传感器与微系统(T ransducer and M i c rosyste m T echno l og i es) 2010年第29卷第6期设计与制造
火炮炮管内膛窥视与测径系统开发
李保章1，谷进军2
(1.河北科技大学机械电子工程学院，河北石家庄050018;
2.河北科技大学教务处，河北石家庄050018)
摘 要：系统采用视觉成像技术实时窥视炮膛内壁状况(裂纹、烧蚀斑点和局部阳线断裂等)，利用微位
移传感器和微机测控技术采集炮膛内径数据，采用上下位机通信机制进行数据传输，由下位机完成数据采
集，上位机完成数据分析处理，从而实现炮管内膛高清晰窥视和内径高精度测量，以及炮管的寿命预测。
该系统已成功应用于某部地炮维修中心，实际测量结果表明：该系统内膛窥视图像清晰，寿命预测准确，能
够满足炮膛内膛窥视与测径要求。
关键词：炮管；内径测量；寿命预测；窥视
中图分类号:TH744.3 文献标识码:A 文章编号:1000
9787(2010)06 0092 03
The bore peek and dia m eter m easure m ent
syste m of gun tube
LI Bao zhang1,GU Jin j u n2
(1.School ofM echan ical and E lec tron ic Engineering,H eb ei Un iversity of S cien ce and T echnology,
Sh ijiazhuang050018,Ch ina;
2.Teach i ng A ffairs O ffice,H ebei Un iversity of Scien ce and T echnology,Sh ijiazhuang050018,Ch ina)
Abstract:T he computer v isi on i m ag i ng technology is adopted to peek gun t ube s bo re,such as crackle fla w,
ab l a tion sta i n,local fli ng rib rupture and so on.M icro displace m ent nso r and m icrocomputer m easurement and
contro l techno logy are applied to sa m ple the i nner d i am eter data.T he data trans m ission i s rea lized by t he upper
and lo w er compu ter communicati on m echan i s m,data process i ng is carr i ed out by the upper co m puter and da ta
acqu isi on i s carried out by the lower co m pute r.The gun t ube s bore and i nner dia m eter can be peeked and
m easured w ith h i gher prec i s i on,and t he gun t ube s life predicti on a lso can be ga i ned.The sy stem has been
successfull y appli ed i n g round a rtillery m aintenance cente r of a depart m ent,and the actual m easuring result
i nd i cates that the gun tube s bo re can be peeked c lea rl y and the life predicti on is accurate,so the sy stem canm eet
the need o f bore peek and d i ame ter m easurem ent.
瑜伽老师培训K ey word s:gun tube;d i ame ter m easurem ent;life pred i c tion;peek
0 引 言
我国现役各种型号火炮数量巨大[1]，部队每次训练完后都要对装备进行检查维修和保养，火炮炮膛因其细、深的结构特点，使得传统的从炮口目视检查法和简单机械式炮膛检查工具只能做到非常粗略和大概的判断，难于得到精确的数据和准确的结论[2~4]。因此，部队基层炮兵战士、火炮维修保障人员急需先进炮膛检测工具。一些军事院校和科研院所也曾开发过炮管内径测量装置，但是由于不能适应各种口径型号火炮测量需要，并且缺少内膛窥视功能，所以，未能大范围推广。本文介绍的炮管内膛窥视与测径系统，采用微型针孔高清防抖摄像机、微米级微位移传感器、毫米级拉线位移传感器，分别采集、存储、处理炮膛表面烧蚀状况(摄像机采集视频信号)、炮膛磨损量(径向位移)，实时检测位置(检测位置与炮口距离)3个物理量，并开发了界面友好，数据处理能力强的测控分析软件。磨损量数据库查询功能与内径磨损动态曲线，为判断管形深孔内膛的性能指标提供了可靠依据。实际测量结果表明：该系统内膛窥视图像清晰，内径测量误差小于0.05mm。
1 系统组成与测量原理
系统的组成如图1所示。
