趙小龍，馬鐵華 ，范錦彪

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051)

彈體侵徹硬目標(biāo)過程中，彈載電子儀器承受了高g值加速度沖擊作用［1－3］，目前國內(nèi)外常用的高g值加速度計(jì)有壓電式和壓阻式兩類［4］。國外(以美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室為例)用于高速侵徹試驗(yàn)的加速度計(jì)較多選用Endevco－7270系列壓阻式高g值加速度計(jì)，這是由于壓阻傳感器具有良好的低頻響應(yīng)性能和極高的裝配諧振頻率［5－7］。國內(nèi)則以使用壓電加速度計(jì)為主，如兵器工業(yè)204研究所生產(chǎn)的988加速度計(jì)，這主要是因?yàn)閴弘娂铀俣扔?jì)堅(jiān)實(shí)耐用。采用壓縮和剪切振動(dòng)兩種工作模式壓電加速度計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1～圖3［8］所示。

在高沖擊加速度環(huán)境中，壓電式高g值沖擊加速度測(cè)量時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)所謂的“零漂”現(xiàn)象。壓阻式加速度計(jì)經(jīng)常發(fā)生斷裂失效。加速度計(jì)(無論是壓電式或壓阻式)在高g值環(huán)境中會(huì)發(fā)生各種形式的失效。主要失效模式有:外殼脫開、內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷裂、導(dǎo)線斷裂或短路等。加速度計(jì)信號(hào)導(dǎo)線是連接傳感器和電路模塊的通道，加速度計(jì)輸出的模擬信號(hào)只有通過導(dǎo)線才能到達(dá)電路模塊進(jìn)行存儲(chǔ)記錄，在侵徹過程中，導(dǎo)線可能受到某種方式的擠壓和磨損，造成短路。這些都將使加速度信號(hào)無法獲取，直接導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。所以這里對(duì)加速度計(jì)的失效特性的研究顯得尤為重要。

圖1 壓縮型結(jié)構(gòu)

圖2 剪切型結(jié)構(gòu)

圖3 硅懸壁梁結(jié)構(gòu)

1 零漂機(jī)理及降低零漂的措施

1.1 高g值加速度計(jì)的零漂機(jī)理

在使用壓電式高g值沖擊加速度測(cè)量時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)所謂的“零漂”現(xiàn)象。零漂定義為:當(dāng)沖擊運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)，電信號(hào)輸出不是立刻回到基線。圖4是我們最近測(cè)得的加速度—時(shí)間歷程曲線其中的一條。正常的測(cè)試曲線應(yīng)該在6 ms～9 ms即回零，而該曲線卻沒有立即回零。在隨后的積分求速度、侵徹深度時(shí)，積分面積增大，這直接導(dǎo)致速度、侵徹深度不準(zhǔn)確。尤其對(duì)多層靶侵徹試驗(yàn)，前一層靶侵徹時(shí)加速度信號(hào)的零漂將直接影響后一層靶的加速度信號(hào)的幅值。

圖4 加速度－時(shí)間歷程曲線

加速度傳感器零漂規(guī)律研究:利用適當(dāng)?shù)木彌_系統(tǒng)(圖5)，使加速度傳感器安裝基座被撞擊到高幅值加速度后(可能引起零漂和靈敏度改變)，再緩慢降低到零加速度。在這一過程中，采用一套激光干涉儀記錄安裝基座的加速度，同時(shí)采用外置拉線的方式，用采集卡記錄加速度的信號(hào)，比較這兩個(gè)加速度信號(hào)，可對(duì)加速度傳感器零漂規(guī)律研究。

圖5 加速度傳感器零漂規(guī)律研究

目前認(rèn)為產(chǎn)生零漂的物理機(jī)理有以下幾個(gè)方面:

(1)敏感材料的過應(yīng)力 用于壓電加速度傳感器敏感元件的壓電材料可分為兩類:天然和人工合成石英、壓電陶瓷(包括鈦酸鋇 BaTio3、鋯鈦酸鉛等)。壓電元件承受過大的應(yīng)力，部分極化的“電疇”將返轉(zhuǎn)回以前的狀態(tài)，繼而導(dǎo)致零漂。研究表明:低矯頑材料在經(jīng)受較大的沖擊或瞬態(tài)溫度變化時(shí)，電場(chǎng)較易發(fā)生變化并導(dǎo)致零漂，實(shí)驗(yàn)表明:電疇的方向?qū)㈦S著應(yīng)力、電磁場(chǎng)及溫度的改變而達(dá)到新的平衡。

