红外测速光幕靶改进及测量精度分析

弹丸速度和立靶密集度是衡量武器系统对目 标射击效果的主要特征参数 , 也是枪 、药 、弹的生产 厂家在产品检验中主要测量的技术指标[ 1] .常规测 量弹丸飞行速度的装置有网靶 、线圈靶 、天幕靶 、光 幕靶等 , 测试均基于定距测时的区截原理 .目前 , 在 室内靶道测试中 , XGK-2002 型红外测速光幕靶因 其结构简单 、操作简便 、性能稳定 、成本低廉 、可以 测试各种材质及各种口径弹丸等特点 , 在兵器测速 领域获得了广泛使用 , 并由此发展了四光幕交 汇[ 2-3] 、六光幕交汇[ 4-5] 红外光电立靶等弹丸密集度 测试系统 .
度不是米的整数倍时 , 取接近的较大的整数倍 .设
采用 5 m 长度钢卷尺测量靶距 S , 则按照 Ⅰ 级精
度 , 计算得靶距为2 m 的示值误差为 0 .3 mm , Ⅱ 级
精度示值误差为 0 .7 mm . ②环境温度引起的靶距误差[ 9] ΔS 22
钢尺鉴定时的标准温度为 15 ℃, 而使用温度
6 mm .激光器 1 采用透射瞄准方式 , 激光器 2 采 用反射瞄准方式 .
由式(1)可知测速相对误差计算公式为
ΔV V
=
ΔS S
+
Δt t
(2)
可见 , 测速相对误差由测距和测时 两部分误
差组成 .
3 .2 .1 测距误差
对光幕 靶测距 误差 通常 从以 下 四个 方面 考 虑[ 6] :弹 道不 垂 直 于测 试 光 幕引 起 的靶 距 误 差
现有 XGK-2002 型红外测速光幕靶采用一字 线阵列的红外发光二极管作为光源 , 一字线阵列的 红外光电二极管作为接收 , 光源和接收分别固定于 靶架两侧 , 构成具有一定有效靶面的探测光幕 .该 结构中单个光幕的光源和接收在阵列长度上是否
精确对准将直接影响光幕靶的测速精度及可靠性 . 若对不准 , 光幕靶实际测量精度与仅考虑两光幕不 平行引入的误差的理论精度[ 6] 间将存在较大的误
ΔS1 、靶距测量误差 ΔS2 、两靶光幕不平行引起的靶
距误差 ΔS3 、光幕厚度不均匀性带来的靶距测量误
差 ΔS4 .而通过上节的分析可知 , 实际上单个光幕 对准引入的测距误差 ΔS5 对测速误差有非常大的
影响 , 必须考虑 .
图 5 改进系统示意图 Fig .5 Schema tic of impro ved sy stem
文章编号 : 1673-9965(2010)03-205-05
红外测速光幕靶改进及测量精度分析＊
高 芬 , 安 莹 , 倪晋平 , 马时亮
பைடு நூலகம்
(西安工业大学 光电工程学院 , 西安 710032)
摘 要 : 为提高 XGK-2002 型红外测速光幕靶的测量精度及安装调试速度 , 提出采用双辅助 激光器实现光源和接收精确对准的光幕靶改进方案 .在现有红外测速光幕靶工作原理及结构 基础上 , 对光源和接收对准中存在的问题进行了探讨 , 分析了其影响 .提出了在光幕靶两端分 别设置一激光器实现对准的光幕靶改进方案 , 并从测时误差及靶距误差两方面对改进后测量 精度进行了分析 .结果表明 , 改进后的光幕靶可快速 、直观的实现光源和接收的对准 , 测试精度 及安装可靠性提高 , 改进后测速精度可达到 1 ‰. 关键词 : 弹丸速度测量 ;红外光幕靶 ;激光对准 ;测速精度 中图号 : T J012 .3 文献标志码 : A
机械装调时首先需对两激光器进行调试 , 使得 激光光束经光阑 2 垂直出射 , 激光光束中心与光阑 1 、2 组成的光幕对称中心重合 , 激光器调试好后即 可用于对准 .
