基于涡流场的装甲目标磁引信近场定距方法

摘要： 本文提出了基于金属表面涡流场探测技术的装甲目标近场定距方法。该方法利用一级激励线圈在装甲金属表面产生涡流场，然后通过另一级检测线圈检测弹目距离改变所带来的涡流场变化过程，从而确定弹目距离信息。

Abstract： The paper presented armor target near-field distance measurement based on the metal surface of eddy detection technology. It produced vortex field on metal surface by excitation coil， and then detected the vortex field change produced by missile-target distance changing by another detection coil to identify missile-target distance information.

关键词： 装甲目标；涡流场；近场定距

Key words： armor target；eddy current field；near-field distance measurement

中图分类号：P412 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）21-0218-02

0 引言

反坦克破甲弹药通常要求在装甲目标近场范围内，实现高精度弹目距离探测，以保证破甲弹装药在预定炸距起爆，充分发挥战斗部破甲威力。

现有的装甲目标近场探测方法通常采用无线电、激光、探杆及电容等定距模式。无线电探测器探测范围较大，但探测精度及抗电磁干扰能力不高；激光定距方法测距精度较高，但易受战场自然环境影响；探杆探测器采用传统机械结构设计，虽然抗干扰能力较高，但容易影响弹丸飞行弹道一致性；电容探测器极易受到弹道金属小目标影响造成探测准确性较差。针对以上问题，本文提出了基于涡流场探测技术的装甲目标近场定距方法。

1 涡流场探测原理

涡流场探测是一种基于金属目标表面电涡流效应的非接触式探测方式，具有测量精度高、响应速度快、抗干扰能力强、不受尘埃和湿度等环境影响等优点。从探测结构可分为单线圈探测和双线圈探测两种方式。

1.1 单线圈探测 单线圈探测结构由单一激励线圈组成，其原理图如图1所示。

其工作原理是检测激励线圈磁场和感应涡流磁场之间的交互作用。当激励线圈通入交流电流时，线圈周围就会产生交变磁场，如果此时将装甲目标耙移入此交变磁场中，目标金属表面就会感应出电涡流，而此电涡流又会产生一个磁场，该磁场的方向与原线圈磁场的方向正好相反，而减弱了原磁场。

根据法拉第电磁感应定律，当激励线圈两端通以正弦交变电压■，产生正弦交变电流■1。因电流变化，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，它使置于此磁场中的被测金属表面层附近产生感应电流，即电涡流I2。与此同时，电涡流I2又产生新的交变磁场H2，并且H2会补偿或反抗H1的变化。H1和H2相互作用的结果，导致激励线圈的等效阻抗相应地发生变化。

线圈的等效阻抗z一般可表示为函数：Z=F（σ，μ，f，x，r）

式中：σ，μ分别是被测金属导体的电导率和磁导率；f是激励信号的频率；x是线圈与金属表面的距离；r是线圈的尺寸因子，与线圈的结构、形状以及尺寸相关。如果只改变金属表面和线圈之间的距离x这一个参数，而其余参数保持不变。则传感线圈的阻抗Z只是距离x的单值函数Z=Z（x）。这就是单线圈探测原理。

1.2 双线圈探测原理 基于单线圈结构的涡流场探测方式具有结构简单、体积小及信号测量电路简单等特点，但存在探测范围小、精度不够高及不够灵活等缺点。为有效解决以上问题一般采用双线圈探测方法，即增加一个线圈作为检测线圈，检测两个磁场的叠加效果。同时，考虑到减少激励信号与涡流检测信号之间的干扰、提高测量灵敏度和可靠性等因素，可采用对激励信号通道和检测信号通道分开处理的结构模式，如图2所示。

对上述双线圈探测结构建立等效数学模型图，如图3所示。

图中，R1、L1是发射线圈的等效电阻与电感，R2、L2是接收线圈的等效电阻与电感，Ri是接收装置的输人阻抗，R3、L3是涡流环的等效电阻与电感，M12是发射线圈和接收线圈的互感，M13是发射线圈与涡流环的互感，M23是接收线圈与涡流环的互感。

根据基尔霍夫定律有：

U2=I2R2+j？棕L2I2-j？棕M12I1-j？棕M23I3（1）

毕奥-沙优-拉普拉氏定理，当激励线圈的电流和几何尺寸给定后，激励线圈所形成的磁场强度B（x）与x有关，x减小B（x）增大，穿过涡流环的磁通量？渍=B（x）×s（s为涡流环的等效面积），在涡流环内产生的感应电动势E3=-■，即E3（x）是x的函数。涡流环的电流I3（正比与E3（x））与被测金属的电阻率？籽、相对磁导率？滋r、距离x、频率？棕有关，即I3=f（？籽、？滋r、x、？棕、I1），当固定（？籽、？滋r、？棕、I1时，I3仅是x的函数I3（x）。同时，由电磁场理论可知：x？叟3r（r为激励线圈几何半径）时，可以认为涡流场及发射线圈形成的磁场均为平面场，平面场仅与x有关，因此，M23是距离x的函数M23（x）。而公式1中j？棕M12I1为已知量（激励线圈和检测线圈参数已知），因此，接收线圈等效阻抗Z2=U2/I2为x的函数，当x改变时，检测线圈等效阻抗Z2（x）也随之发生变化。

