侵彻加速度存储测试系统的研究及其信号处理与分析
摘要
本文主要讨论了可用于硬目标侵彻试验的高冲击加速度存储测试系统的设计及数据处理分析方法。对侵彻测试研究的必要性和主要的研究方法及侵彻存储测试的国内外现状作了较为全面的介绍，详细讨论了如存储测试系统的电荷放大器、模拟滤波器的设计；电路主控制器HB0201的使用；电路设计的抗干扰原则；缓冲模块的选择及灌封技术的使用等。对于侵彻测试用的加速度传感器的原理以及加速度传感器动态性能的指标和校准方法作了一定的介绍并通过相对校准法对实际使用的传感器进行了校准。利用侵彻模拟试验装置——空气炮对存储测试电路的缓冲模块进行了性能考核，此外还对空气炮模拟试验中使用弹丸的速度作出了估算并分析了空气炮模拟试验数据。
文中还介绍了利用数学工具软件Matlab下的Sptool工具箱设计有限冲激响应滤波器的方法，并使用Kaiser窗滤波器对实测数据进行了滤波处理。作为侵彻测试工作的重要内容，文中还对弹丸侵彻混凝土的实测数据进行了处理和分析。此外在数据分析上引入了小波分析方法，介绍了小波分析的应用，从概念上比较了小波分析和傅立叶变换的异同并对实测数据作出了小波分析。
此外，本论文还对目前工作中存在的问题加以了总结并介绍了今后研究的方向。
This paper mainly talks about the design of memory testing system for hard target penetration experiment. The essence of penetration testing, method is introduced in detail. In memory testing system part, the design of charge meter, low analogue filter, the use of circuit mainly controller-HB0201, the means of anti-interference in circuit are provided. The principle of accelerometer which used for penetration testing, and its dynamic performance are analyzed. By relative calibration method, the accelerometers used are calibrated.
The performance of penetration testing system is checked by air-cannon used for penetration simulation. In addition, the scheme of air-cannon structure is introduced and the velocity of bullet used in penetration simulation experiment is calculated. At mean time, the signal sampled from experiment is analyzed in some extent.
The method of designing FIR filter with software-Matlab is illustrated in this paper. The testing signal is filtered by Kaiser-window filter. The result is satisfactory. As an important port of penetration testing work, the data measured in process of projectile penetrating concrete target is analyzed. In signal processing, the wavelet analytical method is used. The application of wavelet is introduced. The comparison with Fourier is explained. By wavelet method, the signal is analyzed effectively.
In addition, the questions faced in current work and advanced research direction are pointed out in this paper.
文中还介绍了利用数学工具软件Matlab下的Sptool工具箱设计有限冲激响应滤波器的方法，并使用Kaiser窗滤波器对实测数据进行了滤波处理。作为侵彻测试工作的重要内容，文中还对弹丸侵彻混凝土的实测数据进行了处理和分析。此外在数据分析上引入了小波分析方法，介绍了小波分析的应用，从概念上比较了小波分析和傅立叶变换的异同并对实测数据作出了小波分析。
此外，本论文还对目前工作中存在的问题加以了总结并介绍了今后研究的方向。
This paper mainly talks about the design of memory testing system for hard target penetration experiment. The essence of penetration testing, method is introduced in detail. In memory testing system part, the design of charge meter, low analogue filter, the use of circuit mainly controller-HB0201, the means of anti-interference in circuit are provided. The principle of accelerometer which used for penetration testing, and its dynamic performance are analyzed. By relative calibration method, the accelerometers used are calibrated.
The performance of penetration testing system is checked by air-cannon used for penetration simulation. In addition, the scheme of air-cannon structure is introduced and the velocity of bullet used in penetration simulation experiment is calculated. At mean time, the signal sampled from experiment is analyzed in some extent.
The method of designing FIR filter with software-Matlab is illustrated in this paper. The testing signal is filtered by Kaiser-window filter. The result is satisfactory. As an important port of penetration testing work, the data measured in process of projectile penetrating concrete target is analyzed. In signal processing, the wavelet analytical method is used. The application of wavelet is introduced. The comparison with Fourier is explained. By wavelet method, the signal is analyzed effectively.
