對于位移量的測量廣泛存在千自行火炮、坦克、起重類工程裝備的性能檢查中。在某型突擊炮火控系統(tǒng)性能檢測的各項(xiàng)指標(biāo)中剛度、低速調(diào)炮速度、漂移速度等是其中的重要內(nèi)容。此類測試量均屬千小位移量檢測。目前，火炮生產(chǎn)廠家、和大修廠對上述項(xiàng)目采用秒表、坐標(biāo)靶板結(jié)合人工記錄的方法。自動(dòng)化程度低、測試準(zhǔn)備時(shí)間長、測量精度難以保證。國內(nèi)相關(guān)院所研發(fā)了一 些諸如拉線式位移測量設(shè)備，在保證精度的前提下可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測量，但測量設(shè)備的安裝繁瑣、附件較多。急需的是安裝簡單、附件少、操作容易的便攜型檢測設(shè)備。本文提出了 一 種利用磁致位移傳感器測量火炮位移量參數(shù)的新型便攜檢測設(shè)備的方法。
1磁致位移傳感器的工作原理
磁致位移傳感器基于磁致伸縮效應(yīng)和逆磁致伸縮效應(yīng)。鐵磁材料和亞鐵磁材料由千磁化狀態(tài)的改變，其長度和體積都要發(fā)生微小的變化，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮，鐵磁材料受到機(jī)械應(yīng)力之后，其磁化狀態(tài)也會(huì)發(fā)生改變，稱之為逆磁致伸縮效應(yīng)。材料在磁化狀態(tài)下長度的變化稱為線磁致伸縮，是焦耳在 1842 年發(fā)現(xiàn)的；體積的變化稱為體磁致伸縮通常研究的磁致伸縮是指線磁致伸縮，其大小用磁致伸縮系數(shù)入來描述。
以稀土元素鉞(Tb)、鎊(D y )和鐵(Fe)合金制成的棒狀體的線磁致伸縮系數(shù)入比金屬、合金和鐵氧體材料的入大 1-2 個(gè)數(shù)量級 ，具有超大磁致伸縮效應(yīng)，因此稱ThDyFe為稀土超磁致伸縮材料。該材料在3000Afm的磁場中基本飽和，飽和磁致伸縮系數(shù)入s=750x10--6 ,磁致伸縮系數(shù)入與外加磁場 H (A/m )的對應(yīng)關(guān)系構(gòu)成材料的磁致伸縮曲線，實(shí)驗(yàn)證明稀土超磁致伸縮材料的磁致伸縮曲線是穩(wěn)定和可重復(fù)的，即在相同磁場下稀土超磁致伸縮材料產(chǎn)生相同的應(yīng)變值。
磁致位移傳感器的位置磁鐵裝在運(yùn)動(dòng)部件上，而傳感器主體則裝在— 個(gè)固定部件上。傳感器工作時(shí)，脈沖發(fā)生器A發(fā)給磁致波導(dǎo)鋼絲激勵(lì)脈沖電流i,該脈沖電流將產(chǎn)生一 個(gè)圍繞波導(dǎo)鋼絲的旋轉(zhuǎn)磁場。位置磁鐵也產(chǎn)生 一 個(gè)固定的磁場。當(dāng)兩個(gè)磁場相交時(shí)，根據(jù)Widemanm 效應(yīng)，金屬隨其瞬間變形產(chǎn)生波導(dǎo)扭曲，使波導(dǎo)鋼絲產(chǎn)生磁致彈性伸縮，即形成一 個(gè)磁致旋轉(zhuǎn)波（應(yīng)變波）。
經(jīng)過計(jì)算該旋轉(zhuǎn)波沿著波導(dǎo)鋼絲以 v= 2800m/s 的速度向兩邊傳播。當(dāng)它傳到波導(dǎo)鋼絲一 端的波檢測器B時(shí)被轉(zhuǎn)換成電信號。通過測量磁致旋轉(zhuǎn)波從位置磁鐵傳到波檢測器的時(shí)間t就能確定位置磁鐵和波檢測器之間的距離。這樣，位置磁鐵和波導(dǎo)絲產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，通過磁致位移傳感器就可以確定位置磁鐵的位置和速度。
L=vt式中:t為發(fā)射脈沖與反射脈沖的時(shí)間差，v 為旋轉(zhuǎn)波的波速，L為磁鐵和波檢測器間距。該傳感器系統(tǒng)屬千測量系統(tǒng)。位置磁鐵的位置可自動(dòng)確定，斷電對測量精度不造成任何影響。
2、位移量的測量方法
