CH628135A5 - Elektromagnetischer annaeherungszuender. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Annäherungszünder zum Zünden der Ladung eines Ladungsträgers, wenn sich dieser in einer gewissen Entfernung von einem 50 metallischen Objekt befindet.

Die meisten der bekannten Annäherungszünder verwenden elektromagnetische Wellen, z. B. Ultrakurzwellen, Infrarotwellen und Lichtwellen. Auch magnetisch wirkende Annäherungszünder sind bekannt, die im Falle, dass das Erdmagnetfeld rund 55 um ein aus Eisen hergestelltes Objekt deformiert ist, angewendet werden. Der Annäherungszünder weist ein Abtastsystem in Form von Wicklungen auf, in denen eine EMK induziert wird,

wenn sich das Magnetfeld, in denen die Wicklungen liegen,

ändert. Erreicht ein Ladungsträger mit einem magnetischen 60 Annäherungszünder ein Ziel, das Eisenteile enthält, bewirkt die induzierte EMK einen Stromanstieg im Abtastsystem, der als Zündimpuls für den Gefechtskopf des Ladungsträgers verwendet werden kann. Aufgrund der vergleichsweise geringen Änderung im Erdmagnetfeld ist es in der Praxis nicht möglich, das vorste- 65 hend beschriebene Prinzip bei Annäherungszündern, die in einer genau bestimmten Entfernung vom Ziel in Funktion treten sollen, anzuwenden.

Ziel der Erfindung ist es, einen elektromagnetischen Annäherungszünder zu schaffen, der die Zündung nur einleitet, wenn sich ein metallisches Objekt in einer genau bestimmten Entfernung vom Ladungsträger befindet, insbesondere bei derart kleinen Entfernungen von 0,5 bis 1,5 m, und der unabhängig davon, ob sich das Erdmagnetfeld ändert oder ob das Ziel aus Eisen hergestellt ist oder nicht, in Funktion tritt.

Dieses Ziel wird mit dem eingangs genannten elektromagnetischen Annäherungszünder erfindungsgemäss erreicht durch eine Sendereinheit zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes, durch eine Empfängereinheit in der unter dem direkten Einfluss des elektromagnetischen Feldes eine elektromotorische Kraft und unter dem Einfluss des durch das metallische Objekt erzeugten Feldes auch eine Stör-EMK induziert wird und durch Schaltkreise zum Auseinanderhalten der Stör-EMK und der direkt induzierten EMK und zur Abgabe eines Wirksignals in Abhängigkeit der Stör-EMK.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines Annäherungszünders;

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe dessen die Funktion der Sendereinheit, der Empfängereinheit und der Signalprozessoreinheit des Annäherungszünders erläutert wird, und

Fig. 3a und 3b ein anderes Ausführungsbeispiel mit einer Steuerschaltung.

In Fig. 1 ist schematisch der Kopf einer Rakete 1 dargestellt, in dem ein Ausführungsbeispiel des Annäherungszünders eingebaut ist. Das Merkmal, welches im Prinzip für den Annäherungszünder charakteristisch ist, bildet eine Sendereinheit in Form einer Generatorwicklung 2, welche ein elektrisches Feld erzeugt, das nach bekannten Naturgesetzen im Raum verteilt wird. Die Generatorwicklung 2 wird in einem Querschnitt der Rakete so angeordnet, dass das erzeugte elektrische Feld in einer im wesentlichen nach vorn gerichteten Richtung wirksam ist. Das Feld hat eine Komponente in Längsrichtung der Rakete und eine Komponente, die rechtwinklig zur erstgenannten Komponente, d. h. in Richtung quer zur Rakete liegt.

Der Annäherungszünder weist ferner eine Empfängereinheit in Form einer Sensorwicklung 3 auf, die in einem Abstand von der Generatorwicklung 2 in der Raketennase angeordnet ist. Wird die Sensorwicklung einem elektromagnetischen Feld ausgesetzt, so wird eine elektromotorische Kraft in die Wicklung induziert.

