基于薄膜式磁传感器的转速测试新方法研究

第36卷第6期2016年12月
弹箭与制导学报
Journal of Projectiles ，Rockets，Missiles and Guidance
Vol . 36 No . 6
Dec 2016
D01：10.15892/j. cnki. djzdxb. 2016.06.035
基于薄膜式磁传感器的转速测试新方法研究+
任先贞，裴东兴，沈大伟
(中北大学电子测试技术国家重点实验室，太
原
030051)
摘要：目前转速测量的方法通常采用雷达法和光学高速摄影法，但其测量方法成本高、不能实时显示数据。

因此设计了内测法测量弹丸的转速，将测试装置放置在弹丸内部，利用薄膜式地磁传感器切割磁感线产生感 应电动势来反应弹丸的转速变化，并提出了处理转速的新方法—中心点处求法。

通过多次实验，验证了该
系统的可行性，与现有方法相比，测得结果误差小、精度高，今后研究弹丸的章动参数都有很高的参考价值。

关键词:薄膜式地磁传感器;转速;中心点处求法中图分类号:TJ 410.6文献标志码:A
Research on a New Speed Measurement Based on
Diaphragmatic Geomagnetic Sensors
REN Xianzhen, PEI Dongxing, SHEN Dawei
(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China)
Abstract ：
Currently, rotational speed is commonly measured by radar and optical high-speed photography method, but their high cost and failure in real-time data display result in falling back on the method for rotational speed measurement. Therefore，internal measure­ment was designed to test projectile speed. Test devices are installed inside projectile, and rotational speed change could be reflected by induced electromotive force produced by diaphragmatic geomagnetic sensors cutting magnetic induction line, and a new method for pro­cessing speed was proposed, which was center point method. Through several experiments, feasibility of the system was verified. Com­pared with conventional method, the measured result was small in error with high precision, and this could be referred for future research on projectile nutation parameter.Keywords ： diaphragmatic geomagnetic sensors ； speed ； center point method
〇引言
弹丸在飞行过程中，近似于一个刚体运动，其中 转速是一个重要的研究参数[1]。

国内外学者研究了 很多测量弹丸转速的方法，主要采用的方法为外测 法，其中有弹底刻槽法[2]、光学高速摄影法[3]、线阵 C C D 器件摄影法[4]等。

弹底刻槽法，通过多普勒信 号可以得出弹丸的旋转速度，但对于弹底较薄的弹丸 并不适用[5]。

高速摄影法，虽然可以采集到弹丸飞行 过程中的阴影成像，但需几十台摄影机及平面镜等设 备，成本较高，并且后续冲洗照片等需要长时间完成。

线阵C C D 器件摄影法，成本高而且需要中心站和测 量站，易受条纹宽度的影响。

针对以上问题，提出采 用内测法[6]将薄膜式线圈磁传感器置于测试装置内 部测出弹丸的转速，该方法成本较低，性能稳定，便于 安装。

*1
弹丸转速测试原理
L
1
薄膜式地磁传感器原理
薄膜线圈粘贴于弹丸壁表面，用漆包线缠绕在表
面，体积小，便于安装，如图1、图2所示为薄膜式地磁 传感器示意图和其安装示意图。

图1
薄膜式地磁传感器
地磁场是一个弱磁场，地磁的强度随地域的变换
而不同。

弹丸在飞行过程中，如图3所示，闭合电路 在地磁场内切割磁感线产生感应电动势，其产生的感
*
收稿日期=2016-03-31
基金项目：山西省回国留学人员重点科研项目（2008003)资助作者简介:任先贞（1991 -)，女，山西阳泉人，硕士研究生，研究方向:
智能仪器与动态测试。

• 146 •弹箭与制导学报第36卷
图2安装示意图
E =N^- = NBS( - sin(9 •sin y^
cos0 •cosy替
式中A为线圈中产生的感应电动势;W为线圈匝数; 少为磁通量为时间为地磁场强度;S为线圈面 积W为线圈的旋转角;7为弹轴Z'(TV)与磁场强度5之间的夹角。

