降低加速度信號粘連的傳感器二次封裝材料

張海濤，張　康，李朝陽，徐蓬朝

(西安機電信息技術研究所，西安　710065)

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降低加速度信號粘連的傳感器二次封裝材料

張海濤，張康，李朝陽，徐蓬朝

(西安機電信息技術研究所，西安710065)

摘要：針對戰斗部高速侵徹多層硬目標時，時域內出現的加速度信號粘連影響引信計層準確性的問題，提出通過傳感器二次封裝降低侵徹計層信號粘連，而選擇灌封材料的原則是提高振動模型的阻尼比；彈性模量相對較高、阻尼系數與剛度系數比值較大的灌封材料可以獲得更高的阻尼比；仿真及試驗表明：與石蠟相比，用環氧樹脂灌封使振動模型阻尼比增大，戰斗部高速侵徹多層硬目標時加速度信號衰減迅速、信號粘連程度降低，實現引信計層準確性的提高。

關鍵詞：引信；傳感器；信號粘連；二次封裝；阻尼比

本文引用格式：張海濤，張康，李朝陽，等.降低加速度信號粘連的傳感器二次封裝材料[J].兵器裝備工程學報，2016(7):37-41.

Citation format:ZHANG Hai-tao, ZHANG Kang, LI Zhao-yang, et al.Secondary Packaging Materials to Reduce the Acceleration Sensor Signal Blocking[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(7):37-41.

計層起爆控制是硬目標侵徹引信起爆控制方式之一，工作原理是用高g值加速度傳感器測取戰斗部侵徹加速度時間歷程，實時計算加速度信號，利用加速度信息判斷戰斗部著靶、出靶，實現計層。

在彈丸侵徹速度高于600 m/s時，侵徹過載淹沒在高頻振蕩信號中，彈丸侵徹下一層靶標時應力波未完全衰減，使加速度信號在前一層與后一層之間相互粘連，分層特性不明顯。文獻[1]提出基于小波包絡分解的多層侵徹信號分析及處理方法，基于小波變換的沖擊振動時頻特征分析，可以給出所侵徹的目標層信息，但該方法僅在數據后期處理中實現，且處理器配置要求較高。文獻[2]提出一種基于加速度傳感器和MEMS開關信號融合的計層算法，消除彈丸高速侵徹過程中加速度信號受應力波等干擾影響造成分層特性不明顯或信號異常產生的計層誤差。文獻[3]提出調整加速度計的阻尼，可以消弱諧振現象，但加速度計阻尼較小時其響應信號諧振情況嚴重，幅值誤差大。文獻[4]研究了灌封材料對壓阻式高g值加速度傳感器動態特性的影響，指出彈性模量大于2 GPa的環氧樹脂是適于壓阻式高g值加速度計的二次灌封材料，但沒有研究傳感器二次封裝材料與侵徹多層硬目標時加速度信號粘連的內在聯系。綜上所查閱的文獻，信號融合方法能解決問題，但對經濟性和產品小型化不利，時域內出現的加速度信號粘連沒有消除或降低，加速度信號粘連影響引信計層準確性的問題解決不徹底。針對戰斗部高速侵徹多層硬目標時，時域內出現的加速度信號粘連影響引信計層準確性的問題，提出通過傳感器二次封裝降低侵徹計層信號粘連的途徑，而選擇灌封材料的原則是提高振動模型的阻尼比。

1芯片級封裝傳感器及動態特性

1.1壓阻式傳感器結構

壓阻式加速度傳感器是基于單晶硅的壓阻效應制成，具有上升時間短、固有頻率高的特性，在沖擊、爆炸、高速碰撞等環境中使用廣泛。其工作原理是當傳感器內的質量塊受到慣性力的作用時，梁受壓發生變形，對稱布置在四根梁端部的壓敏電阻的電阻率隨之按一定規律變化，傳感器的輸出電壓會因質量塊的慣性力不同而隨時改變。壓阻式加速度傳感器結構原理如圖1所示，這種傳感器也稱為芯片封裝傳感器，其外部用不銹鋼管殼封裝[4]。

圖1　壓阻式加速度傳感器結構

1.2影響芯片級封裝傳感器動態特性的阻尼比

文獻[4]中針對芯片級封裝傳感器建立等效數學模型是二階系統絕對式模型，如圖2所示。

圖2　芯片級封裝傳感器等效模型

假設基座受沖擊后相對于大地的運動位移x，質量塊相對于基座的運動位移為y，則質量塊相對于大地參考系的運動位移z=x+y，依據牛頓第二定律可得：

(1)

