基于X射线的炮口初速测量装置的制作方法

本发明属于精密测试计量领域，特别是基于x射线的炮口初速测量装置。

背景技术：

弹丸初速度的测量是火炮最基本的靶场试验之一，也是表征火炮性能的基本参数之一。弹丸初速是检验火炮能量分配的重要参数，它是炮身、反后座装置设计的原始参数，可以鉴定发射系统的优劣以及寿命。此外，炮口初速还对火炮精确度影响较大，实现其精确测量就能够有效修复偏差。

目前，弹丸速度测量方法主要有测时仪测速法、雷达测速法、摄影法以及机械法等。这些方法测量的炮口初速并不是真正的炮口初速度，而是从后效区外弹道处速度经空气动力学公式推出来的炮口初速。

弹丸高速出炮口伴随着大量的炮口焰和等离子体流，对现有测量仪器的测量精度影响巨大，现有的测量方法无法测出炮口实际速度，而且火药燃气的力学效应也会损害和干扰常规测量仪器。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于x射线的炮口初速测量装置。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于x射线的炮口初速测量装置，包括触发单元、x射线发生装置、x射线探测采集单元以及数据分析处理模块；

所述触发单元包括高压探针、高速采集设备和放大整形电路，高压探针位于炮弹轨道的内侧壁后座基处，用于炮弹发射时采集高压信号，高压采集设备通过输入端口接收高压信号，放大整形电路用于对高压信号进行放大整流处理，得到触发上升沿电平；

所述x射线发生装置用于产生设定辐射角的x射线，形成单光幕；

所述x射线采集单元包括多个x射线高速探测器、电流转电压芯片、多级放大电路、整形电路以及计时器；x射线高速探测器并排设置在单光幕厚度方向，多个x射线高速探测器所连直线与弹丸飞行轨迹垂直；x射线高速探测器用于检测x射线发生装置发射的x射线强度并转换为电流信号，电流转电压芯片用于将电流信号转换为电压信号，多级放大电路用于对电压信号进行放大处理，整形电路对放大后的信号进行整形处理，计时器用于记录弹丸通过x射线高速探测器的时间；

所述数据分析处理模块包括pcie数据采集模块、波形显示模块、角度处理模块和dsp数据处理单元，pcie数据采集模块用于将整形后的信号进行高速采集，并显示在波形显示模块，角度处理模块用于根据信号高低电平的变化，通过数字图像处理测量第一路信号的下降沿与最后一路信号的下降沿连线与垂直线之间的角度，该角度即为弹丸在炮口的偏差角；dsp数据处理单元用于根据偏差角和计时器记录的时间，得到多个传感器的速度值，根据设定的速度范围剔除速度范围以外的数据，将速度进行求平均处理，得到炮口初速度。

本发明与现有技术相比，其显著效果为：

(1)本发明利用x射线来测量火炮的炮口实际初速，不仅能够测得高电磁干扰、强炮口火焰条件下的速度，而且单光幕的测量方法能够避免多光幕处理速度和延时的不一致以及多光幕光线无法严格平行的误差，测试精度更高；(2)本发明提供的炮口初速度是在炮口实际精密测试出来的，不存在假想推理以及根据空气动力学逆推的过程，因此测量结果更加精确。

附图说明

图1是本发明单光幕x射线炮口初速测量装置的结构示意图。

图2是图1示出的a区域的部分结构放大图。

图3是图1示出的a区域的x光机高压电源的运行流程图。

图4是图1示出的b区域的结构原理图。

图5是图1示出的c区域x射线高速探测器的结构图。

图6是图1示出的d区域信号调理单元的内部结构图。

图7是弹丸炮口偏向角度测量的示意图、labview界面显示多路测量波形示意图和整形后经图像处理得到角度的示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种基于x射线的炮口初速测量装置，包括触发单元、x射线发生装置、x射线探测采集单元以及数据分析处理模块；

所述触发单元包括高压探针、高速采集设备和放大整形电路，高压探针位于炮弹轨道的内侧壁后座基处，用于炮弹发射时采集高压信号，高压采集设备通过输入端口接收高压信号，放大整形电路用于对高压信号进行放大整流处理，得到触发上升沿电平；