在實(shí)際測量中，測量的在一段時(shí)間內(nèi)位置磁鐵移動(dòng)的距離，因此只要選擇一個(gè)時(shí)間起點(diǎn)（往往是程序運(yùn)行開始點(diǎn)），通過計(jì)時(shí)就可得到位置磁鐵移動(dòng)的距離，磁致旋轉(zhuǎn)波從位置磁鐵傳到波檢測器的時(shí)間差，該時(shí)間差的測量精度決定了位置測量的精度。對該時(shí)間的測量采用的是脈沖計(jì)數(shù)法。
得到的移動(dòng)距離單位是毫米。脈沖電流發(fā)生器向波導(dǎo)絲發(fā)出激勵(lì)電流，位置磁鐵合成后作用在波導(dǎo)絲上形成應(yīng)力信號，該信號在波檢測器內(nèi)感應(yīng)出電信號并對此信號放大和整形然后再比較器內(nèi)和參考電平比較，超過參考電平則發(fā)出觸發(fā)信號給FPGA處理器計(jì)數(shù)，處理器將計(jì)數(shù)值（時(shí)間）和傳輸速率值做乘法運(yùn)算后得到瞬時(shí)位移值，然后將此值在RS485串口輸出。
3、磁致位移傳感器性能
該傳感器可以實(shí)現(xiàn)非接觸、式測量，具有高精度、大量程的特點(diǎn)，傳感器能承受高震蕩的環(huán)境。傳感器輸出信號為值，所以即使電源中斷重接也不回對數(shù)據(jù)接收構(gòu)成問題，更無需重新調(diào)整零位。由于傳感器組件都是非接觸的，所以即使測量過程不斷重復(fù)的，也不回對傳感器造成任何磨損。傳感器的線性度為0.387%，重復(fù)性誤差為±0.287%，分辨率0.05mm。測量范圍為50-20000mm，多位置測量、輸出信號模式為模擬量SSI、RS485、RS422，PEM等，使用溫度范圍-40℃~+85℃。
4、在自行火炮性能測試應(yīng)用舉例
某型突擊炮火控系統(tǒng)性能檢查中的許多指標(biāo)為位移量。而剛度、低速調(diào)炮速度、漂移速度極其微小也可以轉(zhuǎn)換為位移量檢測。測量微小的位移量參數(shù)采用了位移變換器。位移變換器由辭職位移傳感器、傳感器座、炮身箍和位置磁鋼組成。
辭職位移傳感器固定在磁力傳感器基座上并將基座安裝在車體上甲板上。套箍固定在身管中部的環(huán)槽中。套箍上安裝了位置磁鋼，位置磁鋼套住磁致伸縮傳感器的波導(dǎo)鋼絲套桿。輸出信號電纜與工控機(jī)連接。
測量水平方向的最小瞄準(zhǔn)速度、漂移速度、水平方向超調(diào)量時(shí)將套箍支臂。測量垂直方向的最小瞄準(zhǔn)速度、漂移速度、垂直方向超調(diào)量時(shí)將套箍支臂、磁致伸縮傳感器的安裝方法。
測量炮身的水平方向漂移速度時(shí)，檢測開始后計(jì)算機(jī)對位移傳感器傳來的信號采樣一段時(shí)間后停止，同時(shí)繪制出漂移速度曲線并計(jì)算出在此時(shí)間間隔內(nèi)的平均實(shí)際漂移速度為7.255mil/min，符合技術(shù)檢驗(yàn)規(guī)范的要求。
測量炮身垂直方向瞄準(zhǔn)速度時(shí)，檢測開始后炮手以速度扳動(dòng)操縱手柄垂直調(diào)炮，計(jì)算機(jī)對位移傳感器傳來的信號采樣一段時(shí)間后停止，同時(shí)繪制出瞄準(zhǔn)速度曲線并計(jì)算出在此時(shí)間間隔內(nèi)的瞄準(zhǔn)速度為5.56°/s，符合技術(shù)檢驗(yàn)規(guī)范的要求。
5、結(jié)束語
磁致伸縮傳感器是基于磁致伸縮效應(yīng)的新型位移傳感器。該傳感器具有非接觸、式測量，高精度、量程大和環(huán)境適應(yīng)性好的特點(diǎn)。將磁致位移傳感器應(yīng)用在自行火炮性能檢測中，使剛度、低速調(diào)炮速度、漂移速度等困擾的檢測項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確、高效的測量。經(jīng)過大量實(shí)裝測試證明，該方法適合于對自動(dòng)火炮、坦克部分工程裝備所涉及的小位移量相關(guān)性能指標(biāo)進(jìn)行檢測，適用范圍較廣。
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