基於透光率表徵的光電式槍口煙檢測系統分析研究
基於透光率表徵的光電式槍口煙檢測系統分析研究
潘偉傑，周克棟，赫雷，杜恩武，李茂林，江劍
(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)
作者簡介：潘偉傑(1990—),男,碩士研究生,主要從事武器系統實驗與測試技術研究。
本文引用格式：潘偉傑，周克棟，赫雷，等.基於透光率表徵的光電式槍口煙檢測系統分析研究[J].兵器裝備工程學報，2017(4):137-140.
Citation：format:PAN Wei-jie, ZHOU Ke-dong, HE Lei, et al.Research on a Photoelectric Detection System of Muzzle Smoke of Small Arms Based on the Characterization of Light Transmittance[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):137-140.
摘要：針對槍口煙具有流動性、瞬態性以及難以捕捉等特性，設計了一種槍口煙定量測試系統，該系統分別測量出激光穿過有煙與無煙時槍口煙霧收集器的感光電壓，並計算出透光率表徵槍口煙濃度。原理樣機的試驗結果表明：該系統性能可靠，工作穩定，測試結果準確可信，為槍口煙的測試提供了一種重要的手段。
關鍵詞：槍口煙；激光法；定量測試；煙霧箱
「煙霧」是一種在時間和空間上失去控制的泄漏現象[1]，具有形態不穩定、存在時間短、受環境影響大等特點。因此，如何可靠收集和檢測煙霧，一直是煙霧研究領域面臨的主要問題。目前，學界對於煙霧的收集和檢測研究方法很多，例如基於小波的視頻煙霧檢測技術[2]、基於飄動性分析的視頻煙霧檢測方法[3]、基於紅外圖像的煙霧檢測方法[4]等。對於軍工領域來說，槍械的膛口煙霧收集和檢測一直是研究的重點和難點，相比於普通的煙霧，膛口煙霧彌散更快，且由於鈍感劑(DBP)的加入，使得在產生煙霧的同時還會產生噴焰[5]等現象，所以其收集和檢測顯得尤為複雜和困難。
為此，採用光電法的原理，設計了一種新型槍口煙檢測系統，利用煙箱將煙霧收集起來，用經過調製的光源射入煙箱中，比較有煙和無煙時的感光電壓，以透光率來表徵煙霧濃度，實現對煙霧的檢測，評估實驗彈藥的性能和配方。採用煙箱法收集槍口煙，具有成本低，受環境影響小，可重複測量的特點[6]。
1 設計原理
自動武器射擊時的膛口煙霧是由發射葯燃燒形成的氣體、火藥未充分燃燒形成的殘渣等組成的混合氣體溶膠，由於其成分複雜、外形多變，存在時間短暫，採用一般檢測方法很難進行。採用比爾—郎伯原理，可以克服煙霧檢測過程中的這些困難。
如圖1所示，當強度為I的光源透過厚度為b的煙霧層時，由於煙霧對於光源的吸收、反射和散射作用，使得穿過煙霧層的光源強度衰減為I。根據比爾郎伯定律
(1)
式中：A為吸光度；T為透光率。式(1)的含義是：當一束平行單色光垂直照射到樣品時，樣品的吸光度與樣品的濃度及光程(樣品的厚度)成正比。而透光率
(2)
所以，只要能夠測出入射前的光強I和入射後的光強I，就可以得出該煙霧的透光率。
圖1 比爾-郎伯原理示意圖
2 系統總體方案設計
2.1 系統組成
所設計的光電式槍口煙檢測系統主要由以下幾部分組成：
1) 煙霧收集部分。由槍口煙的收集裝置、收彈裝置和一些輔助機構組成，主要用於收集槍口煙，以便檢測。
2) 光路部分。包括光源的固定、調整，光電池的安裝、更換以及電源控制裝置等，確保光源能夠達到檢測所需的條件。
3) 電路部分。產生信號，並將光源信號轉化成的電信號進行信號處理、分析，給出處理結果。
4) 軟體部分。設計開發相應的軟體，實現對系統的控制、操作和數據處理，提高系統的人機功效。
