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線圈炮的測試和研究需要對大功率脈沖電容器上的電壓進行測量。即在電容的額定電壓下對電容進行不同電壓的充電，然后再對線圈進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圈炮的理論及實驗研究具有重要意義。該實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。此裝置相對來說，其結構比較簡單，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為可以測量的低電壓信號。其實現方法是通過分壓電阻來對其分壓，其電路原理如圖2所示。其中，輸入高電壓Ui經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，選擇合適且物理性質相似的電阻．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。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Burr-Brow公司生產的VFC系列產品之一，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系的頻率信號。 VFC32的最高工作頻率為500 kHz。該器件的變換線性度很好，在10 kHz滿刻度頻率時，其最大非線性誤差僅為±0.01％，而在100 kHz滿刻度頻率時僅為±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TOUT，單穩態輸出脈寬為Tos(Tos=7500 C1)，那么，根據實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，V／F轉換器的輸出頻率fout與輸入電壓Ui成線性關系。 2.3 光電信號轉換電路的設計 將頻率信號轉變為光信號，然后通過光纖進行遠距離傳輸，即可實現高電壓與測量裝置的隔離，從而保證人員的安全。通過光纖傳輸光信號是，應先經過光電轉換裝置將光信號轉換為電信號，然后進人單片機以測量相應的頻率，進而根據頻率與輸入電壓的關系求出高電壓值。 光信號發生系統的硬件由干電池、光纖收發器件和光纖組成。選擇光纖收發器件時，為了保證光信號很好的傳輸至光纖，須采用發散小、穿透力強的束狀光纖，然后通過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光纖收發器。這組光纖收發器的最高傳輸速率為5MBd，完全可以滿足頻率信號的范圍。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。在選擇光纖的種類時，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，并可與所選光電器件配合使用，因而比較適合在實驗室布線使用。 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位數碼管來顯示范0～20 kV的高電壓，并采用動態顯示方式，數碼管選用共陽極模式。動態顯示可簡化硬件電路，通常可將所有位的相應段選線并聯在一起，以形成段選線的多路復用。而各位的共陽極分別由相應的I／O口控制，從而實現各位的分時選通。本系統采用S8050來驅動。其其連接方法如圖6所示。 3 軟件設計 本系統利用門信號GATE來啟動定時器(如圖5所示)，并設定定時器／計數器T0為定時器，INT0為高電平時，啟動定時器；而設定定時器／計數器T1為計數器，T1的電平由1到0時，計數器計數。 3.1 定時器設置 設置定時器的基本定時為50μs便可滿足測量的精度要求。因此，可采用門控方式觸發啟動定時器，定時器T0的TMOD設置格式如下(控制字為9H)： 3.2 計數器設置 設定定時器／計數器T1為計數器，計數值為2。即當計數到1時，啟動定時器；當計數到2時，中斷計數器T1。同時停止定時器的定時；在中斷方式，其計數器的優先級高于定時器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，可經過預先的算法將其換算成相應的高電壓值，然后通過數碼管顯示。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 電磁發射技術是一種極有前途和發展潛力的推進技術，是發射理論和技術領域的一次飛躍。它為解決人們對超高速、大質量發射的要求開辟了一條新的途徑。本文結合電磁線圈炮高功率脈沖電容的高電壓特點，并通過測量模型的建立，具體設計了一種實驗電路，并給出了軟件的編寫方法。從實驗結果來看，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。 |