所述x射线发生装置用于产生设定辐射角的x射线，形成单光幕；

所述x射线采集单元包括多个x射线高速探测器、电流转电压芯片、多级放大电路、整形电路以及计时器；x射线高速探测器并排设置在单光幕厚度方向，多个x射线高速探测器所连直线与弹丸飞行轨迹垂直；x射线高速探测器用于检测x射线发生装置发射的x射线强度并转换为电流信号，电流转电压芯片用于将电流信号转换为电压信号，多级放大电路用于对电压信号进行放大处理，整形电路对放大后的信号进行整形处理，计时器用于记录弹丸通过x射线高速探测器的时间；

所述数据分析处理模块包括pcie数据采集模块、波形显示模块、角度处理模块和dsp数据处理单元，pcie数据采集模块用于将整形后的信号进行高速采集，并显示在波形显示模块，角度处理模块用于根据信号高低电平的变化，通过数字图像处理测量第一路信号是下降沿与最后一路信号的下降沿连线与垂直线之间的角度，该角度即为弹丸在炮口的偏差角；dsp数据处理单元用于根据偏差角和计时器记录的时间，得到多个传感器的速度值，根据设定的速度范围剔除速度范围以外的数据，将速度进行求平均处理，得到炮口初速度。

进一步的，所述x射线发生装置包括带长方形通孔的铅板、x光机、直流可调开关电源、全桥逆变电路、高频变压模块、倍压电路、驱动电路、stm32控制系统和电压电流采样电路；

所述带长方形通孔的铅板设置在x光机镜头前端，用于限定x射线的辐射角，得到单光幕；所述直流可调开关电源用于将市网电压转换为直流电压，经全桥逆变电路、高频变压模块和倍压电路处理后为x光机射线管供电；所述电压电流采样电路用于采集x光机射线管的电压和电流并反馈给stm32控制系统，所述stm32控制系统产生pwm波并通过驱动电路控制全桥逆变电路的开关频率。

进一步的，所述x射线高速探测器为硅光电二极管。

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例

参见图1、图2，本实施例的一种基于x射线的炮口初速测量装置，主要包括x光机110、高压电源模块a、触发模块b、探测器c、信号调理单元d以及计时器190和dsp数据处理模块200。

高压探针150安装在炮弹轨道160的内侧壁上，位于弹丸位置的后侧区域，并且作为触发单元140的输入信号。炮弹161发射前放置于炮弹轨道160内，并卡在炮弹轨道160的后座上。触发单元140接收高压探针150的信号，在内部触发电平，并传输至a单元，a单元给x光机110供电，发射的x射线经过带长方形通孔的铝板100后，形成x光窄光幕101。探测器170与x光机110相对放置，并且垂直于炮弹轨道160以及飞行弹丸161的飞行轨迹。探测器140与信号调理单元180相连，计时器190根据信号调理单元180调理出的波形信号的上升沿或者下降沿记录飞行弹丸161穿越探测器170所探测的窄光幕区域101的时间。计时器190将记录的时间传输给dsp数据处理模块200。pcie数据采集模块220采集经过信号调理单元180放大整流后的多路探测器信号，并将16路信号同时输入labview波形显示界面230上，并在同一个界面上去显示。角度处理模块240根据获得的多路波形分析得出角度偏差值并将其传递给dsp数据处理模块200。dsp数据处理模块200根据弹丸输入的长度、弹丸经过测量的时间以及测出的角度偏差去计算弹丸的炮口初速度，并且将处理过的数据信息通过光纤传输给远端的pc机210。

由于弹丸在炮口发生的角度偏差，导致在探测区域里实际经过探测器的弹丸长度小于测得的弹丸真实长度。弹丸的长度为l，弹丸在炮口的偏向角为φ，计时器记录到弹丸经过探测器的时间为t，得到炮口初始速度的计算公式：

