基于X射線的單光幕多位置點測速裝置和測速方法與流程

本發明涉及非接觸精密測量領域，具體涉及一種基于X射線的單光幕多位置點測速裝置和測速方法。

背景技術：

炮口初速是表征常規兵器、彈藥及彈道特性的重要指標參數之一。在射擊武器和彈藥產品的科研、生產及產品試驗過程中，初速參數的檢測都是必不可少的。

高速運動物體速度的測量，一般可以分為三種：平均速度測量法、瞬時速度測量法以及多普勒原理測速法。目前最常用的就是平均速度測量法，平均速度測量法在前進方向上設置兩道光幕，通過測量光幕之間的距離以及通過光幕的時間來計算出速度。

彈丸飛出炮口后，經過后效區作用測得的炮口初速V₀并非彈丸脫離炮口瞬間的實際飛行速度，而是在假設彈丸脫離炮口后僅受空氣阻力和重力作用條件下，由后效區外彈道段上實際飛行速度外推至炮口的速度，由于彈丸在離開炮口后燃氣流在后效區對彈丸仍有一定加速作用，所以外推出的初速并不準確。因此，在高電磁干擾、強火焰條件下測出炮口的實際初速度至關重要。

在雙光幕的速度測量中，無法實現不同光幕之間嚴格平行，而且光幕的反應速度以及后續處理電路的速度也不可能完全的一致，這對速度很高經過光幕脈寬很小的飛行彈丸而言，會產生嚴重的測量誤差。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種基于X射線的單光幕多位置點測速裝置和測速方法，利于軟X射線的良好穿透性去透過炮口的等離子流和煙焰實現對彈丸的探測，并在一個X射線單光幕中平行等間距點上設置多個高速X射線接收器，實現對彈丸速度的精確測量。

實現本發明目的的技術方案為：一種基于X射線的單光幕多位置點測速裝置，包括X射線發射器、限輻罩、鉛板、X射線高速接收器、電流轉電壓電路、多級放大電路、FPGA抗干擾處理模塊、DSP數據處理模塊和直流電源供電模塊；

所述X射線發射器用于發射X射線；

所述限輻罩設置在X射線發射器的鏡頭前端，用于將X射線限定在設定的輻射角內；

所述鉛板設置在限輻罩的前端，中間設置有圓形通孔，用于對已限輻的X射線再一次限制輻射角；

所述X射線高速接收器并排且等間距設置在X射線發射器的光幕中，多個X射線高速接收器的連線與彈丸的飛行軌跡平行；X射線高速接收器用于測量入射的X射線的強度，并將強度轉換為電流；

所述電流轉電壓電路用于將X射線高速接收器得到的電流轉換為電壓；

所述多級放大電路用于將電壓信號進行放大；

所述FPGA抗干擾處理模塊用于對放大后的電壓信號進行抗干擾處理，即判定接收到波長的脈寬是否處于預定速度對應的脈寬值范圍內，將不在范圍內的脈寬剔除；

所述DSP數據處理模塊用于將FPGA抗干擾處理模塊得到的脈寬值轉換為時間值，根據彈長和時間值得到多個傳感器的速度值，根據設定的速度范圍剔除差值較大的數據，將速度進行求平均處理，得到炮口初速度；

所述直流電源供電模塊為電流轉電壓電路和多級放大電路供電。

一種基于X射線的單光幕多位置點測速方法，包括以下步驟：

步驟1，打開X射線發射器，利用X射線發射器前端限輻罩與鉛板形成有一定輻射角度的X射線的單光幕輻射區域；

步驟2，在單光幕輻射區域中的多位置點上并排且等間距放置X射線高速接收器，對X射線進行強度檢測并轉換為電流信號；

步驟3，將電流信號轉換為電壓信號，并對電壓信號進行多級放大；

步驟4，FPGA對接收到的信號進行抗干擾處理，即判定接收到波長的脈寬是否處于預定速度對應的脈寬值范圍內，將不在范圍內的脈寬剔除；

步驟5，DSP數據處理模塊將FPGA抗干擾處理模塊得到的脈寬值轉換為時間值，根據彈長和時間值得到多個傳感器的速度值，根據設定的速度范圍剔除差值較大的數據，將速度進行求平均處理，得到炮口初速度。

與現有技術相比，本發明的有益效果為：

(1)本發明使用帶圓孔鉛板限制X射線發射器的輻射角度，得到單光幕的X射線區域，通過在單光幕區域放置多個X射線高速接收器，來實現類似于多光幕的測試計量，單光幕多位置點接收器的設置，使得單光幕的效率達到最高，又避免多光幕的接收器延遲弊端以及相對位置的不平行；(2)X射線能夠穿透炮口焰與等離子體流，照射到彈丸上，彈丸經過時遮擋X射線高速接收器，影響其對X射線的接收量，捕捉這個過靶信號電流的變化就可以建立與速度的關系，從而實現在炮口對彈丸實際初速的精確測量。

