三軸高g值加速度傳感器的測試技術(shù)研究*

陳宏亮,馬少杰,張英忠,張錦明

(南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,南京 210094)

隨著硬目標(biāo)侵徹彈智能、精確起爆技術(shù)的發(fā)展,作為靈巧引信核心器件之一的三軸高g值加速度傳感器在引信控制系統(tǒng)中對(duì)自動(dòng)感應(yīng)識(shí)別目標(biāo)類型、介質(zhì)特征和彈丸侵徹軌跡起著至關(guān)重要的作用,深入開展三軸高g值加速度傳感器研究工作具有十分重要的意義[1-2]。目前,三軸高g值加速度傳感器主要有單質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)和單芯片三質(zhì)量塊結(jié)構(gòu),相對(duì)于前者,單芯片三質(zhì)量塊的加速度傳感器可通過3個(gè)不同的敏感單元分別檢測3個(gè)軸向的加速度,有利于解決傳感器軸間耦合過大的問題[3-4]。

不同于低量程的加速度傳感器,三軸高g值加速度傳感器的測試要求高,需要解決高沖擊加速度的產(chǎn)生、沖擊加速度自身標(biāo)定、交叉軸靈敏度測試中單一方向的沖擊等問題,目前,國內(nèi)外普遍采用Hopkinson桿系統(tǒng)來標(biāo)定傳感器的靈敏度、交叉軸靈敏度、線性度、諧振頻率等參數(shù)[5]。然而,Hopkinson桿沖擊試驗(yàn)產(chǎn)生的加速度信號(hào)脈寬過小通常只有幾十微秒,導(dǎo)致傳感器實(shí)際上彈使用時(shí)出現(xiàn)通過了Hopkinson桿沖擊試驗(yàn)測試卻無法測試加速度的情況,分析原因?yàn)閭鞲衅髟诔掷m(xù)高沖擊過載的作用下發(fā)生失效[6-7],因此,開展傳感器在高沖擊、大脈寬載荷下的動(dòng)態(tài)性能研究工作顯得尤為重要。常用的高沖擊、大脈寬載荷試驗(yàn)有空氣炮試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)侵徹試驗(yàn),其中,空氣炮試驗(yàn)?zāi)軌虍a(chǎn)生數(shù)百微秒的高沖擊載荷,而動(dòng)態(tài)侵徹試驗(yàn)?zāi)軌虍a(chǎn)生毫秒級(jí)的高沖擊載荷[8-9]。

根據(jù)以上分析,本文針對(duì)壓阻式加速度傳感器敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要,提出了一種單芯片集成3個(gè)敏感單元的三軸高g值加速度傳感器敏感結(jié)構(gòu),對(duì)設(shè)計(jì)的傳感器進(jìn)行Hopkinson桿沖擊試驗(yàn),標(biāo)定傳感器的靈敏度、線性度、交叉耦合誤差參數(shù);針對(duì)傳感器在高沖擊、大脈寬載荷下失效問題,對(duì)標(biāo)定的傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)侵徹試驗(yàn),驗(yàn)證傳感器在高沖擊、大脈寬載荷下的性能。

1 傳感器敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三軸高g值加速度傳感器的敏感單元分布如圖1所示,通過在硅基芯片上集成X、Y、Z軸3個(gè)敏感單元,分別檢測3個(gè)方向的加速度值,設(shè)計(jì)量程為15萬gn。

圖1 三軸高g值加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

X和Y軸敏感單元正交放置,均采用帶微梁的雙端固支結(jié)構(gòu),質(zhì)量塊通過懸臂梁和微梁連接到硅框架上。當(dāng)敏感方向受到加速度時(shí),質(zhì)量塊在敏感方向帶動(dòng)微梁發(fā)生拉伸或壓縮變形,由于微梁的尺寸相對(duì)于質(zhì)量塊和懸臂梁的尺寸較小,微梁較小的變形即可產(chǎn)生較大應(yīng)力,保證諧振頻率的同時(shí)提高靈敏度。在4個(gè)微梁變形處布置壓敏電阻并連接成惠斯通全橋,微梁內(nèi)所受應(yīng)力通過本構(gòu)關(guān)系轉(zhuǎn)換為應(yīng)變,應(yīng)變轉(zhuǎn)換為壓敏電阻阻值的變化,在外加電源的作用下,轉(zhuǎn)換為電壓的變化,實(shí)現(xiàn)X或Y軸方向加速度的測量[10]。