其中：c為阻尼系數，m為質量塊的質量，k為彈性元件的剛度系數。

f(t)代表加速度傳感器的實際輸入，即基座的加速度d2x/dt2，在此將沖擊信號近似為半正弦脈沖信號。激勵加速度均可近似為半正弦脈沖信號[4]：

(2)

(3)

依據單位脈沖激勵的沖擊響應，阻尼比不同時，理論計算得到的沖擊響應曲線如圖3所示，可以看出阻尼比不同時，沖擊響應幅值和信號衰減速率有很大差異。當傳感器的阻尼比在0.1～0.25時，響應信號幅值持續降低，自由振動部分的衰減速率加快，系統自由振動部分的能量降低，系統穩定時間縮短，從而明顯改善加速度計的動態特性[4，6]。

圖3　單位脈沖激勵信號響應曲線

1.3加速度信號粘連機理

戰斗部侵徹多層硬目標時，第一層目標侵徹后，傳感器獲得初始激勵，戰斗部穿靶后傳感器在初始激勵后加速度信號逐漸衰減，傳感器自身還沒有達到穩定狀態時，第二層靶侵徹開始，此時傳感器的第一層穿靶激勵的響應與第二層穿靶激勵的響應疊加在一起，前兩層靶侵徹加速度信號粘連在一起，有效層信號包絡淹沒在高頻振蕩信號中，分層特性不明顯。加速度信號粘連的本質原因是戰斗部侵徹多層硬目標工況特殊，引信內的加速度傳感器要在極短時間內經受多次連續沖擊。由于彈速較高、層間距較小、傳感器自身阻尼不足，致使加速度信號在戰斗部穿相鄰兩層靶之間的空檔時信號來不及衰減至穩定狀態，下一層靶的侵徹就開始了，在整個時域內出現加速度信號粘連。

2降低加速度信號粘連的傳感器二次封裝材料

2.1高g值壓阻式加速度傳感器二次封裝

侵徹引信內置高g值壓阻式加速度傳感器，為實現其計層起爆功能，起爆控制電路實時采集加速度傳感器的輸出信號，用采集的加速度信息判斷戰斗部是否著靶、出靶，實現計層。用環氧樹脂灌封傳感器的結構原理如圖4所示，國產壓阻式高g值加速度傳感器均為芯片級封裝，需要在PCB板上匹配適配放大電路，傳感器自身有4個引腳，引出4根線連接到PCB板上，傳感器和PCB板分別灌封到獨立的腔室內。傳感器二次封裝方法是將芯片級封裝傳感器用彈性模量相對較高、阻尼系數與剛度系數比值較大的材料，用專用工裝將芯片級封裝傳感器固定到鋁本體預制孔內，傳感器底面與預制孔底面保持一定距離，用環氧樹脂灌封到鋁本體預制孔內，孔內壁預制細牙螺紋以增大環氧樹脂附著力。傳感器用環氧樹脂灌封后，傳感器振動模型的阻尼比會改變，傳感器的幅頻特性發生改變，其工作頻帶降低。

圖4　傳感器二次封裝結構原理圖

2.2提高振動模型阻尼比降低加速度信號粘連

灌封后的加速度傳感器本質是二階線性系統，建立其等效力學模型，進行計算分析。將灌封材料的非線性緩沖簡化為基礎激勵，灌封后的傳感器系統等效為由芯片級傳感器和灌封材料組成的二自由度系統，灌封后傳感器等效力學模型如圖5所示。ma、ka、ca為芯片級封裝加速度傳感器的慣性質量、剛度系數和阻尼系數。高g值加速度傳感器的自身阻尼ca相對較小，計算時忽略。mc、kc、cc分別為外部灌封材料的等效質量、剛度系數和阻尼系數。xa加速度傳感器芯片的絕對位移，xc灌封材料的絕對位移，z加速度傳感器芯片的慣性質量ma相對于灌封材料質量mc的位移，θ，ψ初始相位角。

圖5　灌封后傳感器等效力學模型

侵徹引信中使用的高g值壓阻式加速度傳感器動態性能指標有上升時間tr、峰值時間tp、穩定建立時間ts，和超調量σ等。圖6是加速度傳感器的時域內的動態響應曲線，其中上升時間tr反映傳感器響應速度的快慢，ts是指傳感器受激勵后穩定信號建立時間。引信內部使用環氧樹脂灌封傳感器，傳感器灌封后的傳感器振動模型的阻尼比灌封前傳感器自身的阻尼比大，縮短傳感器動態指標中的穩定信號建立時間ts，降低了戰斗部侵徹多層硬目標時加速度信號粘連，同時降低傳感器共振的振幅。

