一种气流致声发电机弹载能量采集检测装置
阅读说明：本技术 一种气流致声发电机弹载能量采集检测装置 (Detection device for acquiring missile-borne energy of airflow sound-generating motor ) 是由 陈荷娟 李京昊 李智鹏 张建铭 沈嫣秋 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：一种气流致声发电机弹载能量采集检测装置,本发明属于引信电源技术领域。利用弹丸发射后迎面气流作用于弹体,气流入气流致声发电机的入流调制结构,在空腔内气流诱发生成边棱音,产生一个稳定的激励声波,该声波通过共振腔结构传播到达底部,压电换能元件感受到声波后引起谐振并将振动能转换成电能,通过能量采集电路将压电换能元件输出的交流电压转换成直流电压并加在负载两端,数字信号采集与存储电路中的A/D转换电路将负载两端的直流电压信号转换为数字信号,存储电路的单片机采集该数字信号并存储在了闪存芯片中,从而实现弹载发电能量的实时采集与存储功能,由此实现气流致声发电机发电能量利用和控制。(The invention discloses an airflow sound-generating motor missile-borne energy acquisition and detection device, and belongs to the technical field of fuse power supplies. The projectile is used for launching the head-on airflow to act on a projectile body, the airflow enters an inflow modulation structure of an airflow sound-generating motor, the airflow in a cavity induces and generates edge tones to generate stable excitation sound waves, the sound waves are transmitted to the bottom through a resonant cavity structure, a piezoelectric transduction element induces resonance after sensing the sound waves and converts vibration energy into electric energy, alternating current voltage output by the piezoelectric transduction element is converted into direct current voltage through an energy acquisition circuit and is applied to two ends of a load, an A/D conversion circuit in a digital signal acquisition and storage circuit converts direct current voltage signals at two ends of the load into digital signals, a single chip of the storage circuit acquires the digital signals and stores the digital signals in a flash memory chip, and therefore the real-time acquisition and storage functions of missile-borne power generation energy are achieved, and utilization and control of power generation energy of the airflow sound-generating motor are achieved.)
技术领域
本发明属于引信电源技术领域，涉及动态发电能量检测技术，尤其涉及作为引信专用电源输出功率的弹载检测，能够适应弹丸发射、飞行环境，采集和检测引信用气流致声发电机发电能量的一种气流致声发电机弹载能量采集检测装置。
背景技术
引信用电源一般用一次性化学电池或物理电源,与民用电池和电源不同之处在于其平时不发电、供电，只有在发射环境下弹丸正常飞行过程中被激发发电并供电。气流致声发电机，是当今引信领域的一种新型电源，满足引信使用环境。该发电机在弹丸飞行中由弹外的不稳定的迎面气流激励，具有输出功率和电压信号较稳定的特征。为了满足引信使用要求，在工程化研制、产品生产中需要一种实时并快速检测发电功率、存储能量的检测手段。
气流致声发电机的激励气流流过管道后诱发出一个声波信号，会引起结构振动，利用压电换能原理，将这种弹丸飞行中遇到的迎面气流转化为电能。因这种发电机输出为交流电压信号，而实际应用电路需要直流电供电，所以，需要进行交直流转换。典型的引信电源交直流转换电路是一个简单的二极管半波或全波整流电路。而气流致声发电机输出微功率、能量随迎面气流而波动，普通二极管式交直流转换电路无法能够实现其最大效率转换的需求，于是，为气流致声发电机设计了一种新型的同步电荷采集与存储电路。
