第一作者石云波男，副教授，1972年6月生

MEMS高量程壓阻加速度計侵徹雙層鋼靶性能測試

石云波1,2，周智君1,2，唐軍1,2

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原030051； 2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點實驗室，太原030051)

摘要：設(shè)計一種MEMS高量程壓阻加速度計，利用其組成的彈體測試系統(tǒng)進行雙層鋼靶實彈侵徹試驗，并獲得完整的侵徹數(shù)據(jù)。利用Matlab數(shù)據(jù)處理軟件對其進行處理，獲得有效的侵徹數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果表明，彈體在整個發(fā)射、侵徹鋼靶過程中，測試系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)誤差均小于10%，說明設(shè)計的MEMS高量程壓阻加速度計性能穩(wěn)定，可完全滿足工程化應(yīng)用要求，為研究雙層介質(zhì)侵徹特性及控制彈體在特定介質(zhì)層的爆破技術(shù)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：MEMS；高量程加速度計；雙層鋼靶；低通濾波；截止頻率

收稿日期：2013-08-20修改稿收到日期：2014-03-19

中圖分類號:TP212文獻標(biāo)志碼：A

基金項目：高校博士點基金(20133415130001)

Performance measuring of a double-layer steel target penetrated by projectiles with a MEMS system based on a high measuring range accelermeter

SHIYun-bo1,2,ZHOUZhi-jun1,2,TANGJun1,2(1. Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement North University of China， Ministry of Education, Taiyuan 030051,China；2. Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory,shanxi, North University of China,Taiyuan 030051，China)

Abstract:A MEMS projectile body measuring system based on a high measuring range accelerometer was designed. It was used for tests of projectiles’ penetrating a double-layer steel target. The full data of the penetration were obtained and processed with MATLAB. The results showed that in the whole process of projectiles’ launching and penetrating the steel target, the error of the data measured with the proposed system is less than 10%, so the performance of the designed system is stable, it can meet the requirements of engineering application. The study results provided a reference for studying the penetration features of double-layer media and controlling projectiles’ explosion in special medium layers.

Key words:MEMS; high measuring range accelerometer; double-layer steel target; low-pass filter; cut-off frequency

MEMS高量程加速度計指具有大動態(tài)測量范圍的加速度傳感器，測量范圍可達(dá)幾百g到上萬g，甚至高達(dá)幾十萬g。主要用于炮彈引信及航空、航天慣性導(dǎo)航等領(lǐng)域，其中需進行大量的振動、沖擊測試，環(huán)境惡劣，采用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的加速度計難以達(dá)到測試要求。而采用微機械加工工藝制造的MEMS高量程加速度計因具有耐沖擊、抗過載能力強、響應(yīng)快、穩(wěn)定性高等特點，能滿足測試要求。MEMS技術(shù)作為軍事武器裝備，尤其作為彈體侵徹過程中慣性測量、引信控制的關(guān)鍵技術(shù)之一，研究其在多層間隔鋼靶[1-4]侵徹中的性能特性尤為重要。

美國ENDEVCO公司已成功研制出抗過載能力達(dá)200000 g、安裝諧振頻率達(dá)1.2 MHz的7270A型高量程加速度傳感器，利用其設(shè)計的小型侵徹加速度數(shù)據(jù)記錄儀進行混凝土侵徹試驗，獲得完整的彈丸侵徹數(shù)據(jù)；瑞士武器系統(tǒng)試驗中心設(shè)計的高g值彈道飛行數(shù)據(jù)記錄器，測出90 000 g、峰值脈寬約200 μs的加速度信號。北京理工大學(xué)、上海微系統(tǒng)所、中電13所、中物院5所、兵器214所等已研制出量程為100 000 g的高量程加速度計，其中北京理工大學(xué)、中物院5所已取得200 000 g以下測試數(shù)據(jù)[5-6]。單層靶(包括鋼靶、混凝土靶、土靶)、多層靶(包括混凝土靶、土靶)的侵徹測試已開展工作，但多層鋼靶的侵徹測試鮮有報道，已有研究多由仿真分析多層鋼靶板侵徹特性，但與實彈測試仍有一定距離。