Die Sensorwicklung kann in einer Ebene, die unter einem Winkel von 90° zur Längsachse und der Rakete liegt, angeordnet werden. Die Sensorwicklung nimmt dann hauptsächlich Objekte wahr, die in der Längsrichtung der Rakete liegen. Es ist jedoch möglich, die Sensorwicklung in einer parallel zur Längsachse der Rakete liegenden Ebene anzuordnen. Dann nimmt die Sensorwicklung hauptsächlich Objekte wahr, die in vertikaler Richtung liegen. Im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist die Sensorwicklung in einer Ebene angeordnet, die unter einem Winkel <90° zur Längsachse der Rakete liegt. Eine derartige Anordnung kann zur Wahrnehmung eines Objektes, das sich schräg voraus in senkrechter Richtung befindet, vorteilhaft sein.

Ein Teil des in der Wicklung 2 erzeugten elektromagnetischen Feldes B1 wird via dem Raketenkörper auf die Sensorwicklung 3 gerichtet und bewirkt ein Ansteigen der in die Wicklung direkt induzierten elektromotorischen Kraft. Befindet sich ein metallisches Objekt 4 in der Nähe der Rakete, trifft ein Teil B2 des elektromagnetischen Feldes auf das Objekt und es entsteht ein Wirbelstrom iv im Metall. Der Wirbelstrom iv bewirkt dann ein Ansteigen eines elektromagnetischen Störfeldes B,, welches eine Stör-EMK in der Sensorwicklung erzeugt. Durch Auseinanderhalten der Stör-EMK und der direkt induzierten EMK ist es

möglich, die Anwesenheit eines metallischen Objektes festzustellen. Die Art und Weise, in welcher dieses Auseinanderhalten erfolgen kann, wird nachfolgend mit Bezug auf die Fig. 2 im Detail beschrieben.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, sind die Generator- und Sensorwicklung im Raketenkörper in einem Abstand zueinander angeordnet. Der Grund dafür ist, dass der Abstand zwischen den Wicklungen einen Einfluss auf die Entfernungsabhängigkeit des Annäherungszünders hat. Ein zu kurzer Abstand zwischen den Wicklungen hat zur Folge, dass der Bereich des Annäherungszünders, d. h. die Entfernung innerhalb welcher ein Objekt sein sollte, damit der Annäherungszünder ein Ausgangssignal abgibt, jedoch zu kurz.

Andererseits ist es wünschenswert, dass der Abstand zwischen den Wicklungen nicht zu gross wird, weil sonst derTeil Bj des elektromagnetischen Feldes, welches auf die Sensorwicklung gerichtet ist, durch metallische Elemente innerhalb der Rakete bedämpft wird. Aus den nachfolgend noch angegebenen Gründen ist es wünschenswert, die direkt induzierte EMK auf einem hohen Wert zu halten. Es wird deshalb angestrebt, im Bereich zwischen den zwei Wicklungen möglichst keine metallischen Elemente zu haben. Auch das Gehäuse der Rakete sollte aus nichtmetallischem Material, z. B. Kunststoff, hergestellt sein. Wie aus der Figur ersichtlich ist, ist die Generatorwicklung kreisförmig und so nahe als möglich am Aussenmantel der Rakete angeordnet und lediglich vom Kunststoffgehäuse umschlossen.

Anhand des Blockschemas von Fig. 2 wird die Funktionsweise des Annäherungszünders beschrieben. Von einem Oszillator 5 werden sinusförmige Schwingungen mit einer Frequenz fo erzeugt. Ein Treiberschaltkreis 6 erzeugt den erforderlichen Strom Is in der Senderwicklung 2, die dann ein elektromagnetisches Feld mit der Frequenz fo erzeugt. Dieses Feld wird dann nach bekannten Gesetzen in den Raum ausgestrahlt, wobei ein Teil B) des Feldes auf die Sensorwicklung 3 auftrifft und in dieser eine EMK induziert. Falls ein Teil des Feldes, der in der Fig. 2 mit Bi bezeichnet ist, auf ein metallisches Objekt auftrifft,

entsteht im Metallmantel ein Wirbelstrom iv. Der Wirbelstrom iv bewirkt den Anstieg eines Störfeldes B3, das eine Stör-EMK in der Sensorwicklung induziert. Diese beiden EMK in der Sensorwicklung bewirken einen Anstieg eines Empfängersignals Im, das in Verstärkern 7 und 8 verstärkt wird.