Z軸敏感單元采用參考文獻(xiàn)中的帶質(zhì)量塊的雙端固支平板結(jié)構(gòu)[4],檢測垂直硅框架表面方向的加速度。質(zhì)量塊在敏感方向帶動(dòng)雙端固支梁發(fā)生變形,在雙端固支梁根部布置相互垂直的壓敏電阻并連接成惠斯通全橋,實(shí)現(xiàn)Z軸方向加速度的測量。

2 傳感器測試與分析

2.1 Hopkinson桿沖擊試驗(yàn)

為標(biāo)定加速度傳感器的靈敏度 、交叉耦合誤差、線性度參數(shù),實(shí)驗(yàn)室采用Hopkinson桿沖擊試驗(yàn)對(duì)加速度傳感器進(jìn)行測試,Hopkinson桿系統(tǒng)如圖2所示,主要由子彈、脈沖整形器、Hopkinson桿、應(yīng)變片和信號(hào)采集器組成。試驗(yàn)時(shí),被校傳感器粘貼于Hopkinson桿尾部,子彈撞擊Hopkinson桿將在桿內(nèi)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力波,當(dāng)應(yīng)力波傳播至應(yīng)變片和被校傳感器處時(shí),應(yīng)變片和被校傳感器將分別輸出電壓信號(hào),經(jīng)信號(hào)采集器采集、計(jì)算機(jī)處理即可得到應(yīng)變片輸出電壓解算的加速度值和被校傳感器輸出的電壓值。由于Hopkinson桿的長度遠(yuǎn)大于其直徑,而脈沖整形器、Hopkinson桿和被校傳感器緊密連接在一起,可將三者近似為剛性接觸,子彈撞擊在桿內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力波在接觸面的反射、透射影響可以忽略不計(jì),保證應(yīng)力波在Hopkinson桿中的傳輸無損耗。通過調(diào)整子彈的撞擊速度和子彈的長短可分別調(diào)整應(yīng)力波的幅值和應(yīng)力波的波長,增加脈沖整形器可調(diào)整應(yīng)力波的波形[11-12]。

圖2 Hopkinson桿標(biāo)定系統(tǒng)示意圖

傳感器X軸、Y軸、Z軸分別為沖擊方向時(shí)的安裝圖如圖3從左至右所示。傳感器Z軸方向沖擊試驗(yàn)時(shí),將加速度傳感器Z軸方向剛性安裝在Hopkinson桿上,在量程范圍內(nèi)取5個(gè)點(diǎn)為一組輸入量,記錄子彈撞擊后敏感Z軸方向和非敏感X、Y軸方向的電壓輸出值。

圖3 傳感器X軸、Y軸、Z軸方向沖擊試驗(yàn)安裝圖

通過建立加速度傳感器的輸入輸出關(guān)系的線性模型,找出最佳直線,可用下式表示:

U=SA+B0

(1)

式中:U是加速度傳感器Z軸的輸出值,A是加速度傳感器的輸入量,B0加速度傳感器的擬合零位,S是加速度傳感器Z軸的擬合靈敏度。

用最小二乘法擬合出數(shù)點(diǎn)的直線斜率,即為擬合靈敏度S,S按下式進(jìn)行計(jì)算:

(2)

式中:i為采樣序數(shù),取1,2,3,…,n;Ai是第i次加速度傳感器的輸入量;Ui是第i次加速度傳感器的輸出值;S是加速度傳感器的Z軸擬合靈敏度。

選取加速度傳感器Z軸輸出值與擬合直線的最大偏差值,計(jì)算該值與滿量程輸出值的百分比,即為加速度傳感器Z軸的非線性,按下式計(jì)算:

(3)

UFS=S×AFS

(4)

式中:δ為加速度傳感器Z軸的非線性;|ΔUmax|為輸出值與最佳直線的最大偏差;UFS為加速度傳感器的滿量程輸出值;AFS是加速度傳感器輸入量的上限值與輸入量的下限值之差。

計(jì)算加速度傳感器X軸輸出值與Z軸輸出值的百分比,即可得到以Z軸為主方向時(shí),X軸的交叉耦合誤差,按下式計(jì)算:

(5)