In addition, the questions faced in current work and advanced research direction are pointed out in this paper.
引文
[1]金丰年，刘黎，张丽萍，李波，范华林.深钻地武器的发展及其侵彻.解放军理工大学学报(自然科学版)，2002，3(2):34-40.
[2]王道荣.高速侵彻现象的工程分析方法和数值模拟研究，中国科技大学博士学位论文，2002
[3] R.J.Franco,M.R.Platzbecker, MINIATURE PENETRATOR(MINPEN) ACCELERATION RECORDER DEVELOPMENT AND TEST,Telemetry Technology Development Department 2664,Sandia National Laboratories Albuquerque，NM，1998
[4] Togami T C, Baker W.E., Frrestal M.J. A split hopkinson bar technique to evaluate the performance of accelerometer. Journal of applied mechanics, June 1996,63:353~356
[5] Lawrence W.Burke，Edward Bukowski HSTSS battery development for missile and ballistic telemetry application.ARL-MR-447 May 2000
[6] Rohwer T.A.Miniature,Single Channel,Memory_based,High_G Acceleration Recorder. NTIS NO:DE00007272/XAB
[7] 12Bit 1,2,or 4channel high shock analog recorders,Instrumentation and engineering Service ,Inc.,February 1999.
[8] T.Rothacher and B.Giger,HIGH G BALLISTIC FLIGHT DATA RECORDER,18TH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON BALLISTICS SAN ANTONIO.TX.15-19 NOVEMBER.1999
[9] PYROSHOCK TEST CRITERIA.NASA TECHNICAL STANDARD
NASA-STD-7003.Space Administration MAY 18, 1999
[10]祖静,申湘南,张文栋.存储测试技术.兵工学报,1994,(4):30～34.
[11]马游春.高冲击存储测试系统.华北工学院硕士学位论文,2003.
[12]江小华,李豪杰,张河.基于微控制器的微型存储测试系统的设计.仪器仪表学报,2002,23(6):588-591.
[13]张文栋.存储测试系统设计理论及其在导弹动态数据测试中的实现.北京理工大学
博士论文.1995
[14]郭营川.美国动态测试技术一瞥.pp:56-65
[15]孟立凡，郑宾，传感器原理及技术，兵器工业出版社，2000.
[16]自动检测电子电路设计，太原机械学院翻印，1989.
[17]王远，模拟电子技术，机械工业出版社，1997
[18]郑君里，信号与系统，高等教育出版社，2000
[19]朱明武，李永新，动态测量原理，北京理工大学出版社，1993
[20]张瑞丰，精通Matlab6.5，中国水利水电出版社，2004
[21]程卫国，冯峰，Matlab5.3精要编程及高级应用，机械工业出版社，2000
[22]MAXIM Engineering Journal，第49期
[23]许善峰，21世纪微电子芯片设计技术发展方向，微电子学，2001，31（5）
[24]诸邦田，.电子线路抗干扰技术手册.北京科学技术出版社，1988.
[25]徐长福，火炮测试技术，兵器工业出版社，1993
[26]梁恩主，Protel 99 SE电路设计与仿真应用，清华大学出版社，2000
[27]徐鹏，泡沫铝叠片的压缩性能与高g值冲击缓冲吸能研究，已录用
[28]曾斐,潘艺,胡时胜. 泡沫铝的缓冲吸能评估及其特性.爆炸与冲击,2002,22(4),358~362
[29]潘艺,胡时胜,魏志刚. 泡沫铝动态力学性能的实验研究.材料科学与工程,2002,20(3)
[30]Xu Peng, Zu Jing, Lin Zu-Seng. The study of buffer structure of on-board test’s circuit module in high shock. The proceeding of IMTC2003,USA,20~22 May,431~434
[31]杜红棉，加速度存储测试系统的研究，华北工学院硕士学位论文，2003
[32]袁希光，传感器技术手册，国防工业出版社，1986
[33]刘迎春，叶湘滨，传感器原理设计与应用，国防科技大学出版社，2002
[34]Patrick L.Walter, Ph.D.，The handbook of dynamic force，pressure and acceleration measurement.
