水下自动武器后坐能量测试传感器的结构优化设计

７２　传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ａｎｄ　Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）　’２０ｌ５年第３４卷第１１期　ｔ　，、０　、，　、设计与制造　

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ＤＯＩ：１０．１３８７３／Ｊ．１０００－９７８７（２０１５）ｌｌ　０７２－０３　

水下自动武器后坐能量测试传感器的结构优化设计　王丽丽　，余红英　，杨　臻　，李　萍’　（１．中北大学计算机与控制工程学院，山西太原０３００５１　２．中北大学机电工程学院。山西太原０３００５１）　

摘要：为解决水下自动机运动参数测量过程中现有测速传感器内部铁心线圈产生涡流影响测量精度的　问题，提出一种基于电磁感应原理的永磁型感应测速传感器的结构优化方法。以环氧树脂板代替传统传　感器的金属铁芯，在其上用漆包线紧密缠绕一层线圈作为速度线圈，在速度线圈表面利用丝包线等间距正　反多圈问绕而成位移线圈，并且在速度线圈与环氧树脂板之间加入一层坡莫合金片，保证线圈铁芯的高导　磁率，提高传感器的灵敏度；同时设计了信号调理电路，并将其封装在传感器内部。经过试验验证：改进后　的传感器灵敏度更高，动态特性更好，测试信号更精确，能更真实地反映自动机的运动规律。　关键词：自动机；运动参数；电磁感应；灵敏度　中图分类号：ＴＩ　２１２．９　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—９７８７（２０１５）１１－００７２－０３　

・　・　』●　●　Ｊ●　一　‘　ｎ　＿　・　・　・‘　ｔｒｕｃｔｕｒｅ　０ＤｔｌｍｌＺａｔｌ０ｎ　ｄｅｓｉｇｎ　０ｔ　Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｗｅａｐｏｎ　ｒｅｃｏｉｌ　ｅｎｅｒｇｙ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｓｅｎｓｏｒ　ＷＡＮＧ　Ｌｉ．．．１ｉ，ＹＵ　Ｈｏｎｇ—ｙｉｎｇ　，ＹＡＮＧ　Ｚｈｅｎ　，ＬＩ　Ｐｉｎｇ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，　Ｔａｉｙｕａｎ　０３００５１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，　Ｔａｉｙｕａｎ　０３００５１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｔｈａｔ　ｄｕｒｉｎｇ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｍｏｔｉｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ａｕｔｏｎｌａｔａ　ｍｌｄｅｒｗａｔｅｒ，ｃｏｒｅ　（：ｏｉｌ　ｗｉｌｌ　ａｆｆｅｃｔ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｂｙ　ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ　ｅｄｄｙ　ｃｕｒｒｅｎｔｓ．ｐｒｏｐｏｓｅ　ａ　ｎｅｗ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｔ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ—ｍａｇｎｅｔ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｓｅｎｓｏｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｉｎｄｕｃｔｉ（）ｎ．　Ｆｈｅ　ｉｒｏｎ　ｃｏｒｅ　ｉｓ　ｒｅｐｌａｃｅｄ　ｂｙ　ｅｐｏｘｙ　ｒｅｓｉｎ　ｂｏａｒｄ，ｔｈｉｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｉｓ　ｔｉｇｈｔｌｙ　ｗｒａｐｐｅｄ　ａ　ｌａｙｅｒ　ｏｆ　ｃｏｉｌ　ａｓ　ｓｐｅｅｄ　ｃｏｉｌ，ｍｕｌｔｉ—ｔｕｒｎ　ｗｉｎｄｅｄ　ｗｉｔｈ　ｅｑｕａｌ　ｉｎｔｅｒｖａｌ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｐｏｓｉｔｉｖｅ　ａｎｄ　ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｂｙ　ｓｉｌｋ　ｅｎｖｅｌｏｐｅ　ｗｉｒｅ　ｉｓ　ｔａｋｅｎ　ａｓ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｃｏｉｌ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ＂　ｔｈｅ　ｓｐｅｅｄ　ｃｏｉｌ；ｂｅｓｉｄｅｓ　ｐｍｍａａｌｌｏｙ　ｓｔａｎｄｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｓｐｅｅｄ　ｃｏｉｌ　ａｎｄ　ｅｐｏｘｙ　ｒｅｓｉｎ　ｂｏａｒｄ　ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ—ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｃｏｉｌ　ｃｏｒｅ，ａｎｄ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｏｒ；ｓｉｇｎａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｎｄ　ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ　ｗｉｔｈｉｎ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｏｒ．Ａｆｔｅｒ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ＂ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｓｅｎｓｏｒ　ｉｓ　ｈｉｇｈｅｒ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｉｓ　ｂｅｔｔｅｒ，ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｓｉｇｎａｌ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ａｃｃｕｒａｔｅ，ｒｅｆｌｅｃｔ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｒｕｌｅ　ｏｆ　ａｕｔｏｍａｔａ　ｍｏｒｅ　ｔｒｕｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍａｔａ；ｍｏｔｉｏｎ　ｐｍ’ａｍｅｔｅｒｓ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ；ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ＇　

０　引　言　水下武器在研制过程中由于其特殊的使用环境，武器　的测试方法与常规的地面武器有较大的差异　。自动机　作为自动武器的心脏部件，其后坐能量的大小是衡量武器　性能的重要指标之一　。已有的自动机后坐能量测试方　法是将武器安装在崮定滑台上，通过测量武器发射时的后　坐速度间接测试后坐能量　，后坐速度利用磁电式传感　器间接测量得到　。　目前采用的磁电式传感器一般选用高导磁的金属材料　作为铁芯，虽提高了灵敏度，但如果选用的材料能形成回　