测量时，用图像传感器(摄像机)对火炮身管内膛进行实时窥视，显示所测部位的内壁故障[5]；测径传感器采用微
收稿日期:2010 03 23 92
第6期 李保章，等：火炮炮管内膛窥视与测径系统开发
图1 系统结构原理示意图
F i g 1 Pri nci ple di agra m of syste m structure
位移传感器对火炮炮管内膛直径的磨损量进行检测；深度传感器利用拉线传感器获取当前测量点距炮口的深度值。以上3种传感器获取的测量信息由单片机(下位机)采集后，经串行通信将这些测量信息上传到PC 机(上位机)，在PC 机上进行数据信息的存储、处理和炮管剩余寿命的预测等，并实时显示内膛窥视图像，轴向、径向磨损数值和身管的剩余寿命值。2 传感器装夹装置
2.1 图像传感器装夹机构
图像传感器装夹机构如图2所示，用一个调节螺钉来实现图像传感器的上下移动来调节焦距，保证内膛壁的清晰显示。通过滑动轴承与测径传感器装夹机构连接实现沿炮膛轴线的自由旋转
。
图2 摄像机装卡示意图Fig 2 F ixati on di agra m of cam eraintroduced
2.2 测径传感器装夹机构
测径传感器采用结构为杆状的回弹式差动变压器式位移传感器。如图3所示，测径传感器轴线过圆形筒的中心线并使两者相互垂直。适配环外径与炮膛内径一致，对于线膛炮适配环外轴面上对应膛线绕
度开槽，通过适配环外径与炮膛内径的过渡配合实现测径组件轴线与身管轴线的
重合。
图3 测径传感器安装示意图
F i g 3 Fixati on diagra m of dia m eter m easure m ent nsor
垫块有2个作用:1)保护测径传感器测头不被磨损;2)用其来调节传感器的测量零点。
在机械装置设计中，针对各型火炮口径不同，线膛炮与
滑膛炮不同，膛线绕度不同的特点，采用更换适配环，而不更换测量系统本体的情况下，实现了一套
设备兼容检测多个炮种的功能，大大提高了系统的通用性。3 图像与数据的采集
3.1 内膛窥视图像的采集
采用高清晰防抖动的摄像设备采集图像，图像采集卡将视频信号数字化，通过数据总线传递到计算机。由计算机程序进行图像处理，得到相应的窥测图像，再对图像进行数字化处理，实现了炮管内膛状况的实时成像，图4(a),(b),(c)分别为检测到的裂纹、内壁斑点、局部阳线断裂图。
图4 检测图像Fig 4 Detected i m age
3.2 轴向与径向数据采集
单片机系统实现数据的采集，径向传感器输出信号滤波后经CH 0通道进入MAX 196进行A /D 转换。轴向传感器为拉线式位移传感器，输出信号进行滤波后经C H 1通道实现A /D 转换。两路信号由单片机采集后，通过串行通信传送至上位机或者存储在单片机内部的数据存储区(RAM )。通信部分利用单片机内部UART 模块，外加电平转换芯片MAX 232与计算机进行异步串行信息的收发。采用通用的M ODB U S RTU 通信规约与上位机进行查询式实
时通信[6,7]。
4 上位机数据处理软件
单片机采集了数据后，通过串行通信将数据由下位机(单片机)传送到上位机(PC 机)，由上位机完成数据的管理、存储及分析等。系统软件用可视化面向对象的VB 程序设计语言开发而成，功能模块构成如图5所示。
图5 软件组成模块F ig 5 M odule of soft ware
5 测径实验
为了验证系统测径功能的工程实用性，用该系统分别对1954式122mm 榴弹炮,L59 1式130mm 加农炮进行了实际测量，每门炮直径测量120次，并对火炮当前剩余寿命进行了预测，用该系统预测值与火炮出厂时给出的标准值进行比对，测量数据分别如表1与表2所示。
93
传感器与微系统 第29卷
表1 1954式122mm 榴弹炮测量数据Tab 1 M ea s ure m ent data of 1954how itzer
内径磨损量( m )初速下降(%)剩余寿命(%)剩余寿命标准值(%)
8.860.0499.098.78.830.0499.098.58.850.0499.098.88.870.0499.099.18.84
0.04
99.0
99.3
表2 L59 1式130mm 加农炮测量数据Tab 2 M easure ment da ta of L59 1cannon
内径磨损量( m )初速下降(%)剩余寿命(%)剩余寿命标准值(%)
496.780.0593.092.8495.960.0593.092.6497.230.0692.892.7497.860.0792.392.1495.73
0.05
93.0
93.2
由测量数据可以看出：该测量系统内径测量精度为0.1 m，剩余寿命预测结果与标准值吻合较好，能满足实际使用要求。6 结 论
本文介绍了炮管内膛窥视与测径系统，采用微型针孔高清防抖摄像机、微米级微位移传感器、毫米级拉线位移传感器，分别采集、存储、处理炮膛表面烧蚀状况(摄像机采集视频信号)、炮膛磨损量(径向位移)，实时检测位置(检测位置与炮口距离)3个物理量，并开发了界面友好，数据处理能力强的测控分析软件。磨损量数据库查询功能与内径磨损动态曲线，为判断管形深孔内膛的性能指标提供了可靠依据。实际测量结果表明：该系统内膛窥视图像清晰，内径测量精度为0.1 m，能满足实际使用要求。参考文献:
[1] 谈乐斌.火炮概论[M ].北京：北京理工大学出版社,2005.[2] 马 宏，白素平.火炮膛线尺寸光电技术研究[J].长春理工
大学学报,2005,25(2):107-110.