系統的結構框圖如圖2所示。
圖2 槍口煙檢測系統結構框圖
煙霧收集裝置收集煙霧，經過調製的激光源發射激光，穿過煙霧收集裝置被下側的光路部分接收，信號傳輸到電路中，然後再向軟體傳輸，進行處理。
2.2 煙霧收集裝置
槍口煙收集裝置，即煙霧箱，除了要具有普通煙霧收集裝置的密封性之外，還要考慮承受射擊時流入其中的火藥燃氣產生的動態壓力和收集子彈等功能因素，因此，在充分考慮實驗彈種的來源並給出足夠安全係數的情況下，設計了安全煙霧收集裝置。如圖3所示，煙霧收集裝置主要包括煙霧收集箱、排氣扇、泄壓機構和集彈器。
圖3 煙霧收集裝置結構示意圖
2.3 光路設計
本檢測系統需要測出槍口煙在煙箱內擴散穩定後的透射光強I和入射光強I，由於重力的作用，煙霧擴散穩定後會產生分層，所以，光路垂直方向布置，如圖4所示。
圖4 光路布置示意圖
由於激光的平行度好，散射小，相同距離上的能量消耗也小，所以本槍口煙測試系統採用激光作為光源，可對激光進行調製，使其滿足檢測要求。光源裝置上加工一段導軌，用於對激光的光程進行調節，保證實驗初始條件的一致性。
根據光路布置，無煙時採集到的光強是光束照射到光電池上的光強，並不等同於入射光強I。系統採用650 nm的紅激光，這個波長的激光傳輸時的衰減以散射為主，不考慮吸收，根據激光在單程垂直路徑大氣傳輸中的透光率計算式[7-9]
(3)
其中：k1是地面的粒子散射函數，其大小等於0.199 km-1；k2是粒子散射標高的倒數，其大小等於0.83 km-1；k3是地面分子散射函數，其大小等於0.012 4 km-1；k4是分子散射標高的倒數，其大小等於0.13 km-1，系統的光程長度最大值為h=450 mm，代入式(3)，計算得T1=99.99%，即激光穿過箱體內部照射到光電池上，能量衰減很小，小於0.01%，可近似認為=I。故
(4)
2.4 電路設計
電路是整套光電式槍口煙檢測系統的重要部分。電路的組成如圖5所示。
圖5 電路組成示意圖
電路部分主要由電源轉換模塊、光電池、前置放大模塊、二級放大模塊、方波發生電路、鎖相放大模塊以及數據採集模塊組成。方波發生電路產生的方波信號有兩個作用：作為激光光源的調製信號和鎖相放大器的參考信號。調製的光源經過煙霧收集箱之後，透射光射入光電池，光電池感光後輸出電壓信號，該信號的頻率與調製信號的輸出信號頻率相同，光電池輸出的電壓信號先經過前置放大電路進行放大處理，然後通過二級放大電路濾除直流分量，再經過鎖相放大器，信號相乘後通過低通濾波，信號只保留直流分量，該直流分量經過AD轉換器，將數據送入微機處理，顯示屏顯示測量結果，同時數據傳輸到上位機。
2.5 軟體設計
本軟體採用LabVIEW虛擬儀器平台進行編寫，LabVIEW的圖形化編程語言，在操作界面上與現實儀器完全一樣[10]，直觀性很強，通過軟體實現以下功能：
1) 實驗初始條件和環境條件設置；
2) 實驗對象參數設置；
3) 測量下位機的採集和數據傳輸；
4) 數據實時採集；
5) 數據採集參數設置；
6) 數據處理、保存和報告列印。
為了實現上述功能，本軟體採用分頁式軟體界面，將軟體主界面、參數信息設置界面以及實驗操作主界面分開，各有重點，區別特徵明顯，方便操作使用。軟體參數信息設置界面如圖6所示。
圖6 軟體參數信息設置界面
檢測時，測量電路對實驗數據進行實時採集，並對採集的數據進行比較判斷，當數據大於設定的煙霧產生判定閾值時，說明煙霧已經產生，此時的信號數據記為透射後的信號數據。軟體接著判斷煙霧是否擴散穩定，判斷煙霧擴散穩定的方法是在軟體中設計演算法，將透射後某一給定時間段採集的數據平均值與其前一相同時間段採集的數據平均值相減，當差值絕對值大於煙霧擴散穩定判定閾值時，表明煙霧還未擴散穩定，當差值絕對值小於煙霧擴散穩定判定閾值時，表明煙霧擴散穩定。煙霧一旦擴散穩定，則根據分段採集擴散穩定後的電壓數值，計算擴散穩定後的透射電壓。由於光電池在光的照射下會產生光電流，其公式為
