應用于電子測壓器的智能倒置開關設計*

馬英卓，祖 靜

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051)

火炮膛內動態壓力是檢驗火炮炮膛強度、發射藥性能和炮彈外彈道初速預測的重要參數，對于火炮的研發有重要的研究意義［1］。國內研制的電子測壓器是一種可內置于火炮藥室中，隨火炮發射時，實時測量并記錄火炮膛壓變化規律的存儲記錄儀。面對高溫、高壓、強沖擊振動、高過載的惡劣測試環境，電子測壓器要求做到小體積、高強度、高可靠性［2］。小體積限制了內置電池的容量，而保溫試驗又要求電子測壓器能連續工作2天～3天不斷電，這就要求系統擁有較小的功耗。由于試驗前電子測壓器已固封在彈丸中，人無法對其手動啟動，故需要一種智能開關實現無接觸式控制。現有的倒置開關在使用中常出現誤上電現象，影響了電子測壓器的使用可靠性。為此，設計了一種新型智能倒置開關，可通過判斷外界動作控制系統工作狀態，并對系統能源進行管理、分配，有效降低了系統功耗，提高了電能使用率。

1 倒置開關現狀

倒置開關是針對存儲測試系統設計的一種不需要人為操作，具有延時功能，利用重力對物體產生的影響設計出來的單向轉換開關［3］。目前已有的倒置開關有水銀倒置開關、雙球倒置開關、干簧管式倒置開關、電容式倒置開關和光電式倒置開關。

水銀倒置開關是以水銀做導電介質，水銀被密封在真空殼體中。當殼體倒置水銀下落與兩個電極接觸時，電路導通，即為存儲測試系統上電。雙球倒置開關是將兩個大小不同的金屬小球密封于殼體中，殼體作為其中一個電極，當殼體倒置小球接觸到另一端的電極時，倒置開關為“開”狀態。干簧管式倒置開關也稱磁簧開關，由一對磁性材料制成的彈性簧片和玻璃管組成，管內充有惰性氣體。使用時依靠調節磁鐵與干簧管的距離來決定倒置開關的“開”與“關”。光電倒置開關內置發光二極管和光敏三極管，在“關”狀態，內部的小鋼球擋住透光孔；倒置此開關，小球滑落，光敏三極管接收到發光二極管的紅外線后，輸出有效信號［4］。

2 新型智能倒置開關的設計

2.1 傳感器選擇

在對動作感應元件進行選擇時，除了要求其性能參數滿足功能所需，還要從體積、功耗、抗沖擊性等方面來考慮。飛思卡爾公司在2010年推出了一款3軸電容微機械數字加速度傳感器MMA845x，此款加速度傳感器有3 個量程±2gn/±4gn/±8gn，完全勝任緩慢動作的檢測；工作時電流僅為6 μA，待機狀態下電流為1.8 μA，在加速度傳感器中屬于功耗極低的一款，并且帶有電源管理功能，支持睡眠模式；供電電壓范圍1.95 V～3.6 V，適合電子測壓器此種低電壓供電的系統；可檢測多種動作，能夠智能判斷動作種類，帶有正面/背面檢測模式，符合倒置開關所需功能；補償糾正寄存器還可以彌補安裝造成的誤差；數據通過I2C接口進行傳輸，協議簡單、可靠；而其體積只有9 mm3，相對于其他同類產品屬于小型款－40℃ ～+85℃的工作溫度又令其能夠滿足現場環境要求［5－6］。圖1是MMA845x結構框圖。

圖1 MMA845x加速度傳感器結構框圖

2.2 工作原理

進行測壓器隨彈保溫時，令智能倒置開關與電子測壓器進行電氣連接，通過存儲測試電路為其提供電源和初始化配置，令控制電路處于值更狀態，智能倒置開關處于激活狀態；正式試驗前5 min，利用翻彈機將彈丸倒置1 min(彈丸前端朝下)，智能倒置開關檢測外界動作，判斷滿足倒置條件，即向控制電路發出上電中斷信號，開啟電子測壓器的采樣模塊，使其進入全工作狀態，隨后智能倒置開關進入待機模式。圖2為智能倒置開關運用于電子測壓器的原理框圖。圖3(a)是智能倒置開關在電子測壓器中的安裝位置，3(b)是電子測壓器隨彈丸保溫的姿勢，3(c)是開啟電子測壓器采樣模式的上電姿勢。

圖2 智能倒置開關的應用原理框圖

圖3 智能倒置開關的使用示意圖

3 防誤上電設計

倒置開關作為能量管理的關鍵組件，對電子測壓器能否順利完成火炮膛壓的獲得起著重要的作用。倒置開關對存儲測試系統進行可靠上電，是電子測壓器使用可靠性和穩定性的重要體現。為了防止在運輸過程中車輛顛簸或人為誤操作等造成的誤上電，智能倒置開關采取雙重判斷機制對上電條件進行判斷。