(2)元件的物理移動(dòng) 通常的沖擊加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)有兩種。圖1為壓縮類型，這類加速度計(jì)需要預(yù)緊載荷以產(chǎn)生線性輸出。當(dāng)壓電元件承受高g值沖擊時(shí)，應(yīng)力波通過基座傳入振動(dòng)單元，形成的拉伸波可能超過預(yù)緊力，在這種松弛的狀態(tài)下，連接部件之間將產(chǎn)生小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種滑動(dòng)將導(dǎo)致虛假的輸出(零漂)；圖2為一種環(huán)形剪切型的沖擊加速度計(jì)，這種結(jié)構(gòu)無需預(yù)載荷，抗環(huán)境干擾(主要指瞬變溫度)能力強(qiáng)。

(3)電纜噪聲 高阻抗加速度計(jì)輸出的電荷信號(hào)較弱，容易受到干擾；同軸電纜本身也會(huì)對(duì)零漂帶來影響，質(zhì)量差的電纜在承受高沖擊時(shí)，由于靜電摩擦效應(yīng)將產(chǎn)生足夠多的偽噪聲。

(4)基應(yīng)變引起的零漂 壓縮型結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)往往具有較大的基應(yīng)變靈敏度，由于微應(yīng)變可以導(dǎo)致預(yù)載荷的改變，繼而導(dǎo)致內(nèi)部元件的移動(dòng)而產(chǎn)生一定的零漂。

1.2 降低零漂所采取的措施

因?yàn)樵诟遟值加速度測(cè)試時(shí)，加速度計(jì)都是采用螺紋剛性安裝的方式，任何外部緩沖的方式將改變加速度計(jì)的工作頻帶。目前主要是選擇合適的傳感器，避免或減小零漂。具體的選用原則如下。

(1)應(yīng)盡量選用以天然石英晶體為壓電元件的加速度計(jì)。壓電加速度計(jì)是以壓電材料(石英晶體和壓電陶瓷)為轉(zhuǎn)換元件，因?yàn)樘烊皇⒔?jīng)歷了億萬年的長(zhǎng)時(shí)間老化，其介電常數(shù)、壓電系數(shù)、線性和重復(fù)性均較人造石英更為穩(wěn)定。在高量程的壓電加速度計(jì)中，壓電元件具有較大的剛度系數(shù)，位移較小。且石英晶體熱釋電系數(shù)小，溫度的變化引起極化狀態(tài)改變小。所以在高g值沖擊環(huán)境下宜采用天然石英為敏感元件的壓電式加速度計(jì)避免零漂?；?、質(zhì)量塊應(yīng)選用彈性模量高的材料，從而提高傳感器的諧振頻率，降低電疇偏轉(zhuǎn)?？墒褂脡鹤枋郊铀俣扔?jì)，它一般不會(huì)出現(xiàn)零漂現(xiàn)象。

(2)避免使用以低矯頑力鐵電晶體陶瓷(如鋯鈦酸鉛)為敏感元件的加速度計(jì)，從而降低電疇偏轉(zhuǎn)。避免選擇預(yù)緊螺栓壓縮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的加速度計(jì)，減輕傳感器各部分元件之間的物理移動(dòng)。剪切型結(jié)構(gòu)、具有高矯頑力的鐵電陶瓷的加速度計(jì)更適合高沖擊測(cè)試。

(3)普通的屏蔽線不宜使用，需采用專用的低噪聲同軸射頻電纜，其內(nèi)的絕緣層和屏蔽層之間涂有減磨材料硅油和導(dǎo)電石墨層，可以有效防止電纜振動(dòng)和彎曲而產(chǎn)生的摩擦生電效應(yīng)，從而減少電纜噪聲。

(4)避免基座應(yīng)變的影響，應(yīng)盡量選擇剪切式的加速度傳感器，與壓縮性相比，其壓電元件與基座無直接接觸，所以影響很小。壓縮性加速度計(jì)可以采用基座隔離技術(shù)，減小基座由于變形而產(chǎn)生的附加輸出信號(hào)。

2 機(jī)械濾波器對(duì)加速度計(jì)的保護(hù)

在高沖擊加速度環(huán)境中，壓阻式加速度計(jì)經(jīng)常發(fā)生斷裂失效［9－10］，壓電式加速度計(jì)也存在零漂，為了解決這些問題，美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室和我國核工業(yè)部一院［11］二所采用了機(jī)械濾波器對(duì)加速度計(jì)進(jìn)行保護(hù)。其中Sandia采用是“內(nèi)置式”，而核一院則采用“外置式”。機(jī)械濾波器與電子濾波器的情況不同，后者是把加速度計(jì)輸出信號(hào)中的高頻成分濾去，而前者則是先將輸入信號(hào)的高頻分量大幅衰減后再傳到加速度計(jì)。