[3] 赵 栋，程远增.基于CCD 小口径炮膛质量检测系统[J].自
动测量与控制,2008,27(9):116-122.
[4] 白庆本.基于CCD 成像和计算机图像处理技术的火炮内膛自
renslaer polytechnic institute
动检测[J].计算机测量与控制,2002,10(2):124-126.[5] 黄风山，岳彦芳.光笔式视觉传感技术中控制点坐标测量值
的修正[J].传感技术学报,2007(11):2513-2516.null什么意思
[6] 崔占平，吕爱民.高精度长身管内径测试方法研究[J].测试
技术学报,2000,14(7):93-98.nextel
[7] Robust K L.B.On li ne detecti on of p i peline corrosi on from range
d ata[J].M ach i n
e V isi on and Appli cati on,2001,6(12):291-304.
usually是什么意思作者简介:in order to
李保章(1963-)，男，河北大城人，硕士，副教授，研究方向为现代制造技术。
(上接第88页)
表2 电压与高度之间的关系
Tab 2 The rel a ti ons hi p bet ween vo ltag e and height
输入高度(mm )
输出电压(m V)
最小二乘拟合
非线性偏差
220.619.6250.975431.932.03928571-0.139286643.844.45357143-0.653571856.656.86785714-0.2678571068.669.28214286-0.6821431281.681.69642857-0.0964291494.794.110714290.58928616
106.8
106.525
0.
考研英语作文模板275
图5 输入高度与输出电压F ig 5 O utput hei ght and out put vo ltage
高度与采集电压的数据关系如图5所示，表明调理电路在输入高度与采集电压具有良好的线性关系。线性拟合的数学模型为
y =6.1135x +7.1991.
通过对拟合直线与理论直线每测量点对应的误差计算
可得
2016英语四级答案L m ax =0.975mV .则线性度误差为
e L =!
L ma x y FS ∀100%=!0.975(mV )
5000(mV )
=!0.0195%，是可行的。4 结 论
该传感器的信号调理电路简单，易于集成，可操作性强，通过实验，证实设计的电路可行，且具有较高的线性度。该电路没有对硬件提出较高的要求，而是充分发挥计算机的优势，直接将两路传感器通过基本一致的调理电路后，用A /D 采集卡采集到计算机中，在软件上加以计算，达到与硬件合成相同的目的。参考文献:
[1] 张维胜.倾角传感器原理和发展[J].传感器世界,2001(8):1.[2] 曹茂永，王 霞.仪用放大器AD620及应用[J ].电测与仪
表,2000(10):1-3.
[3] 张英全.模拟电子技术[M ].北京：机械工业出版社,2000:50-67.[4] 樊尚春.传感器技术及应用[M ].北京：北京航空航天大学出
版社,2004:23-54.
作者简介:
朱洪涛(1962-)，男，江西南昌人，硕士，教授，博士生导师，主要研究方向为机械电子工程、传感器技术、计算机技术。
94
