基于压敏传感器的导弹参数检测装置的制作方法

本实用新型属于导弹检测装置技术领域，具体涉及基于压敏传感器的导弹参数检测装置。

背景技术：

随着战争模式变化和工业技术发展，导弹的精确制导技术已成为现代化武器关键技术之一。

导弹制导过程是一个复杂过程，所涉及参数较多，其中寻地是导弹制导动态测量很重要的参数。目前，关于导弹寻地、倾仰角和旋转角速度参数测量等有多种方式，如地磁传感器，陀螺仪等。然而，依靠导弹内部的霍尔传感器感应地磁场的地磁寻地方法，存在南北极区域地磁为非平行地面磁场以及靠近铁矿山周围地磁方向受到改变，从而无法准确寻地的缺点；利用陀螺仪方法，机械陀螺仪存在体积大、成本高、精度差。而MEMS陀螺仪难以承受高的冲击等缺点，难以满足日益发展的制导需要，特别是小型导弹以及炮弹制导需要。

为此，本文提出了一种基于压敏传感器导弹参数检测的新方法，该方式不仅克服了地磁，陀螺仪存在的缺陷，而且具有寻地精度高，速度快、耐冲击、结构简单、体积小等优点。为导弹制导系统，特别是小型导弹及炮弹制导系统，提供了一种具有实用的导弹寻地和旋转角速度测试新方法。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供基于压敏传感器的导弹参数检测装置，解决了现有技术中导弹寻地检测精度差、成本高的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，基于压敏传感器的导弹参数检测装置，包括两路并排设置的压敏传感器，每一路压敏传感器电性连接有电荷放大电路，两路电荷放大电路均电性连接信号求差电路，信号求差电路电性连接有滤波电路，滤波电路电性连接过零判断电路，过零判断电路电性连接有单片机处理器，每一路压敏传感器均由传感器薄片和压块组成，压块叠放在传感器薄片上，传感器薄片与电荷放大电路电性连接。

本实用新型的特点还在于，

压敏传感器可选取压电陶瓷、压电薄膜、压电晶体器件中的一种。

包括电阻R1，电阻R1的一端连接有电容C1，另一端连接有电容C3，电容C1另一端分别连接压敏传感器、运放N1的反向输入端，电容C3还连接运放N1的输出端，运放N1的同向输入端分别与地、压敏传感器相连，运放N1的供电电源正端与+5V电源相连，运放N1的供电电源负端与-5V电源相连，压敏传感器接地。

信号求差电路包括两个电阻R3，电阻R3一端分别连接电容C3、运放N1的输出端和电阻R1的另一端，其中一个电阻R3另一端分别连接电阻R5的一端、运放N3的反向输入端，另一个电阻R3的另一端分别连接电阻R6的一端、运放N3的同向输入端，电阻R6接地，运放N3的供电电源正端与+5V电源相连，运放N3的供电电源负端与-5V电源相连。

滤波电路包括电阻R7，电阻R7的一端分别连接电阻R5的另一端、运放N3的输出端，电阻R7的另一端分别连接电容C5的一端、电容C6的一端和电阻R11的一端，电容C5的另一端接地，电容C6的另一端分别连接电阻R8的一端、运放N4的同向输入端，电阻R8的另一端接地，运放N4的反向输入端并联有电阻R9和电阻R10，电阻R9接地、电阻R10的另一端分别连接运放N4的输出端、电阻R11的另一端，运放N4的供电电源正端与+5V电源相连，运放N4的供电电源负端与-5V电源相连。

电路包括比较器MAX908，比较器MAX908的正向输入端连接运放N4的反向输出端，比较器MAX908的反向输入端连接电阻R12一端，电阻R12另一端与2.5V电源相连，比较器MAX908的输出端分别连接单向TVS管D1的反向端、单片机处理器的采集端口，单向TVS管D1的正向端接地，比较器MAX908的供电电源正端与+5V电源相连，比较器MAX908的供电电源负极接地。