普通的交直流转换电路采用标准能量采集电路，由一个全桥整流电路和一个滤波电容构成，前者完成交-直流变换，后者完成电荷存储。全桥整流电桥将压电元件输出的交流电转换成波纹较大的直流电，并联较大的滤波电容保证波纹较小的输出电压。标准能量采集电路拓扑结构简单，输出电压连续，但是能量采集效率较低。国内有介绍利用FPGA进行模拟量的采集存储的方法，供电后采集编码模块控制将AD采集电路发回的数字信号进行编码写入FIFO模块，并不断循环，待收到起飞标志，FLASH读写控制模块从FIFO模块中读取数据并存入FLASH芯片。另一种方法是，飞行过程结束接受外部控制指令，FLASH读写控制模块读取FLASH芯片中的数据并写入FIFO，再通过通讯接口读取FIFO模块数据并发送给外部。利用FPGA控制的方法操作复杂。弹丸空间有限，这些方法中模块多占体积不能采用，FPGA能耗较大不适合在引信中使用。
在引信电源技术领域，还没有专门供弹丸飞行中引信工作使用的实时能量采集的装置。气流致声发电机装在弹上使用，飞行中遇到的迎面气流随机性很大，弹丸飞行速度较快，这就是造成了快速能量采集与存储电路设计的困难。为此，提出了一种快速弹载能量检测与存储的装置，对气流致声发电机应用于引信很有必要，也可为设计和产品化提供技术，具有重要的应用意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有引信系统中电源供电的不足之处，提供一种气流致声发电机弹载能量采集的检测装置。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种气流致声发电机弹载能量采集检测装置，包括气流致声发电机、带有能量采集电路和数字信号采集与存储电路的弹载能量采集电路；所述的气流致声发电机由置于引信头部的入流调制结构和共振腔结构组成，通过一个带台阶的外壳和金属盖之间的螺纹连接，将两者连接为一个整体，其中入流调制结构位于外壳上端，面向入流进口；共振腔结构位于外壳下端，与入流调制结构之间留有空腔，保持空腔距离；金属盖将弹载能量采集电路中能量采集电路的压电换能元件压紧在共振腔结构底部，压电换能元件输出两端与能量采集电路的两极相连接；能量采集电路的交直流转换电路输出两端接负载两端；负载与数字信号采集与存储电路的A/D转换电路连接，然后再接入数字信号采集与存储电路的存储电路并接计算机PC读取数据和显示信号曲线。
所述的气流致声发电机的进气端与外壳通过螺纹连接，将入流调制结构紧压在外壳上，入流调制结构与外壳形成狭窄状侧隙。金属盖与外壳也采用螺纹连接，将共振腔结构和压电换能元件依次紧压在外壳上；入流调制结构、共振腔结构与引信同轴，共振腔结构内的尖棱正对入流调制结构的侧隙，两者之间留有空腔，外部的迎面气流通过入流调制结构，在空腔诱发声波，通过共振腔结构将该声波作用于压电换能元件；外壳在空腔位置周向均匀开有若干个倾斜的排气口。
所述的外壳在空腔位置周向优选为八个倾斜的排气口。
所述的弹载能量采集电路由能量采集电路和数字信号采集与存储电路组成，能量采集电路中压电换能元件的一面朝向共振腔结构底部，直接敏感迎面气流诱发的声波。
所述的能量采集电路由压电换能元件和交直流转换电路两部分组成，交直流转换电路与负载直接连接。
所述的压电换能元件被金属盖压在共振腔结构底部外的带台阶端空腔内，边缘是铜片，与外壳直接接触构成刚性壁面，中心是陶瓷，在中心处焊接一个导线直接与交直流转换电路的一端连接，在铜片上也焊接一根导线，金属盖上开有6mm的小孔，导线通过小孔引出接能量采集电路。
所述的交直流转换电路由GaN整流桥、滤波电容、稳压二极管组成，其中，GaN整流桥是由四个GaN二极管构成的全桥整流电路；GaN整流桥的一个输入端连接压电换能元件中心引出的导线，另一输入端焊接到金属盖的小孔中铜片上焊接的导线，输出端直接连接滤波电容两端；滤波电容输出端连接稳压二极管两端；稳压二极管直接接负载。
所述的负载是大电阻和小电阻的串联电阻，小电阻两端并联连接A/D转换电路构成电压分压器，大电阻=8.2kΩ，小电阻=1kΩ，当稳压二极管电压为30V，保证小电阻两端电压小于3.3V，可以保护数字信号采集与存储电路避免烧坏。
所述的数字信号采集与存储电路包括A/D转换电路和存储电路两部分，A/D转换电路的输入端分别与小电阻两端连接，输出端并联连接存储电路，当需要读取检测数据时可以将存储电路输出端直接与计算机连接。
所述的A/D转换电路为一个模拟/数字转换器。
所述的存储电路是由8051单片机和FLASH闪存芯片构成。
在弹丸发射后，空中弹丸作减加速度飞行，迎面气流作用于弹体，此时气流经过位于弹丸头部的引信的进气道进入气流致声发电机的入流调制结构，在空腔内气流诱发生成边棱音，产生一个稳定的激励声波，该声波通过共振腔结构传播到达底部，压电换能元件感受到声波后引起谐振并将振动能转换成电能（电荷），通过能量采集电路将压电换能元件输出的交流电压转换成直流电压并加在负载两端，数字信号采集与存储电路中的A/D转换电路将负载两端的直流电压信号转换为数字信号，存储电路的单片机采集该数字信号并存储在了闪存芯片中，在实验室模拟测试或射击回收后，可以将存储电路的数据通过计算机PC读出或绘制曲线，也可以将存储电路的数据为引信中其他装置所利用，从而实现弹载发电能量的实时采集与存储功能，由此实现气流致声发电机发电能量利用和控制。
