光幕靶是一種以led/' target='_blank'>光電轉(zhuǎn)換技術(shù)為基礎(chǔ)的彈丸速度測量區(qū)截裝置,采用人工光源,因此操作簡便穩(wěn)定性好,靈敏度和測試精度較高。這里提出一種新型紅外光幕靶l(wèi)ed/' target='_blank'>光電探測系統(tǒng)與信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì),采用紅外發(fā)光二極管作為發(fā)光光源,通過光電二極管陣列進(jìn)行接收信號(hào),將該信號(hào)處理后再接到測試儀器上,從而得到彈丸過靶速度。
1 發(fā)光系統(tǒng)
設(shè)計(jì)中采用紅外發(fā)光二極管陣列發(fā)射紅外光,形成光幕,相鄰的發(fā)光二極管的直徑為5 mm,則緊密排列后其中心間距為5 mm。根據(jù)紅外發(fā)光二極管的壓降,工作電流,額定電壓等,設(shè)計(jì)出能使發(fā)光管發(fā)光強(qiáng)度滿足要求,并能穩(wěn)定工作的電路。
以往的光幕靶大多采用恒壓源的設(shè)計(jì)方法,但是由于影響紅外發(fā)光二極管發(fā)光亮度與穩(wěn)定性的主要因素是為流經(jīng)其電流大小,因而采用LM317設(shè)計(jì)恒流源電路,具體電路圖如圖1所示。該電路設(shè)計(jì)采用LM317的標(biāo)準(zhǔn)恒流源電路接法,其輸出電流Iout為:
2 光電轉(zhuǎn)換電路
利用紅外光敏二極管作為光電轉(zhuǎn)換器件完成光信號(hào)到電信號(hào)轉(zhuǎn)換。這種器件具有響應(yīng)速度快、體積小等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于光電檢測。該電路設(shè)計(jì)采用由50只光敏二極管連接起來組成陣列,如圖2所示,圖2只給出其中2路,其余各路連接方法相同。其中,電阻R1、R2為取樣電阻,阻值可稍大一些,有利于增加電路靈敏度以提高整個(gè)測試系統(tǒng)的靈敏度;電容C5、C6主要用于交流耦合。
3 放大電路
在測試系統(tǒng)中,當(dāng)彈丸穿過靶面時(shí),由由光敏二極管輸出的電信號(hào)比較微弱,如果此輸出信號(hào)直接輸出到后續(xù)電路往往會(huì)被噪聲淹沒,因此要有效利用該輸出信號(hào),必須對(duì)其進(jìn)行放大。放大電路的作用就是放大光敏二極管輸出的微弱電信號(hào),使之滿足后續(xù)處理電路的需要。電路需放大1 000倍左右,以往的光幕靶設(shè)計(jì)采用兩級(jí)放大(圖3),由于放大倍數(shù)過高,導(dǎo)致兩級(jí)放大噪聲和溫漂等比較嚴(yán)重,因而該設(shè)計(jì)采用三級(jí)放大電路,如4圖所示。其中每一級(jí)放大10倍,由于是阻容耦合,因而放大l 000倍左右。其中每一級(jí)后連接有低通濾波電路。該電路設(shè)計(jì)為低于50 kHz的信號(hào)才可通過。
4 觸發(fā)電路
在系統(tǒng)中,彈丸穿過靶面時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)將觸發(fā)后續(xù)的計(jì)時(shí)電路,產(chǎn)生觸發(fā)計(jì)時(shí)脈沖的時(shí)刻應(yīng)該不受輸入信號(hào)幅度的影響。一般槍炮彈丸垂直穿過靶面時(shí),波形前沿變化較緩慢,而波形后沿陡峭,如圖5所示。
彈尖觸發(fā)方式就是利用彈丸過靶信號(hào)的波形前沿觸發(fā)后續(xù)計(jì)時(shí)電路。這種觸發(fā)方式由于過靶信號(hào)的波形前沿斜率較小,同時(shí)不同光幕靶的光幕厚度存在差異,使得彈丸在穿過不同光幕時(shí)產(chǎn)生的觸發(fā)時(shí)刻一致性較差,因而造成較大的觸發(fā)誤差;而彈底觸發(fā)方式則是利用彈丸過靶信號(hào)的波形后沿來觸發(fā)后續(xù)計(jì)時(shí)電路。常規(guī)過靶信號(hào)處理會(huì)采用波形后沿信號(hào)二次微分零值點(diǎn)作為觸發(fā)點(diǎn)。相比較而言,彈底觸發(fā)方式具有較強(qiáng)的抗干擾能力。適用于一般的彈丸測試。
