄的光幕1在接收端Κ用数个串联的光电二极管组成一个线性阵列Κ接收饱和光幕的全部光线Κ选择二极管的参数Κ使二极管阵列导通1当其中任何一个二极管被遮住时Κ变为截止状态Κ整个阵列无电流通过1在二极管阵列两端加电压则二极管阵列就可以把这种饱和截止状态转化为电压的变化1其结构如图2所示1图2　光幕结构图1光电二极管阵列Μ2子弹Μ3圆柱透镜Μ4激光器由于应用的激光光束为可见光Κ其有不必用仪器观察Κ便于安装调试Κ配置方便Κ成本低廉Κ便于日后维修的优点1但是要得到光强均匀、确定范围的光幕Κ必须仔细设计圆柱透镜的曲率半径Κ使扩散后的光幕充满整个框架1还要注意的一点是Κ光电二极管的感光方向性很强Κ在接收端Κ将二极管阵列固定在一弧形部件上Κ使光可以垂直照射到每个二极管上1212　信号转换电路在实际测量中Κ由于采用数个光电二极管排成阵列Κ各二极管的参数不是完全一样Κ实际取出的信号会随着被遮住的二极管的位置的不同而有所不同1信号转换电路主要完成将光幕取出的电压信号变为0V 和5V 两种状态的开关信号;如图3Γ1图3　信号转换电路在转换电路中采用比较器Κ比较器工作时使用单电源供电Κ本电路中取外加电压V cc =5V Κ将U in 和U ref 分别输入负正引脚1调整电位器R 3Κ得到合适的参考电压U ref Κ使当子弹通过光幕瞬间Κ即光被遮住时光电管取出的信号U in 总是大于U ref Κ输出端U out=0V 1无子弹通过时ΚU in 小于U ref ΚU out =V cc Κ即U out =5V 13　单片机的计时及与计算机的通讯单片机主要完成计算弹丸在两道光幕之间的飞行时间以及与计算机的通讯1飞行时间的计算方案如下Π把光幕处理信号U out 直接送至单片机的中断口Κ利用中断子程序对计数器进行启停操作1当弹丸通过第一道光幕时Κ启动计数Κ通过第二道光幕时Κ停止计数Μ根据单片机机器周期T 和计数器所计脉冲个数n Ψ得到弹丸飞行时间t =nT 1其计数示意图如图4所示1单片机和计算机之间采用串行通讯1在测试之前Κ必须对处理电路进行调试Κ通过串行口Κ将处理电路产生的信号通过单片机送入计算机Κ在计算机中利用软件编制的应用程序用虚拟示波器实时显示Κ在有子弹穿过光幕瞬间Κ计算机上显示0V 到5V 的跳变Κ调试完成1测试时Κ由计算机发出指令Κ调试、启动测试、接收单片机数据、计算、显示、打印Κ还可以随时中止测试1该系统实现了一定的自动化Κ操作简单Κ便于推广应用1图4　计数示意图4　软件设计根据设计要求Κ编写控制和计算软件Κ软件系统框图5如示1本系统采用N I 公司的L ab W indow s CV I 软件开发了应用程序ΚCV I 作为开发环境具有以下优点Π1Γ　CV I 的编程技术主要采用事件驱动方式与回调函数方式Κ编程方法简单易学12Γ　CV I 运用:所见即所得Φ的可视化交互技术Κ使人机界面的实现直观简捷13Γ　CV I 对每一个函数都提供一个函数面板Κ用户可以在函数面板上交互式输入函数的各个参数Κ提高了工程设计的效率与可靠性1本系统的软件各模块具有如下功能Π1Γ通讯模块Π用于计算机与单片机串行通讯Κ计算机向单片机发送各种指令Κ接收单片机的数据Μ2Γ调试模块Π用于测试前的系统调试Κ通过软件设计模拟示波器的显示Κ使系统调试容易操作Μ3Γ测试模块Π用于根据输入的距离和时间实时计算出速度Μ4Γ显示打印模601湖　北　工　学　院　学　报2002年第4期　块Π用于显示测量结果Κ并根据用户需求打印测量参数和测量结果15　误差分析由误差传播理论[1]得Π≅∃v v Σ2=≅∃d d Σ2+≅∃t t Σ2.≅1Σ式中∃v Ψ∃d Ψ∃t 分别为弹速v 、距离d 、时间t 的测量误差1由此看出Ψ影响系统精度的主要因素就是距离d 的测量误差和时间t 的测量误差1在d 和t 一定的情况下Ψ可以用高精度的测量器具测量d 及减少计数器的量化误差等来减小∃d 和∃t 1根据文献[2]有关测量数据Ψ表明当d =5m 时Ψ距离误差∃d 约为6.665mm 1由于本系统采用单片机计时Ψ根据前面分析Ψ选择单片机的晶振频率Ψ可以使测时误差在1Λs 左右Ψ取∃t =2Λs 1由以上数据Κ靶距相对误差为0.133%Κ时间的相对误差为0.032%;假定子弹初速为800m s ΓΚ由式;1Γ子弹的相对测速误差为0.14%Κ测速误差为1.2m s 1[　参　考　文　献　][1]　毛英泰1误差理论与精度分析[M ]1北京Π国防工业出版社Κ19821[2]　苏建刚1光幕靶测速精度分析[J ]1弹道学报Κ1994;2ΓΠ15-201The D evelop m en t of a Bullet Veloc ity M easurem en t SystemYU X iao 2jun ΚW AN G Xuan 2ze ΚX IE T ie 2bang≅S chool of M ech .E ng in .and S ci .H uaz hong U n iv .of S cience and T echnology ΨW uhan 430074ΨCh ina ΣAbstract ΠA m u ltifuncti onal velocity m easu rem en t system based on p ho to 2electricity conversi on is devel 2op ed .Its M easu ring p rinci p le Κand its hardw are and softw are are p resen ted in great detail.Its erro r isfound to be less than 1.2m s .Keywords Πlaser screen Μvelocity m easu rem en t Μsingle ch i p[责任编辑Π张　众];上接第98页ΓFram e D ev ice and Error Analysis of a 3-D ProbeUsed i n Copy i ng ProcessL I U X in 2b iao 1ΚYAN G L ian 2gen 2ΚX IE T ie 2bang1≅1S chool of M ech .E ng in .and S ci .of H uaz hong U n iv .of S ci .and T ech .ΨW uhan 430074ΨCh ina [2D ep .of M ech .E ng in .ΨH ubei P oly techn ic U n iv .ΨW uhan 430068ΨCh ina ΣAbstract ΠA new 32D p robe m easu rem en t system u sed in cop ying p rocess and p recise m easu rem en t has been develop ed .T he p robe differs from the O p ton th ree 2di m en si on m easu ring head in structu re .Fo lded 2assem b le p arallel sp ring structu re and accessi onal elasticity adju stab le device are u sed .T he p robe has com 2p act structu re and its natu ral frequency can be changed Κw h ich m akes it su itab le fo r cop ying p rocess and coo rdinate m easu rem en t .Keywords Π3D 2p robe Μsen so r Μcop ying p rocess Μerro r analysis[责任编辑Π徐雄立]701　第17卷第4期 余晓军等　基于光电信号转换原理的子弹测速系统。