丁永紅，馬鐵華，尤文斌

（1．中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051;2．中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051）

0 引言

膛壓測(cè)試對(duì)常規(guī)兵器的研究設(shè)計(jì)和生產(chǎn)驗(yàn)收極其重要，準(zhǔn)確可靠的膛壓數(shù)據(jù)是分析裝藥結(jié)構(gòu)的合理性、炮彈各部件（如彈體、引信、炮管等）的強(qiáng)度設(shè)計(jì)、后座裝置阻力曲線以及炮架強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)的基本依據(jù)［1］。常用的膛壓測(cè)試儀器有:1）銅柱測(cè)壓器［2，3］，對(duì)壓力波所發(fā)生的規(guī)律無(wú)論在定性上或定量上都不是很清楚;2）引線電測(cè)法［4］，將壓電傳感器安裝在膛底和藥室前端的藥筒口部附近，該方法不能反映彈底的真實(shí)壓力，同時(shí)在炮管上打孔也十分不便;3）存儲(chǔ)式電測(cè)法［5］，該方法不對(duì)被測(cè)體產(chǎn)生影響，能安裝在炮膛底部記錄壓力時(shí)間曲線，該測(cè)試儀器使用方便，測(cè)量精度高，可重復(fù)使用，但還存在不足之處，如體積較大，不能滿足小口徑火炮的膛壓測(cè)試，誤上電。

由于測(cè)試裝置在測(cè)試火炮膛壓前，要隨彈一起保溫，保溫時(shí)間可能達(dá)到48 h以上，若放入藥筒前就使測(cè)試裝置處于工作狀態(tài)，則在保溫時(shí)電源消耗太大，所以，必須使測(cè)試裝置在保溫過(guò)程中處于低功耗狀態(tài)，本文利用MEMS加速度計(jì) MMA8453Q 和 MSP430 單片機(jī)［6，7］研制了一種低功耗，小體積、抗高過(guò)載、高可靠的膛壓測(cè)試系統(tǒng)。

1 放入式電子測(cè)壓器

微型放入式電子測(cè)壓器的系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由壓電傳感器、適配電路、單片機(jī)、紅外收發(fā)器、電源管理、電池及倒置開(kāi)關(guān)組成。

1．1 倒置開(kāi)關(guān)

倒置開(kāi)關(guān)是電源管理控制的核心部件。裝置都是在保溫前放到被測(cè)物體中，放入式電子測(cè)壓器內(nèi)部空間僅有15 cm3，電池容量?jī)H有50 mAh（3．7 V），這要求測(cè)試裝置不僅要體積小，且在保溫狀態(tài)下功耗低。倒置開(kāi)關(guān)的作用就是在保溫過(guò)程中使測(cè)試系統(tǒng)處于低功耗休眠態(tài)，在測(cè)試前通過(guò)倒置開(kāi)關(guān)使系統(tǒng)上電工作。倒置開(kāi)關(guān)還要啟動(dòng)快速和方便，避免采用定時(shí)啟動(dòng)帶來(lái)的時(shí)間限制。當(dāng)前，采用水銀倒置導(dǎo)通、小球重力原理、干璜管磁性加磁鐵塊等［8，9］形式的倒置開(kāi)關(guān)，由于工藝限制存在體積大，在低溫下可靠性欠佳的缺點(diǎn)。因此，本文利用MEMS加速度計(jì)MMA8453Q設(shè)計(jì)了一種針對(duì)放入式電子測(cè)壓器特殊使用條件，具有小體積、低功耗、抗沖擊、高可靠的開(kāi)關(guān)。