Der Ausgang des Treiberschaltkreises 6 ist an ein Potentiometer 9 angeschlossen, das so eingestellt ist, dass das Sendersignal zum Verstärker 10 die gleiche Amplitude wie das Empfängersignal hat. Im Verstärker 8 wird die Phasenlage des empfangenen Signals so eingestellt, dass sie entgegengesetzt zu der des Ausgangssignal des Potentiometers 9 ist. Im Idealfall sollte dann am Ausgang des Verstärkers 10 ein Nullsignal auftreten. In der Praxis ist dies jedoch unmöglich und zwar wegen des Rauschens, das in der Generatorspule und den Verstärkern 7 und 8 auftritt. Ferner weist das erzeugte Sendersignal eine gewisse Verzerrung auf.

Der Verstärker 11 hat den Zweck, die Bandweite des Signals zu begrenzen, welches durch einen engen Frequenzbereich Af, der um die Senderfrequenz zentriert ist, durchgelassen wird.

Mittels Trimmung ist es möglich, die Störsignale auszugleichen. Dies kann als ein Ausgleichen für passive Signale bezeichnet werden. Falls dann ein Objekt seine Lage bezüglich der Vorrichtung ändert, ändert sich das ganze Feld und es tritt ein aktives Signal auf.

Wie vorstehend erwähnt, tritt der Annäherungszünder bei einem vergleichsweise kurzen Abstand vom metalischen Objekt in Funktion. Grosse Objekte in einer Entfernung von ca. 1,2 m erzeugen ein aktives Signal, welches <l%o des direkten Signals beträgt. Das erzeugte Signal ist von der Grösse des Objektes, der elektrischen Leitfähigkeit, der magnetischen Permeabilität, der Vorbeifluggeschwindigkeit und der Senderfrequenz abhängig.

628135

Fig. 3a und 3b zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel, das ferner Schaltkreise zum Abtrennen des Störsignals (aktives Signal) enthält. Wie bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, werden von einem Oszillator 12 sinusförmige Schwingungen mit einer ausreichenden Amplitude erzeugt. Ein Treiberschaltkreis 13 erzeugt den erforderlichen Strom in der Senderwicklung. Es wird dann ein sinusförmig wechselndes elektromagnetisches Feld erzeugt. Ein Teil Bj des Feldes induziert in der Empfängerwicklung 15 eine EMK. Falls ein metallisches Objekt (elektrisch leitendes Objekt) in die Nähe der Sender- und Empfängerwicklung gelangt, wird analog wie beim Fall in Fig. 1 eine Stör-EMK in der Empfängerwicklung 15 induziert. Für gewöhnlich ist diese Stör-EMK klein im Verhältnis zur direkt induzierten EMK und deshalb ist die folgende Signalverarbeitung zur Abtrennung des Störsignals geeignet.

In einem stationären Zustand, d. h. wenn nur das Feld Bj auftritt, wird das von der Empfängerwicklung 15 abgegebene Signal nach der Verstärkung bei 16 und der Phasenkorrektur bei 17 nach ausreichender Amplitudenkorrektur bei 18 der Treiberspannung hinzugefügt. Die Amplituden- und Phasenkorrektur sind beide vorher so eingestellt, dass das Ausgangssignal nach einer weiteren Verstärkung bei 19 klein ist (am besten gleich Null). In der Praxis ist jedoch ein gewisses Restsignal vorhanden. Die einzige an das Signal gestellte Bedingung ist, dass es die nachfolgende Verarbeitung des Signals, wenn diesem ein aktives Signal überlagert ist, nicht behindert. Falls ein elektrisch leitendes Objekt in die Nähe der Wicklungen gelangt, liegt ein zusammengesetztes Signal am Eingang eines Bandpassfilters 20 an, das aus dem Restsignal und dem überlagerten Signal besteht. Durch den Bandpassfilter werden das Rauschen und die Harmonischen ausgefiltert.

Die Bandbreite des Bandpassfilters 20 ist so ausgelegt, dass er ein amplitudenmoduliertes Signal, das auftritt, wenn ein Objekt mit einer gewissen maximalen Geschwindigkeit die Wicklungen passiert, durchlässt.