本实用新型的有益效果是，本实用新型的一种基于压敏传感器的导弹检测系统克服了利用地磁传感器和陀螺仪等方式进行导弹寻地的缺点，具有寻地精度高，速度快、耐冲击、结构简单、体积小等优点。为导弹制导系统，特别是小型导弹及炮弹制导系统，提供了一种实用的导弹寻地和旋转角速度参数测试新方法。

附图说明

图1是本实用新型基于压敏传感器的导弹参数检测装置的结构示意图；

图2是本实用新型基于压敏传感器的导弹参数检测装置的电路图；

图3是本实用新型基于压敏传感器的导弹参数检测装置的压敏传感器随导弹转动过程及其受力分析图；

图4是本实用新型基于压敏传感器的导弹参数检测装置的压敏传感器输出电压随导弹转动的变化关系波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型一种基于压敏传感器导弹参数检测装置，结构如图1所示，包括两路并排设置压敏传感器，包括两路并排设置的压敏传感器，每一路压敏传感器电性连接有电荷放大电路，两路电荷放大电路均电性连接信号求差电路，信号求差电路电性连接有滤波电路，滤波电路电性连接过零判断电路，过零判断电路电性连接有单片机处理器，每一路压敏传感器均由传感器薄片和压块组成，压块叠放在传感器薄片上(如图3所示)，传感器薄片与电荷放大电路电性连接。

压敏传感器可选取压电陶瓷、压电薄膜、压电晶体器件中的一种。

压敏传感器安装在导弹弹体内壁内。

本实用新型信号处理电路各部分电路图，如图2所示，电荷放大电路包括电阻R1，电阻R1的一端连接有电容C1，另一端连接有电容C3，电容C1另一端分别连接压敏传感器、运放N1的反向输入端，电容C3还连接运放N1的输出端，运放N1的同向输入端分别与地、压敏传感器相连，运放N1的供电电源正端与+5V电源相连，运放N1的供电电源负端与-5V电源相连，压敏传感器接地。

信号求差电路包括两个电阻R3，电阻R3一端分别连接电容C3、运放N1的输出端和电阻R1的另一端，其中一个电阻R3另一端分别连接电阻R5的一端、运放N3的反向输入端，另一个电阻R3的另一端分别连接电阻R6的一端、运放N3的同向输入端，电阻R6接地，运放N3的供电电源正端与+5V电源相连，运放N3的供电电源负端与-5V电源相连。

滤波电路包括电阻R7，电阻R7的一端分别连接电阻R5的另一端、运放N3的输出端，电阻R7的另一端分别连接电容C5的一端、电容C6的一端和电阻R11的一端，电容C5的另一端接地，电容C6的另一端分别连接电阻R8的一端、运放N4的同向输入端，电阻R8的另一端接地，运放N4的反向输入端并联有电阻R9和电阻R10，电阻R9接地、电阻R10的另一端分别连接运放N4的输出端、电阻R11的另一端，运放N4的供电电源正端与+5V电源相连，运放N4的供电电源负端与-5V电源相连。

过零判断电路包括比较器MAX908，比较器MAX908的正向输入端连接运放N4的反向输出端，比较器MAX908的反向输入端连接电阻R12一端，电阻R12另一端与2.5V电源相连，比较器MAX908的输出端分别连接单向TVS管D1的反向端、单片机处理器的采集端口，单向TVS管D1的正向端接地，比较器MAX908的供电电源正端与+5V电源相连，比较器MAX908的供电电源负极接地。

一种基于压敏传感器导弹参数检测系统的工作原理是：利用压敏传感器随导弹自转过程中受力不同，其发出的电压信号也产生周期性变化、对该电压信号进行放大、求差、滤波、过零比较等电路处理后，最后对处理后的电压信号进行峰值点检测，从而得到大地方向，具体如下：

