基于X射线的单光幕多位置点测速装置和测速方法与流程

本发明涉及非接触精密测量领域，具体涉及一种基于X射线的单光幕多位置点测速装置和测速方法。

背景技术：

炮口初速是表征常规兵器、弹药及弹道特性的重要指标参数之一。在射击武器和弹药产品的科研、生产及产品试验过程中，初速参数的检测都是必不可少的。

高速运动物体速度的测量，一般可以分为三种：平均速度测量法、瞬时速度测量法以及多普勒原理测速法。目前最常用的就是平均速度测量法，平均速度测量法在前进方向上设置两道光幕，通过测量光幕之间的距离以及通过光幕的时间来计算出速度。

弹丸飞出炮口后，经过后效区作用测得的炮口初速V₀并非弹丸脱离炮口瞬间的实际飞行速度，而是在假设弹丸脱离炮口后仅受空气阻力和重力作用条件下，由后效区外弹道段上实际飞行速度外推至炮口的速度，由于弹丸在离开炮口后燃气流在后效区对弹丸仍有一定加速作用，所以外推出的初速并不准确。因此，在高电磁干扰、强火焰条件下测出炮口的实际初速度至关重要。

在双光幕的速度测量中，无法实现不同光幕之间严格平行，而且光幕的反应速度以及后续处理电路的速度也不可能完全的一致，这对速度很高经过光幕脉宽很小的飞行弹丸而言，会产生严重的测量误差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于X射线的单光幕多位置点测速装置和测速方法，利于软X射线的良好穿透性去透过炮口的等离子流和烟焰实现对弹丸的探测，并在一个X射线单光幕中平行等间距点上设置多个高速X射线接收器，实现对弹丸速度的精确测量。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于X射线的单光幕多位置点测速装置，包括X射线发射器、限辐罩、铅板、X射线高速接收器、电流转电压电路、多级放大电路、FPGA抗干扰处理模块、DSP数据处理模块和直流电源供电模块；

所述X射线发射器用于发射X射线；

所述限辐罩设置在X射线发射器的镜头前端，用于将X射线限定在设定的辐射角内；

所述铅板设置在限辐罩的前端，中间设置有圆形通孔，用于对已限辐的X射线再一次限制辐射角；

所述X射线高速接收器并排且等间距设置在X射线发射器的光幕中，多个X射线高速接收器的连线与弹丸的飞行轨迹平行；X射线高速接收器用于测量入射的X射线的强度，并将强度转换为电流；

所述电流转电压电路用于将X射线高速接收器得到的电流转换为电压；

所述多级放大电路用于将电压信号进行放大；

所述FPGA抗干扰处理模块用于对放大后的电压信号进行抗干扰处理，即判定接收到波长的脉宽是否处于预定速度对应的脉宽值范围内，将不在范围内的脉宽剔除；

所述DSP数据处理模块用于将FPGA抗干扰处理模块得到的脉宽值转换为时间值，根据弹长和时间值得到多个传感器的速度值，根据设定的速度范围剔除差值较大的数据，将速度进行求平均处理，得到炮口初速度；

所述直流电源供电模块为电流转电压电路和多级放大电路供电。

一种基于X射线的单光幕多位置点测速方法，包括以下步骤：

步骤1，打开X射线发射器，利用X射线发射器前端限辐罩与铅板形成有一定辐射角度的X射线的单光幕辐射区域；

步骤2，在单光幕辐射区域中的多位置点上并排且等间距放置X射线高速接收器，对X射线进行强度检测并转换为电流信号；

步骤3，将电流信号转换为电压信号，并对电压信号进行多级放大；

步骤4，FPGA对接收到的信号进行抗干扰处理，即判定接收到波长的脉宽是否处于预定速度对应的脉宽值范围内，将不在范围内的脉宽剔除；

步骤5，DSP数据处理模块将FPGA抗干扰处理模块得到的脉宽值转换为时间值，根据弹长和时间值得到多个传感器的速度值，根据设定的速度范围剔除差值较大的数据，将速度进行求平均处理，得到炮口初速度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明使用带圆孔铅板限制X射线发射器的辐射角度，得到单光幕的X射线区域，通过在单光幕区域放置多个X射线高速接收器，来实现类似于多光幕的测试计量，单光幕多位置点接收器的设置，使得单光幕的效率达到最高，又避免多光幕的接收器延迟弊端以及相对位置的不平行；(2)X射线能够穿透炮口焰与等离子体流，照射到弹丸上，弹丸经过时遮挡X射线高速接收器，影响其对X射线的接收量，捕捉这个过靶信号电流的变化就可以建立与速度的关系，从而实现在炮口对弹丸实际初速的精确测量。

