侵彻过程中弹头表面瞬态温度测量系统*

张 磊，王 利，亓浩名

（中北大学机电工程学院，太原 030051）

0 引言

弹头碰击目标时，具有一定动能，故对介质有一定的侵彻作用。弹头在侵彻过程中，将与目标产生剧烈的滑动摩擦，摩擦所做的功绝大部分将转变为热能，从而导致弹头表面温度瞬间产生突变。若弹道受某种因素的影响产生偏离，则弹头圆周上不同点的受力情况有所差异，各点的温升变化将有显著异同。因此研究弹丸侵彻介质过程中弹头表面瞬态温度变化，有助于了解侵彻过程中的目标内部阻力、滑动摩擦力、实际弹道规律等情况，对于后续研究侵彻弹道修正、提高打击精度具有重要意义。

早期人们对侵彻过程中弹头温度的测量只能采取间接方法。例如将弹头射入硫磺、火药或硝化棉，通过这些易燃物是否燃烧来间接判断弹头的大概峰值温度；通过在弹头内插入一个易熔金属芯进行测温实验，如插入伍德合金芯则在65℃～70℃时融化，插入钴铋锡合金芯在95℃时融化，插入铅铋合金在125℃时融化，由此提供弹头温度范围。间接方法得到的温度误差较大，实验结果分布较广。文中采用接触式测温方法，直接用薄膜热电偶测量弹头侵彻温度，以C8051F340高速单片机为微控制器。瞬态测温系统将随弹丸一起侵彻目标介质，实时采集存储侵彻过程中弹头表面温度的变化情况。

1 系统原理

整个测量系统由信号采集模块、冷端温度补偿模块、C8051F控制模块以及数据存储模块组成，如图1所示。系统在上电后，开始循环采样，薄膜热电偶捕捉到有瞬态温度变化时将输出微小的电势差，经放大电路送入C8051F340单片机内部10位ADC转换器进行模数转换，同时检测转换值是否达到触发条件。

当满足触发条件后，测量片内温度传感器温度以消除冷端误差，对冷热端温度值进行数据处理，并将其暂存到外扩SRAM中。待全部数据采集完毕后，将数据一次性导入掉电不丢失的W25X80闪存中。存储完毕后，系统进入休眠状态以降低功耗。测试系统回收后，闪存内的数据通过串口传送给计算机，进行后续数据处理和分析，最终绘出弹丸侵彻介质过程中温度场的变化曲线。

图1 系统原理框图

2 硬件构成及工作原理

2.1 温度传感器

弹丸种类不同、初速不同、目标介质不同，则弹丸侵彻的持续时间不同。本测试系统针对37mm某榴弹，以200m／s、500m／s的初速分别射向木质、沙堆、混凝土等不同的无限厚介质，侵彻时间约为10～50ms。

普通温度传感器的动态响应时间一般在1～10s的范围内，信号延迟严重，无法达到瞬态测温的目的。本系统采用厚度为12.5μm的镍铬－镍铝薄膜热电偶（K型），它是美国RdF公司生产的 Micro－Foil系列金属箔表面热电偶，这种热电偶体积小，热惯性极低，与安装表面热耦合大，响应时间在1～5ms之间，可在－160℃～815℃温度范围内测量，基本可以满足系统的测温速度。

K型热电偶在800℃时的热电势为33.2754mV，信号比较微弱故需放大。C8051F340内部ADC基准电压VDD为3.0V，则放大倍数为3000／33.2754≈100，故采用两级放大，每级放大10倍。

2.2 热电偶冷端温度补偿

由热电偶的测温原理可知，测量端（热端）与基准端（冷端）的热电势有如下关系：

即热电偶测量端的热电势与工作环境温度下的热电势之和是热电偶在冷端为摄氏零度时的热电势[1]。由于侵彻时间只有几十毫秒，热电偶冷端被封装在弹头内部，与金属外壁进行了有效的热隔离，因此冷端环境温度可近似认为稳定。C8051F340单片机内置温度传感器，可通过片内ADC直接输出冷端环境温度值，无需另设计冷端补偿电路。

2.3 C8051F340单片机

本系统是以Silicon Laboratories公司生产的C8051F340单片机为核心。340内部集成10位逐次逼近寄存器型ADC，转换速率为200ksps，ADC可工作在单端方式或差分方式，可被用于测量端口引脚电压或温度传感器，能够满足系统采样精度、采样频率的要求。

片内有高达64KB的FLASH程序存储器，可在系统编程。数据存储器空间有4352KB的内部RAM，片外可扩展64KB的XRAM，能用于小容量数据缓冲。另外，340单片机采用3.3V供电，有灵活的电源管理方案，适合于低功耗应用[2]。

2.4 Flash存储模块设计

由于Flash的存储速度较慢，本系统增加一级无等待状态32KB的静态存储器（SRAM）。经过ADC转换的采集数据在单片机控制下先存入外扩RAM中，待数据采集完毕，将数据一次性导入Flash，从而保证存储速度，不至于丢失信号。根据本测温系统的要求，测试时间很短，属于毫秒级，采用一片W25X80即可满足要求。图2所示为Flash存储器与单片机的接口图。