对准前先用吊重锤的方法初略调整接收装置 , 使得光幕与水平面基本垂直 , 再打开激光对准系统 进行对准 .首先打开激光器 1 , 调节光源装置上端 平移部件 , 使得激光中心对准光源上端一字刻线 , 其次打开激光器 2 , 调节下端平移部件 , 使得激光
＊ 收稿日期 :2009-12-07 基金资助 :国家自然科学基金(60972005) 作者简介 :高芬(1980-), 女 , 西安工业大学讲师 , 西安交通大学博士研究生 , 主要研究 方向是靶 场光电测 试技术 、光 学非球面 检测技 术等 .E-mai l :gaofen8128 @163 .com .
1)弹道不 垂直于测 试光幕 引起的 靶距误 差 ΔS 1
ΔS1 主要由飞行弹丸弹道与光幕不垂直角度 γ1 的大小决定 , 对于靶距 S =2 m , 设飞行夹角 γ1 不大于 1°, 则 ΔS1 =S/ co sγ1 -S =0 .3 mm
2)靶距测量误差 ΔS 2 两靶间的距离通常采用钢卷尺测量 , 靶距测量 误差 ΔS2 主要由所用钢卷尺的本身的示值误差 、环 境温度变化 、操作读数误差等综合决定 . ①钢尺示值误差引起的靶距测量误差 ΔS21 可依据国标 QBT 2443-1999 的规定计算 .该规 定指出钢卷尺自零点端起到任意线纹的示值误差
第 3 期 高 芬等 :红外 测速光幕靶改进及测量精度分析
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图 4 几种光源和接收对不准情况
Fig .4 Seve ral kinds o f dislocatio n betw een lig ht so urce a nd receive r
3 改进及测量精度分析
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西 安 工 业 大 学 学 报 第 30 卷
图 1 光 幕靶结构示意图
Fig .1 T he structure diagr am of light screen targ et
测速时 , 用两个光幕靶 与一计时系 统配合使
1 光幕靶工作原理及结构
光幕靶是基于光电转换原理制成的 , 主要用于 室内靶道进行弹丸飞行速度测试的系统 .如图 1 所 示 , 它采用线阵列的红外发光 二极管构成光 源装 置 , 线阵列的红外光电二极管作为接收装置 , 通过 接收装置中一定间隔的两道狭缝光阑的作用 , 限制 由光源进入接收阵列的光近似为一具有一定厚度 的薄形区域 , 称之为光幕 .单个光源装置和接收装 置 分 别 固 定 于靶 架 两 侧 构 成 单 个 探 测 用 光 幕 靶[ 7-9] .
差 .由于实际光幕是不可见的 , 仅依靠光幕靶本身
机械结构很难保证光源和接收对准 , 实际调试中常 出现光幕靶部分区域无探测信号或光幕面上下对 称位置信号幅值差异很大等情况 .为此本文在对现 有 XGK-2002 型红外测速幕靶光源 、接收对准中存 在的问题进行深入分析的基础上 , 提出采用辅助激 光器实现对准的光幕靶改进方案 , 在光幕靶两端分 别设置一点状激光器实现对准 , 以提高光幕靶测试 精度 , 并从测时误差及靶距误差两方面对改进后测 速精度进行了分析 .
图 3 红外光幕靶结构及固定方式 Fig .3 The structure and fixed mode of infrared lig ht screen
2 光源和接收对准中存在的问题
如图 3(a)中所示光幕靶 , 由于光源 装置和接 收装置分别固定于型材靶架两侧 , 该结构中阵列光 源和阵列接收是否精确对准将直接引起光幕靶的 测速精度及可靠性 .从图 1 可知 , 要使光源和接收 对准即要使得窄长狭缝光阑 1 , 2 , 3 的对称中心共 面 .通过分析可知 , 光源和接收可分解为如下三种 对不准的情况 :①光源和接收平行但不共面 , 即光 源相对接收存在沿 Z 方向的平移 Δ;②光源和接收 相对倾斜 , 即光源相对接收存在绕 X 轴的转动 ;③ 光源和接收相对偏转, 即光源相对接收存在绕 Y 的旋转 , 具体如图 4 所示 .实际光源和接收的对准 可能为上面三种情况中一种或几种情况的组合 , 这 将导致相同弹丸过靶面时 , 靶面内输出信号大小不 一致或部分区域无信号 , 直接影响测试性能 .图 3 (b)中采用上下连杆将光源和接收固定为一整体 , 一定程度改善了光源和接收对不准的情况 , 但实际 调试中发现 , 对称区域输出信号幅值仍可能相差一 半.