圖6　加速度傳感器時域動態響應

3驗證

3.1理論分析

灌封后的加速度傳感器等效力學模型為二自由度振動系統，等效模型見圖5。該振動系統兩個不同的自由振動頻率。當加速度傳感器的基礎位移輸入y=y0sinωt。

系統的運動方程組：

(4)

通過求解系統的運動方程組，可得芯片質量m的動態響應：

(5)

解算式(5)，可以得到灌封后加速度傳感器系統的幅頻特性和相頻特性：

灌封后傳感器振動模型的阻尼比μ是阻尼系數與臨界阻尼系數的比值，反映的是振幅按指數規律衰減效率。阻尼比μ增大，可以使式z(t)中的第一項衰減加快，縮短傳感器激勵后到達穩定狀態的時間，同時也能降低z(t)幅值。

依據式(6)給出的灌封后的加速度傳感器系統的幅頻特性函數，灌封材料為環氧樹脂，令β=0.5，δ=γ/6，阻尼比μ取不同值時，仿真得到灌封后傳感器系統幅頻特性曲線如圖7所示。

由圖7可以看出，阻尼比對傳感器系統幅頻特性的曲線影響較大，即灌封材料的特性參數對系統幅頻特性的影響較大。灌封前芯片級封裝傳感器的幅頻特性只有一個諧振峰。灌封后二次封裝的傳感器有兩個諧振峰值，隨著阻尼比值由小到大不斷的變化，曲線的第一諧振峰值明顯也在逐漸降低，第二諧振峰值變化不大。對于二次封裝傳感器，外界激勵信號的頻率等于傳感器的固有頻率時系統并不發生共振，而是在其接近整個二次封裝傳感器的諧振頻率時，才會出現共振現象。灌封后傳感器的第一諧振點往左移動，第二諧振點往右移動，傳感器幅頻特性曲線的平直段范圍縮小，工作頻帶降低。

圖7　不同阻尼比時傳感器的幅頻特性

3.2侵徹多層硬目標仿真

選用不同灌封材料對芯片級封裝傳感器進行灌封，侵徹多層硬目標時，傳感器響應信號的衰減特性不同。通過式(5)分析表明彈性模量相對較高、阻尼系數與剛度系數比值較大的材料對傳感器進行灌封，可以提高灌封后傳感器振動模型的阻尼比。由于芯片級封裝傳感器的模型復雜，傳感器在仿真模型中用等效質量模塊代替，PCB板灌封腔室與傳感器灌封腔室先互獨立，互不影響，忽略了PCB板灌封腔室部分的建模。引戰仿真模型中引信傳感器安裝位置及灌封結構如圖8所示。

建立侵徹多層硬目標仿真模型，用LS-DYNA軟件進行仿真，引戰仿真模型如圖9所示。

圖8　傳感器安裝位置及灌封結構

圖9　引戰仿真模型

仿真模型中戰斗部初速650 m/s。戰斗部殼材料為30CrMnSi鋼，選用雙線性隨動塑性材料模型；引信殼、壓螺材料為鈦合金，選用JOHNSON-COOK材料模型；封裝體和配重模塊的材料和傳感器的材料均為硬鋁2A12，均選用隨動塑性材料模型；灌封材料選擇石蠟與環氧樹脂以便于對比，選用線彈性材料模型。8層鋼筋混凝土靶，層間距3 m，厚度0.3 m，混凝土抗壓強度40 MPa，選用J-H-C模型。環氧樹脂與鋁本體之間采用共節點連接方式模擬增強附著力的螺紋結構。在其他條件不變的情況下，在引戰模型中調整灌封材料參數，為對比不同封裝材料即石蠟與環氧樹脂，兩種條件下進行仿真，仿真結果如圖10和圖11。

圖10　石蠟封裝傳感器的仿真結果

圖10是石蠟灌封傳感器的仿真結果，彈丸在連續侵徹多層靶所形成的層與層之間的侵徹過載包絡不清晰，層與層之間的加速度信號發生相互粘連。由于彈速較高、層間距較小、灌封材料阻尼比小，致使加速度信號在戰斗部穿越層層衰減慢，侵徹過載層次不清晰，出現加速度信號粘連。

圖11　環氧樹脂封裝傳感器的仿真結果

圖11是環氧樹脂灌封傳感器的仿真結果，彈丸在侵徹每一層靶板時，其所形成的層與層之間的侵徹過載包絡較為清晰，侵徹過載曲線特征層次比較分明，與石蠟灌封傳感器仿真結果相比，層與層之間加速度信號相互粘連程度降低。