在觸發(fā)電路設(shè)計(jì)時(shí),首先利用電壓比較器將彈丸過靶信號(hào)變?yōu)?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/脈沖信號(hào)" title="脈沖信號(hào)" target="_blank">脈沖信號(hào),電壓比較器的門限可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié),然后再利用CPLD器件進(jìn)行彈尖、彈底選擇,當(dāng)選擇彈尖觸發(fā)時(shí),讓經(jīng)過電壓比較器后的脈沖信號(hào)直接輸入到后續(xù)電路中;當(dāng)選擇彈底觸發(fā)時(shí),經(jīng)過電壓比較器后的脈沖信號(hào),再經(jīng)濾波電路,最后輸出一個(gè)固定脈寬的脈沖到后續(xù)電路。這里采用電壓比較器LM311設(shè)計(jì)比較電路,將彈丸過靶信號(hào)設(shè)計(jì)變?yōu)槊}沖信號(hào),其具體電路原理圖如圖6所示。
5 濾波電路
光電靶在工作過程中,當(dāng)靶面內(nèi)的光通量發(fā)生足夠大的變化時(shí),光電傳感器就會(huì)響應(yīng)這種變化而產(chǎn)生電信號(hào),也就是說,一些非彈丸物體在穿過靶面時(shí)也會(huì)使得光幕內(nèi)光通量發(fā)生變化以至光電傳感器產(chǎn)生電信號(hào)。根據(jù)光電靶的工作原理,穿過靶面的飛行物體速度不同,遮擋的時(shí)間就不同,在電路中表現(xiàn)為比較器后產(chǎn)生的方波脈沖的寬度不同。
式中,l為飛行物的長度,d為光幕面的厚度,v為飛行物的速度。
沖擊波以聲速計(jì)算,v為340 m/s,d=3 mm,則可知沖擊波穿過光幕產(chǎn)生的方波信號(hào)脈沖寬度為:;若v=330 m/s,則t1≌9.1 μs。蚊蟲等飛行物飛行速度v為20 m/s,物體長度l約為10 mm,則可知蚊蟲飛過光幕產(chǎn)生的方波信號(hào)脈沖寬度。紅外密集度立靶測試系統(tǒng)測試彈丸彈速范圍為200~l 200m/s,主要用于5.8、7.62、9 mm 3種彈,沖擊波的影響主要產(chǎn)生于對(duì)9 mmx19 mm的手槍彈的測量,該彈丸彈速約為320 m/s。根據(jù)彈速和彈長,可知彈丸穿過光幕產(chǎn)生的方波信號(hào)脈沖寬度。
根據(jù)靶場實(shí)際測試情況,彈丸穿過光幕時(shí)產(chǎn)生的方波信號(hào)脈沖寬范圍為150~10μs則認(rèn)為脈沖寬度為該范圍內(nèi)的信號(hào)為無效,則需剔除,此時(shí)可將蚊蟲干擾信號(hào)和沖擊波信號(hào)濾除,從而達(dá)到抗干擾的目的。
6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在重慶某靶場,廠方對(duì)紅外密集度光電立靶進(jìn)行實(shí)彈射擊驗(yàn)收試驗(yàn),測試數(shù)據(jù)如表1所示。
由表1可看出本系統(tǒng)在實(shí)彈測試中數(shù)據(jù)穩(wěn)定,沒有出現(xiàn)脫靶與數(shù)據(jù)不合理的情況,達(dá)到靶場測試要求。
7 結(jié)論
通過理論分析和實(shí)彈測試,證明了該光電探測系統(tǒng)及信號(hào)處理電路已成功地獲取了彈丸過靶信號(hào)并能觸發(fā)測時(shí)儀,能夠得到穩(wěn)定的彈丸過靶信號(hào),其抗干擾能力較強(qiáng)。適用于各類口徑的彈丸測試。