图2 Flash存储器与C8051F340单片机接口图

W25X80是Winbond公司的1MB的串行Flash高速存储器，具有双重SPI输出能力，是普通SPI接口2倍的速率，其强化时钟脉冲可达75MHz，在双重输出功能下传输速率可达150MHz，每个脉冲可提供两位数据输出。内部分为4096页，每页为256字节的存储单元，每页写入的最大时间为2ms，它具有体积小、密度高、功耗低、价位低、操作简单等特点。

3 软件设计

软件设计的关键是数据采集、存储和读取，包括AD采样频率的设置、AD采样时间的控制、存储触发点的判断、数据存储地址空间的分配、数据存储和读取的时序控制、C8051F340与PC机的通讯。

系统封装前首先要对Flash存储器进行擦除，然后烧入主程序。系统上电后，通过判断P1.0位I／O端口的状态选择数据写入与读出。若为高电平，系统执行数据采集及存储程序，即系统不断循环采样判断触发条件，在接收到触发信号后，采样值经外扩RAM的缓冲，存入Flash存储器；若为低电平，系统执行数据读取程序，即单片机控制Flash存储器向PC机串行发送数据，便于后期分析与处理。

系统采集瞬态温升信号，要设置适当的触发方式及触发电平才能捕捉到瞬态信号。本系统采用负延迟触发，单片机将采样值和预先设定的阈值进行比较，当采样值大于阈值时给出触发信号。程序设计中编写的触发阈值为0.25V，查询K型热电偶分度表约为60℃。

4 静态实验结果

为了验证系统的静态性能，需在系统静止条件下，对薄膜热电偶瞬间加热，系统实时采集突变温度数据，检验系统的精度、响应时间等指标。打火机可在瞬间加热，其外焰与空气接触，充分燃烧温度可达到上千度，内焰温度较低可达到600℃，因此系统利用打火机瞬态内焰温度对测温系统进行静态测试。图3～图5左侧是实测的温度曲线，其中横轴代表采样时间，纵轴代表实际的电压幅值。右侧是从Flash存储器中读取的温度曲线，其中横轴代表采样点，纵轴代表与温度对应的采样电压值。实验时，快速按下、弹开打火机，使加热时间尽量缩短。

图3 第一次测量的温度曲线

图4 第二次测量的温度曲线

图5 第三次测量的温度曲线

前两次实验系统采样频率为40kHz，采样时间为400ms，从实验结果可看出实测曲线与Flash中读取的曲线基本一致。第一次实验采集的峰值电压为2.72V，约为650℃，误差为0.7%，根据温度曲线计算热电偶响应时间为38.8ms。第二次实验手略有抖动，采集的峰值电压为2.62V，约为620℃，误差为0.8%，热电偶响应时间为25.9ms。

第三次实验系统采样频率为300kHz，受静态RAM容量限制采样时间为50ms，由于侵彻时间约为10～50ms，因此可以满足整个侵彻过程的温度存储。50ms时采集的电压为1.68V，约为410℃，误差为1.2%。

在后续动态实验中将针对37mm某榴弹，以200m／s、500m／s的初速分别射向木质、沙堆、混凝土等不同的无限厚介质，初步估算侵彻时间约为10～50ms。经过静态实验测试，系统采样频率可调，最高为300kHz，系统误差＜1.5%，数据存储速率为800Kbps，基本可以满足后续动态实验的要求。根据曲线计算热电偶响应时间为25～40ms，由于利用打火机模拟瞬态升温过程是人工完成，火焰与热电偶的接触时间、接触位置不好把握，所以根据曲线测得响应的上升时间存在一定误差。在薄膜热电偶产品说明书上明确其响应时间在1～5ms范围内，因此初步判断此款薄膜热电偶可满足实弹射击实验要求。

5 结束语

获得侵彻过程中弹头温度的变化，可进一步了解侵彻致伤机理、弹头侵彻受力情况、弹道运动规律等，本系统以C8051F340高速单片机为微控制器，设计一个基于薄膜热电偶的瞬态温度采集存储系统，用于采集弹体侵彻过程中的温度变化情况。通过打火机模拟瞬间升温的静态实验，表明系统具有较好的动态响应，测量准确度高，能采集存储完整的实时温升信号，其采样频率、数据存储速度可以满足后续动态射击实验要求。但弹头侵彻介质过程中，测试环境恶劣，伴有高阻高冲击，因此下一步需验证系统的抗冲击性能。

系统具有体积小、成本低、精度高、响应快、操作简单等优点，可推广应用于多种瞬态温度信号采集场合，如发动机尾焰温度、膛口气流温度、爆发器内壁温度等。

[1]赵勇，伍先达.高精度温度快速测量系统设计[J].自动化与仪器仪表，2008，140（6）：21－23.

[2]Silicon Laboratories.C8051F34xdatasheet[OL].http：／／www.silabs.com.Revision0.5.