磁后坐电机检测装置的光电测速方法

高俊岭，张 琦，符超群

（西安机电信息技术研究所 陕西 西安 710065）

磁后坐发电机的发电性能取决于磁芯穿过线圈的速度[1]，磁后坐电机检测装置是专用于对磁后坐电机进行测试的装置。该检测装置过去的标定方法是用马歇特锤击试验机或用标准磁电机进行测试标定。马歇特锤击试验机标定是用磁电机进行锤击试验后的电压与检测装置测试出电压进行对比，进而调整装置，该方法虽然比较准确，但操作具有一定的难度，且调试周期较长，而且需有相关专业人员配合。而标准磁电机标定只是一种固定的标定方式，具有局限性。结合这两种方式，就是在马歇特锤击试验机和检测装置上对标准磁电机作多次试验，标定检测装置刻度板，检测时以检测装置刻度板上的刻度为准，并逐一测试。这种方法也存在一定的误差，由于该装置的关键部件铝板长期使用应力减小，速度与刻度板不会成线性比例。这些标定方法，给磁电机的设计带来一定的影响，测试磁电机输出电压不准确，在电路中往往会出现输出电压不够引起引信瞎火或者电压过高烧坏电路[2]。通过了解，其他引信单位检测磁电机的装置，也是用马歇特锤击试验机标定，目前未见有该类测试检测装置的文献报道。针对这种情况，提出一种操作简洁、方便、测试准确方法来标定检测装置。根据磁电机原理和检测装置的特点，采用光电探测方法对磁后坐电机检测装置进行测速标定[3]。探测方法能准确测出速度，能动态调整检测装置的速度。光电测速法为磁电机在引信中的优化设计提供了可靠的理论依据，同时也保障了大批量磁后坐电机生产的安全性和可靠性。

1 磁后坐电机及其检测装置

1.1 磁后坐电机原理

磁后坐电机是由电枢和磁芯组成，磁芯在后坐力的作用下快速穿过电枢，通过磁通量的变化产生电压。

根据电磁感应定律，磁后坐电机的感应电动势的估算公式为:

式中，Δφ为磁芯通过电枢的变化的磁通量，Δt为磁芯通过电枢的时间。

式（1）中Δt与磁芯的速度有关系，而磁芯初速度越大时间就越短，输出电压就愈高，反之，愈小。

1.2 磁后坐电机检测装置

由于磁芯在电枢中的磁力很小，相对于加力板的力可以忽略不计，即加力板通过弹力打在磁芯上。加力板速度即近似于磁芯的速度。检测装置如图1所示。该装置上有3块长短不同铝板叠加做成加力板，3块对齐固定在抬床上，另一长端可以自由上下抬高。支撑板一端用合页固定在台床上，可以左右摆动便于操作，加力板抬高放在支撑板上支撑挡板上。磁后坐电机装置的台床上有一圆槽可以放磁后坐电机，电枢和台床平齐。检测电机时，用手扳动支撑板，加力板作用在磁芯上，磁芯穿过电枢中的线圈输出电压。

图1 磁后坐电机测试装置示意图Fig.1 Schematic diagram of magnetic setback generator testing device

2 光电测速系统

2.1 光电测速原理

根据磁后坐电机的原理，磁芯在后坐惯性力下穿过电枢，产生电压和通过电枢的速度有关系。由于加力板作用在磁芯上，和磁芯的速度很接近。因此，为了测试磁后坐电机检测装置加力板作用在磁芯上的速度，给加力板自由的一侧装上一个遮光板。如图1所示。测速装置盒上有一个发光源（LED发光二极管）和光电二极管（探测器）。

测速装置通电后，发光二极管产生光源照在光电二极管上，产生电流，输出电压脉宽信号。加力板作用磁芯以前，示波器测试该系统电路有高电平信号输出（1电平）。当加力板作用在磁芯上瞬间，加力板上的遮光板切断光通路，光电二极管无电流产生，电路输出信号转为低电平（0电平）；当遮光板完全通过时，发光二极管又照在光电二极管上，产生电流，输出信号为低电平（0电平）转为高电平（1电平），整个输出波形为电压脉宽信号。测时示意图如图2所示。

图2 测时示意图Fig.2 Schematic diagram of time measuring

光电测速原理框图如图3所示。

图3 测速原理框图Fig.3 Function block diagram of velocity measuring

设加力板的速度与磁芯的速度相同，速度计算公式：

d为遮光板的宽度；t为遮住光照的时间。

2.2 光电探测电路

光电测速法中用到的核心器件为光敏二极管也叫光电二极管[4]，光信号转换成电信号的光电传感器件，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时，有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时，饱和反向漏电流大大增加，形成光电流，它随入射光强度的变化而变化。

发光二极管VD1作为光源照在光电二极管VD2上，光电二极管作为光电探测器件所接收到的光信号一般都非常微弱，还有外界输入噪音产生，因此，要对这样的微弱信号进行处理，通过放大电路输出幅度合适、同时加上反向器取反为处理器所要求波形做准备，作为采集信号经过d/t变换经除法器完成运算直接将被测速度值由LCD显示[5]。发光二极管上电阻R1起到限流作用，运算放大器U1引入电压反馈使输出信号稳定（电阻 R4＞5R3），保证信号采集。图4为测时电路图。

图4 光电测时电路图Fig.4 Circuit diagram of optical electric time measuring

3 测试验证

将光电测速装置固定在磁后坐检测装置的平台上，如图1所示，测速装置接上12 V的稳压电源，再接上示波器显示电压脉宽信号。将加力板抬高放到支撑板的挡上，用手扳动支撑板，加力板通过测速装置，输出电压脉宽信号波形，通过示波器测出电压脉宽信号的时间。如图5所示。表1为示波器测时数据。

图5 遮住光照的时间波形Fig.5 time wave of sun shading

从表1测试的波形时间经计算对应的加力板速度为表2数据。加力板速度在10.47～11.08 v/m，即磁芯的速度。通过统计学的计算[6]，遮光板宽度分别6.05，5.04，4.05 mm，其速度散布为0.15%，0.12%，0.11%。从速度的散布可以看出遮光板宽度越小速度散布越小，越接近加力板的速度。

表1 电压脉宽波形时间Tab.1 Voltage pulse width wave time

表2 加力板速度Tab.2 Gusset plat velocity

用光电探测的方法标定既简单方便，测量速度又精确，支撑板不需要刻度只要调节的时间在规定范围之内。

4 结 论

本文对磁后坐检测装置提出了新的标定方法，该方法采用光电探测，用核心部件光敏二极管将光信号转换电信号，比过去机械测试误差更小，调试周期更短，操作更简单灵活。调试出的检测装置能更准确地测试出磁电机的电性能，为磁后坐电机的设计提供了可参考理论依据[7]。为了在实际应用中更加便利，下一步工作可以在系统电路中增加数据采集电路，直接将测试的数值显示在数码管或显示器上。目前，该方法的检测装置在生产和科研中已经投入使用。

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