Im Hüllkurven-Demodulator 21 wird eine Frequenztransformation vorgenommen, d. h. der Demodulator tastet nur die Signalspitzen ab. Nach der Démodulation bleibt nun ein Signal mit einem Frequenzbereich f = obisf = fraax [Hz] übrig, in welchem fmax der Durchlassbereich des Bandpassfilters ist. Das Restsignal entspricht der Frequenz f = o und eine geringe thermische Drift in diesem entspricht sehr niedrigen Frequenzen.

Diese niedrigen Frequenzen sind unerwünscht und werden im Hochpassfilter 22 ausgefiltert.

Das danach verbleibende aktive Signal weist einen gewissen Betrag an Restrauschen auf.

In einem Abtastschaltkreis 23 wird das aktive Signal mit einem bestimmten Schwellenwert verglichen. Dieser Schwellenwert entspricht der Lage der Rakete oberhalb oder in unmittelbarer Nähe des in Frage kommenden Zieles.

Um zu verhindern, dass ein zufälliger Störimpuls oder ähnliches den Zündungsschaltkreis in Funktion setzt, wird ein Verzögerungsschaltkreis 24 («s 1 mS) vorgesehen, dessen Ausgang an den Zündungsschaltkreis 25 angeschlossen ist. Auf diese Weise ist es erforderlich, dass das Auslösesignal aus dem Abtastschaltkreis 23 mindestens zweimal auftreten muss, bevor der Zündungsschaltkreis anspricht.

Um zu verhindern, dass absichtliche Störsignale oder ein vorstehendes Kanonenrohr das System zu früh auslösen, wird eine sekundäre Funktion, z. B. die Abtastung einer Lichtreflektion , vorgesehen .Dafür wird eine Laserdiode 26 zum Aussenden von Lichtstrahlen und ein Detektor 27 für die Lichtstrahlen vorgesehen. Wie aus der Figur ersichtlich ist, wird vom Abtastschaltkreis 23 ein Ausgangssignal abgegeben, welches den Sperrschaltkreis 28 für den optischen Teil freigibt. Dies kann entweder durch Steuerimpulse für eine ausgewählte Laserdiode 26 oder über eine Beeinflussung des Verstärkers 30 erfolgen.

Es ist eine dritte Bedingung zu erfüllen, bevor der Zündungs-

3

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

628 135 4

schaltkreis schliesslich in Betrieb gesetzt werden kann, und zwar gierten Senderspannung entsprechend abgetastet. Der auftre-

soll der Detektor 27 einen oder möglichst zwei reflektierte tende Zeitunterschied kann positiv oder negativ sein, abhängig

Lichtimpulse aus der Laserdiode empfangen. Der an den Detek- davon, welches der Signale zuerst Null durchläuft. Der abgeta-

tor 27 angeschlossene Abtastschaltkreis 31 soll alle Störimpulse stete Zeitunterschied (Impulsweite) wird zur Einstellung des mit kleiner Amplitude sperren. 5 Widerstandswertes im Phasenkorrekturschaltkreis 17 ver-

Der Zündungsschaltkreis 25 ist in bekannter Weise an einen wendet.

elektrischen Zünder 32 zum Zünden der Ladung angeschlossen. Bei der Amplitudenfehlerkorrektur wird durch ein Mittel 36 Der Zündungsschaltkreis 25 ist ferner an einen Aufschlagkontakt der Restsignalpegel am Ausgang des Verstärkers 19 mit einem

33 angeschlossen, der beim Aufschlag der Rakete auf ein Ziel entsprechend ausgewählten SpannungspegeJ, welcher den höchst geschlossen wird. 10 zulässigen Restsignalpegel, der von den Signalprozessorschalt-

Eine Bedingung bei der Aktivierung der Annäherungszün- kreisen durchgelassen wird, darstellt, verglichen,

derschaltungen ist, dass eine unbeabsichtigte Einschaltung des Falls der Restsignalpegel den Vergleichspegel übersteigt,

Zündungsschaltkreises während der Montage nicht vorkommen wird ein Korrektursignal an den Amplitudenkorrekturschalt-

kann. Zu diesem Zweck ist eine Einschaltsperreinrichtung 34 für kreis 18 abgegeben. Auch in diesem Fall wird das Korrektursi-

den Abtastschaltkreis 23 und den Zündungsschaltkreis 25 vorge- 15 gnal zur Einstellung des Widerstandswertes im Amplitudenkor-sehen. Diese Einrichtung 34 gibt ferner Steuersignale ab, um eine rekturschaltkreis verwendet.