[35]黄俊钦，静、动态数学模型的实用建模方法，1988
[36]Endvco产品手册
[37]R.R.Bouche, The absolute calibration of pickups on a drop-ball shock machine of the ballistic tyepe
[38]李玉龙，郭伟国，贾德新，徐绯，高g值加速度传感器校准系统的研究，爆炸与冲击，1997，17（1）
[39]王礼立,于同希,李永池,冲击动力学进展,中国科技大学出版社
[40]刘孝敏，胡时胜，应力脉冲在变截面SHPB锥杆中的传播特性，爆炸与冲击，
2000，20（2）.
[41]王金贵，气体炮原理及技术，国防工业出版社，2001
[42]程守洙，江之永，普通物理学，高等教育出版社，1997
[43]金志明，袁亚雄，内弹道气动力原理，国防工业出版社，1983
[44]程佩青，数字信号处理教程（第2版），清华大学出版社，2001
[45]黄文梅，信号分析与处理——MATLAB语言及应用，国防科技大学出版社，2000
[46]陈桂明，张明照，应用MATLAB语言处理数字信号与数字图像，科学出版社，2000
[47]徐玉野，小波分析及其在地震工程中的应用，工业建筑，2003，33（6）
[48]田颖,孙聿峰,李淑英，柴油机-燃气轮机联合动力装置实验台测试信号的小波分析，燃气轮机技术，2003，16（1）
[49]高峰，仪器仪表学报，2002，23（4）
[50]章步云，周书名，非平稳信号的傅立叶变换与小波分析的比较，通信技术，
2002，17
[51]冯象初，甘小冰，宋国乡，数值泛函与小波理论，西安电子科技大学出版社，2003
[52]孙贵青，杨德森，小波变换在瞬态信号检测中的应用，哈尔滨工程大学学报，
1998，19（1）
[53]秦前清,杨宗凯.实用小波分析，1994，西安电子科技大学出版社,
[54]Matlab6.1帮助
[55]胡昌华，张军波，夏军，张伟，基于MATLAB的系统分析与设计——小波分析，1999，西安电子科技大学出版社
[2]王道荣.高速侵彻现象的工程分析方法和数值模拟研究，中国科技大学博士学位论文，2002
[3] R.J.Franco,M.R.Platzbecker, MINIATURE PENETRATOR(MINPEN) ACCELERATION RECORDER DEVELOPMENT AND TEST,Telemetry Technology Development Department 2664,Sandia National Laboratories Albuquerque，NM，1998
[4] Togami T C, Baker W.E., Frrestal M.J. A split hopkinson bar technique to evaluate the performance of accelerometer. Journal of applied mechanics, June 1996,63:353~356
[5] Lawrence W.Burke，Edward Bukowski HSTSS battery development for missile and ballistic telemetry application.ARL-MR-447 May 2000
[6] Rohwer T.A.Miniature,Single Channel,Memory_based,High_G Acceleration Recorder. NTIS NO:DE00007272/XAB
[7] 12Bit 1,2,or 4channel high shock analog recorders,Instrumentation and engineering Service ,Inc.,February 1999.
[8] T.Rothacher and B.Giger,HIGH G BALLISTIC FLIGHT DATA RECORDER,18TH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON BALLISTICS SAN ANTONIO.TX.15-19 NOVEMBER.1999
[9] PYROSHOCK TEST CRITERIA.NASA TECHNICAL STANDARD
NASA-STD-7003.Space Administration MAY 18, 1999
[10]祖静,申湘南,张文栋.存储测试技术.兵工学报,1994,(4):30～34.
[11]马游春.高冲击存储测试系统.华北工学院硕士学位论文,2003.
[12]江小华,李豪杰,张河.基于微控制器的微型存储测试系统的设计.仪器仪表学报,2002,23(6):588-591.
[13]张文栋.存储测试系统设计理论及其在导弹动态数据测试中的实现.北京理工大学
博士论文.1995
[14]郭营川.美国动态测试技术一瞥.pp:56-65
[15]孟立凡，郑宾，传感器原理及技术，兵器工业出版社，2000.
