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線(xiàn)圈炮的測試和研究需要對大功率脈沖電容器上的電壓進(jìn)行測量。即在電容的額定電壓下對電容進(jìn)行不同電壓的充電，然后再對線(xiàn)圈進(jìn)行放電試驗以獲取彈丸的速度等重要參數。因此，高電壓的測量對于線(xiàn)圈炮的理論及實(shí)驗研究具有重要意義。該實(shí)驗室電容器組中的最小額定電壓為5 kV，最高為100 kV，因此，準確、安全的獲得高電壓值已成為亟待解決的問(wèn)題。 1 高電壓測量裝置的組成原理 本文所設計的基于光纖傳輸的高電壓測量裝置由高電壓分壓器、V／F (電壓／頻率)轉換器、光電信號轉換電路、光纖、單片機計算系統、LED顯示電路等組成。此裝置相對來(lái)說(shuō)，其結構比較簡(jiǎn)單，操作方便，而且具有較強的抗干擾能力，利用光纖傳輸能夠滿(mǎn)足遠距離測量要求。其基本工作原理框圖如圖1所示。 2 硬件設計 本測量裝置由高電壓分壓器、V／F(電壓／頻率)轉換器、光電信號轉換電路、光纖傳輸、單片機計算系統、LED顯示等電路構成。整個(gè)裝置以單片機為核心，并配以一定的外圍電路和軟件，從而實(shí)現特定的檢測功能。 2.1 高壓分壓電路的設計 高壓分壓電路就是按一定分壓比將被測高電壓變?yōu)榭梢詼y量的低電壓信號。其實(shí)現方法是通過(guò)分壓電阻來(lái)對其分壓，其電路原理如圖2所示。其中，輸入高電壓Ui經(jīng)分壓電阻分壓后與輸出低電壓Uout的分壓比為： n=R0／(R0+R) 由于R>>R0，所以可取n=R0／R，即：Uout=nUi。 設計時(shí)，選擇合適且物理性質(zhì)相似的電阻．可以提高分壓精度，因為所要確定的分壓比只與電阻的阻值有關(guān)。另外，在高壓電路中，也要求電阻具有較高的耐壓和耐熱特性。 2.2 電壓／頻率轉換電路 VFC32是美國B(niǎo)urr-Brow公司生產(chǎn)的VFC系列產(chǎn)品之一，它可以把輸入模擬電壓變換成相應頻率的輸出脈沖。利用它可以很方便地進(jìn)行調頻模擬信號的調制和解調。這樣，選擇合適的外圍元件便可以輸出與輸入電壓信號成一定比例關(guān)系的頻率信號。 VFC32的最高工作頻率為500 kHz。該器件的變換線(xiàn)性度很好，在10 kHz滿(mǎn)刻度頻率時(shí)，其最大非線(xiàn)性誤差僅為±0.01％，而在100 kHz滿(mǎn)刻度頻率時(shí)僅為±0.05％。該電路的雙電源工作電壓為±15 V，并可在±11～±20 V之間變化。 利用VFC32和相應的外接電路可以實(shí)現電壓和頻率的轉換。圖3所示是其壓／頻變換原理圖。設輸出脈沖的頻率為fout，周期為T(mén)OUT，單穩態(tài)輸出脈寬為T(mén)os(Tos=7500 C1)，那么，根據實(shí)驗室大功率脈沖電容上所測電壓的范圍及分壓器的分壓比便可確定R1和C1的具體數值。根據V／F轉換器的輸出頻率可得出下列公式： 可見(jiàn)，V／F轉換器的輸出頻率fout與輸入電壓Ui成線(xiàn)性關(guān)系。 2.3 光電信號轉換電路的設計 將頻率信號轉變?yōu)楣庑盘�，然后通過(guò)光纖進(jìn)行遠距離傳輸，即可實(shí)現高電壓與測量裝置的隔離，從而保證人員的安全。通過(guò)光纖傳輸光信號是，應先經(jīng)過(guò)光電轉換裝置將光信號轉換為電信號，然后進(jìn)人單片機以測量相應的頻率，進(jìn)而根據頻率與輸入電壓的關(guān)系求出高電壓值。 光信號發(fā)生系統的硬件由干電池、光纖收發(fā)器件和光纖組成。