為了消除應(yīng)力波傳播對(duì)加速度計(jì)的影響，在彈體和加速度計(jì)之間安裝“機(jī)械濾波器”，如圖6所示，利用橡膠(ρ=0.93×103kg/m3，c=46 m/s)等彈性阻尼材料的波阻抗(ρc)遠(yuǎn)小于彈體材料鋼(ρ=7.83×103kg/m3，c=5 190 m/s)的波阻抗，反射大部分應(yīng)力波，有效地阻止應(yīng)力波傳給加速度計(jì)。

圖6 帶機(jī)械濾波器的加速度計(jì)力學(xué)模型

圖6中m1為加速度計(jì)基座、外殼和機(jī)械濾波器安裝塊的總質(zhì)量；m2為加速度計(jì)的慣性質(zhì)量；k1，c1為機(jī)械濾波器彈性材料的剛度、阻尼系數(shù)；k2為加速度計(jì)剛度系數(shù)，壓電加速度計(jì)的阻尼很小，可以忽略不計(jì)。Z=X2－X1為m2相對(duì)于m1的位移安裝機(jī)械濾波器后，加速度計(jì)的幅頻特性:

壓電晶體片在其端面產(chǎn)生的電荷為Q=dKZ，d為壓電系數(shù)；K為壓電晶體的剛度系數(shù)；Z為壓電晶體的壓縮位移。由式(1)可知，當(dāng)γ=1時(shí)，系統(tǒng)不發(fā)生共振，系統(tǒng)的第1共振點(diǎn)左移，幅頻曲線的平直段范圍減小，移動(dòng)的多少與β和μ的大小有關(guān)；第2共振點(diǎn)右移，這就降低了加速度計(jì)的工作頻帶范圍。

因?yàn)殂@地彈的基頻都比較低，所以安裝了機(jī)械濾波器的ENDEVCO—7270A系列加速度計(jì)被用來測(cè)試彈體侵徹過程的剛體加速度是可行的。但對(duì)于測(cè)量引信動(dòng)態(tài)特性、考核彈載電子裝置的抗沖擊性能時(shí)，需要獲得加速度計(jì)對(duì)安裝點(diǎn)的高頻響應(yīng)，這時(shí)需要分析所關(guān)心的高頻成分是否在加速度計(jì)降低后的頻率范圍內(nèi)，若超過該范圍則不能使用。

3 ENDEVCO—7270壓阻式加速度計(jì)的失效分析

加速度計(jì)(無論是壓電式或壓阻式)在高g值環(huán)境中會(huì)發(fā)生各種形式的失效。主要失效模式有:外殼脫開、內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷裂、導(dǎo)線斷裂或短路等，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。壓電式加速度計(jì)除了容易發(fā)生零漂外，堅(jiān)實(shí)耐用。所以主要討論壓阻式加速度計(jì)的失效問題。

我們?cè)?jīng)應(yīng)用壓阻式加速度計(jì)測(cè)量了某彈丸的發(fā)射、飛行過程的沖擊加速度。其膛內(nèi)沖擊加速度幅值為18 000gn，作用時(shí)間為11 ms，飛行過程中尾翼張開時(shí)的沖擊加速度約為700gn，脈沖寬度約為0.1 ms，且為多次沖擊；彈丸落地時(shí)承受幅值約為18 000gn、脈寬約為數(shù)毫秒的反向沖擊加速度。采用的加速度計(jì)為美國Endevco公司的7270A－20K型加速度計(jì)，其過載指標(biāo)為60 000gn，諧振頻率為350 kHz。為了模擬沖擊環(huán)境，把加速度計(jì)安裝在一個(gè)直徑為35 mm，長(zhǎng)為50 mm的鋼制圓柱體的端部，用力錘敲擊另一端。錘擊力可以簡(jiǎn)化為半正弦脈沖，沖擊脈寬為 0.1 ms，幅值為 2 250 N，可用式(2)表示。

