微沖擊開關(guān)侵徹過載測試儀

王永峰，范錦彪，王　燕

（1.電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

微沖擊開關(guān)侵徹過載測試儀

王永峰1，2，范錦彪1，2，王燕1，2

（1.電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

進(jìn)行彈丸侵徹試驗(yàn)時，試驗(yàn)準(zhǔn)備周期長。由于彈丸內(nèi)部空間非常寶貴，測試儀必須做到微體積，其電池電量較小；測試儀需要提前上電。針對彈丸侵徹試驗(yàn)準(zhǔn)備時間長與測試儀電池電量有限的矛盾，以往采用引出導(dǎo)線，在試驗(yàn)前斷線上電的方式。斷線上電需要彈體開槽，而且無意中磨斷導(dǎo)線導(dǎo)致提前上電，為此提出基于微沖擊開關(guān)的侵徹過載測試儀。測試儀沖擊開關(guān)安裝測試儀內(nèi)部，不需要引出導(dǎo)線，在堂內(nèi)加速階段通過沖擊開關(guān)進(jìn)行實(shí)時上電，解決測試儀電池容量的問題。對沖擊開關(guān)進(jìn)行沖擊驗(yàn)證和空氣炮實(shí)驗(yàn)，其可靠性得到驗(yàn)證。實(shí)測數(shù)據(jù)分析，該測試儀能夠很好地完成彈丸侵徹過程數(shù)據(jù)測試。

侵徹；上電；電池容量；沖擊開關(guān)

0　引　言

侵徹過程測試技術(shù)對提高侵徹武器與防護(hù)工事的研究有非常重要的意義[1]。侵徹過載加速度測試是評價彈丸引信的抗沖擊性能、評定實(shí)驗(yàn)效果以及改進(jìn)結(jié)構(gòu)的重要依據(jù)。目前侵徹過載測試通常采用存儲記錄法[2]，存儲測試實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)場信息的實(shí)時采集與記錄，試驗(yàn)完后回收記錄儀，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行讀數(shù)和數(shù)據(jù)處理，重現(xiàn)被測信息。在侵徹試驗(yàn)中，測試儀事先在裝配廠裝配好。因彈丸運(yùn)到目的地需要花一定的時間，以及試驗(yàn)的特殊性和各種不確定性，對測試儀電池電量要求較高[3]。彈丸內(nèi)部空間非常有限，測試儀必須做到微體積，因而測試儀中的電池體積也較小，電量就非常有限。

為了解決試驗(yàn)周期長與電池電量有限的矛盾，常常在彈丸開槽引出線來，采取現(xiàn)場斷線的方法，但由于裝配條件限制，可能會無意中磨斷導(dǎo)線導(dǎo)致提前上電，從而采集不到數(shù)據(jù)。走線槽本來就改變了裝置結(jié)構(gòu)，對試驗(yàn)效果產(chǎn)生影響，且有些彈體不允許引出導(dǎo)線。雖然，可以通過無線上電，但無線上電裝置體積較大，是彈丸不容許的，且容易受干擾，彈丸一旦裝配，測試儀處于不可見狀態(tài)，提前上電或沒上電，會導(dǎo)致試驗(yàn)無數(shù)據(jù)。針對此問題，提出基于MEMS制作工藝的微型沖擊開關(guān)侵徹測試儀。

1　沖擊開關(guān)

沖擊開關(guān)是感受沖擊加速度輸出信號的一類慣性器件，在汽車防撞氣囊控制系統(tǒng)中已經(jīng)應(yīng)用。隨著科學(xué)的發(fā)展，沖擊開關(guān)應(yīng)用越來越廣泛，朝著結(jié)構(gòu)簡單、體積小、響應(yīng)快、耐高沖擊的方向發(fā)展[4-5]。Sandia國家實(shí)驗(yàn)室對沖擊開關(guān)在極端惡劣撞擊下的性能進(jìn)行研究。中國物理研究院研制出基于MEMS工藝高g值微沖擊開關(guān)。

1.1沖擊開關(guān)結(jié)構(gòu)與原理

沖擊開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由引線、觸點(diǎn)、懸臂梁、框架、質(zhì)量塊和端蓋等組成。觸點(diǎn)作為開關(guān)的一端，彈簧-質(zhì)量塊組成另一端采用MEMS技術(shù)加工封裝后只引出兩根導(dǎo)線，體積非常小。受到加速度后，質(zhì)量塊克服彈簧的阻力與觸點(diǎn)相碰從而完成開關(guān)閉合功能；觸點(diǎn)質(zhì)量塊經(jīng)過一定時間的穩(wěn)定接觸，當(dāng)加速度減小到一定數(shù)值時，質(zhì)量塊反彈與觸點(diǎn)分離，最后回到平衡位置[6-8]。

圖1　沖擊開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

沖擊開關(guān)工作模型可以簡化成如圖2所示，是一個典型的彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)，運(yùn)動規(guī)律遵循牛頓第二運(yùn)動定律，運(yùn)動方程式如下：