附图说明
：图1为气流致声发电机能量采集弹载检测示意图；
图2为气流致声发电机能量采集弹载检测原理图；
图3为气流致声发电机结构示意图；
图4为弹载能量采集电路示意图。
图中，1、气流致声发电机；2、弹载能量采集电路；Y、弹丸头部的引信；B、引信进气道；A1、入流调制结构；A2、共振腔结构；A3、压电换能元件；A4、交直流转换电路；A5、A/D转换电路；A6、存储电路；Z、负载； E、空腔；11、外壳；12、金属盖；13、排气口；21、能量采集电路；22、数字信号采集与存储电路；D1、D2、D3、D4、GaN二极管；C1、滤波电容；ZD、稳压二极管；R1、大电阻；R2、小电阻；PC、计算机。
具体实施方式
：
见附图1～4，一种气流致声发电机弹载能量采集检测装置，包括气流致声发电机1、带有能量采集电路21和数字信号采集与存储电路22的弹载能量采集电路2；所述的气流致声发电机1由置于引信头部的入流调制结构A1和共振腔结构A2组成，通过一个带台阶的外壳11和金属盖12之间的螺纹连接，将两者连接为一个整体，其中入流调制结构A1位于外壳11上端，面向入流进口；共振腔结构A2位于外壳11下端，与入流调制结构A1之间留有空腔，保持空腔距离E；金属盖12将弹载能量采集电路2中能量采集电路21的压电换能元件A3压紧在共振腔结构A2底部，压电换能元件A3输出两端与能量采集电路21的两极相连接；能量采集电路21的交直流转换电路A4输出两端接负载Z两端；负载Z与数字信号采集与存储电路22的A/D转换电路A5连接，然后再接入数字信号采集与存储电路22的存储电路A6并接计算机PC读取数据和显示信号曲线。
所述的气流致声发电机1的进气端与外壳11通过螺纹连接，将入流调制结构A1紧压在外壳11上，入流调制结构A1与外壳11形成狭窄状侧隙。金属盖12与外壳11也采用螺纹连接，将共振腔结构A2和压电换能元件A3依次紧压在外壳11上。入流调制结构A1、共振腔结构A2与引信同轴，共振腔结构A2内的尖棱正对入流调制结构A1的侧隙，两者之间留有空腔E，外部的迎面气流通过入流调制结构A1，在空腔E诱发声波，通过共振腔结构A2将该声波作用于压电换能元件A3。外壳11在空腔E位置周向均匀开有若干个倾斜的排气口13。
所述的外壳11在空腔E位置周向优选为八个倾斜的排气口13。
所述的弹载能量采集电路2由能量采集电路21和数字信号采集与存储电路22组成，能量采集电路21中压电换能元件A3的一面朝向共振腔结构A2底部，直接敏感迎面气流诱发的声波。
所述的能量采集电路21由压电换能元件A3和交直流转换电路A4两部分组成，交直流转换电路A4与负载Z直接连接。
所述的压电换能元件A3被金属盖12压在共振腔结构A2底部外的带台阶端空腔内，边缘是铜片，与外壳11直接接触构成刚性壁面，中心是陶瓷，在中心处焊接一个导线直接与交直流转换电路A4的一端连接，在铜片上也焊接一根导线，金属盖12上开有6mm的小孔，导线通过小孔引出接能量采集电路21。
所述的交直流转换电路A4由GaN整流桥、滤波电容C1、稳压二极管ZD组成，其中，GaN整流桥是由D1、D2、D3、D4四个GaN二极管构成的全桥整流电路；GaN整流桥的一个输入端连接压电换能元件A3中心引出的导线，另一输入端焊接到金属盖12的小孔中铜片上焊接的导线，输出端直接连接滤波电容C1两端；滤波电容C1输出端连接稳压二极管ZD两端；稳压二极管ZD直接接负载Z。
所述的负载Z是大电阻R1和小电阻R2的串联电阻，小电阻R2两端并联连接A/D转换电路A5构成电压分压器，大电阻R1=8.2kΩ，小电阻R2=1kΩ，当稳压二极管ZD电压为30V，保证小电阻R2两端电压小于3.3V，可以保护数字信号采集与存储电路22避免烧坏。
所述的数字信号采集与存储电路22包括A/D转换电路A5和存储电路A6两部分，A/D转换电路A5的输入端分别与小电阻R2两端连接，输出端并联连接存储电路A6，当需要读取检测数据时可以将存储电路A6输出端直接与计算机PC连接。
所述的A/D转换电路A5为一个模拟/数字转换器。
所述的存储电路A6是由8051单片机和FLASH闪存芯片构成。
在弹丸发射后，空中弹丸作减加速度飞行，迎面气流作用于弹体，此时气流经过位于弹丸头部的引信Y的进气道B进入气流致声发电机1的入流调制结构A1，在空腔E内气流诱发生成边棱音，产生一个稳定的激励声波，该声波通过共振腔结构A2传播到达底部，压电换能元件A3感受到声波后引起谐振并将振动能转换成电能（电荷），通过能量采集电路21将压电换能元件A3输出的交流电压通过交直流转换电路A4转换成直流电压并加在负载Z两端，数字信号采集与存储电路22中的A/D转换电路A5将负载Z两端的直流电压信号转换为数字信号，存储电路A6的单片机采集该数字信号并存储在了FLASH闪存芯片中，在实验室模拟测试或射击回收后，可以将存储电路A6的数据通过计算机PC读出并绘制曲线，也可以将存储电路A6的数据为引信中其他装置所利用，从而实现弹载发电能量的实时采集与存储功能，由此实现气流致声发电机发电能量利用和控制。
以上实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种基于温差发电的管道流体信号发射系统