T , 测得两个光幕靶之间的距离 S , 则弹丸在此距
离 S 内的平均速度为
V =S/ T
(1)
图 2 光 幕靶测速示意图 Fig .2 T he schematic o f velo city mea surement
基于上述原理的 XGK-2002 型红外光幕靶依 据光源装置和接收装置固定方式的不同可分为两 种结构形式如图 3 所示 .
由于实际光幕是不可见的 , 现有光幕靶调试中 光源和接收是否对准只能依靠示波器监测靶面内 各点信号输出的大小决定 .测试结果表明 , 依靠光 幕靶本身结构很难保证光源和接收对准 , 实际调试 中常出现光幕靶部分区域无探测信号或光幕面上 下对称位置信号幅值差异很大的情况 , 其调试过程 需反复调整再测试 , 逐步逼近理想位置 .该调试过 程复杂 、耗时且精度不高 , 且使用一段时间后由于 靶架变形或安装地点变化光源和接收需重新对准 , 现有结构的不足给用户方的使用带来很大困难 , 为 此本文提出采用辅助半导体激光器实现对准的光 幕靶改进方案 .
一般在 -10 ℃ ～ 40 ℃范围内 , 钢尺的线膨胀系数 为 α=-11 ×10-6 .因此环境温度的变化将引起钢
中心对准反射镜中心 , 观察反射激光束 , 若偏离光 阑 2 中心则调节光源的旋转部件 , 使得反射光束沿
限为 :Ⅰ 级 Δ=(0 .1 +0 .1L)m m ;Ⅱ 级 Δ =(0 .3 +0 .2L)m m , 其中 L 是以米为单位的长度值 , 当长
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西 安 工 业 大 学 学 报 第 30 卷
一种是分离型 , 如图 3(a)所示 , 光源和接收采 用悬臂的结构分别固定于铝型材或铝合金矩形管 材所制成的靶架的两侧 , 通过固定连接块与靶架相 连 .该结构常用于 1 m ×1 m 的大靶面光幕靶 .另 一种是一体化型 , 如图 3(b)所示 , 光源装置与接收 装置两端通过螺钉与上下连杆固定为一体 , 构成单 个光幕靶整体 , 通过在靶架上设置固定连接块及锁 紧装置 , 用 4 个固定连接块及锁紧装置将单个光幕 靶固定至靶架构成单个 测试光幕 , 该结构常用于 330 mm ×400 mm , 或 500 mm ×500 mm 的小靶面 光幕靶 .
用 .如图 2 所示 , 将两套光幕靶平行放置于预定的 弹道上 , 当弹丸穿过第一个光幕时会遮挡一部分光
线 , 引起接收装置光电器件上的光通量发生变化而
产生微弱变化的光电流信号 , 经过后续电路处理 ,
启动计时系统开始计时 , 当弹丸穿过第二个光幕时
停止计时 , 由计时 系统给出弹丸飞 过两靶的时间
DO I :10.16185/j .jxa tu.edu.cn.2010.03.012 第 30 卷第 3 期 西 安 工 业 大 学 学 报 Vo l.30 No .3 2010 年 06 月 Jo urnal o f Xi' an Technolo gical U nive rsity Jun.2010
对有效靶面为 1 m ×1 m , 靶距为 2 m , 采用一 体化靶架的改进型光幕靶进行精度分析 .
端分别固定一红光点状半导体激光器 , 激光器光斑 直径为 1 m m , 阵列光源上端狭缝光阑 3 中心延长 线上设置一字刻线 , 阵列光源下端狭缝光阑 3 的中 心延 长线上 设置一 圆形反 射镜, 有效 口径为
原光路返回 .重复上述步骤 1 ～ 2 次即可消除平移 、 旋转引入的对准误差 , 实现光源和接收的对准 .该
3 .1 改进方案
瞄准系统结构简单 、对准操作直观 .
考虑到需要同时监测整个阵列光源和阵列接 3 .2 精度分析
收装置狭缝光阑长度方向的对准情况 , 采用如图 5 所示的双激光瞄准系统 , 在接收装置狭缝光阑 1 两