表1不同尺寸的薄膜磁传感器的感应电动势比较
线圈面积/m线圈的尺寸感应电动势/mV
0. 10630 mm X 30 mm0.306
0. 10650 mm x50 mm0.533
0. 10680 mm X 80 mm 1.568
2弹载测试系统
系统的硬件设计是测试系统的核心，该系统是由 薄膜式地磁传感器、信号调理电路、F la s h存储器、A/ D转换器、MSP430、电源管理模块组成，通过U S B通 信接口电路连接计算机，读取数据，得出转速的曲线，如框图4所示。

图4系统框图
2.1信号调理电路设计
2.1.1放大电路设计
由于磁传感器的输出大约为30 m V，信号幅值较 小，因此将输出的信号经过放大电路处理送入模数转 化器，通过设计采用IN A128仪表放大器对信号进行 放大，、F为偏置电压，通过采用置位电路[8]，如图5 所示，可以解决传感器在实际应用中的强磁场干扰，从而可快速恢复灵敏度，其输入输出关系如下：
K u t= G(F i n+ -F i n_) +F r ef(2)式中:Fin+、Fin_为地磁传感器的差动输出；F ref为正偏 置电压;G为放大倍数。

图3弹丸飞行模拟图
1.2薄膜式地磁传感器的设计
薄膜线圈地磁传感器的设计有三个方面的因素，线圈面积S和线圈匝数，还有磁导率g的变化，
通过实验来确定最合适的线圈匝数。

通过表1的比 较，在线圈面积相同的时候，随着线圈匝数的增加，磁 传感器产生的感应电动势也逐渐增大，同时灵敏度也 会变大，灵敏度增大使实验测得的数据更加准确，但 是线圈匝数增加也会带来一些不利的因素，其中最大 的影响就是会出现漏磁的现象，因此要选择合适的线 圈匝数，进而达到合适的灵敏度[7]，经过实验比较，选 择50 mm X 50 m m的线圈。

实验所处的位置为某靶场内，该位置的磁场大小 为 5.42x l〇-5T〇
GND
RES
图5放大电路原理图
2.1.2滤波电路设计
由于在测试过程中会受到外界噪声的干扰，且真 实信号频率在1〇〇 ~200 H z，因此选择有源二阶低通 滤波，如图6所示，该电路滤掉了噪声干扰信号，保留 了真实的原始信号，保证了测试精度，其截止频率设 计为：
/ = 2^rc = 2lTC0°= 250 Hz
⑶
第6期任先贞等•.基于薄膜式磁传感器的转速测试新方法研究
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图6
滤波电路原理图
2.2
A D
转换电路设计
在该系统中，选择MSP 430单片机对整个系统进 行控制，采用A D 7862进行模数转换，A D 7862是一个 高速并行接口，单电源3.3 V 供电。

它包含两个4 j u l s 的延时A D C ，两个锁存器，一个内部为2.5 V 参考电 压和一个髙速并行输出端口，并对模拟输入有过电压 保护。

2.3电源电路设计
该系统的数字电路和模拟电路都采用3. 3 V 锂 电池供电，电源管理芯片使用T I 公司生产的LP 5996。

为降低功耗，系统采用LP 5996分时/分区供电，如图 7所示。

0N 1和0N 2分别为V D D 、V E E 的控制引脚， 系统上电前，0N 1处于高电平状态，V D D 为控制电路 模块供电，0N 2为低电平，模拟板、存储器及模数转化 器不工作。

当系统上电后，0N 2被拉高，V E E 为模拟 电路供电以及数字板中的部分电路供电，系统循环采 集，在数据采集完后系统自动将0N 1管脚置低，系统 再次进入低功耗状态[9]，如图7所示。

