高g值加速度計在高沖擊下的失效特性的研究*

趙小龍，馬鐵華 ，范錦彪

(1.中北大學電子測試技術重點實驗室，太原 030051；2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051)

彈體侵徹硬目標過程中，彈載電子儀器承受了高g值加速度沖擊作用［1－3］，目前國內外常用的高g值加速度計有壓電式和壓阻式兩類［4］。國外(以美國Sandia國家實驗室為例)用于高速侵徹試驗的加速度計較多選用Endevco－7270系列壓阻式高g值加速度計，這是由于壓阻傳感器具有良好的低頻響應性能和極高的裝配諧振頻率［5－7］。國內則以使用壓電加速度計為主，如兵器工業204研究所生產的988加速度計，這主要是因為壓電加速度計堅實耐用。采用壓縮和剪切振動兩種工作模式壓電加速度計結構原理圖如圖1～圖3［8］所示。

在高沖擊加速度環境中，壓電式高g值沖擊加速度測量時，經常會出現所謂的“零漂”現象。壓阻式加速度計經常發生斷裂失效。加速度計(無論是壓電式或壓阻式)在高g值環境中會發生各種形式的失效。主要失效模式有:外殼脫開、內部結構斷裂、導線斷裂或短路等。加速度計信號導線是連接傳感器和電路模塊的通道，加速度計輸出的模擬信號只有通過導線才能到達電路模塊進行存儲記錄，在侵徹過程中，導線可能受到某種方式的擠壓和磨損，造成短路。這些都將使加速度信號無法獲取，直接導致試驗失敗。所以這里對加速度計的失效特性的研究顯得尤為重要。

圖1 壓縮型結構

圖2 剪切型結構

圖3 硅懸壁梁結構

1 零漂機理及降低零漂的措施

1.1 高g值加速度計的零漂機理

在使用壓電式高g值沖擊加速度測量時，經常會出現所謂的“零漂”現象。零漂定義為:當沖擊運動結束時，電信號輸出不是立刻回到基線。圖4是我們最近測得的加速度—時間歷程曲線其中的一條。正常的測試曲線應該在6 ms～9 ms即回零，而該曲線卻沒有立即回零。在隨后的積分求速度、侵徹深度時，積分面積增大，這直接導致速度、侵徹深度不準確。尤其對多層靶侵徹試驗，前一層靶侵徹時加速度信號的零漂將直接影響后一層靶的加速度信號的幅值。

圖4 加速度－時間歷程曲線

加速度傳感器零漂規律研究:利用適當的緩沖系統(圖5)，使加速度傳感器安裝基座被撞擊到高幅值加速度后(可能引起零漂和靈敏度改變)，再緩慢降低到零加速度。在這一過程中，采用一套激光干涉儀記錄安裝基座的加速度，同時采用外置拉線的方式，用采集卡記錄加速度的信號，比較這兩個加速度信號，可對加速度傳感器零漂規律研究。

圖5 加速度傳感器零漂規律研究

目前認為產生零漂的物理機理有以下幾個方面:

(1)敏感材料的過應力 用于壓電加速度傳感器敏感元件的壓電材料可分為兩類:天然和人工合成石英、壓電陶瓷(包括鈦酸鋇 BaTio3、鋯鈦酸鉛等)。壓電元件承受過大的應力，部分極化的“電疇”將返轉回以前的狀態，繼而導致零漂。研究表明:低矯頑材料在經受較大的沖擊或瞬態溫度變化時，電場較易發生變化并導致零漂，實驗表明:電疇的方向將隨著應力、電磁場及溫度的改變而達到新的平衡。

(2)元件的物理移動 通常的沖擊加速度計的結構有兩種。圖1為壓縮類型，這類加速度計需要預緊載荷以產生線性輸出。當壓電元件承受高g值沖擊時，應力波通過基座傳入振動單元，形成的拉伸波可能超過預緊力，在這種松弛的狀態下，連接部件之間將產生小的相對運動，這種滑動將導致虛假的輸出(零漂)；圖2為一種環形剪切型的沖擊加速度計，這種結構無需預載荷，抗環境干擾(主要指瞬變溫度)能力強。

(3)電纜噪聲 高阻抗加速度計輸出的電荷信號較弱，容易受到干擾；同軸電纜本身也會對零漂帶來影響，質量差的電纜在承受高沖擊時，由于靜電摩擦效應將產生足夠多的偽噪聲。

(4)基應變引起的零漂 壓縮型結構的加速度計往往具有較大的基應變靈敏度，由于微應變可以導致預載荷的改變，繼而導致內部元件的移動而產生一定的零漂。

1.2 降低零漂所采取的措施

因為在高g值加速度測試時，加速度計都是采用螺紋剛性安裝的方式，任何外部緩沖的方式將改變加速度計的工作頻帶。目前主要是選擇合適的傳感器，避免或減小零漂。具體的選用原則如下。