倒置開關使用了MMA845x的正面/背面模式檢測，當令加速度計從正面(z軸重力為1gn)旋轉115°，便默認加速度計的姿態是背面。在現場試驗時，此過程就是將彈丸前端從豎直向上轉向地面。由于115°在裝配彈丸的過程中很容易不小心達到，故當加速度計默認為背面時，膛內壓力計的主控芯片通過I2C讀取加速度計z軸重力值，連續20 s內判斷此值都小于－0.8gn，則認為是上電動作。為進一步降低功耗，提高可靠性，設計先利用加速度計的防抖動功能進行10 s的判斷，延時輸出中斷信號，主控芯片接收到中斷信號后才開啟I2C通信［7－8］。圖4是智能倒置開關的姿態與z軸所受重力值的關系示意圖。

圖4 智能倒置開關3軸方向示意圖(側視圖)

4 抗沖擊檢測

炮彈發射過程中會產生上萬gn的沖擊過載，智能倒置開關運用在電子測壓器中要能承受高過載的沖擊振動，才能保證使用的可靠性［9］。利用常規的發射過載模擬裝置——馬歇特沖擊錘進行抗沖擊檢測試驗。試驗時將倒置開關和標準傳感器固定在馬歇特錘上，從MMA845x的芯片資料所提供的最大承受加速度值5 000gn開始測試，逐漸增加沖擊強度，每個量程進行2次沖擊試驗，沖擊后將智能倒置開關與膛內壓力計的控制電路聯通，倒置5次，檢驗倒置開關能否正常工作［10－12］。

試驗結果表明，馬歇特錘的齒數在24齒時，沖擊加速度大概在30 000gn，智能倒置開關在此沖擊下仍可以正常工作，工作性能沒有發生明顯變化，驗證了其在高過載環境下的生存能力。圖5為馬歇特錘沖擊試驗中標準傳感器輸出的結果。

圖5 馬歇特錘沖擊試驗結果

5 各種倒置開關性能對比

表1列出了各倒置開關的性能對比結果，可以看出水銀倒置開關結構簡單、使用簡便，但由于殼體是玻璃材料，不抗沖擊，且水銀在低溫－39.7℃就凝結成固態，使其與電極的接觸導電性變差。雙球倒置開關具有較好的低溫特性，抗沖擊，但對加工精度要求太高，且體積較大，使用可靠性也不夠好。干簧管式倒置開關則存在滑塊氧化不能正常滑動的問題。光電式倒置開關具有較好的使用性能，但也會出現因加工毛刺阻礙小鋼球滑動，影響有效信號輸出的現象。智能倒置開關不僅具有良好的低溫特性和重復性，在體積、功耗和抗沖擊性方面也略勝一籌，并且由于其的智能化，令使用可靠性大大增強。

表1 各種倒置開關的性能對比表

6 實測結果

國軍標GJB2973A—2008要求放入式電子測壓器上電前等待的時間不小于72 h；上電后待觸發時間在常溫和高溫下不小于4 h，在低溫下不小于1 h；數據保持時間不小于1 h。對裝有智能倒置開關的電子測壓器分別做－40℃和55℃保溫72 h的試驗和不保溫試驗，檢測、記錄其在不同工作狀態下的功耗，和其在不同試驗環境下的總工作時間保守值。試驗結果顯示，裝有智能倒置開關的電子測壓器在不保溫情況下，在待觸發態和數據保持態能堅持8.5 h以上；進行72 h零下40℃的保溫后，在常溫環境中待觸發態和數據保持態能堅持5.5 h以上；進行72 h零上55℃ 保溫后，在常溫環境中待觸發態和數據保持態能堅持8 h以上。符合國軍標的要求，可以保證彈丸保溫試驗的順利進行。表2抽樣顯示了試驗結果。

表2 電子測壓器總功耗及工作時間抽樣檢測表

7 結論

針對電子測壓器微小體積和超低功耗的要求，為解決進行測試試驗時無法接觸上電的問題，設計了以數字加速度計為主體的智能倒置開關。該智能倒置開關相較以往的倒置開關具有小體積、低功耗、抗沖擊、寬溫度范圍、可靈活編程等特點，在電池容量一定的情況下，智能倒置開關的運用延長了電子測壓器的工作時間，為膛壓測試試驗的成功提供了必要的保障。

［1］王卿.放入式電子測壓器的智能化設計及校準技術研究［D］.太原:中北大學，2011

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