VCC
U 3
LP 5996VIN VOUT 1EN 1VOUT 2EN 2NC CBYP NC NC GND
1 一
ON 1
ON 2
3
VCC
T
_
=C 13
10nF
C 14 ^、 ==C 15
10|u F
0.1
VDD
VEE
VDD
=^C 16
l^iF
—
C 17
l^iF
VEE
图7电源电路原理图
3中心点处求转速法
转速的求法是根据其特征值点的选取，一般测转
速的方法为基于零点的半周期求法[1°]，其特征点为 零点;另一种方法为基于极值点的半周期求法[1()]，其
特征点包括波峰、波谷;转速的测量是通过对弹丸转 动的周期求倒数得到的，即：
在本次实验结果处理中，采用以波峰与波谷之间 的中心点为特征点，求得转动的周期，近似的认为以 5个波峰为一个转动周期，通过实验的验证，可以有 效减少误差，更接近于理论值心
4实验结果及数据处理
通过接口电路将采集到的数据上传至上位机，转 速测试系统选用的采样频率为25 k H z ，采样时间为 38 m s ，处理得出图8所示的全弹道感应电动势曲线。

1 O O O n 500
| 0.
• H 「「一•
-500
—1 nnn 1
i
i
i
i
!
i i
■
0 5 10 15
20
25 30
35 40
巧
/ms
图8弹丸感应电动势曲线
图9 0〜4 m s 弹丸转速曲线
由图9所示，弹丸在0 ~0.01 S 的时刻中会有短 暂的振动，这是由于弹丸受到内部磁场的干扰，振动 比较明显，到0.01 S 之后，弹丸出炮口，曲线逐渐下 降，感应电动势的幅值在下降，说明弹丸转速在逐渐 降低，将转速局部曲线放大，如图10所示。

通过对波峰处和中心点处的数据进行读取，根据 式(6)，计算得到表2所示数据，对结果进行分析，并 计算出相对误差的大小，如表3所示，相对误差1是 根据波峰点的理论值与测得值计算得出;相对误差2
是中心点的理论值与测得值计算得出的。

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弹箭与制导学报
第36卷
图10转速局部放大图
表2
弹丸在I s 内测得转速值
波峰处转速/中心点处转速/
实测点处转速/
时刻/s
(r /min )
(r /min )
(r /min )
0. 02
0.04 0.08
0. 12
0. 16
0.20
0.40 0.60 0. 80
1.00
25 398 25 314 25 272 25 062 25 002 24 990 24 936 24 192 24 156 24 078
25 296 25 272 25 254 25 188 25 128 24 972 24 942 24 510 24 492 24 348
25 320 25 200 25 140 25 140 25 080 24 960 24 960 24 540 24 420 24 360
表3
转速值误差分析比较
序号
相对误差1/%
相对误差2/%
1
2
3
4
5
678
9
10
0.31 0. 45 0.53 -0.31 -0.31
0. 12
-0. 1
-1.42 -1.08 -1. 16
0. 14 0. 29 0.45 0. 19 0. 19 0. 05 -0.07
-0. 12
0. 29 -0.05
根据上表所示，在波峰处转速测得的值与理论值 相差较大，如图11所示，并且每个点之间的取值会稍 有偏差，通过表3的对比，在中心点处测得的转速值误
图11误差曲线图
差较小，因此选用中心点处的求值方法更符合实际值。

将各个点处得到的转速值的大小进行数据拟合， 得出转速曲线如图12所示。

根据转速曲线可以清楚 地看到，在〇. 02 s 时转速为最大值25 320 r /m in ，之后 的转速逐渐下降，直至落地，与实际测得的值吻合。

x io 4
5总结
该测试装置通过薄膜式地磁传感器来感应弹丸
的转速变化，提出了中心点处的求得转速值的方法， 实验表明，通过计算分析得出新的转速计算方法，与 实际测得的值一致，是一种行之有效的方法，同时该 装置还可以测得章动参数等。

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