圖2　開關(guān)簡化模型

式中：k——彈簧剛度；

m——質(zhì)量塊質(zhì)量；

c——阻尼系數(shù)；

a——加速度。

1.2沖擊開關(guān)沖擊臺驗(yàn)證

根據(jù)彈丸侵徹試驗(yàn)時堂內(nèi)加速度峰選取合適沖擊開關(guān)，選取打開閾值為200～300g，較為合理，即避免彈丸在運(yùn)輸過程中誤上電，保證開關(guān)在堂內(nèi)加速階段導(dǎo)通。為了驗(yàn)證開關(guān)可靠性，用沖擊臺實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過改變沖擊臺的高度和所墊氈墊厚度來打出不同峰值和脈寬的加速度。試驗(yàn)時，把沖擊開關(guān)和標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器8309對稱的方式安裝在沖擊臺上，通過邏輯分析儀記錄開關(guān)與傳感器8309的信號。經(jīng)過不同加速度和脈寬進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)沖擊開關(guān)在加速度峰值260 g以上，脈寬50 μs時打開，導(dǎo)時間寬至少為30μs（圖3為開關(guān)一次導(dǎo)通波形），開關(guān)導(dǎo)通時間隨著沖擊加速度峰值和脈寬的增大而增大。

圖3　開關(guān)沖擊臺導(dǎo)通實(shí)測波形

1.3沖擊開關(guān)抗高過載實(shí)驗(yàn)

沖擊開關(guān)在侵徹試驗(yàn)中要承受幾萬g值沖擊，能否經(jīng)得起高g值沖擊，對測試儀非常重要[9-10]。為了提高沖擊開關(guān)抗過載性能，通過空氣炮模擬試驗(yàn)環(huán)境，進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。空氣炮裝置原理是瞬間釋放壓縮空氣來推動子彈，子彈在堂內(nèi)進(jìn)行高速運(yùn)動對目標(biāo)進(jìn)行撞擊，產(chǎn)生高g值加速度，同時通過差動式多普勒測試儀記錄撞擊過程。試驗(yàn)時，通過示波器或計(jì)算機(jī)記錄差動激光多普勒信號，進(jìn)行解算后得到目標(biāo)被撞擊時受到的沖擊加速度。圖4為其中一次測得的加速度曲線。經(jīng)過多次撞擊試驗(yàn)，沖擊開關(guān)具有45000g的抗過載能力，能夠承受極端高沖擊而不破壞。一般侵徹試驗(yàn)加速度都在40000g以下，測試儀可以進(jìn)行多次試驗(yàn)測試。

圖4　一次加速度曲線

2　基于微沖擊開關(guān)的侵徹過載測試儀

2.1測試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)主要由傳感器、電源模塊、數(shù)據(jù)采集與存儲模塊、USB讀數(shù)模塊、沖擊開關(guān)、外殼和緩沖材料等組成。由于侵徹過載較高，采用高g值的傳感器來測試彈丸侵徹時的過載，數(shù)據(jù)采集與存儲模塊由放大電路和濾波電路組成信號調(diào)理電路、A/D、CPLD控制模塊、鐵電存儲器組成，靶場試驗(yàn)完成后，回收測試儀，通過計(jì)算機(jī)讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

2.2電池低功耗設(shè)計(jì)

為節(jié)省電池耗電，測試儀設(shè)計(jì)采用芯片LP59961分區(qū)/分時電源管理技術(shù)，對電路的數(shù)字板和模擬板按需分開供電。圖5為電源控制電路原理圖。LP5996有兩個使能端EN1和EN2，分別控制兩路電源輸出VOUT1和VOUT2。EN1接上拉電阻一直接高電平，給控制電路供電，EN2的電平由控制電路控制，根據(jù)工作狀態(tài)控制EN2。電路通過沖擊開關(guān)上電以后，測試儀進(jìn)入待觸發(fā)狀態(tài)，循環(huán)采樣。過載信號達(dá)到觸發(fā)值后，經(jīng)過信號調(diào)理電路，進(jìn)入A/D，在CPLD控制下，寫入鐵電存儲器，寫滿以后，CPLD發(fā)出給LP59986的ONB端信號，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。

圖5　電源控制原理圖

2.3數(shù)據(jù)采集與存儲設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集與存儲模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。模擬信號經(jīng)過信號調(diào)理電路進(jìn)行放大和濾波處理。考慮到系統(tǒng)精度和功耗問題，選用低功耗的INA155芯片作為放大器；濾波電路選用低功耗的軌到軌運(yùn)放OPA2340芯片。A/D將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，選用高精度低功耗的AD7492進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)化。侵徹試驗(yàn)整個過程只有幾十微秒，測試儀容量設(shè)計(jì)為256k× 8bit，選用Ramtron公司的FM22L16鐵電存儲芯片，采用64k×8bit負(fù)延遲，采樣頻率為250 k，記錄時間為1024ms，這樣可以記錄彈丸從發(fā)射到侵徹目標(biāo)整個過程的過載信號。CPLD控制A/D轉(zhuǎn)化和對信號的存儲操作，數(shù)據(jù)記錄完后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。接口模塊采用USB接口和計(jì)算機(jī)連接，選用CYPRESS的CY7C68013芯片，實(shí)現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的上傳。