从图1压敏传感器受力分析可知，导弹在射出后自身会发生自转，传感器受到压块M作圆周运动所需的向心力FV、重力Fmg产生的分力FP以及作加速运动的力Fa的共同作用，其合力为力F。其中，

FV＝mV²/R (1)

FP＝FmgSinθ (2)

Fa＝FmaSinθ (3)

所以，

F＝FV+FmgSinθ+FmaSinθ

式中，m为压块的质量，V为圆周运动速度，θ为重力与圆周运动速度V的夹角)，R为弹体的半径。而导弹每圈旋转速度和加速度变化很小，FV可视为一个常数；

此外，导弹加速运动主要在垂直方向，在水平方向分量很小可忽略，可近似垂直为Fma，所以，传感器的输出电压U的大小仅与作用力FP和Fa变化有关，即电压U决定于重力Fmg和加速运动的分量FP和Fa变化。这二个分量均随着导弹的自旋转按正弦规律周期性变化的，当传感器在到A点时，受到分量FP和Fa均为零，此时传感器输出电压为UA为0；从A点向C点转动过程中，分量FP和Fa均随着θ(0°≤θ≤90°)的增大而不断增大，电压U也将随之不断增大，到达B点时达到最大峰值UBmax；从B点向C点转到过程中，分量FP和Fa均随着θ(90°≤θ≤180°)的增大而不断减小，电压U随之不断减小，到达C点时受到分量为零与A点相同，此时其输出电压为UC和UA相等都为0；从C点向D点旋转过程中，分量FP和Fa随着θ(180°≤θ≤270°)的增大而不断增大，电压U负的幅值也将随之不断增大(压块M对传感器产生拉力)，到D点时受到拉力FP达到最大，此时输出电压为负的最大峰值UDmin；从D点向A点旋转过程中，分量FP和Fa随着θ(270°≤θ≤360°)增加而减小，传感器受到的拉力不断减小，电压U负的幅值也将随之不断增大，到达A点重力分量FP减小到零，电压U回到零UA等于0。由此可以见传感器的输出电压U将随之导弹自转产生如图2所示，以正弦周期性变化。依据这种正弦周期性变化规律，通过电路对信号进行处理找到峰值B点(或其它3个点)，从而可获得导弹的大地方向。导弹的自旋转角速度可根据信号的正弦周期中的A和C过零点(或其它2个对应点)的时间间隔ΔT依据公式计算得到：

其中，ω为导弹自旋转角速度；ΔT为二个测试点的间隔时间；π为二个测试点的间隔时间ΔT所对应的导弹旋转角度。

由于压电薄膜、压电陶瓷和压电晶体随压力改变产生的是电荷量变化，输出一个微弱变化的电压信号，为此在电路中首先设计了由二个OP07CD运放N1和N2构成的放大器电路，分别将压敏传感器1、压敏传感器2输出的微弱电压信号转化为放大的电压信号U01和U02，同时将压敏传感器的高阻抗输出转换成运放的低阻抗输出，其输出电压为：

Uo＝-AQ/(Ct+Co+Cf(1+A)) (5)

式中：Q为传感器产生的电荷；Ct为传感器电容；Co为输入电缆电容；Cf为反馈电容C3、C4；A为运算放大器开环增益；负号表示输入与输出相反。

由于A很大，当|Cf(1+A)|>>|Ct+Co|时，可近似为：

Uo＝-AQ/Cf(1+A)＝-Q/Cf (6)

由上式可知，若反馈电容Cf不变，则输出电压Uo与输入电荷Q成线性关系。因此，通过该部分电路对输出微弱电压信号实现线性放大，获得放大的电压信号U01和U02。

在二路信号求差电路设计时，根据信号传递函数相差180°特点，采用了由OP07CD运放N3构成的减法电路，对U01和U02信号求差。根据叠加原理，可得出电路经减法电路处理后输出电压信号U03为：

U03＝[1+R5/R3][(R6/(R4+R6)](U02–U01) (7)

当R3＝R4＝R5＝R6时，可近似为：

U03＝(U02–U01) (8)