[16]自动检测电子电路设计，太原机械学院翻印，1989.
[17]王远，模拟电子技术，机械工业出版社，1997
[18]郑君里，信号与系统，高等教育出版社，2000
[19]朱明武，李永新，动态测量原理，北京理工大学出版社，1993
[20]张瑞丰，精通Matlab6.5，中国水利水电出版社，2004
[21]程卫国，冯峰，Matlab5.3精要编程及高级应用，机械工业出版社，2000
[22]MAXIM Engineering Journal，第49期
[23]许善峰，21世纪微电子芯片设计技术发展方向，微电子学，2001，31（5）
[24]诸邦田，.电子线路抗干扰技术手册.北京科学技术出版社，1988.
[25]徐长福，火炮测试技术，兵器工业出版社，1993
[26]梁恩主，Protel 99 SE电路设计与仿真应用，清华大学出版社，2000
[27]徐鹏，泡沫铝叠片的压缩性能与高g值冲击缓冲吸能研究，已录用
[28]曾斐,潘艺,胡时胜. 泡沫铝的缓冲吸能评估及其特性.爆炸与冲击,2002,22(4),358~362
[29]潘艺,胡时胜,魏志刚. 泡沫铝动态力学性能的实验研究.材料科学与工程,2002,20(3)
[30]Xu Peng, Zu Jing, Lin Zu-Seng. The study of buffer structure of on-board test’s circuit module in high shock. The proceeding of IMTC2003,USA,20~22 May,431~434
[31]杜红棉，加速度存储测试系统的研究，华北工学院硕士学位论文，2003
[32]袁希光，传感器技术手册，国防工业出版社，1986
[33]刘迎春，叶湘滨，传感器原理设计与应用，国防科技大学出版社，2002
[34]Patrick L.Walter, Ph.D.，The handbook of dynamic force，pressure and acceleration measurement.
[35]黄俊钦，静、动态数学模型的实用建模方法，1988
[36]Endvco产品手册
[37]R.R.Bouche, The absolute calibration of pickups on a drop-ball shock machine of the ballistic tyepe
[38]李玉龙，郭伟国，贾德新，徐绯，高g值加速度传感器校准系统的研究，爆炸与冲击，1997，17（1）
[39]王礼立,于同希,李永池,冲击动力学进展,中国科技大学出版社
[40]刘孝敏，胡时胜，应力脉冲在变截面SHPB锥杆中的传播特性，爆炸与冲击，
2000，20（2）.
[41]王金贵，气体炮原理及技术，国防工业出版社，2001
[42]程守洙，江之永，普通物理学，高等教育出版社，1997
[43]金志明，袁亚雄，内弹道气动力原理，国防工业出版社，1983
[44]程佩青，数字信号处理教程（第2版），清华大学出版社，2001
[45]黄文梅，信号分析与处理——MATLAB语言及应用，国防科技大学出版社，2000
[46]陈桂明，张明照，应用MATLAB语言处理数字信号与数字图像，科学出版社，2000
[47]徐玉野，小波分析及其在地震工程中的应用，工业建筑，2003，33（6）
[48]田颖,孙聿峰,李淑英，柴油机-燃气轮机联合动力装置实验台测试信号的小波分析，燃气轮机技术，2003，16（1）
[49]高峰，仪器仪表学报，2002，23（4）
[50]章步云，周书名，非平稳信号的傅立叶变换与小波分析的比较，通信技术，
2002，17
[51]冯象初，甘小冰，宋国乡，数值泛函与小波理论，西安电子科技大学出版社，2003
[52]孙贵青，杨德森，小波变换在瞬态信号检测中的应用，哈尔滨工程大学学报，
1998，19（1）
[53]秦前清,杨宗凯.实用小波分析，1994，西安电子科技大学出版社,
[54]Matlab6.1帮助
[55]胡昌华，张军波，夏军，张伟，基于MATLAB的系统分析与设计——小波分析，1999，西安电子科技大学出版社