解決侵徹信號連粘的新型傳感技術

黃 用，崔 敏

（中北大學 電氣與控制工程學院 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051）

由于國內外對高速、超高速侵徹彈藥技術的深入研究，高速大長徑比彈丸的多層目標侵徹計層問題成為國內外侵徹領域研究的熱點。然而將現有基于島梁式加速度傳感器的計層感知技術應用于高速大長徑比彈丸的多層目標計層時存在如下問題：當彈丸長徑比增長，彈速大于800 m/s時，侵徹過程中的應力波在彈體中來回傳播，形成震蕩加速度，高頻震蕩信號的峰值迅速增加，將多層目標侵徹過載包絡完全淹沒，造成層與層過載信號相互粘連，無法有效對穿層進行識別。

針對以上問題，常見的一種方向是從研究侵徹信號算法處理入手，小波閾值消噪方法由Donoho在1995年提出。侵徹信號的小波分析一般通過選擇合適的小波對測試信號進行分解，然后對分解后的高頻信號采用設定的閾值函數進行濾波，最后對處理后的信號進行重構獲得消噪信號。其處理過程能夠去除信號攜帶的部分高頻噪聲，獲得較高的信噪比，但在實際濾波過程中忽視了侵徹信號本身的頻率分析，所以容易去除侵徹阻力本身形成的侵徹高頻信號[1]。國內中國工程物理研究院電子工程研究所歐陽科等人提出了一種基于加速度傳感器和MEMS開關信號融合的計層算法，該算法通過加速度傳感器和MEMS開關信號分別與不同窗函數在時域中的卷積加權和得到的復合信號來判定彈丸侵徹過程中的分層特性。但只在軟件上仿真了彈速700 m/s侵徹5層靶的實驗結果，缺少更多的實物試驗數據來驗證彈速在更高時算法的適用性[2-6]。另一研究方向是針對侵徹計層電路，美國已成熟地將FPGA邏輯控制器應用于硬目標靈巧引信FMU-159，并在實戰中展現了其穩定可靠性，但國內與此相關研究單位還主要停留在試驗仿真階段，而且由于在侵徹過程中，環境非常惡劣，國內現階段的電路芯片集成技術與電路過載防護措施上的技術瓶頸很難滿足抗過載方面、精確度方面的測試要求。信號粘連的問題很難從根本上解決。

本文旨在源頭上——傳感器測取數據上解決信號粘連的問題，傳統上都是利用高G值的MEMS加速度計測取侵徹信號，因為幾乎所有高G值加速度計都是采用島梁結構，這種結構的加速度計的優點在于靈敏度高，工藝技術成熟；但缺點是島梁結構在起振后很難馬上穩定在平衡位置，這就造成侵徹引信在傾徹多層靶的時候，在穿過上一層靶后，加速度計還沒有穩定就開始侵徹下一層靶，造成層與層過載信號相互粘連，無法有效對穿層進行識別。針對這種棘手問題，本文開拓創新地提出采用陶瓷電容傳感器采集信號，由于疊層電容傳感器的結構相對于島梁結構的加速度計起振頻率更高，其優點不但在于可以有效測到侵徹高頻信號，還能濾掉一部分低頻干擾信號；而且電容結構剛度更大，在侵徹穿過一層靶后能比島梁結構更快地回到平衡位置，使上一層的侵徹信號不會淹沒下一層的侵徹信號，不但能解決信號連粘的問題還能有效解決信號拖尾的現象，從而提高了測量精度。

1 設計原理

1.1 侵徹測量原理仿真

為了驗證所設計的傳感器結構的合理性，將會通過有限元仿真軟件對其結構進行靜態、模態以及瞬態分析，但在這之前要先仿真彈體侵徹多層靶的動力學仿真，因為侵徹感知傳感器安裝在彈體前段，實際彈體內部結構十分復雜，所以將彈體簡化成一個實心結構，并提取彈體的仿真試驗結果，其結果將傳感器結構仿真的實驗載荷施加依據。

