基于圆光栅的示度不一致检测装置

【前言】基于圆光栅的示度不一致检测装置由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。0引言 火炮在射击之前，为将炮弹发射到指定距离，需由炮手赋予火炮炮身一定的仰角，及射角，但火炮自身装配的瞄准机构由于机械磨损、安装不到位等原因，其显示射角数值与实际数值之间往往存在一定偏差，此偏差即为示度不一致，在进行射击之前，为保证射击的准确性，必...

摘要： 分析了瞄准具示度不一致原理与形成原因，设计开发了一种基于圆光栅传感器的火炮示度不一致检查与调整装置，阐述其结构、原理及关键技术，并进行了精度分析，通过实验得出：本测试装置测量准确、使用操作方便、提高了测量效率。

Abstract： Analyzed the reason of inconformity between showing number and actual number. develop an examining instrument use grating obliquity sensor. Elaborating structure principle and key technique of the sensor. Finished the accuracy argument of examining instrument. Text results show that the examining instrument possesses such advantages as high measuring accuracy, easy to use and faster speed than traditional measure method.

关键词： 示度不一致；圆光栅；检查调整

Key words： obliquity inconformity；grating sensor；examine

中图分类号：E9文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）32-0167-02

0引言

火炮在射击之前，为将炮弹发射到指定距离，需由炮手赋予火炮炮身一定的仰角，及射角，但火炮自身装配的瞄准机构由于机械磨损、安装不到位等原因，其显示射角数值与实际数值之间往往存在一定偏差，此偏差即为示度不一致，在进行射击之前，为保证射击的准确性，必须修正此误差。在修正示度不一致过程中，传统的倾角测量方法往往存在测量速度偏慢、测量精度误差较大、判读数值受人为因素影响等不足。为达到精确，快速的检测要求，提出了基于圆光栅的倾角传感器设计制作方法。以光栅传感器代替象限仪，提高了测量速度和精度，以显示数值代替肉眼度数，避免了人为因素产生的误差。

1示度不一致原理与形成原因

火炮的炮膛轴线在空间的位置由它所在的两个相互垂直的平面――水平平面和垂直平面，或者说由三个相互垂直的坐标轴来决定，这样可把任何一种形式的瞄准分为水平平面的瞄准和垂直平面的瞄准。利用了两根定向线给予炮膛轴线在空间具有一定的位置，例如水平瞄准利用周视瞄准镜的光轴或其它瞄准镜，而垂直瞄准借助于瞄准具。瞄准具是瞄准装置的机械部分，利用它作为火炮的垂直瞄准。正常情况，火炮身管轴线与瞄准具轴线应该平行，但由于种种原因造成这两条轴线不一致，即火炮高低示度不一致。瞄准具的射角误差主要包括：表尺装定器与炮身实际射角不一致的误差（简称表尺示度误差），炮目高低角示度与炮身实际射角不一致的误差（简称炮目高低示度误差），瞄准具纵向（射角方向）不可恢复的松动量和高低水准气泡的居中误差。火炮高低示度不一致检测实际上就是测定瞄准具赋予炮身射角的误差，它直接关系到炮弹的命中率。

2基于圆光栅的示度不一致检测系统设计

2.1 检测原理炮尾检查座是一个和瞄准具独立，和炮膛轴线保持一致的检查平台，将可测量高低倾角的传感器放在其上，可检测火炮示度不一致。

当传感器壳体相对地球重心方向产生倾角时，由于重力作用，摆锤力图保持在铅垂方向，因而摆锤相对壳体摆动一个角度。如图1 所示，其由摆锤、摆线、支架组成， 摆锤受重力 G 和摆拉力 T 的作用，其合外力 F 为：

F=Gsinθ=mg Gsinθ

其中，θ为摆线与垂直方向的夹角，在小角度范围内测量时，可以认为 F 与θ成线性关系。

采用运动控制中广泛应用的园光栅传感器加重力摆可有效解决这一问题，图1为圆光栅倾角传感器，通过圆光栅传感器可检测这个θ角度。

2.2 系统设计基于圆光栅的倾角传感器制作方案，其工作流程如图2所示。当测量固定斜面倾角时，首先将圆光栅倾角传感器置于斜面，放置时应确定传感器壳体长边线与测量面倾斜方向一致，传感器放置好的同时，重锤摆带动标尺光栅转到相应位置，此时通过显示装置可直接读出测量面的倾斜角度；当测量非固定斜面时，首先将圆光栅倾角传感器固定于被测平面（圆光栅倾角传感器在测量火炮射角时，由电磁铁固定于火炮炮尾检查座），确定传感器壳体长边线与测量面倾斜方向一致，而后倾斜被测面，通过显示装置可即时读出被测面倾斜角度。