收稿日期：２０１５－４）８－０１　

路，将会存铁　表面形成涡流，　乍感应电动势，阻Ｉ卜速度　线圈中的总感应电动势随磁铁速度的改变而产生的变化，　严重降低传感器的灵敏度和动态特性　，因此，需对该　传感器进行优化设计，使其在保证高灵敏度的　时，减小　至消除涡流带来的影响　’。　本文提出了一种基于电磁感应原理的测速传感器的结　构优化设计，试验表明：该设计结构动态性能更好，更能精　确反映自动机的运动规律。　１传感器的结构优化设计　１．１　传感器本体结构优化　本文提出的对磁电式传感器的优化没计主要是以环氧　第１１期　王丽丽，等：水下自动武器后坐能量测试传感器的结构优化设计　７３　树脂板代替铁芯。环氧树脂板具有良好的力学性能，可以　适应各种应用对形式提出的要求，并且绝缘，避免了在自动　机测量中涡流等对传感器灵敏度产生的影响。本文根据自　动机的行程选择合适长度的矩形柱形的环氧树脂板作为线　圈的铁芯。在环氧树脂板上用漆包线紧密缠绕一层线圈作　为速度线圈，在速度线圈表面利用丝包线等间距正反多圈　间绕而成位移线圈。由于环氧树脂板不导磁，为保证传感　器的灵敏度，铁芯需具有较高的导磁率，故在速度线圈与环　氧树脂板之间加一层坡莫合金片。该合金由铁镍两种元素　组成，选择铁镍比例合适的合金，能够使其在弱磁场下具有　极高导磁率。内部结构如图１所示。　图１传感器内部结构图　Ｆｉｇ　１　Ｔｎｎｅｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ￣ｑ　ｅｎｓｏｒ　１．２传感器工作原理　测量时，永久磁铁与连接件组合成磁头件，与被测件刚　性连接。如图２所示，当自动机工作时，磁头件随着自动机　的运动而运动，永久磁铁将在速度线圈内产生如图２所示　的磁场，并且磁通量　的大小随着永久磁铁与速度线圈的　距离按指数衰减。当被测件以速度　运动时，将带动永久　磁铁在速度线圈表面运动，使穿过各匝速度线圈的磁通量　随着各匝线圈与永久磁铁的距离而产生变化，即各匝速度　线圈中的磁场强度也是　的函数Ｂ：口（　）。设速度线圈的　横截面积为Ｓ，则通过各匝速度线圈的磁通量　－－Ｂ（Ｘ）・Ｓ．　（１）　当线圈几何参数一定时，Ｓ是常量，所以，有　ｅ＝　＝　对式（２）进行变换　：　旦　．　．ｓ：　旦　．　．５．　ｄ　ｄ　ｄｔ　—ｄＸ　因此，由法拉第电磁感应原理　：一Ⅳ生　：一Ⅳ掣．　．５．　ｄｔ　ｄ　（２）　（３）　（４）　¨“　酬　…ｆ　８硼川｝ｍｕｌｌ　ＵＩ　ＨＨＩＩｌｌ　ＩＩＩｌ　Ｕｌｉｌｌ　Ｕｌｌ［１ｌｌ｝　ｌ　川……洲　ｌｉｌｌｌ＋ｌｌｌｌｔｌＨＩＩＩＩｌｌＩｌＪ　……　图２工作原理　Ｆｉｇ　２　Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　由式（４）可以看出，在各匝速度线圈中将产生与速度　呈正比的感应电动势，而总的感应电动势应为各匝感应电　动势之和。上述公式中　轴方向表示速度线圈轴向方向，　Ⅳ为速度线圈匝数。　永久磁铁在运动时，同时也从位移线圈表面滑过，经过　一个绕组产生一个电动势信号。由于位移线圈中两个相邻　绕组的绕向相反，对外电路来说，相邻绕组中产生方向相反　的感应电动势，故产生的位移信号为锯齿波，相邻的峰尖和　峰谷对应的时间间隔相当于永久磁铁通过一个节距所用的　时间，通过计算产生锯齿波的个数即可得到自动机运动的　位移。　１．３信号调理单元优化　自动机运动剧烈，在对自动武器进行测量时，往往是多　个参数同时测量，使用磁电式传感器测出的信号通常比较　微弱，多种因素的干扰会对自动机的信号产生影响，故本文　设计了信号调理电路对自动机输出的信号做进一步的处　理，使其能更直观准确地反映自动机的运动规律。信号调　理电路如图３所示。　

图３信号调理电路　Ｆｉｇ　３　Ｓｉｇｎａｌ（ｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　２测试结果　

利用封装好的传感器，在某自动武器动态参量测试基　地进行了多次后坐能量测试，图４所示为速度一时间曲线，　图５所示为位移一时间曲线。　

之　磐　

Ｏ．１２　０．０８　０．０４　Ｏ　

—Ｏ　０４　０　０８　一Ｏ　１２　

ｆ　Ｖ　●　＿　●　１．０５９　６６６　１．２０　１．５０　１．７５　２．０Ｏ　２　２５　２　３７７　０８８　时间／ｓ　

图４　速度一时间曲线　Ｆｉｇ　４　ｖ－ｔ　ｃｕｒｖｅ　

３４８　时『司／ｓ　

图５位移一时间曲线　Ｆｉｇ　５　—ｆ　ｃｕｒｖｅ　炮弹射击时，火药压力产生的冲量向前发射弹头，向后　

使武器后坐，经过一段时间，气体作用结束，自动机速度下　降，但是由于惯性继续后坐，后坐到位后，在复进簧伸张力　的作用下复进，经过一段时间复进到位，开始第二发炮弹的