(1)應盡量選用以天然石英晶體為壓電元件的加速度計。壓電加速度計是以壓電材料(石英晶體和壓電陶瓷)為轉換元件，因為天然石英經歷了億萬年的長時間老化，其介電常數、壓電系數、線性和重復性均較人造石英更為穩定。在高量程的壓電加速度計中，壓電元件具有較大的剛度系數，位移較小。且石英晶體熱釋電系數小，溫度的變化引起極化狀態改變小。所以在高g值沖擊環境下宜采用天然石英為敏感元件的壓電式加速度計避免零漂。基座、質量塊應選用彈性模量高的材料，從而提高傳感器的諧振頻率，降低電疇偏轉?？墒褂脡鹤枋郊铀俣扔嫞话悴粫霈F零漂現象。

(2)避免使用以低矯頑力鐵電晶體陶瓷(如鋯鈦酸鉛)為敏感元件的加速度計，從而降低電疇偏轉。避免選擇預緊螺栓壓縮結構設計的加速度計，減輕傳感器各部分元件之間的物理移動。剪切型結構、具有高矯頑力的鐵電陶瓷的加速度計更適合高沖擊測試。

(3)普通的屏蔽線不宜使用，需采用專用的低噪聲同軸射頻電纜，其內的絕緣層和屏蔽層之間涂有減磨材料硅油和導電石墨層，可以有效防止電纜振動和彎曲而產生的摩擦生電效應，從而減少電纜噪聲。

(4)避免基座應變的影響，應盡量選擇剪切式的加速度傳感器，與壓縮性相比，其壓電元件與基座無直接接觸，所以影響很小。壓縮性加速度計可以采用基座隔離技術，減小基座由于變形而產生的附加輸出信號。

2 機械濾波器對加速度計的保護

在高沖擊加速度環境中，壓阻式加速度計經常發生斷裂失效［9－10］，壓電式加速度計也存在零漂，為了解決這些問題，美國Sandia國家實驗室和我國核工業部一院［11］二所采用了機械濾波器對加速度計進行保護。其中Sandia采用是“內置式”，而核一院則采用“外置式”。機械濾波器與電子濾波器的情況不同，后者是把加速度計輸出信號中的高頻成分濾去，而前者則是先將輸入信號的高頻分量大幅衰減后再傳到加速度計。

為了消除應力波傳播對加速度計的影響，在彈體和加速度計之間安裝“機械濾波器”，如圖6所示，利用橡膠(ρ=0.93×103kg/m3，c=46 m/s)等彈性阻尼材料的波阻抗(ρc)遠小于彈體材料鋼(ρ=7.83×103kg/m3，c=5 190 m/s)的波阻抗，反射大部分應力波，有效地阻止應力波傳給加速度計。

圖6 帶機械濾波器的加速度計力學模型

圖6中m1為加速度計基座、外殼和機械濾波器安裝塊的總質量；m2為加速度計的慣性質量；k1，c1為機械濾波器彈性材料的剛度、阻尼系數；k2為加速度計剛度系數，壓電加速度計的阻尼很小，可以忽略不計。Z=X2－X1為m2相對于m1的位移安裝機械濾波器后，加速度計的幅頻特性:

壓電晶體片在其端面產生的電荷為Q=dKZ，d為壓電系數；K為壓電晶體的剛度系數；Z為壓電晶體的壓縮位移。由式(1)可知，當γ=1時，系統不發生共振，系統的第1共振點左移，幅頻曲線的平直段范圍減小，移動的多少與β和μ的大小有關；第2共振點右移，這就降低了加速度計的工作頻帶范圍。

因為鉆地彈的基頻都比較低，所以安裝了機械濾波器的ENDEVCO—7270A系列加速度計被用來測試彈體侵徹過程的剛體加速度是可行的。但對于測量引信動態特性、考核彈載電子裝置的抗沖擊性能時，需要獲得加速度計對安裝點的高頻響應，這時需要分析所關心的高頻成分是否在加速度計降低后的頻率范圍內，若超過該范圍則不能使用。

3 ENDEVCO—7270壓阻式加速度計的失效分析

加速度計(無論是壓電式或壓阻式)在高g值環境中會發生各種形式的失效。主要失效模式有:外殼脫開、內部結構斷裂、導線斷裂或短路等，導致試驗失敗。壓電式加速度計除了容易發生零漂外，堅實耐用。所以主要討論壓阻式加速度計的失效問題。

我們曾經應用壓阻式加速度計測量了某彈丸的發射、飛行過程的沖擊加速度。其膛內沖擊加速度幅值為18 000gn，作用時間為11 ms，飛行過程中尾翼張開時的沖擊加速度約為700gn，脈沖寬度約為0.1 ms，且為多次沖擊；彈丸落地時承受幅值約為18 000gn、脈寬約為數毫秒的反向沖擊加速度。采用的加速度計為美國Endevco公司的7270A－20K型加速度計，其過載指標為60 000gn，諧振頻率為350 kHz。為了模擬沖擊環境，把加速度計安裝在一個直徑為35 mm，長為50 mm的鋼制圓柱體的端部，用力錘敲擊另一端。錘擊力可以簡化為半正弦脈沖，沖擊脈寬為 0.1 ms，幅值為 2 250 N，可用式(2)表示。