综上所述，在双线圈探测方法中，只需对检测线圈等效阻抗Z2进行测量，即可得到探测线圈与金属涡流场间距离x的值，实现测距功能。

2 基于涡流场检测技术的装甲目标近场定距方法

为解决传统定距模式的不足，本文提出了基于金属表面涡流场检测的近场定距方法。该方法采用双线圈探测结构，使其具有测量精度高、响应速度快、抗干扰能力强、不受尘埃和湿度等环境影响等优点。

实现原理如下：根据破甲弹药结构，设计合理的激励线圈和检测线圈结构，并采用调幅式谐振法完成对检测线圈等效阻抗Z2的实时测量。即将检测线圈的等效阻抗的变化转换为电压的变化，检测线圈与电容并联组成LC并联谐振回路，并联谐振回路的谐振频率为：f0=1/2？仔■，且谐振时回路的等效阻抗最大，等于Z0=L/R′C（R′为等效消耗电阻）。当涡流场形成时，检测线圈电感L发生变化，在检测线圈产生调幅感应电动势Ec，通过感应电动势Ec对变化的测量，即可实现弹目精确定距功能。具体实现原理图如图4所示。

激励源需要为激励线圈提供稳定谐振信号，其输出信号稳定性及精度是测距精度的关键影响因素，同时，考虑弹目交汇速度和高速信号处理要求，谐振频率选择为1Mhz。因此，选用AD9854芯片（输出频率可达100Mhz正弦波信号，频率最小分辨率达豪赫兹）。

考虑到弹载电源有限，对功率放大器放大倍数不宜过高，在确保探测范围前提下，应设计低功耗、低放大倍数功放模块并充分抑制信号失真。本文采用1Mhz单频点放大器设计，其输出功率仅为10mW。

激励线圈和检测线圈的设计需根据弹丸结构具体考虑，对于谐振频率调节可通过调节电容实现。依据某破甲弹结构要求，设计为两个个尺寸和匝数相同的瓦状结构，结构示意图如图5所示。线圈匝数为22匝，调节电容为1500pF。

前置放大器和滤波器的设计采用单一频点模式，尽可能消除其他频点噪声影响。根据检测波形幅度和A/D采集模块要求设计了高阻抗前置放大器，信号其放大倍数为100倍，并对滤波器和A/D采集模块进行了相应搭建，考虑到谐振，频率选择在1Mhz，A/D采集模块采样率选择10Mhz采集模块。对于信号处理算法，采用功率谱密度测量算法实现对谐振频率点检测信号功率测量以降低其他频率干扰及测量误差。

3 验证

3.1 验证实验 验证实验利用LabVIEW软件平台结合NI虚拟仪器设备实现对各硬件输入/输出信号的实时采集、显示，并加载MATLAB环境下所编译的信号功率谱密度测量算法模型，以验证探测精度指标。

实验中，采用0.5m×0.5m钢板分别在200mm、150mm、50mm、20mm接近探测线圈并采集检测线圈、滤波器和放大器输出端及信号处理前端波形并利用信号功率谱密度算法模型测量最终信号在1Mhz功率值。由实验结果确定了探测方法切实可行。

3.2 实验结果 具体检测参数结果如下表所示：

从实验结果可以看出：金属靶板与检测线圈距离x为200mm时，检测线圈信号在1Mhz谐振频率点的功率谱密度值出现衰减跳变，并随着x的逐渐减小，衰减效果越发明显。实验结果表明：该方法满足对装甲目标近场探测要求。但x大于200mm时，衰减效果不佳，必须通过增加激励线圈功率，以增强涡流场对检测线圈影响，从而实现远距离定距功能。

4 结论

本文提出了基于金属表面涡流场探测技术的装甲目标近场定距方法。该方法利用一级激励线圈在装甲金属表面产生涡流场，然后通过另一级检测线圈检测弹目距离改变所带来的涡流场变化过程，从而确定弹目距离信息。实验表明该方法可满足引信对装甲目标近场定距要求，具有测量精度高、响应速度快、抗干扰能力强、不受尘埃和湿度等环境影响等优点。

参考文献：

[1]《国防科技名词大典》总编委会.国防科技名词大典（兵器）.北京：航空工业出版社，兵器工业出版社，原子能出版社，2002.1.

[2]张卫平，施立亭，赵徐森.长距离双线圈电涡流传感器的原理与设计[J].电子学报，1998（12）.

[3]徐志明.涡流测距系统的仿真及设计（硕士论文）[D].北京：北京交通大学，2008.