在設計侵徹模型時，將靶板與彈體作如下3個假設：①靶板與彈體均視為均勻連續與各項同性材料、彈丸為剛體模型、靶板采用無限大方形靶板、不計邊界效應、無初始應力；②彈丸垂直于靶板面、不計重力作用；③整個侵徹過程絕熱，不計空氣阻力和彈體振動影響。

侵徹幾何模型如圖1所示，本侵徹試驗采用Lagrange方法計算，彈體尺寸為直徑2.6 cm，垂直長度3.9 cm，彈頭為半球形，直徑為2.6 cm。侵徹模型使用三維實體solid164單元進行網格劃分，并在彈體和靶板直接作用區域進行網格加密處理，并在四周設置邊界無反射邊界，來模擬半無限靶板，接觸采用面對面接觸，即*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE算法。

圖1 彈丸侵徹幾何模型Fig.1 Projectile penetration geometry model

彈丸采用剛體模型，彈丸材料采用*MAT_JOHNSON_COOK材料模型來描述其本構關系。靶板采用A30鋼，四層靶板的長*寬*厚為300cm*300cm*6cm，靶板之間的間距為30 cm。靶板材料也采用*MAT_JOHNSON_COOK材料模型來描述其本構關系。所有靶板除了材料編號不同外，其材料參數都相同。

本仿真單位制采用cm-g-μs制，彈丸初速1300 m/s，仿真時間180 μs。利用LS-PREPOST軟件處理后，彈丸侵徹各個靶板的應力云圖如圖2～圖5所示。

圖2 彈丸侵徹第一層靶板的應力云圖Fig.2 Stress cloud diagram of projectile penetrating the first target

圖3 彈丸侵徹第二層靶板的應力云圖Fig.3 Stress cloud diagram of projectile penetrating the second target

圖4 彈丸侵徹第三層靶板的應力云圖Fig.4 Stress cloud diagram of projectile penetrating the third target

圖5 彈丸侵徹第四層靶板的應力云圖Fig.5 Stress cloud diagram of projectile penetrating the fourth target

彈丸在侵徹過程中，本身的速度及加速度變化情況如圖6和圖7所示。

1.2 電容傳感器測量原理

本文所設計的電容壓力傳感器是一個雙電容結構，整個結構是一個圓柱形，由可動上極板和中間極板、固定下極板以及上下氧化鋯陶瓷介電層構成雙層電容結構，極板與介電層的直徑都為8 mm，三個極板厚度為1 mm，陶瓷介電層厚度3.5 mm。其結構示意如圖8所示。與加速度傳感器采用的島梁或腔體結構相比，該結構能夠有效提高系統的阻尼系數，降低沖擊響應的時間，消除信號粘連問題。可動上、中極板和固定下極板均采用鈀銀（Pb-Ag）導體材料，陶瓷介電層采用氧化鋯陶瓷材料，由于氧化鋯陶瓷片具有零力學滯后、高彈性、抗腐蝕、抗磨損、蠕變、遲滯小和高溫魯棒性，直至破裂都嚴格遵循虎克定律的特點，并且壓縮時的材料強度遠遠高于拉伸時的強度。

圖6 彈丸垂直速度-時間曲線Fig.6 Projectile vertical velocity-time curve

圖7 彈丸垂直加速度-時間曲線Fig.7 Projectile vertical acceleration-time curve

圖8 雙層電容結構示意圖Fig.8 Schematic diagram of double-layer capacitor structure

這種類型的傳感器屬于變極距型電容傳感器，理想情況是下極板固定不動，但在實際侵徹過程中整個侵徹引信系統存在應力波在彈體中來回傳播，因此下極板實際也是在振動的，因此引起上下極板間的極間距的變化不單是侵徹方向的壓力信號，還有一部分還有彈體及傳感器噪聲信號。因此就采用泡沫鋁緩沖層機械濾波，濾掉這大部分此類干擾噪聲。

2 結構有限元仿真

利用有限元分析軟件ANSYS對雙層電容結構和島梁結構加速度計的穩定性進行模態分析和瞬態分析，從侵徹測量原理仿真結果可知彈丸最大侵徹加速度值為25000 g，但在實際中為了保證結構測量不失真，將在有限元仿真中設置加速度值為40000 g，并加載到相同體積的電容結構和加速度計結構上，高G值的島梁加速度計幾乎都采用四懸臂梁結構。對比兩種結構的響應特性。為應用于侵徹高沖擊、高頻響環境下的電容傳感器研究提供了可靠地理論基礎。

