沖擊條件下多層瓷介電容器容值測試方法研究

程向群,付 鐵,張京英,李曉峰,胡小林

(1.北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院，北京 100081；2.北京理工大學(xué) 機電學(xué)院，北京 100081；3.淮海工業(yè)集團，山西 長治 046012)

多層瓷介電容器因其體積小、比電容高等特點，被廣泛應(yīng)用于武器系統(tǒng)的電路設(shè)計當(dāng)中[1]。彈體在發(fā)射和侵徹過程中，引信系統(tǒng)中的起爆電容不僅要承受非常嚴酷的高過載環(huán)境，而且還要求具有很高的安全性和作用可靠性。如果高過載環(huán)境引起已儲存電荷的陶瓷電容器的容值發(fā)生改變，陶瓷電容器的電壓發(fā)生改變，能量發(fā)生泄露，將有可能導(dǎo)致彈藥早炸；如果多層瓷介電容器在高沖擊環(huán)境下結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，將直接導(dǎo)致彈藥啞火。因此，開展沖擊條件下多層瓷介電容器的容值測試方法研究，對提高引信系統(tǒng)的性能具有十分重要的意義。

早期的研究主要集中于減少生產(chǎn)制造工藝不足帶來的微觀損傷，介質(zhì)層空洞、燒結(jié)裂紋和分層等都會引起多層瓷介電容器失效[2-4]。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，有限元仿真的方法被廣泛應(yīng)用于工程實踐中。李剛龍[5]通過有限元仿真軟件建立了多層瓷介電容器在燒結(jié)、焊接過程中產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力對多層瓷介電容器失效的影響；Jong-Song Park等[6]通過有限元仿真分析了多層瓷介電容器層間殘余應(yīng)力的變化與其介電常數(shù)的關(guān)系。Klaus Prume等[7]開展了多層瓷介電容器電、力和熱耦合行為的有限元仿真；張旭輝等[8]基于彈性力學(xué)和有限元方法建立了高g沖擊載荷下多層陶瓷電容器的有限元模型，分析了各工況下電容的危險位置及失效原因。而力-電耦合是采用有限元法計算沖擊環(huán)境下多層瓷介電容器的容值變化的難點，因此在實際工程應(yīng)用中大多采用直接測試法。

現(xiàn)有的電容測試方法有LCR電橋法、諧振法、恒壓放電法、恒流積分法和矢量電壓-電流法[9]。江冰等[10]設(shè)計了一種運放充放電原理的微電容測量電路采樣率為60 Hz。何榮華等[11]設(shè)計了高過載下軍用電容動態(tài)測試方案并進行了標(biāo)準(zhǔn)錘擊試驗，電路采樣頻率為400 Hz。李新娥等[12]設(shè)計了采樣率為100 kHz的小電容充放電電路。

為了解決現(xiàn)有的電容測試方法采樣頻率低，不適用于高沖擊環(huán)境的缺點，本文提出了一種基于RC充放電原理結(jié)合快速充放電電路的多層瓷介電容器容值動態(tài)測試方法，并通過開展分離式霍普金森壓桿動態(tài)沖擊試驗，驗證該電容動態(tài)測試方法的可行性。通過實驗數(shù)據(jù)分析多層瓷介電容器在沖擊過載條件下的容值變化特性。

1 電容動態(tài)測試方法

1.1 快速充放電電路設(shè)計

基于RC充放電原理設(shè)計電容快速充放電電路示意圖如圖1。其中，U1～U3為高速柵極驅(qū)動器。Q1～Q3為大功率MOSFET，其中Q1為P-MOSFET，Q2、Q3為N-MOSFET，R1為充電電阻，R2為第一路放電電阻、R3為第二路放電電阻，C1為待測電容。

圖1 快速充放電電路示意圖

微控制器產(chǎn)生三路固定頻率的PWM波控制驅(qū)動器的通斷，驅(qū)動器驅(qū)動MOSFET對電容器充放電。當(dāng)PWM1、PWM2和PWM3均為低電平時，P-MOSFET開啟，N-MOSFET關(guān)閉，VCC通過R1對電容充電；當(dāng)PWM1、PWM2和PWM3均為高電平時，P-MOSFET關(guān)閉，N-MOSFET開啟，電容通過R2、R3放電。其中，使用大功率泄放電阻R3，以達到快速放電的目的。

1.2 PSpice電路仿真

利用PSpice仿真軟件對快速充放電電路的輸出性能進行了仿真。PSpice軟件搭建的快速充放電電路仿真模型如圖2所示，通過調(diào)整3個信號發(fā)生器的開斷時間及占空比，達到精確控制電容充放電頻率的目的。由圖3可知：當(dāng)充放電頻率為500 kHz，即一個充放電周期為2 μs時，電容充放電過程特征明顯，說明該電路能實現(xiàn)對陶瓷電容器的快速充放電。在實際使用過程中，仿真模型中信號發(fā)生器由控制電路代替。

圖2 PSpice仿真模型

圖3 f=500 kHz充放電仿真結(jié)果

2 沖擊試驗

2.1 試驗方案設(shè)計

分離式霍普金森桿實驗技術(shù)是研究中高應(yīng)變率下材料力學(xué)性能的最主要、最可靠的試驗方法,是爆炸與沖擊動力學(xué)實驗技術(shù)的重要組成部分[13]。沖擊試驗在分離式霍普金森壓桿試驗機上進行，通過控制子彈出炮口的速度，精確控制多層瓷介電容器承受的沖擊過載，便于研究該動態(tài)測試方法的性能。