式中:CX_Z為Z軸為主方向時(shí)X軸的交叉耦合誤差,UX為X軸輸出值,U為Z軸輸出值。

圖5 加速度傳感器Z軸輸出電壓曲線

圖4為子彈撞擊Hopkinson桿產(chǎn)生的應(yīng)力波脈沖經(jīng)應(yīng)變片輸出后解算得到的加速度曲線,圖5為第1個(gè)應(yīng)力波傳播至Hopkinson桿尾部加速度傳感器Z軸的電壓輸出曲線,加速度傳感器測得第1個(gè)脈沖后即被擊落,因此只輸出一個(gè)典型脈沖波形。由圖3第1個(gè)脈沖可知沖擊產(chǎn)生的加速度值脈寬約為40 μs,幅值約為108 400gn,Z軸輸出的電壓峰值在剔除放大倍數(shù)后約為36.856 mV。

圖4 應(yīng)變片輸出電壓解算的加速度曲線

對(duì)加速度傳感器Z軸量程內(nèi)加速度值從小到大進(jìn)行5次沖擊得到表1所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算得到加速度傳感器Z軸擬合的靈敏度為0.354 μV/gn(5 V供電),擬合得到的最佳直線如圖6所示,解析式為:y=0.000 3x+1.937 8,非線性度為3.8%,最大交叉耦合誤差為以Z軸為主軸時(shí),X或Y軸的耦合誤差≯5.3%。

表1 Z軸方向沖擊測試結(jié)果

圖6 Z軸輸入加速度和輸出電壓擬合直線

由上述方法,可依次進(jìn)行X軸和Y軸方向沖擊試驗(yàn),標(biāo)定得到傳感器X軸和Y軸的靈敏度分別為0.394 μV/g和0.379 μV/g,非線性度分別為4.3%和3.2%,以X軸為方向沖擊時(shí)交叉耦合誤差≯7.2%,以Y軸為方向沖擊時(shí)交叉耦合誤差≯6.9%。綜合以上試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)三軸加速度傳感器標(biāo)定參數(shù)如表2所示。

表2 傳感器參數(shù)統(tǒng)計(jì)表(5 V供電)

2.2 動(dòng)態(tài)侵徹試驗(yàn)

由Hopkinson桿沖擊試驗(yàn)可知,其產(chǎn)生的沖擊加速度脈寬為幾十微妙,而三軸高g值加速度傳感器在實(shí)彈引信應(yīng)用中需要承受持續(xù)數(shù)毫秒、數(shù)萬g的沖擊載荷,易導(dǎo)致傳感器失效。相對(duì)于空氣炮試驗(yàn),動(dòng)態(tài)侵徹試驗(yàn)?zāi)軌虍a(chǎn)生更大脈寬、更高幅值的沖擊載荷,更接近加速度傳感器的實(shí)際使用環(huán)境,因此開展三軸高g值加速度傳感器動(dòng)態(tài)試驗(yàn)技術(shù)研究以驗(yàn)證傳感器的動(dòng)態(tài)性能。

試驗(yàn)時(shí),如圖7所示,加速度傳感器和存儲(chǔ)測試系統(tǒng)一起裝入動(dòng)能彈,加速度傳感器Z軸方向與動(dòng)能彈軸向平行安裝,動(dòng)能彈通過炮擊的方式在膛內(nèi)加速,出膛后高速侵徹鋼筋水泥靶板,通過回收裝置將動(dòng)能彈回收并回讀試驗(yàn)數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。試驗(yàn)條件為靶板厚1.5 m;動(dòng)能彈入靶速度804.2 m/s,采用水平發(fā)射方式,炮管軸線與靶板垂直,圖8為侵徹后的試驗(yàn)靶板與動(dòng)能彈。