在調(diào)試和實(shí)彈測(cè)試中，有兩個(gè)加速度計(jì)失效于實(shí)彈測(cè)試；有一個(gè)經(jīng)兩次實(shí)彈測(cè)試后失效于模擬試驗(yàn)；另一個(gè)未經(jīng)實(shí)彈測(cè)試就在模擬試驗(yàn)中失效。解剖了其中兩個(gè)加速度計(jì)，發(fā)現(xiàn)一枚的為一個(gè)敏感懸臂斷裂，另一枚的敏感懸臂雖未斷裂，但已使應(yīng)變片損壞［12］。

最終認(rèn)為此次失效的原因是由于發(fā)生疲勞斷裂，其原因是敏感臂表面質(zhì)量不高［12］。

Sandia實(shí)驗(yàn)室與Endevco公司合作對(duì)Endevco7270A和Endevco7270AM4進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用是鈦合金Hopkinson桿，沖擊載荷幅值由應(yīng)變片和激光多普勒測(cè)速儀共同測(cè)試。7270AM4加速度計(jì)僅有一個(gè)獲得測(cè)試數(shù)據(jù)，其它的都因共振而失效，沖擊結(jié)束后發(fā)現(xiàn)兩種加速度計(jì)的安裝螺栓松動(dòng)，這可能是產(chǎn)生共振的原因。1998年6月Endevco公司對(duì)27個(gè)7270A(平面結(jié)構(gòu))進(jìn)行了失效分析，其中八個(gè)加速度計(jì)是完好的，九個(gè)有其它的失效模式，研究顯示主要的失效模式為導(dǎo)線失效，這種現(xiàn)象被認(rèn)為是由于絕緣層內(nèi)導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的［13］。

4 加速度計(jì)信號(hào)導(dǎo)線的失效分析

在侵徹初始時(shí)導(dǎo)線自身慣性力的作用下，它可能由于強(qiáng)度不足被拉斷，造成測(cè)試信號(hào)不完整。另外，在侵徹過程中，導(dǎo)線可能受到某種方式的擠壓和磨損，從而發(fā)生短路，這都將造成測(cè)試信號(hào)不完整。

加速度計(jì)信號(hào)導(dǎo)線是連接傳感器和電路模塊的通道，我們?cè)O(shè)計(jì)的測(cè)試裝置的示意圖如圖7，導(dǎo)線經(jīng)過緩沖件和電路模塊的中間通孔，焊接在電路上端面板上。在侵徹過程中加速度方向向上。

圖7 高沖擊測(cè)試裝置示意圖

為了分析導(dǎo)線在自身慣性力作用下的拉斷，將導(dǎo)線的受力模型簡(jiǎn)化為上端固定，下端自由的桿件(圖8)，其固定端的軸向應(yīng)力最大為，

圖8 導(dǎo)線受慣性力示意圖

其中ρ為導(dǎo)線材料密度，A為導(dǎo)線橫截面積。

導(dǎo)線不被拉斷的條件為:

導(dǎo)線不被拉斷的最大長(zhǎng)度:

其中σb為導(dǎo)線材料的抗拉強(qiáng)度

從(5)可知，導(dǎo)線承受的最大拉應(yīng)力與導(dǎo)線材料密度、導(dǎo)線懸空長(zhǎng)度、加速度相關(guān)，與其橫截面積無關(guān)，在滿足易焊接的條件下，可選擇直徑較小的導(dǎo)線。

從(4)可知，對(duì)一定長(zhǎng)度l的某種材料的導(dǎo)線，能承受的最大加速度由密度ρ和抗拉強(qiáng)度σb共同決定。為了比較不同導(dǎo)線材料的抗沖擊性能，引入比強(qiáng)度Cs的概念。

對(duì)于銅導(dǎo)線，密度 ρ=8.9×103kg/m3，抗拉強(qiáng)度對(duì)純銅絲為σb=200 MPa，紫銅絲為σb=400 MPa，取紫銅絲研究，比強(qiáng)度為

為了提高導(dǎo)線的比強(qiáng)度，我們將導(dǎo)線的懸空部分改用直徑為d=0.3 mm的鋼絲，其密度 ρ=7.8×103kg/m3，鋼絲的比強(qiáng)度為

因?yàn)镃s2＞Cs1，在研究和應(yīng)用中選擇鋼絲作為導(dǎo)線，在高g值加速度作用下不易被拉斷。另外，對(duì)鋼絲還要進(jìn)行絕緣處理，如涂絕緣漆等，同時(shí)還必須對(duì)鋼絲進(jìn)行可焊性處理。

由于導(dǎo)線與電路模塊的面板是通過焊點(diǎn)連接，為了考核焊點(diǎn)的抗高沖擊性能，我們將導(dǎo)線按實(shí)際工作狀態(tài)焊接，并把兩個(gè)電路板用一根導(dǎo)線連接起來(圖9)，在下端電路板上加砝碼，直至斷裂發(fā)生。