附图说明

图1是本发明单光幕多位置点测速装置的结构示意图。

图2是单光幕中多个传感器数量及位置的计算示意图。

图3是传感器连接时采用的电路设计图。

图4是图1中A区域直流电源供电模块的详细结构示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种基于X射线的单光幕多位置点测速装置，包括X射线发射器100、限辐罩101、铅板102、X射线高速接收器120、电流转电压电路130、多级放大电路、FPGA抗干扰处理模块160、DSP数据处理模块170和直流电源供电模块190；

所述X射线发射器100用于发射X射线；

所述限辐罩101设置在X射线发射器100的镜头前端，用于将X射线限定在设定的辐射角内；

所述铅板102设置在限辐罩101的前端，中间设置有圆形通孔，用于对已限辐的X射线再一次限制辐射角；

所述X射线高速接收器120并排且等间距设置在X射线发射器100的光幕中，多个X射线高速接收器120的连线与弹丸的飞行轨迹平行；X射线高速接收器120用于测量入射的X射线的强度，并将强度转换为电流；

所述电流转电压电路130用于将X射线高速接收器120得到的电流转换为电压；

所述多级放大电路用于将电压信号进行放大；

所述FPGA抗干扰处理模块160用于对放大后的电压信号进行抗干扰处理，即判定接收到波长的脉宽是否处于预定速度对应的脉宽值范围内，将不在范围内的脉宽剔除；

所述DSP数据处理模块170用于将FPGA抗干扰处理模块160得到的脉宽值转换为时间值，根据弹长和时间值得到多个传感器的速度值，根据设定的速度范围剔除差值较大的数据，将速度进行求平均处理，得到炮口初速度；

所述直流电源供电模块190为电流转电压电路130和多级放大电路供电。

进一步的，所述X射线发射器100发射的X射线为软X射线。

进一步的，所述X射线高速接收器120的数量为三个以上。

进一步的，所述多级放大电路包括一级放大电路140和二级放大电路150，所述一级放大电路和二级放大电路均采用THS芯片，保证获得大电压增益的同时整个电路有比较大的传输带宽。

进一步的，所述DSP数据处理模块具有FLASH模块，用于在断电情况下保存数据。

进一步的，所述X射线高速接收器120的供电电路中，并联设置电解电容和104电容，用于滤出外界干扰；两个电容的一端同时与X射线高速接收器120和直流电源供电模块190连接，另一端接地。

进一步的，所述直流电源供电模块190包括变压器、整流桥和稳压芯片，所述变压器将市电电压转换为所需电压值，所述整流桥对转换后的电压进行整流处理，所述稳压芯片用于平稳电压，输出直流电压。

进一步的，X射线高速接收器120的响应时间为ps级别。

一种基于X射线的单光幕多位置点测速方法，包括以下步骤：

步骤1，打开X射线发射器100，利用X射线发射器100前端限辐罩101与铅板形成有一定辐射角度的X射线的单光幕辐射区域；

步骤2，在单光幕辐射区域中的多位置点上并排且等间距放置X射线高速接收器120，对X射线进行强度检测并转换为电流信号；

步骤3，将电流信号转换为电压信号，并对电压信号进行多级放大；

步骤4，FPGA对接收到的信号进行抗干扰处理，即判定接收到波长的脉宽是否处于预定速度对应的脉宽值范围内，将不在范围内的脉宽剔除；

步骤5，DSP数据处理模块170将FPGA抗干扰处理模块160得到的脉宽值转换为时间值，根据弹长和时间值得到多个传感器的速度值，根据设定的速度范围剔除差值较大的数据，将速度进行求平均处理，得到炮口初速度。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例

参见图1，本实施例的基于X射线的单光幕多位置点测速装置，主要包括X射线发射器100、限辐罩101、铅板102、X射线高速接收器120、电流转电压电路130、一级放大电路140、二级放大电路150、FPGA抗干扰处理模块160、DSP数据处理模块170、PC显示模块180和直流电源供电模块190。