試驗過程中加載電容固定在入射桿和透射桿中間，參考電容置于相同的電磁環(huán)境中。子彈以不同的速度沖擊多層瓷介電容器，同時位于出炮口的激光測速裝置為微控制器提供觸發(fā)信號，微控制器控制對兩路多層瓷介電容器進行快速充放電。使用PVDF壓電計[14]實時測量多層瓷介電容器在沖擊過程中的應(yīng)力時間曲線。用示波器記錄加載電容器和參考電容器兩端電壓的變化過程及PVDF壓電計的實時數(shù)據(jù)。動態(tài)測試方案如圖4所示。

圖4 動態(tài)測試方案示意圖

2.2 試驗參數(shù)設(shè)計

試驗中所使用多層瓷介電容器的電氣參數(shù)如表1所示。

表1 電容電氣參數(shù)

由分離式霍普金森壓桿實驗技術(shù)可知，最短沖擊響應(yīng)過程持續(xù)時間約為150 μs左右。為了在一個應(yīng)力波作用過程中精確測量到多層瓷介電容器容值動態(tài)變化過程，初步設(shè)定電容充放電周期為10 μs，即微控制器的PWM頻率為100 kHz。由RC充放電時間常數(shù)τC=RCC可知，R1=100 Ω，R2=50 Ω，R3=10 Ω時，動態(tài)測試電路采樣率滿足實驗要求。動態(tài)測試電路的仿真結(jié)果及實際充放電測量結(jié)果如圖5所示，該電路實測與仿真結(jié)果基本保持一致，可用于動態(tài)測試實驗。實際電路效果如圖6所示。

圖5 PSpice仿真結(jié)果與實際電路對比示意圖

圖6 實際電路效果圖

3 試驗結(jié)果分析

分離式霍普金森壓桿子彈分別以3.13 m/s和4.62 m/s的速度沖擊多層瓷介電容器，結(jié)果如圖7、圖8所示。

子彈以v=3.13 m/s的速度沖擊陶瓷電容器，圖7(a)、(b)分別為加載電容和參考電容的容值變化曲線，電容器電容充放電特性不會受到?jīng)_擊載荷的影響。圖7(c)、圖7(d)分別為第一、第二個應(yīng)力波作用下加載電容器和參考電容器容值變化曲線，由圖可知，在沖擊過程中電容器的容值不發(fā)生變化。圖7(e)、圖7(f)為加載電容器應(yīng)力時間曲線，當(dāng)t=1 500 μs時第一個應(yīng)力波(入射波)作用于陶瓷電容器，t=1 594 μs時電容器應(yīng)力σ1max=268 MPa達到最大值，t=1 800 μs時第一個應(yīng)力波作用結(jié)束；當(dāng)t=1 953 μs時，第二個應(yīng)力波(反射波)作用于陶瓷電容器，t=2 032 μs時電容器應(yīng)力σ2max=230 MPa達到最大值，t=2 230 μs時反射波作用結(jié)束。

圖7 v=3.13 m/s動態(tài)沖擊過程

子彈以v=4.62 m/s的速度沖擊陶瓷電容器，圖8(a)、圖8(b)分別為加載電容和參考電容的容值變化曲線，圖8(c)為沖擊過程中多層瓷介電容器的容值變化過程，圖8(d)、圖8(e)為加載電容器的應(yīng)力時間曲線。由圖可知，當(dāng)t=680 μs時第一個應(yīng)力波(入射波)作用于陶瓷電容器，t=742 μs時電容器應(yīng)力σ1max=327.8 MPa達到最大值，t=870 μs時第一個應(yīng)力波作用結(jié)束；當(dāng)t=1 145 μs時，第二個應(yīng)力波(反射波)作用于陶瓷電容器，t=1 185 μs時電容器應(yīng)力σ2max=156.3 MPa達到最大值，t=1 278 μs時反射波作用結(jié)束。由電容值變化曲線可知，隨著電容器機械應(yīng)力逐漸增大，容值由初始50.8 nF下降到34.25 nF，隨著第一個應(yīng)力波作用結(jié)束，加載電容器的容值逐漸恢復(fù)到49.43 nF，表明電容器內(nèi)部出現(xiàn)損傷。當(dāng)?shù)诙€應(yīng)力波作用于多層瓷介電容器，電容器內(nèi)部損傷加劇，容值變化明顯，沖擊后電容器的容值變?yōu)?4.85 nF。

圖8 v=4.62 m/s動態(tài)沖擊過程

由圖7、圖8可知：在不同沖擊速度條件下參考電容的容值始終保持在標(biāo)稱容值的容差允許范圍內(nèi)，說明該電路的測量精度滿足測試要求；由加載電容的容值變化過程可知，該動態(tài)測試電路能完整測得在應(yīng)力波作用下的電容容值變化過程，其測試結(jié)果能反映多層瓷介電容器的容值在不同沖擊過載下的變化特性。

4 結(jié)論

本文提出一種基于RC充放電原理結(jié)合電容快速充放電電路的動態(tài)測試方法，具有采樣率高、測量精確等特點，能準(zhǔn)確獲得動態(tài)環(huán)境下的多層瓷介電容器的容值動態(tài)變化過程，對開展沖擊環(huán)境下多層瓷介電容器的失效及防護研究提供了技術(shù)支撐。