選擇光纖收發(fā)器件時(shí)，為了保證光信號很好的傳輸至光纖，須采用發(fā)散小、穿透力強的束狀光纖，然后通過(guò)光纖傳導裝置把光信號引出到光電轉換裝置。為此，可選用安華高科(Avago TECHNOLOGIES)公司的HFBR-1521Z，HFBR-2521Z光纖收發(fā)器。這組光纖收發(fā)器的最高傳輸速率為5MBd，完全可以滿(mǎn)足頻率信號的范圍。其工作原理如圖4所示。 光纖傳輸損耗小，且不易受外界條件的干擾，是光信號傳播的理想介質(zhì)。在選擇光纖的種類(lèi)時(shí)，必須兼顧多方面的要求。塑料光纖靈活柔韌，適用溫度范圍教大，且不易斷裂，可承受較大的應力載荷、撓曲與振動(dòng)，并可與所選光電器件配合使用，因而比較適合在實(shí)驗室布線(xiàn)使用。 本系統選用AT89C51單片機，并將頻率信號按圖5所示方式接人單片機。 本設計采用6位數碼管來(lái)顯示范0～20 kV的高電壓，并采用動(dòng)態(tài)顯示方式，數碼管選用共陽(yáng)極模式。動(dòng)態(tài)顯示可簡(jiǎn)化硬件電路，通�？蓪⑺形坏南鄳芜x線(xiàn)并聯(lián)在一起，以形成段選線(xiàn)的多路復用。而各位的共陽(yáng)極分別由相應的I／O口控制，從而實(shí)現各位的分時(shí)選通。本系統采用S8050來(lái)驅動(dòng)。其其連接方法如圖6所示。 3 軟件設計 本系統利用門(mén)信號GATE來(lái)啟動(dòng)定時(shí)器(如圖5所示)，并設定定時(shí)器／計數器T0為定時(shí)器，INT0為高電平時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器；而設定定時(shí)器／計數器T1為計數器，T1的電平由1到0時(shí)，計數器計數。 3.1 定時(shí)器設置 設置定時(shí)器的基本定時(shí)為50μs便可滿(mǎn)足測量的精度要求。因此，可采用門(mén)控方式觸發(fā)啟動(dòng)定時(shí)器，定時(shí)器T0的TMOD設置格式如下(控制字為9H)： 3.2 計數器設置 設定定時(shí)器／計數器T1為計數器，計數值為2。即當計數到1時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器；當計數到2時(shí)，中斷計數器T1。同時(shí)停止定時(shí)器的定時(shí)；在中斷方式，其計數器的優(yōu)先級高于定時(shí)器T0。計數器T1的TMOD的設置格式如下(控制字符為5H)： 計數器的計數初值為0FFFEH，預置為：(TH1)=0FFH，(TL1)=0FEH。 3.3 軟件程序代碼 對于單片機所測得的頻率信號，可經(jīng)過(guò)預先的算法將其換算成相應的高電壓值，然后通過(guò)數碼管顯示。高電壓范圍為0～20 kV，分壓比為1：2000，其頻率信號與高電壓的換算關(guān)系式為： 由于篇幅所限，本文只給出頻率測量部分的軟件代碼，而省去了高電壓值換算和LED數碼顯示部分的軟件代碼。其頻率測量部分的軟件代碼如下： 4 結束語(yǔ) 電磁發(fā)射技術(shù)是一種極有前途和發(fā)展潛力的推進(jìn)技術(shù)，是發(fā)射理論和技術(shù)領(lǐng)域的一次飛躍。它為解決人們對超高速、大質(zhì)量發(fā)射的要求開(kāi)辟了一條新的途徑。本文結合電磁線(xiàn)圈炮高功率脈沖電容的高電壓特點(diǎn)，并通過(guò)測量模型的建立，具體設計了一種實(shí)驗電路，并給出了軟件的編寫(xiě)方法。從實(shí)驗結果來(lái)看，此高電壓測量裝置的性能完全達到了預期的效果，而且具有較高的測量精度和良好的抗電磁干擾能力。 |