B=SI
(5)
其中：B為產生的光電流；S是光電池的光電靈敏度，和光電池本身的特性有關；I是照射到光電池表面的光強[11]。結合式(4)及式(5)，有
(6)
式(6)表明，有煙和無煙時的光電流的比值即為透光率，由於信號要進行濾波、放大處理，基於電路處理的信號多是電壓形式，因此，在電路中加入反饋電阻，將光電流轉換成電壓，然後進行處理並顯示，因此有
(7)
將有煙霧時測得的透射電壓與無煙霧時測得的透射電壓作比，即可計算得到透光率T。
3 實驗與分析
3.1 實驗平台構建
光電式槍口煙檢測系統實驗平台如圖7所示。
圖7 槍口煙檢測系統實驗平台示意圖
實驗平台主要由實驗台架、實驗槍械、槍械夾具以及槍口煙檢測系統幾個部分組成，其中，槍械夾具和槍口煙檢測系統都是通過螺栓與實驗台架牢固連接，保證實驗裝置在射擊衝擊下的穩固性。連接時，先將槍口煙檢測系統緊固在實驗台架上，然後將槍口伸入箱體中，調整好槍身，使槍管軸線保持水平，然後調整夾具夾緊實驗槍械。隨後在軟體界面進行設置，並進入實驗操作主界面，開始實驗。
3.2 實驗數據分析
不失一般性，實驗槍械選用某7.62 mm突擊步槍，該槍配屬彈種為7.62 mm普通彈，實驗為單發射擊，5發為一組。為了驗證系統的穩定性與可靠性，每天進行一組實驗，共進行了3組實驗，實驗結果如下。
1) 7.62 mm普通彈(第一次實驗)
第一次實驗結果如表1所示，可以看出，實驗數據比較穩定，計算得出7.62 mm普通彈的平均透光率為71.9%，極差為3.1%。
表1 7.62 mm普通彈透光率測試結果1
序號無煙電壓/V有煙電壓/V透光率/%14．132．9972．424．232．9770．134．263．0270．544．293．1573．354．293．1573．2
2) 7.62 mm普通彈(第二次實驗)
第二次實驗結果如表2所示，本組實驗數據可以看出7.62 mm普通彈的透光率穩定，計算平均透光率為69.84%，極差為4.6%。
表2 7.62 mm普通彈透光率測試結果2
序號無煙電壓/V有煙電壓/V透光率/%14．342．9167．024．383．1271．234．353．0369．644．453．1469．854．443．1871．6
3) 7.62 mm普通彈(第三次實驗)
第三次實驗結果如表3所示，實驗結果表明7.62 mm普通彈的平均透光率為72.1%，極差為2.6%，3組實驗數據最大偏差均小於5%，數據穩定，具有很好的重複性。
表3 7.62 mm普通彈透光率測試結果3
序號無煙電壓/V有煙電壓/V透光率/%14．503．3173．524．363．1672．434．393．2072．844．373．1070．954．373．1070．9
利用Matlab軟體對實驗數據進行處理，並將得出的曲線同時顯示在坐標軸上。
從圖8可以發現，每組實驗數據的曲線透光率數值基本一致，集中在70%左右，3條曲線的重合度高，進一步證明了設計的光電式槍口煙檢測系統工作穩定。
圖8 透光率測試結果
4 結束語
本文的光電式槍口煙檢測系統設計合理，安全可靠，密封充分，能夠很好地完成槍口煙霧的有效收集、穩定擴散、安全收彈和快速排氣等功能。光學部分的光源調製和調節方便。電路各模塊功能區分明顯，邏輯性高，電路搭建直觀簡單。軟體和檢測系統的對接良好，界面可讀性和操作性都很強，數據的輸入輸出、分析處理、設備控制的各功能控制項工作正常。經過實驗驗證，該光電式槍口煙檢測系統穩定性和重複性高，為槍械槍口煙的檢測提供了重要的手段，具有廣闊的應用前景。
小編學非該專業，內容以原文為準。
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