3.3沖擊試驗

選用不同的灌封材料對芯片級封裝傳感器進行灌封，灌封后傳感器的阻尼比不同，傳感器的沖擊響應信號的衰減速率也不同。與石蠟相比，環氧樹脂的彈性模量相對較高、阻尼系數與剛度系數比值較大，為驗證環氧樹脂是否適合對傳感器進行灌封，與石蠟灌封材料做對比。

選用量程3萬g，抗過載能力5萬g，靈敏度3．5 μV/g，諧振頻率250 kHz的壓阻式高g值加速度傳感器，傳感器灌封后放入引信殼體內，引信殼體通過底部的外螺紋與錘頭連接，用馬歇特錘擊設備進行沖擊試驗。具體試驗方法是沖擊過程中的加速度數據的采集存儲由數據采集存儲模塊負責，加速度傳感器灌封到鋁本體內，用壓螺壓緊，然后與錘頭連接，將馬歇特錘齒數設置在8齒釋放后錘頭與鐵砧產生碰撞，被試產品的安裝結構示意圖如圖12所示。

圖12　被試產品安裝示意圖

用石蠟灌封的加速度傳感器，在8齒條件下進行沖擊試驗，試驗結果如圖13所示，加速度傳感器的響應信號中有比較明顯諧振現象，從18 000g衰減至4 000g歷時140 ms，衰減至2 000g歷時350 ms，衰減速率較慢。

圖13　石蠟封裝傳感器的試驗結果

用環氧樹脂灌封的加速度傳感器，在8齒條件下進行沖擊試驗，試驗結果如圖14所示，響應信號有較小的諧振現象。從17 000g衰減之4 000g歷時30 ms，衰減至2 000g歷時60 ms。與圖13試驗結果相比，加速度傳感器響應信號的衰減速率明顯加快。

圖14　環氧樹脂封裝傳感器的試驗結果

對比圖13和圖14的試驗數據，盡管兩次試驗中傳感器響應信號的幅值特性不完全相同，但加速度傳感器響應信號的衰減速率差異明顯，環氧樹脂灌封的傳感器響應信號衰減特性優于石蠟灌封的傳感器。

4結論

本文提出通過傳感器二次封裝來降低侵徹計層信號粘連的途徑，而其中選擇灌封材料的原則是提高振動模型的阻尼比。該方法是用彈性模量相對較高、阻尼系數與剛度系數比值較大的環氧樹脂材料，用專用工裝將芯片級封裝傳感器固定到鋁本體預制孔內，傳感器底面與預制孔底面保持一定距離，用環氧樹脂灌封到鋁本體預制孔內，孔內壁預制細牙螺紋以增大環氧樹脂附著力。芯片級封裝傳感器用環氧樹脂灌封后，傳感器振動模型阻尼比增大，加速度信號的衰減加快，動態響應指標中的穩定建立時間縮短。仿真及試驗表明：與石蠟相比，用環氧樹脂灌封使振動模型阻尼比增大，戰斗部高速侵徹多層硬目標時加速度信號衰減迅速、信號粘連程度降低，實現引信計層準確性的提高。

由于試驗成本較高，傳感器灌封材料的差異性及何種灌封料效果最佳，還需進一步通過大量試驗來驗證。

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(責任編輯周江川)

收稿日期：2016-02-18；修回日期：2016-03-02

作者簡介：張海濤(1982—)，男，工程師，主要從事機電引信技術研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.009

中圖分類號：TP274

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)07-0037-06

Secondary Packaging Materials to Reduce the Acceleration Sensor Signal Blocking

ZHANG Hai-tao, ZHANG Kang, LI Zhao-yang, XU Peng-zhao

(Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China)

Abstract:For the problem that acceleration signal appears in time domain impacts accuracy issue of blocking layer of fuze meter when warhead penetrated multi-warhead hard targets in high-speed, the second package of the sensor was proposed to reduce meter penetration adhesion layer signal, and the selection potting material principle was to improve the damping ratio of the vibration model. The modulus of elasticity is relatively high and potting material with large damping and stiffness coefficient ratio can achieve higher damping ratio. Simulation and experiments show that: compared with paraffin, the vibration model damping ratio increases with epoxy potting, and the acceleration signal attenuation rapidly when warhead penetrated multi-warhead hard targets in high-speed, and the degree of adhesion signals is reduced, which realizes the improvement of accuracy of fuze meter level.

Key words:fuze; sensor; signal blocking; the second package; damping ratio

【裝備理論與裝備技術】