在調試和實彈測試中，有兩個加速度計失效于實彈測試；有一個經兩次實彈測試后失效于模擬試驗；另一個未經實彈測試就在模擬試驗中失效。解剖了其中兩個加速度計，發現一枚的為一個敏感懸臂斷裂，另一枚的敏感懸臂雖未斷裂，但已使應變片損壞［12］。

最終認為此次失效的原因是由于發生疲勞斷裂，其原因是敏感臂表面質量不高［12］。

Sandia實驗室與Endevco公司合作對Endevco7270A和Endevco7270AM4進行了沖擊試驗。實驗采用是鈦合金Hopkinson桿，沖擊載荷幅值由應變片和激光多普勒測速儀共同測試。7270AM4加速度計僅有一個獲得測試數據，其它的都因共振而失效，沖擊結束后發現兩種加速度計的安裝螺栓松動，這可能是產生共振的原因。1998年6月Endevco公司對27個7270A(平面結構)進行了失效分析，其中八個加速度計是完好的，九個有其它的失效模式，研究顯示主要的失效模式為導線失效，這種現象被認為是由于絕緣層內導線運動而產生的［13］。

4 加速度計信號導線的失效分析

在侵徹初始時導線自身慣性力的作用下，它可能由于強度不足被拉斷，造成測試信號不完整。另外，在侵徹過程中，導線可能受到某種方式的擠壓和磨損，從而發生短路，這都將造成測試信號不完整。

加速度計信號導線是連接傳感器和電路模塊的通道，我們設計的測試裝置的示意圖如圖7，導線經過緩沖件和電路模塊的中間通孔，焊接在電路上端面板上。在侵徹過程中加速度方向向上。

圖7 高沖擊測試裝置示意圖

為了分析導線在自身慣性力作用下的拉斷，將導線的受力模型簡化為上端固定，下端自由的桿件(圖8)，其固定端的軸向應力最大為，

圖8 導線受慣性力示意圖

其中ρ為導線材料密度，A為導線橫截面積。

導線不被拉斷的條件為:

導線不被拉斷的最大長度:

其中σb為導線材料的抗拉強度

從(5)可知，導線承受的最大拉應力與導線材料密度、導線懸空長度、加速度相關，與其橫截面積無關，在滿足易焊接的條件下，可選擇直徑較小的導線。

從(4)可知，對一定長度l的某種材料的導線，能承受的最大加速度由密度ρ和抗拉強度σb共同決定。為了比較不同導線材料的抗沖擊性能，引入比強度Cs的概念。

對于銅導線，密度 ρ=8.9×103kg/m3，抗拉強度對純銅絲為σb=200 MPa，紫銅絲為σb=400 MPa，取紫銅絲研究，比強度為

為了提高導線的比強度，我們將導線的懸空部分改用直徑為d=0.3 mm的鋼絲，其密度 ρ=7.8×103kg/m3，鋼絲的比強度為

因為Cs2＞Cs1，在研究和應用中選擇鋼絲作為導線，在高g值加速度作用下不易被拉斷。另外，對鋼絲還要進行絕緣處理，如涂絕緣漆等，同時還必須對鋼絲進行可焊性處理。

由于導線與電路模塊的面板是通過焊點連接，為了考核焊點的抗高沖擊性能，我們將導線按實際工作狀態焊接，并把兩個電路板用一根導線連接起來(圖9)，在下端電路板上加砝碼，直至斷裂發生。

圖9 焊點破壞試驗

我們使用的鋼絲直徑為d=0.3 mm，最大抗拉載荷為

在圖9的試驗中，砝碼加至5 kg～6 kg時，鋼絲就從焊點根部被拉段，焊點保持完整，產生這一現象的原因在于焊接時的局部高溫使與焊點連接處的導線變脆，強度降低，于是在較低載荷下導線發生斷裂。

5 總結

研究了彈載電子測試儀器中傳感器在高g值沖擊加速度環境中的本征特性，研究結果對彈載電子儀器的抗g值沖擊設計和正常使用具有一定的參考價值。

(1)在高g值沖擊下，使用人工壓電晶體的壓縮型加速度計常發生零漂，從電場微觀機理分析，認為以天然石英為敏感元件的壓電式加速度計更適合高g值沖擊環境。環形剪切型的沖擊加速度計在高g值沖擊條件一般不會發生零漂。

(2)采用機械濾波器可以大幅降低高幅值應力波對加速度傳感器的影響，實現對加速度計保護，但降低了加速度計的工作頻率范圍。

(3)提出了導線比強度的概念，并以此為標準選擇加速度傳感器導線材料，理論和試驗都證明，采用經過處理的高強度鋼絲作為傳感器的導線，可以提高導線在侵徹測試中的生存能力。

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