通过减法电路处理后获得增强了2倍输出信号U03，同时改善了正弦信号对称性，消除二个传感器装配对称性误差，输出一个理想的正弦信号。

由于导弹在空中飞行时存在一定的抖动，会给电路带来一定的高频干扰信号，因此需要对传感器信号中的高频信号进行滤波处理。通过相关资料可知，导弹在空中飞行时其自转有一定的速度，在对高频信号进行处理时，将不处理导弹自转频率范围内的低频信号，以此得到更精确的信号，提高寻地精度。滤波电路采用了由OP07CD运放N4构成的二阶带通滤波电路，对传感器信号干扰进行处理。然后，通过高速比较器找出信号的过零点；由于后端用于处理信号的单片机ADC端口电压要求，在此使用D1所示的单向TVS管将比较器输出高电压稳定在3.3V。单片机通过对正脉冲信号进行处理，可以得到准确的导弹对地信号。

该实用新型电路系统方案设计中，压敏传感器采用了2个相同传感器，且以弹体轴心为对称安装在弹体内，如图3中B、D位置。如图1所示，在导弹自转过程中，二个传感器将产生相位相差180°的正弦信号。该正弦信号通过电荷放大电路放大后，再进行求差放大。其目的在于：一是可增强信号的强度，提高灵敏度；二是提高正弦信号幅值及其对称性；三是消除传感器距导弹中心轴间的装配产生的误差。然后，通过滤波电路对信号进行滤波，获得理想的正弦信号；接着通过过零判定电路获得一个与正半周宽度相同的一定幅值的正脉冲；最后，采用单片机对正脉冲进行处理，在处理中根据正脉冲的前后沿获得导弹旋转半周的时间t以及计算出导弹自旋转角速度ω，输出到控制系统，在延迟0.5t单片机输出一个固定脉冲信号，此脉冲表示压敏传感器旋转到了最低位置，该位置所指的向下的方向为大地方向。

利用压敏传感器的导弹参数检测装置的导弹参数检测方法，具体步骤如下：

步骤1，导弹在射出后，压敏传感器输出电压U的大小仅由压块M的重力产生的分力FP以及作加速运动的力Fa有关，这两个力均随着导弹的自旋转按正弦规律周期性变化，则输出电压U也将随导弹自转按正弦周期性变化，根据正弦输出电压U相邻两次过零点的时间间隔ΔT计算导弹射出后的自旋转角速度：

其中，ω为导弹自旋转角速度；π为正弦电压信号U相邻两次过零点的时间间隔ΔT所对应的导弹旋转角度；

步骤2，电荷放大电路将步骤1的输出电压实现线性放大，获得两路放大的正弦电压信号U01和U02，同时将压敏传感器的高阻抗输出转换成运放的低阻抗输出；

步骤3，两路信号求差电路将步骤2的两路电压信号求差，通过信号求差电路处理后获得增强了2倍的正弦电压信号U03，同时改善了正弦信号对称性，消除了两个压敏传感器装配对称性误差，输出一个理想的正弦电压信号；

步骤4，滤波电路对步骤3的正弦电压信号进行滤波处理，然后通过过零判断电路找出信号的过零点，获得一个与正半周宽度相同的一定幅值的正脉冲；

步骤5，单片机控制器对步骤4的正脉冲进行处理，根据正脉冲的前后沿获得导弹旋转半周的时间t，计算出导弹自旋转角速度ω，输出到单片机控制系统，在延迟0.5t后单片机输出一个固定脉冲信号，此脉冲表示压敏传感器旋转到了最低位置，该位置所指的向下的方向为大地方向。

本实用新型的一种基于压敏传感器的导弹检测装置，通过压电陶瓷受力情况分析来寻地，具有寻地精度高，速度快、耐冲击、结构简单、体积小的优点。同时，该系统抗干扰能力较强且生产成本低廉，节省导弹的使用空间，能够满足检测系统的性能要求。