圖6　采集與存儲結(jié)構(gòu)框圖

2.4沖擊開關(guān)安裝設(shè)計(jì)

電路的上電原理是上電端ON接高電平32 μs后CPLD邏輯判斷，即可實(shí)現(xiàn)上電操作，彈丸在堂內(nèi)加速階段，沖擊開關(guān)導(dǎo)通遠(yuǎn)大于這個時間，完全可以完成上電功能。為了確保沖擊開關(guān)受力導(dǎo)通，在測試儀的傳感器底座上安裝沖擊開關(guān)，這樣開關(guān)既不會增加測試儀體積，也不會另外開槽引線，避免引入干擾。

3　試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

用該測試儀測試彈丸侵徹混泥土?xí)r引信受到的過載加速度。靶場試驗(yàn)前進(jìn)行裝配，把測試儀電池接通，系統(tǒng)進(jìn)行初始化后，處于待上電狀態(tài)。檢查好測試儀與沖擊開關(guān)等連接，整個測試裝置的功耗可以忽略不計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，沖擊開關(guān)打開閾值為280g以上，所以彈丸在運(yùn)輸過程中不會使測試儀誤上電。彈丸發(fā)射階段，其加速度峰值達(dá)到2000～4 000 g，沖擊開關(guān)在此階段導(dǎo)通，系統(tǒng)模擬電路開始供電，測試儀進(jìn)入采集與存儲狀態(tài)。

在彈丸侵徹混凝土?xí)r，產(chǎn)生較強(qiáng)的諧振，實(shí)測曲線為真實(shí)過載曲線基礎(chǔ)上疊加各階諧振分量，為了得到真實(shí)的過載曲線，必須用低通濾波處理[11-12]。如圖7所示，為實(shí)測彈丸侵徹過載加速度曲線，實(shí)測信號中，有大量的高頻信號，通過低通濾波后的曲線反應(yīng)真實(shí)的過載曲線。低通濾波的關(guān)鍵是濾波截止頻率的選取，通過ANSYS模態(tài)分析和Matlab頻譜分析（圖8為Matlab處理后侵徹過信號載頻譜）相結(jié)合方法，選擇濾波頻率為5 kHz。通過Matlab的Butterworth濾波器進(jìn)行低通濾波后的過載曲線如圖9所示，其峰值為20000g，脈寬大約為8.5ms。

圖7　侵徹試驗(yàn)實(shí)測過載曲線

圖8　侵徹過載信號頻譜分析圖

圖9　濾波后加速度曲線

用Matlab對過載曲線進(jìn)行積分得到彈丸速度曲線，如圖10所示，侵徹速度為900m/s。在試驗(yàn)中為了進(jìn)行準(zhǔn)確性對比，采用高速攝影對彈丸侵徹過程進(jìn)行拍攝，經(jīng)過專業(yè)軟件分析處理得到彈丸飛行速度為915m/s。以高速攝影得出的速度為標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)相對誤差為

圖10　積分速度曲線

4　結(jié)束語

本文提出基于微沖擊開關(guān)的侵徹過載測試儀，測試儀主要由微沖擊開關(guān)和數(shù)據(jù)采集存儲模塊組成，代替斷線上電方式，避免在彈體上開槽引線，解決了武器試驗(yàn)周期長與測試儀電池容量小的矛盾。試驗(yàn)驗(yàn)證此設(shè)計(jì)可以很好地測得彈丸侵徹目標(biāo)時的過載信號，測出數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，真實(shí)可信。對于武器試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)評定及引信改進(jìn)有重要的意義。

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Penetration overload testers based on micro-impact switches

WANG Yongfeng1，2，F(xiàn)AN Jinbiao1，2，WANG Yan1，2
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，Taiyuan 030051，China；2.Instrument Science and Dynamic Test Laboratory North University of China，Taiyuan 030051，China）

It takes time to prepare for projectile penetration tests.Because the inner space of the projectile is very small，the tester must be designed with micro volume and low battery capacity. As a result，the tester needs to be powered on in advance.To overcome the contradiction between long preparation time and limited battery power，the most common way is to switch on by disconnecting the lead wire before test.This requires the projectile be slotted beforehand，but it is possible to rub off the wire by accident.So，a penetration overload tester with a microimpact switch has been developed.The micro-impact switch，instead of the lead wire，is installed inside the tester and powered on in real time，which has solved the problem that the battery capacity is too small at the acceleration phrase of projectile bores.According to the impact test and air cannon impact test，the novel tester is reliable and can be used to complete the data test during penetration process.

penetration；power up；battery capacity；impact switch

A

1674-5124（2015）12-0063-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.12.016

2015-07-23；

2015-09-27

王永峰（1990-），男，山西呂梁市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)橹悄軆x器與動態(tài)測試。