倒置開(kāi)關(guān)常態(tài)為水平或測(cè)壓面向上（Z正向），如圖2（a），（b）所示，電源管理處于關(guān)閉態(tài)。利用MEMS加速度計(jì)MMA8453Q的方向檢測(cè)特性，當(dāng)開(kāi)關(guān)Z向角度發(fā)生改變到大于或等于設(shè)定的角度時(shí)，并持續(xù)超過(guò)一定時(shí)間（這里設(shè)定持續(xù)時(shí)間為30 s）后，傳感器中斷管腳輸出高電平。圖2（c）所示為上電倒置狀態(tài)，由圖2（b）狀態(tài)到（a）和（c）狀態(tài)傳感器都能檢測(cè)到由水平方向改變方向過(guò)程，但不能通過(guò)傳感器中斷輸出確定傳感器方向改變的角度正負(fù)。需要單片機(jī)在響應(yīng)中斷后讀取Z軸加速度的值進(jìn)行判斷，僅當(dāng)Z軸加速度值小于－0．867gn，單片機(jī)才進(jìn)入全功耗狀態(tài)進(jìn)行采樣存儲(chǔ)。此后，直到取出裝置重置前加速度計(jì)進(jìn)入掉電態(tài)，而電源控制一直處于開(kāi)狀態(tài)，既實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)響應(yīng)在一定角度內(nèi)有效的要求，又避免了由于振動(dòng)等造成短時(shí)間加速度的干擾，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)“關(guān)”狀態(tài)和“開(kāi)”狀態(tài)的單向轉(zhuǎn)換。

圖2 倒置開(kāi)關(guān)倒置示意圖Fig 2 Inverting diagram of inversion switch

1．2 控制模塊

選用TI公司MSP430單片機(jī)為控制器，單片機(jī)既作為倒置開(kāi)關(guān)的控制器，又作為信號(hào)采集存儲(chǔ)的單片系統(tǒng)。系統(tǒng)上電后，壓電傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電荷信號(hào)，經(jīng)適配電路將電荷轉(zhuǎn)換為A/D所需要的電壓信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入內(nèi)部的Flash中。當(dāng)存儲(chǔ)記錄完畢，通過(guò)紅外收發(fā)器將記錄數(shù)據(jù)讀入計(jì)算機(jī)并處理。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)上電前平均工作電流約為26 μA，1 mAh電量能夠讓系統(tǒng)在該狀態(tài)下工作38 h;啟動(dòng)存儲(chǔ)記錄后，全工作態(tài)時(shí)平均工作電流約4．5 mA，整個(gè)電路系統(tǒng)體積為7 mm×20 mm×4 mm。

2 結(jié)構(gòu)緩沖力學(xué)模型分析

火炮發(fā)射過(guò)程中，記錄儀會(huì)承受幾萬(wàn)個(gè)重力加速度的沖擊。沖擊應(yīng)力波對(duì)測(cè)試裝置的破壞作用遠(yuǎn)大于靜態(tài)應(yīng)力，而緩沖的目的就是為了將沖擊脈沖展寬，從而使幅值降低。膛壓測(cè)試中由于高溫、高壓、高沖擊、狹小空間不適合對(duì)整個(gè)裝置緩沖，本文采用橡膠作為電路模塊與外殼之間的緩沖材料。

2．1 緩沖模型

假設(shè)電路模塊的質(zhì)量為m，并以v0的速度撞擊剛性板，從而產(chǎn)生一定的過(guò)載，膠皮受壓縮變形，假設(shè)整個(gè)壓縮過(guò)程都在彈簧的線性彈性范圍內(nèi)，則由能量守恒定理和虎克定理可求得電路模塊所受到最大位移Xm和最大加速度am

式中K為彈性系數(shù)。

由上述公式分析可知，1）在K和v0不變的情況下，最大位移量與呈正比，最大加速度與呈反比;2）根據(jù)能量守恒定理，緩沖材料所吸收的能量應(yīng)等于電路模塊的動(dòng)能（不考慮其他形式的能量轉(zhuǎn)換），所以，在空間有限的條件下，微型化測(cè)試裝置可以降低對(duì)緩沖材料的要求。

2．2 力學(xué)模型ANSYS仿真

橡膠是一種廣泛用于隔離振動(dòng)和吸收沖擊的緩沖材料。它具有彈性模量非常小，而伸長(zhǎng)率很高，高彈性和高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)特性。它的剪切彈性模量G一般為1 MPa左右，而體積彈性模量K為103MPa左右［10］。

橡膠采用BLATZ_KO_RUBBER材料模型。材料參數(shù)為:密度 ρ=1．15 g/cm3，泊松比 ν=0．27，楊氏模量E=1．04 GPa，厚度L=2 mm。測(cè)試裝置質(zhì)量為3 g，為了提高測(cè)試裝置的抗沖擊性能，在真空條件下采用環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)電路板進(jìn)行了二次灌封。利用ANSYS建立的電路緩沖的模型如圖3所示。將電路殼體以一定的速度撞擊剛性板，無(wú)膠皮緩沖時(shí)的加速度曲線如圖4所示，沖擊加速度峰值達(dá)到32500gn，脈寬長(zhǎng)度為2．3 μs;有膠皮緩沖時(shí)的加速度曲線如圖5所示，沖擊加速度峰值為5 100gn，脈寬長(zhǎng)度為332．8 μs。