圖7 加速度傳感器安裝示意圖

圖8 侵徹后的試驗(yàn)靶板與動(dòng)能彈

圖9 膛內(nèi)加速度曲線和侵徹過程加速度曲線

圖9為三軸高g值加速度傳感器動(dòng)態(tài)侵徹試驗(yàn)時(shí)存儲(chǔ)測試系統(tǒng)通過3 kHz低通濾波后記錄到的膛內(nèi)加速曲線和侵徹過程加速度曲線,其中膛內(nèi)加速曲線在峰值處存在較大的振動(dòng),分析原因?yàn)樵囼?yàn)殼體上下蓋板螺紋未旋緊,取振動(dòng)處上下包絡(luò)線的中值剔除振動(dòng)的影響,可得到表3統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)。其中,幅值和脈寬分別表示動(dòng)態(tài)侵徹試驗(yàn)膛內(nèi)加速度曲線、侵徹過程加速度曲線中的加速度最大值和持續(xù)時(shí)間,百分比為X或Y軸加速度幅值相對(duì)于Z軸加速度幅值的百分?jǐn)?shù),可用該數(shù)據(jù)來衡量加速度傳感器的交叉耦合誤差大小,對(duì)比Hopkinson桿沖擊試驗(yàn)標(biāo)定的結(jié)果,交叉耦合誤差有所提高,不過仍在可接受的范圍內(nèi)。

表3 動(dòng)態(tài)侵徹試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖10 彈道加速度積分曲線

對(duì)存儲(chǔ)測試系統(tǒng)通過3 kHz低通濾波后記錄到的全彈道加速度曲線按下式進(jìn)行累加求和計(jì)算,可求得圖10所示的速度時(shí)間(V-t)曲線和位移時(shí)間(S-t)曲線。

V(0)=0,S(0)=0

(5)

V(n)=V(n-1)+a(n)/fs

(6)

S(n)=S(n-1)+v(n)/fs

(7)

式中:V(0),S(0)分別代表初始時(shí)刻的速度和位移,a(n),V(n),S(n)分別為第n個(gè)采樣周期時(shí)彈體的加速度值、速度值和位移值,fs為存儲(chǔ)測試系統(tǒng)的采樣頻率。

對(duì)加速度傳感器測試到的數(shù)據(jù)和實(shí)際測試到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可得到表4所示的動(dòng)態(tài)侵徹試驗(yàn)參數(shù)及誤差統(tǒng)計(jì)表。表4中,加速度傳感器Z軸測試到的入靶速度為831.3 m/s,實(shí)測動(dòng)能彈入靶速度為804.2 m/s,誤差為3.4%;加速度傳感器Z軸測試到的入靶到出靶的位移剔除彈長后位移為1.59 m,實(shí)際靶板厚度為1.5 m,誤差為6%。加速度傳感器X和Y軸測試計(jì)算到的侵徹位移均小于0.1 m,實(shí)際測量時(shí)因X和Y方向位移因靶板裂開無法精確測量但數(shù)值均在0.1 m左右。

表4 加速度傳感器測試數(shù)據(jù)和實(shí)際測試侵徹參數(shù)及誤差

試驗(yàn)結(jié)果表明,三軸高g值加速度傳感器在承受48 000gn幅值、3 ms脈寬和15 000gn幅值、13 ms脈寬的沖擊載荷下依舊能夠正常工作,加速度傳感器測試得到的位移值與實(shí)際靶厚值誤差為6%,沒有發(fā)生失效的情況,能夠滿足高沖擊、大脈寬的載荷測試的需要。

3 結(jié)論

本文針對(duì)壓阻式加速度傳感器敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要,提出了一種三軸高g值加速度傳感器敏感結(jié)構(gòu),該加速度傳感器采用單芯片集成3個(gè)敏感檢測單元的方案,X和Y軸敏感單元采用帶微梁的雙端固支結(jié)構(gòu),Z軸敏感單元采用帶質(zhì)量塊的雙端固支平板結(jié)構(gòu)。為驗(yàn)證加速度傳感器敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的正確性,對(duì)設(shè)計(jì)的加速度傳感器進(jìn)行了Hopkinson桿沖擊試驗(yàn)標(biāo)定,結(jié)果表明加速度傳感器在5 V供電的情況下,X、Y、Z軸的分別為靈敏度為0.394 μV/gn和0.379 μV/gn、0.354 μV/gn,最大交叉耦合誤差不大于≯7.2%,非線性度分別為4.3%、3.2%、3.8%。對(duì)加速度傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)侵徹試驗(yàn),驗(yàn)證了加速度傳感器在高沖擊、大脈寬載荷下測試的準(zhǔn)確性,能夠滿足高速硬目標(biāo)侵徹引信對(duì)高沖擊過載測量以識(shí)別目標(biāo)類型、介質(zhì)特征和彈丸侵徹軌跡的需要。

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