Schnellkorrektur des Restsignalwertes einzuleiten. Der Zweck Die vorstehend beschriebenen Phasen- und Amplitudenfeh-

dieser Korrektur ist es, das Restsignal zeitweilig (während ca. 20 lerkorrekturen werden unmittelbar nach Ablauf des Einschalt-

Sek. ) auf einen ausreichend niedrigen Wert zurückzustellen, um Vorganges der elektronischen Elemente durchgeführt. Der ein-jeglichen auftretenden Ausgleichsfehler, der durch Alterungser- 20 gestellte Restsignalpegel wird danach aufrechterhalten und scheinungen als Folge einer langen Lagerung bewirkt wird, zu bleibt konstant. Die danach im Restsignalpegel auftretenden eliminieren. Abweichungen ergeben sich hauptsächlich aus derTemperatur-

Die Steuersignale bewirken eine Korrektur in zwei Stufen, abhängigkeit der elektronischen Bauelemente.

deren erste eine Phasenfehlerkorrektur ist. Zweckmässigerweise werden Feldeffekttransistoren als Ein-

Bei dieser Phasenfehlerkorrektur wird durch ein Phasenfeh- 25 Stellelemente in den Amplituden- und Phasenkorrekturschalt-

lerkorrekturmittel 35 ein möglicher Zeitunterschied zwischen kreisen verwendet.

dem phasenkorrigierten Sensorsignal und der amplitudenkorri-

M

2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

628 135 2 PATENTANSPRÜCHE

1. Elektromagnetischer Annäherungszünder zum Zünden der Ladung eines Ladungsträgers, wenn sich dieser in einer gewissen Entfernung von einem metallischen Objekt befindet, ; gekennzeichnet durch eine Sendereinheit (2,14) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes, durch eine Empfängereinheit (3,15), in der unter dem direkten Einfluss des elektromagnetischen Feldes eine elektromotorische Kraft und unter dem Einfluss des durch das metallische Objekt (4) erzeugten Feldes auch 10 eine Stör-EMK induziert wird und durch Schaltkreise zum Auseinanderhalten der Stör-EMK und der direkt induzierten EMK und zur Abgabe eines Wirksignals in Abhängigkeit der Stör-EMK.

2. Annäherungszünder nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 15 zeichnet, dass die Empfängereinheit (3,15) vor der und im Abstand zu der Sendereinheit (2,14) und insbesondere im Vorderteil des Ladungsträgers angeordnet ist.

3. Annäherungszünder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendereinheit (12, 14) aus einer Wicklung 20 besteht, die im Querschnitt des Ladungsträgers so ausgerichtet ist, dass sich das erzeugte elektromagnetische Feld in der Bewegungsrichtung des Ladungsträgers ausbreitet.

4. Annäherungszünder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängereinheit (3,15) aus mindestens einer 25 Wicklung besteht.

5. Annäherungszünder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängereinheit (3,15) aus einer Mehrzahl von Wicklungen besteht.

6. Annäherungszünder nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 30 zeichnet, dass die Schaltkreise einen Amplitudenkorrektur-schaltkreis (9,18), um die Amplitude des Sendersignals auf die gleiche Höhe wie die Amplitude des Empfängersignals zur Abtastung eines Differenzsignals einzustellen, aufweist.

7. Annäherungszünder nach Anspruch 6, dadurch gekenn- 35 zeichnet, dass die Phasenlage des Empfängersignals derart einstellbar ist, dass das Signal eine zum amplitudenkorrigierten Sendersignal entgegengesetzte Phasenlage hat.

8. Annäherungszünder nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Steuermittel (34,35,36) für die Phasen- und die Amplitu- 40 denfehlerkorrektur.

9. Annäherungszünder nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Laserdiode (26) und einen Detektor (27), die mittels Lichtabtastung eine sekundäre Annäherungsfunktion ergeben.