圖9 焊點(diǎn)破壞試驗(yàn)

我們使用的鋼絲直徑為d=0.3 mm，最大抗拉載荷為

在圖9的試驗(yàn)中，砝碼加至5 kg～6 kg時(shí)，鋼絲就從焊點(diǎn)根部被拉段，焊點(diǎn)保持完整，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因在于焊接時(shí)的局部高溫使與焊點(diǎn)連接處的導(dǎo)線變脆，強(qiáng)度降低，于是在較低載荷下導(dǎo)線發(fā)生斷裂。

5 總結(jié)

研究了彈載電子測(cè)試儀器中傳感器在高g值沖擊加速度環(huán)境中的本征特性，研究結(jié)果對(duì)彈載電子儀器的抗g值沖擊設(shè)計(jì)和正常使用具有一定的參考價(jià)值。

(1)在高g值沖擊下，使用人工壓電晶體的壓縮型加速度計(jì)常發(fā)生零漂，從電場(chǎng)微觀機(jī)理分析，認(rèn)為以天然石英為敏感元件的壓電式加速度計(jì)更適合高g值沖擊環(huán)境。環(huán)形剪切型的沖擊加速度計(jì)在高g值沖擊條件一般不會(huì)發(fā)生零漂。

(2)采用機(jī)械濾波器可以大幅降低高幅值應(yīng)力波對(duì)加速度傳感器的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度計(jì)保護(hù)，但降低了加速度計(jì)的工作頻率范圍。

(3)提出了導(dǎo)線比強(qiáng)度的概念，并以此為標(biāo)準(zhǔn)選擇加速度傳感器導(dǎo)線材料，理論和試驗(yàn)都證明，采用經(jīng)過處理的高強(qiáng)度鋼絲作為傳感器的導(dǎo)線，可以提高導(dǎo)線在侵徹測(cè)試中的生存能力。

［1］徐鵬，范錦彪，祖靜.高速動(dòng)能彈侵徹硬目標(biāo)加速度測(cè)試技術(shù)研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2007，26(11):118－122.

［2］范錦彪，徐鵬，王燕.高速動(dòng)能彈侵徹鋼板加速度測(cè)試技術(shù)研究［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2008，28(2):123－126.

［3］范錦彪，徐鵬，李東紅.硬目標(biāo)侵徹動(dòng)態(tài)參數(shù)記錄儀［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2004，25(增刊):197－199.

［4］宋萍，李科杰.硬目標(biāo)侵徹武器高沖擊試驗(yàn)和高過載傳感器技術(shù)國外發(fā)展概況［J］.測(cè)控技術(shù)，2002(z1):30－32.

［5］Paul M Booker，James D Cargile，Bruce L Kistler.Investigation on the Response of Segmented Concrete Targets to Projectile Impacts［J］.International Journal of Impact Engineering，2009(36):926－939.

［6］文豐，任勇峰.高沖擊隨彈測(cè)試固態(tài)記錄器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.爆炸與沖擊，2009，29(2):221－224.

［7］黃家蓉，劉瑞朝，何翔.侵徹過載測(cè)試信號(hào)的數(shù)據(jù)處理方法［J］.爆炸與沖擊，2009，29(5):555－560.

［8］夏偉強(qiáng)，馬鐵華，范錦彪.壓電式加速度傳感器在高沖擊下的零漂分析［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，20(7):1522－1527.

［9］劉愛莉，范錦彪，張茹開.高g值壓阻加速度計(jì)動(dòng)態(tài)特性與阻尼的關(guān)系研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，25(9):1246－1250.

［10］劉愛國，張紅波，劉德林.加速度計(jì)懸絲斷裂失效分析及工藝控制［J］.失效分析與預(yù)防，2012，7(2):119－121.

［11］錢亞大，楊仁安.機(jī)械濾波器及其在沖擊測(cè)量中的應(yīng)用［J］.振動(dòng)與沖擊，1984(2):69－76.

［12］唐軍，趙銳，石云波.高沖擊環(huán)境下MEMS大量程加速度傳感器結(jié)構(gòu)的失效分析，傳感技術(shù)學(xué)報(bào)［J］.2012，25(4):484－486.

［13］Chandar Shekhar N.Response of Non-Linear Dissipative Shock Isolators.［J］Journal of Sound and Vibration，1998，214(4):589－603.