X射线发射器限辐罩101安装在X射线发射器100的镜头前端，能够将X射线限定在40度的辐射角内。带圆孔铅板102放置在所述X射线发射器限辐罩101的前端，能够对已限辐的X射线进行再一次限制辐射角，调整到所需要光幕的角度。飞行弹丸110处于X射线高速接收器120与X射线发射器100之间，且弹丸初始方向与两者之间的连线垂直。所述X射线发射器100选择连续发射型的，并提前弹丸发射2秒以上打开，保证发射出的X射线较均匀稳定，不会产生大的辐射量变化。所述X射线高速探测器120根据单光幕的宽度决定接收器的个数。多个高速X射线接收器等间距放置，分别与电流转电压电路130连接，在X射线高速探测器120与电流转电压电路130之间，需要并联设置电解电容与104电容，不能对其直接电压负偏置。所述电流转电压电路130接在X射线高速接收器120的后面，接收探测器内部光电转化后的微弱电流信号，并把这个变化的电流信号转化为变化的电压信号，从而便于后续电路的处理。所述一级放大电路140和二级放大电路150将微小的电压信号进行放大处理，采用THS芯片进行放大，芯片内部为二次放大，因此两级放大电路一共放大了四次。这种放大电路的设计，保证了大带宽要求的大小，而且也能够实现大的电压增益。所述直流电源供电模块190将市网电压转化为直流电压信号，并给电流转电压电路130、一级放大电路140、二级放大电路150供电。所述FPGA抗干扰处理160主要是通过FPGA检测脉冲的宽度来实现对信号的判断，在检测前预知发射弹丸的速度范围，根据这个速度范围计算出弹丸经过X射线高速接收器120所产生的脉冲宽度范围，当接收到的信号不在这个脉冲宽度范围内时，说明非弹丸信号可能是外界环境中某些物体在发射前恰好经过接收器或者是电路干扰的影响，需要对这些信号进行舍弃。脉冲宽度的检测主要方式是利用硬件FPGA设备对接收到的脉冲按一定时间间隔进行计数，计数值与FPGA计数器时间周期的乘积就是所接收脉冲的宽度数值。设FPGA计数的时间周期为t，飞行弹丸的长度为L，X射线单光幕在X射线接收器位置处的厚度为d，接收信号的脉冲宽度为T，FPGA计数设备计数值为k。根据速度范围内的最低值V1计算出来正常接收状态下合理脉冲宽度的最小值T₁。

最小脉冲宽度计算的基本公式为：根据预估的最大速度计算出接收脉冲的最大宽度脉冲最大宽度与最小宽度确定后，就可以屏蔽外界的信号干扰。

所述DSP数据处理模块能够根据测得的脉宽时间得到弹丸在炮口的初始速度。因为在单光幕中设置了多个X射线高速传感器，DSP对本次实验的多路传感器信号做数据处理，对计算出来的多个初始速度做平均处理，从而得到更为准确的炮口初始速度。单光幕多位置点传感器的设置，能够在单光幕中实现多光幕的测量，还能够避免多光幕测量的弊端。所述DSP数据处理模块还具有记忆功能，能够在断电时保存往次实验的数据。经过DSP的数据处理不仅能够得到单次实验弹丸的准确速度，也能够根据模块中记忆单元的数据综合得到往次同型号实验弹丸在炮口的平均速度。所述DSP数据处理模块能够进行大数据量的分析，从而得到该型弹丸在炮口速度数据的加权平均值以及标准误差，并给出弹丸精确地速度分布。所述PC电脑显示模块用于对用户的数据显示，把所述DSP数据处理模块的单次分析结果与往次综合分析结果展示给用户。

图2是单光幕中多个传感器数量及位置的计算示意图，设X射线发射器与X射线高速接收器之间的距离为S，X射线发射器的辐射角度为δ，接收器安装位置在单光幕中的总长度为N，探测器的长度为C，相邻探测器之间的距离为M，X射线高速接收器在单光幕区域中能够安装的最大个数J。建立三者之间的关系，由相似三角形可以得：

在测量进行时，先调整好X射线发射机，确定辐射角度δ，X射线发射器与X射线高速接收器之间的距离S也是测试之前就定的，于是在单光幕中能够安装X射线高速接收器的总长度为：

X射线高速接收器长度方向的尺寸为C，在选型时即确定，安装之间的间距设置为M，于是通过上述公式可以确定X射线高速接收器在单光幕区域中能够安装的最大个数：

图3是X射线高速接收器120连接时采用的电路设计图，X射线高速接收器120在连接电流转电压电路前，需要直流供电电源190为其提供正常工作的电压。直流电源供电模块190与X射线高速探测器连接时，需要加一个电解电容C11与104电容C15并联的电路，来屏蔽外界的干扰。电解电容能够屏蔽高频信号的干扰，104电容能够屏蔽低频信号的干扰，使得直流电源信号比较稳定。X射线高速接收器的3管脚与电源连接，1管脚接地，2管脚将接收到X射线的变化量光电转化成电流后输出给后续的电路。

图4是图1中A区域直流电源供电模块的详细结构示意图，市民电网1901的电压为220V，在使用时，需要先利用变压器1902把220V交流电的高压变成十几伏特的交流电，在利用整流桥1903将交流电变为直流电。本实施例中使用能提高交流电效率的单相桥式整流电路，它由四个二极管组成，把交流电转换成直流电，但是输出的电压仍然具有很大的波动性。在整流桥1903后面接上一个稳压芯片1904，就可以实现输出直流电压的稳定，其输出的直流电压1905波动性很小，满足直流供电电源的基本要求。