本文利用實驗室研制的MEMS高量程加速度計組成彈體測試系統(tǒng)進行雙層鋼靶侵徹試驗，鋼靶分別為A30鋼及裝甲鋼，通過處理侵徹數(shù)據(jù)，獲得侵徹雙層鋼靶時有效過載分別為81 078 g、152 061 g，侵徹兩層鋼靶的速度測試誤差分別為4.38%、7.48%，在兩層靶板間彈體飛行位移的測試誤差為3.11%，均小于10%，由此驗證本文的MEMS高量程加速度性能良好，達(dá)到工程化應(yīng)用要求。

1MEMS高量程壓阻加速度計結(jié)構(gòu)

設(shè)計的MEMS高量程壓阻加速度計量程為150 000 g，抗過載能力達(dá)200 000 g。加速度計結(jié)構(gòu)采用四梁-島型結(jié)構(gòu)，梁寬度與質(zhì)量塊長寬一致，壓敏電阻對稱布置于梁根部，將4個壓敏電阻連接成惠斯通電橋，用于抑制非對稱性結(jié)構(gòu)引起的沿梁長度方向橫向加速度影響。加速度計受加速度作用時，結(jié)構(gòu)梁發(fā)生變形，在壓敏電阻區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力，引起壓敏電阻值變化。為加速度計供電時，阻值變化將轉(zhuǎn)化為電壓輸出。加速度計芯片采用玻璃-硅-玻璃三層鍵合結(jié)構(gòu)，將芯片封裝到不銹鋼管殼并用環(huán)氧樹脂進行灌封，加速度計封裝結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　加速度計封裝結(jié)構(gòu) Fig.1 The package structure of accelerometer

2雙層鋼靶侵徹試驗

雙層鋼靶侵徹試驗采用152 mm口徑滑膛炮，炮口與鋼靶距離120 m，兩層靶板間距3.2 m。試驗彈裝配后啟動存儲器發(fā)射炮彈，利用回收裝置(土壤)回收侵徹鋼靶后炮彈，測試現(xiàn)場效果見圖2。試驗結(jié)束后回收試驗彈取出存儲器，用讀數(shù)電纜連接存儲器，讀取存儲器內(nèi)侵徹數(shù)據(jù)。雙層鋼靶參數(shù)見表1。

圖2　測試現(xiàn)場效果圖 Fig.2 The locale of testing

第一層第二層鋼靶材料A30鋼裝甲鋼鋼靶尺寸(長×寬×厚)/m31.5×1.2×0.011.5×1.2×0.03

彈體測試系統(tǒng)由傳感器、存儲記錄器及接口讀數(shù)裝置組成。傳感器采用自行研制的MEMS高量程壓阻加速度計，靈敏度為0.172 μv/g。由文獻[7]知，高量程加速度計在彈體內(nèi)的安裝位置會直接影響彈體侵徹過程中其輸出加速度峰值大小?？紤]加速度計既要承受侵徹鋼靶過程中高過載沖擊，又要有效測量侵徹過程中加速度大小及試驗相關(guān)參數(shù)要求，將加速度計安裝于彈體尾部。采用長640 mm、重147 kg的全裝藥152滑膛炮彈。裝配記錄器及加速度計實際安裝位置見圖3。

圖3　彈體測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剖面圖 Fig.3 The section plane of cannonball testing system

3侵徹測試數(shù)據(jù)處理

侵徹測試中彈體結(jié)構(gòu)任何位置感應(yīng)到的響應(yīng)均由剛體過載響應(yīng)與彈體結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)組成。由于剛體過載是彈體撞擊鋼靶時承受沖擊力載荷大小的標(biāo)準(zhǔn)量度，因此加速度計在彈體安裝點處所測過載值不能作為彈體承受沖擊力載荷大小的量度，其中包含因彈體振動響應(yīng)造成的各種高頻信號干擾，直接影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過對侵徹數(shù)據(jù)低通濾波處理，可有效抑制各種高頻信號干擾，獲得準(zhǔn)確測試結(jié)果[7-8]。結(jié)合確定低通濾波臨界截止頻率方法[7]，對實測加速度數(shù)據(jù)從高頻到低頻逐次濾波，確定低通濾波的臨界截止頻率f。

3.1膛內(nèi)測試數(shù)據(jù)處理

膛內(nèi)過載的原始信號見圖4(a)。由圖4(a)看出，炮彈在膛內(nèi)運行時間為毫秒級，發(fā)射過程中，膛內(nèi)由膛壓產(chǎn)生的加速度過載及炮彈運行時間與炮彈裝藥量、火炮管長度等有關(guān)。彈體出膛時，因膛壓突然卸載會造成彈體發(fā)生劇烈振動，因此彈體在出炮口時的測試信號已含彈體振動產(chǎn)生的高頻信號。