高压电源模块a包括：x光机110、220v的市电单元121、直流可调开关电源122、全桥逆变igbt单元123、高频变压单元124、倍压电路单元125、驱动电路126、电压电流采样电路127、stm32控制系统130、rs485通信模块132以及pc机133。

pc机133预先通过上位机界面输入电压参数、电流参数以及直流可调开关电源的参数，arm-stm32控制单元130经过485通信总线132实现关键指令的接收以及数据的发送。stm32控制系统130接收到上位机设置的参数后，调节相应定时器的重装值，产生所需占空比的pwm波以及设定所要输出的电压和电流。两个直流可调开关电源122将220v的市电121转换为后续逆变单元所需要的直流电压(0-48v)以及为灯丝供电电源提供电压。为了驱动igbt全桥逆变123的开断，使逆变单元输出高频直流电压，需要用ir2130驱动电路126将pwm控制脉冲进行功率上的放大。经过逆变单元123后，要将已产生的高频交流电压进行高频变压升压124至输出几kv的电压，再通过倍压电路125升压至实速测量系统x光机110的x射线管所需要的110kv高压。在高压输出端之后，接上电压电流采集电路127，利用霍尔传感器进行电压电流采样反馈给stm32，经stm32进行a/d转换和计算后，将结果显示在stm32f103板的液晶显示屏上，并将结果与设定参数值进行比较，形成闭环反馈控制，进而调节pwm占空比参数从而使输出电压达到稳定。

如图3示出的x光机高压电源运行的流程图，主程序在启动之后不断地调用参数预置模块，对电压电流及直流开关电源参数进行设置。经过检测，如果参数配置不成功的话，会继续调用参数配置模块。如果参数配置成功，stm32则产生相应占空比的pwm波，驱动电路126将脉冲功率放大去控制igbt的开断123，再经过高频变压124、倍压电路125产生高压直流电。通过霍尔传感器来采集x射线管的管电压、电流信号，反馈给stm32，之后stm32f103主控制器通过其自带的液晶显示屏显示实时的电流电压值。如果实际电压超过限额电流电压，则总程序关闭，如果没有超过，则进行闭环的电压电流反馈调节，调节并稳定到所设定的电压电流值。

图4是图1示出的b区域的结构原理图，也就是触发模块的结构图。触发模块b包括高压探针150和触发单元140，触发单元由高速采集设备1401、放大整形电路1402以及触发电平信号1403组成。弹丸161从炮弹导轨160发射时，需要在短时间内在轨道加上非常大的电压和电流，从而产生力带动飞行弹丸161在炮弹轨道160中做加速运动。一加电，高压探针150就可以探测到电压的变化，并将电压变化的信号传给高速采集设备1401，采集到的信号经过放大整形电路1402的放大与整形后，将触发电平1403输出给arm控制单元130。

图5示出的是图1中c区域x射线高速探测器的结构图，一个高速探测器170非常小，x光的窄光幕101是有一定厚度的，在其厚度方向上，放置16个型号一样的高速探测器170。高速探测器170为长方体，长度方向尺寸大于宽度方向尺寸，其与x光机110相对的面和x光机110平行，并且垂直于弹丸161的飞行轨迹。多探测器的设置能够避免方向上的偏差，提高采样的准确性，而且保证每次都能够采集到弹丸的飞行时间数据。所述的高速探测器实质上是一个改进的光电二极管，软x射线可以直接照射探测器，不需要闪烁体将x光转化为可见光，再将可见光的强度转化为电流的强度，而是直接将x射线的强度转化为电流或电压的变化。

图6示出的是图1区域d信号调理单元的内部结构图，包括电流转电压芯片1801、多级放大电路1802及整形电路1803。探测器的微弱电流信号1701是探测器单元170输出的信号，其强度较小、波形不规整、噪声干扰较大，直接对其处理分析难度较大，因此需要对其放大整形处理。将探测器输出的微弱电流信号经过电流转电压芯片1801后转换成电压信号，由于需要信号放大倍数较大，采用多级放大电路1802来实现，并将放大后的电压信号送至整形电路1803实现波形的规整以及干扰信号的滤出。

图7是弹丸炮口偏向角度测量的示意图、labview界面显示多路测量波形示意图和整形后经图像处理得到角度的示意图。炮口弹丸因冲击力而产生章动，其相比于预定轨道方向的偏向角为φ，pcie数据采集单元采集16路信号，如图7中上半部分示出的图，图7下半部分是经过整流后在labview界面上显示的波形图集合。图像处理模块可以将第一传感器信号与最后一个传感器信号下降沿之间的夹角测量出来，从而间接测量得到弹丸在炮口的偏向角度。