雙層電容結構和島梁結構加速度計有限元網格化后如圖9和圖10所示。

圖9 雙層電容有限元結構示意Fig.9 Schematic diagram of finite element structure of double-layer capacitor

圖10 加速度計有限元結構示意Fig.10 Schematic diagram of the finite element structure of the accelerometer

首先對電容結構進行模態仿真，四階各個模態仿真結果如圖11～圖14所示。

圖11 雙層電容結構一階模態圖Fig.11 First-order modal diagram of double-layer capacitor structure

圖12 雙層電容結構二階模態圖Fig.12 Second-order modal diagram of double-layer capacitor structure

圖13 雙層電容結構三階模態圖Fig.13 Third-order modal diagram of double-layer capacitor structure

圖14 雙層電容結構四階模態圖Fig.14 Fourth-order modal diagram of double-layer capacitor structure

電容結構模態分析的各階振動頻率如表1所示。

表1 電容結構各階振動頻率Tab.1 Vibration frequency of each order of the capacitor structure

再是對四懸臂梁的加速度計結構進行模態仿真，四階各個模態仿真結果如圖15～圖18所示。

圖15 四懸臂梁的加速度計一階模態圖Fig.15 First-order modal diagram of the accelerometer of four cantilever beams

圖16 四懸臂梁的加速度計二階模態圖Fig.16 Second-order modal diagram of the accelerometer of four cantilever beams

圖17 四懸臂梁的加速度計三階模態圖Fig.17 Third-order modal diagram of the accelerometer of four cantilever beams

圖18 四懸臂梁的加速度計四階模態圖Fig.18 Fourth-order modal diagram of the accelerometer of four cantilever beams

四懸臂梁加速度計結構模態分析的各階振動頻率如表2所示。

表2 四懸臂梁加速度計結構各階振動頻率Tab.2 Vibrational frequencies of four cantilever beam accelerometer structures

對比兩者的模態仿真結果可以發現在沿著加速度方向的振動頻率，電容結構為77.940 kHz，遠大于加速度計的25.692 kHz。

由已經已知彈體侵徹靶標的過程中所產生沖擊響應頻譜的截止頻率在20 kHz以下，而該電容結構的一階固有頻率相對于島梁結構的加速度計明顯遠遠大于20 kHz，因此更能符合測試不失真要求。

為了能夠進一步對比說明電容結構的優越性，從瞬態仿真對比兩者響應特性，在相同的40000 g沖擊加速度，并在相同的結構體積下的四懸臂梁的加速度計和電容結構的瞬態分析結果如圖19～圖21所示。

從仿真結果能夠清晰看到電容結構的響應時間約為20 ms，遠遠快于加速度計結構約為160 ms的響應時間，而且從上圖就能看出電容結構相對于島梁結構的加速度計響應曲線更加平滑，沒有信號拖尾發生，因此就能更好杜絕侵徹時信號連粘的發生。

圖19 沖擊加速度階躍信號Fig.19 Impact acceleration step signal

圖20 雙層電容結構瞬態響應圖Fig.20 Double-layer capacitor structure transient response diagram

圖21 四懸臂梁加速度計瞬態響應圖Fig.21 Four cantilever beam accelerometer transient response diagram

綜上所述，選擇雙層電容結構作為侵徹傳感器結構更加合理。

3 結語

通過仿真試驗分別對陶瓷疊層電容組結構和傳統島梁結構的加速度計進行模態和瞬態分析結果對比，結果說明雙層電容傳感器結構設計能很好地解決侵徹信號連粘的問題，對高頻率范圍具有良好的適用性和有效性，可以實現對彈體侵徹計層的實時、高精度測量，具有一定的工程應用價值。

由于該傳感器還處于仿真實驗階段，還沒有真正在彈體穿靶試驗中驗證其可靠性，因此優化傳感器性能、平衡誤差范圍是下一步的研究方向和研究重點。