圖3 電路殼體結(jié)構(gòu)Fig 3 Circuit shell structure

圖4 無(wú)緩沖的過(guò)載曲線Fig 4 Unbuffered overload curve

圖5 緩沖后的過(guò)載曲線Fig 5 Buffered overload curve

由仿真結(jié)果表明:采用膠皮能有效過(guò)濾高頻加速度沖擊，能滿足電路在膛內(nèi)和出炮口時(shí)的高頻加速度沖擊的緩沖要求。

3 測(cè)試裝置抗沖擊試驗(yàn)

利用馬謝特錘模擬火炮發(fā)射沖擊特征的沖擊對(duì)其進(jìn)行沖擊測(cè)試，試驗(yàn)裝置如圖6所示，測(cè)試裝置通過(guò)螺栓固定在馬歇特錘的錘頭上方，為避免傳感器在沖擊過(guò)程中損壞，使用5 mm厚的毛氈墊置于鐵砧上。加速度值的大小通過(guò)馬歇特錘的轉(zhuǎn)盤(pán)控制。分別對(duì)1#，2#，3#測(cè)試裝置進(jìn)行了沖擊，測(cè)試結(jié)果如表1所示，在超過(guò)4．5×104gn時(shí)倒置開(kāi)關(guān)開(kāi)始出現(xiàn)損壞，倒置開(kāi)關(guān)已不能正常上電。測(cè)試結(jié)果表明該裝置具有4．5×104gn的抗過(guò)載能力。

圖6 馬謝特錘試驗(yàn)裝置Fig 6 Machete hammer experimental facility

4 結(jié)論

利用飛思卡爾公司生產(chǎn)的MEMS加速度計(jì)MMA8453Q和MSP430單片機(jī)設(shè)計(jì)的膛壓測(cè)試裝置，可使裝置體積減小到20 cm3，不僅解決了小體積的問(wèn)題，還使功耗降低，可靠性提高，為測(cè)壓器的推廣起到了一定的促進(jìn)作用。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該測(cè)試裝置可有效地滿足炮擊試驗(yàn)等高沖擊、強(qiáng)烈振動(dòng)場(chǎng)合的沖擊測(cè)試。

表1 試驗(yàn)結(jié)果Tab 1 Test result

［1］ 李新娥，祖 靜，馬鐵華，等．用于火炮膛內(nèi)壓力測(cè)試的電容式傳感器的設(shè)計(jì)［J］．儀器儀表學(xué)報(bào)，2011，32（3）:640 －645．

［2］ 孔德仁，朱明武，申愛(ài)平，等．銅柱測(cè)壓器動(dòng)態(tài)特性分析及計(jì)算機(jī)仿真［J］．火工品，2001（2）:27－30．

［3］ 孔德仁，朱明武．銅柱、銅球準(zhǔn)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的機(jī)理［J］．南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，28（4）:375 －379．

［4］ 曾思敏，童偉民，焦化南．彈丸擠進(jìn)過(guò)程的測(cè)試研究［J］．兵工學(xué)報(bào)，1991（4）:71－74．

［5］ 沙 龍．多層侵徹加速度及彈底壓力測(cè)試研究［D］．太原:中北大學(xué)，2010．

［6］ 沈建華．MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2004．

［7］ 秦 龍．MSP430單片機(jī)C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)例精講［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2006:5．

［8］ 常 寬．倒置開(kāi)關(guān)的研究［D］．太原:中北大學(xué)，2009．

［9］ 楊 艷，祖 靜，張 瑜．光電倒置開(kāi)關(guān)及其可靠性研究［J］．電子測(cè)試，2011，1（1）:73 －77．

［10］聞利群，魯建霞，張同來(lái)．泡沫鋁和橡膠對(duì)測(cè)試儀器抗沖擊波緩沖能力的仿真研究［J］．彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2010，30（3）:223－225．