2.3 处理电路功能目前使用的光栅传感器输出信号为相位角相差90°的2 路方波信号，输出方波的光栅尺有A 相、B 相和Z相三个电信号，A 相信号为主信号, B 相为副信号，两个信号周期相同，均为W，相位差90°。Z信号可以作为校准信号以消除累积误差（见图3）。

光栅传感器通常要经细分、辨向、计数硬件电路处理，下面据图4分述之。

细分电路：光栅尺的刻线一般为每毫米50～250 线,对应的栅距W为20～4μm,在精密测量中往往不能满足要求,需要进行细分，考虑A、B 信号上升沿和下降沿的各种情况，可以实现信号的四细分，这样传感器分辨率提高了4倍。

辨向电路：当光栅传感器做正向运动时，A 信号的上升沿及下降沿均比B 信号超前1/ 4W，即相位超前90度，做反向运动时，A信号的上升沿及下降沿均比B 信号滞后1/ 4W，即相位落后90度。

计数电路：光栅信号在经细分后，计数电路对细分后的信号进行计数，在辨向电路判断为正向运动时，计数器做加计数，在辨向电路判断为反向运动时，计数器做减计数。

传感器信号最后进入计算机系统，进行处理和显示输出。

2.4 检测界面测量程序使用LabWindows/CVI语言编写，其检测界面如图5所示。此系统能够快速测量一门火炮从零密位到10-00密位，共计10个位置的瞄准具示度与炮身实际射角的偏差，在测量过程中，操作员只需将火炮炮身分别调至10个位置，而后点击系统面板上相应的测量角度，系统能够直接给出火炮瞄准具示度与炮身射角不一致的相关数据，与传统检测方法相比，减少了每个位置用象限仪精确测量，以及最后数据记录的工作，特别是对多门火炮的检测，应用此系统能够节约大量时间，相应极大地提高了工作效率。

3精度确定

根据不使火炮散布距离增大10％的要求，以保证常用射角的精确性，取距离散布中间误差Ex＝1Mil，若允许的瞄准具的射角的中间误差为Eg，则：

Eg＝1/2Ex＝0.5Mil（1）

E＝E＋E+E+E（2）

式中：E1――表尺示度误差的中间值；

E2――炮目高低角示度误差的中间值；

E3――瞄准具纵向不可恢复松动量的中间值；

E4――居中高低水准气泡误差的中间值。

E1、E2、E3都是待求的允许量，它们有表尺、炮目高低角分划环刻制误差、表尺及炮目高低角涡轮分度误差，有关轴、销及轴承孔的间隙引起的。它们制造和使用条件都基本相同，通常取E1 、E2、E3有相同的允许量，即令：E1=E2=E3=E

高低水准气泡的居中误差，按一般炮手操作最大误差可不超过半个刻度（即在0.4Mil以下），其中间误差E4＝0.4/4＝0.1Mil，代入E＝E＋E+E+E

得：E==0.28Mil（3）

即火炮高低示度不一致检测精度应

本设计方案选用的传感器光栅为6000刻线的园光栅，根据莫尔条文原理, 4倍细分后,其分辩率为6000/（6000*4）=0.25 Mil，小于（3）式中0.28Mil，可以满足精度要求。

4结束语

应用圆光栅倾角传感器测量示度不一致的检测方法，除上文所述的特点之外，还具有测量信号及测量数值数字化、信息化的特点，便于与各综合系统连接共同搭建测试平台，测量数据存储更为便捷。通过实验检验，能够达到设计目的。此外，根据应用需要，可以直接将测试程序写入单片机，由单片机连接圆光栅倾角传感器，通过LED数码显示来显示读数，将其制作成便携式倾角测量仪。

参考文献：

[1]甘茂治，王国全.火炮瞄准具原理[T].石家庄军械工程学院，1983，4:21-23，59-60.

[2]史君成，张淑伟，律淑珍.LabWindows虚拟仪器设计[M].北京：国防工业出版社，2007.

[3]杨雷，张建奇.电子测量与传感器技术[T].北京：华中理工大学出版社北京大学出版社，2008.9：128-146.

[4]陈裕泉，葛文勋.现代传感器原理及应用史君成[T].北京：科学出版社，2007，8：342-351.