附圖說明

圖1是本發明單光幕多位置點測速裝置的結構示意圖。

圖2是單光幕中多個傳感器數量及位置的計算示意圖。

圖3是傳感器連接時采用的電路設計圖。

圖4是圖1中A區域直流電源供電模塊的詳細結構示意圖。

具體實施方式

結合圖1，本發明的一種基于X射線的單光幕多位置點測速裝置，包括X射線發射器100、限輻罩101、鉛板102、X射線高速接收器120、電流轉電壓電路130、多級放大電路、FPGA抗干擾處理模塊160、DSP數據處理模塊170和直流電源供電模塊190；

所述X射線發射器100用于發射X射線；

所述限輻罩101設置在X射線發射器100的鏡頭前端，用于將X射線限定在設定的輻射角內；

所述鉛板102設置在限輻罩101的前端，中間設置有圓形通孔，用于對已限輻的X射線再一次限制輻射角；

所述X射線高速接收器120并排且等間距設置在X射線發射器100的光幕中，多個X射線高速接收器120的連線與彈丸的飛行軌跡平行；X射線高速接收器120用于測量入射的X射線的強度，并將強度轉換為電流；

所述電流轉電壓電路130用于將X射線高速接收器120得到的電流轉換為電壓；

所述多級放大電路用于將電壓信號進行放大；

所述FPGA抗干擾處理模塊160用于對放大后的電壓信號進行抗干擾處理，即判定接收到波長的脈寬是否處于預定速度對應的脈寬值范圍內，將不在范圍內的脈寬剔除；

所述DSP數據處理模塊170用于將FPGA抗干擾處理模塊160得到的脈寬值轉換為時間值，根據彈長和時間值得到多個傳感器的速度值，根據設定的速度范圍剔除差值較大的數據，將速度進行求平均處理，得到炮口初速度；

所述直流電源供電模塊190為電流轉電壓電路130和多級放大電路供電。

進一步的，所述X射線發射器100發射的X射線為軟X射線。

進一步的，所述X射線高速接收器120的數量為三個以上。

進一步的，所述多級放大電路包括一級放大電路140和二級放大電路150，所述一級放大電路和二級放大電路均采用THS芯片，保證獲得大電壓增益的同時整個電路有比較大的傳輸帶寬。

進一步的，所述DSP數據處理模塊具有FLASH模塊，用于在斷電情況下保存數據。

進一步的，所述X射線高速接收器120的供電電路中，并聯設置電解電容和104電容，用于濾出外界干擾；兩個電容的一端同時與X射線高速接收器120和直流電源供電模塊190連接，另一端接地。

進一步的，所述直流電源供電模塊190包括變壓器、整流橋和穩壓芯片，所述變壓器將市電電壓轉換為所需電壓值，所述整流橋對轉換后的電壓進行整流處理，所述穩壓芯片用于平穩電壓，輸出直流電壓。

進一步的，X射線高速接收器120的響應時間為ps級別。

一種基于X射線的單光幕多位置點測速方法，包括以下步驟：

步驟1，打開X射線發射器100，利用X射線發射器100前端限輻罩101與鉛板形成有一定輻射角度的X射線的單光幕輻射區域；

步驟2，在單光幕輻射區域中的多位置點上并排且等間距放置X射線高速接收器120，對X射線進行強度檢測并轉換為電流信號；

步驟3，將電流信號轉換為電壓信號，并對電壓信號進行多級放大；

步驟4，FPGA對接收到的信號進行抗干擾處理，即判定接收到波長的脈寬是否處于預定速度對應的脈寬值范圍內，將不在范圍內的脈寬剔除；

步驟5，DSP數據處理模塊170將FPGA抗干擾處理模塊160得到的脈寬值轉換為時間值，根據彈長和時間值得到多個傳感器的速度值，根據設定的速度范圍剔除差值較大的數據，將速度進行求平均處理，得到炮口初速度。

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

實施例

參見圖1，本實施例的基于X射線的單光幕多位置點測速裝置，主要包括X射線發射器100、限輻罩101、鉛板102、X射線高速接收器120、電流轉電壓電路130、一級放大電路140、二級放大電路150、FPGA抗干擾處理模塊160、DSP數據處理模塊170、PC顯示模塊180和直流電源供電模塊190。

X射線發射器限輻罩101安裝在X射線發射器100的鏡頭前端，能夠將X射線限定在40度的輻射角內。帶圓孔鉛板102放置在所述X射線發射器限輻罩101的前端，能夠對已限輻的X射線進行再一次限制輻射角，調整到所需要光幕的角度。飛行彈丸110處于X射線高速接收器120與X射線發射器100之間，且彈丸初始方向與兩者之間的連線垂直。所述X射線發射器100選擇連續發射型的，并提前彈丸發射2秒以上打開，保證發射出的X射線較均勻穩定，不會產生大的輻射量變化。所述X射線高速探測器120根據單光幕的寬度決定接收器的個數。多個高速X射線接收器等間距放置，分別與電流轉電壓電路130連接，在X射線高速探測器120與電流轉電壓電路130之間，需要并聯設置電解電容與104電容，不能對其直接電壓負偏置。所述電流轉電壓電路130接在X射線高速接收器120的后面，接收探測器內部光電轉化后的微弱電流信號，并把這個變化的電流信號轉化為變化的電壓信號，從而便于后續電路的處理。所述一級放大電路140和二級放大電路150將微小的電壓信號進行放大處理，采用THS芯片進行放大，芯片內部為二次放大，因此兩級放大電路一共放大了四次。這種放大電路的設計，保證了大帶寬要求的大小，而且也能夠實現大的電壓增益。所述直流電源供電模塊190將市網電壓轉化為直流電壓信號，并給電流轉電壓電路130、一級放大電路140、二級放大電路150供電。所述FPGA抗干擾處理160主要是通過FPGA檢測脈沖的寬度來實現對信號的判斷，在檢測前預知發射彈丸的速度范圍，根據這個速度范圍計算出彈丸經過X射線高速接收器120所產生的脈沖寬度范圍，當接收到的信號不在這個脈沖寬度范圍內時，說明非彈丸信號可能是外界環境中某些物體在發射前恰好經過接收器或者是電路干擾的影響，需要對這些信號進行舍棄。脈沖寬度的檢測主要方式是利用硬件FPGA設備對接收到的脈沖按一定時間間隔進行計數，計數值與FPGA計數器時間周期的乘積就是所接收脈沖的寬度數值。設FPGA計數的時間周期為t，飛行彈丸的長度為L，X射線單光幕在X射線接收器位置處的厚度為d，接收信號的脈沖寬度為T，FPGA計數設備計數值為k。根據速度范圍內的最低值V1計算出來正常接收狀態下合理脈沖寬度的最小值T₁。

最小脈沖寬度計算的基本公式為：根據預估的最大速度計算出接收脈沖的最大寬度脈沖最大寬度與最小寬度確定后，就可以屏蔽外界的信號干擾。

所述DSP數據處理模塊能夠根據測得的脈寬時間得到彈丸在炮口的初始速度。因為在單光幕中設置了多個X射線高速傳感器，DSP對本次實驗的多路傳感器信號做數據處理，對計算出來的多個初始速度做平均處理，從而得到更為準確的炮口初始速度。單光幕多位置點傳感器的設置，能夠在單光幕中實現多光幕的測量，還能夠避免多光幕測量的弊端。所述DSP數據處理模塊還具有記憶功能，能夠在斷電時保存往次實驗的數據。經過DSP的數據處理不僅能夠得到單次實驗彈丸的準確速度，也能夠根據模塊中記憶單元的數據綜合得到往次同型號實驗彈丸在炮口的平均速度。所述DSP數據處理模塊能夠進行大數據量的分析，從而得到該型彈丸在炮口速度數據的加權平均值以及標準誤差，并給出彈丸精確地速度分布。所述PC電腦顯示模塊用于對用戶的數據顯示，把所述DSP數據處理模塊的單次分析結果與往次綜合分析結果展示給用戶。

圖2是單光幕中多個傳感器數量及位置的計算示意圖，設X射線發射器與X射線高速接收器之間的距離為S，X射線發射器的輻射角度為δ，接收器安裝位置在單光幕中的總長度為N，探測器的長度為C，相鄰探測器之間的距離為M，X射線高速接收器在單光幕區域中能夠安裝的最大個數J。建立三者之間的關系，由相似三角形可以得：

在測量進行時，先調整好X射線發射機，確定輻射角度δ，X射線發射器與X射線高速接收器之間的距離S也是測試之前就定的，于是在單光幕中能夠安裝X射線高速接收器的總長度為：

X射線高速接收器長度方向的尺寸為C，在選型時即確定，安裝之間的間距設置為M，于是通過上述公式可以確定X射線高速接收器在單光幕區域中能夠安裝的最大個數：

圖3是X射線高速接收器120連接時采用的電路設計圖，X射線高速接收器120在連接電流轉電壓電路前，需要直流供電電源190為其提供正常工作的電壓。直流電源供電模塊190與X射線高速探測器連接時，需要加一個電解電容C11與104電容C15并聯的電路，來屏蔽外界的干擾。電解電容能夠屏蔽高頻信號的干擾，104電容能夠屏蔽低頻信號的干擾，使得直流電源信號比較穩定。X射線高速接收器的3管腳與電源連接，1管腳接地，2管腳將接收到X射線的變化量光電轉化成電流后輸出給后續的電路。

圖4是圖1中A區域直流電源供電模塊的詳細結構示意圖，市民電網1901的電壓為220V，在使用時，需要先利用變壓器1902把220V交流電的高壓變成十幾伏特的交流電，在利用整流橋1903將交流電變為直流電。本實施例中使用能提高交流電效率的單相橋式整流電路，它由四個二極管組成，把交流電轉換成直流電，但是輸出的電壓仍然具有很大的波動性。在整流橋1903后面接上一個穩壓芯片1904，就可以實現輸出直流電壓的穩定，其輸出的直流電壓1905波動性很小，滿足直流供電電源的基本要求。