對膛內(nèi)測試數(shù)據(jù)從高頻到低頻逐次低通濾波處理，獲得濾波截止頻率與加速度峰值關(guān)系見圖4(b)。利用文獻[7]方法得低通濾波臨界截止頻率f=3 kHz，對膛內(nèi)過載原始信號進行3 kHz低通濾波，所得加速度-時間曲線見圖4(c)。由圖4(c)可知，在0~7.1 ms時間段內(nèi)，炮彈在膛內(nèi)受膛壓作用的加速度值持續(xù)上升，加速度最大峰值為7100 g；在7.1~14.9 ms時間段內(nèi)，炮彈因受膛壓減小及炮彈在炮管內(nèi)受摩擦力等作用加速度值持續(xù)減??；在14.9~16.8 ms時間段內(nèi)，因膛內(nèi)壓力卸載炮彈發(fā)生劇烈震蕩。對圖4(c)加速度-時間信號進行一次積分，獲得彈體在膛內(nèi)的速度-時間信號曲線見圖4(d)。由圖4(d)可知，炮彈因受膛內(nèi)壓力作用，從靜止開始加速，出膛時初速度為475.0 m/s。

圖4　炮彈在膛內(nèi)過載信號處理與分析 Fig.4 Analysis of the overload signal in gun tube

3.2第一層鋼靶侵徹數(shù)據(jù)處理

炮彈出膛后以475.0 m/s初速度撞擊A30鋼靶(炮彈在空氣中受空氣阻力忽略不計，認(rèn)為出膛速度為撞擊鋼靶的初速，初速為加速度計所測數(shù)據(jù)，高速攝影裝置所測實際初速為483.6m/s)，其侵徹原始數(shù)據(jù)見圖5(a)，對侵徹數(shù)據(jù)進行FFT處理，獲得侵徹過程中信號分布在0~80 kHz頻率范圍內(nèi)，對原始數(shù)據(jù)進行低通濾波處理，濾掉高頻干擾信號，保留有效侵徹數(shù)據(jù)。利用確定低通濾波截止頻率方法，確定低通濾波截止頻率約為16 kHz。對原始數(shù)據(jù)進行低通濾波處理所得侵徹加速度-時間曲線見圖5(b)。在炮彈侵徹鋼靶過程中采集的第一個加速度峰值信號為有效加速度信號，對圖5(b)曲線進行部分展開，得觸靶部分加速度信號-時間曲線見圖5(c)。由圖5(c)可知，侵徹有效加速度值為81078 g，脈寬為175 μs。對圖5(b)數(shù)據(jù)積分運算，獲得速度-時間曲線見圖5(d)。由圖5(d)可知，炮彈從開始侵徹鋼靶到炮彈頭部錐形部分(炮彈錐形頭長0.32 m，靶板厚0.01 m)即將穿透靶板時，速度下降最快，從475.0 m/s降低到455 m/s約經(jīng)歷0.1 ms。炮彈頭部錐形部分穿過靶板后，炮彈速度變化很??；炮彈完全穿過靶板后，速度降為450.0 m/s(高速攝影裝置測得實際初速為470.6 m/s)。

圖5　炮彈第一次觸靶過載信號處理及分析(A30鋼靶板) Fig.5 Analysis of the overload signal in the first impacting target (A30 steel target)

圖6　炮彈第二次觸靶過載信號處理與分析(裝甲鋼靶板) Fig.6 Analysis of the overload signal in the second impacting target (armor steel target)

3.3第二層鋼靶侵徹數(shù)據(jù)處理

彈體完成第一層A30鋼靶侵徹后，以450 m/s初速撞擊第二層裝甲鋼靶(炮彈在空氣中受空氣阻力忽略不計，初速為加速度計所測數(shù)據(jù)，高速攝影裝置所測初速為470.6 m/s)，其侵徹原始數(shù)據(jù)見圖6(a)。利用低通濾波截止頻率方法確定低通濾波截止頻率約為9 kHz，對原始數(shù)據(jù)進行低通濾波處理，獲得侵徹加速度-時間曲線見圖6(b)，對該曲線部分展開，所得觸靶部分加速度-時間信號曲線見圖6(c)。由圖6(c)可知，有效加速度值為152061 g，脈寬為154 μs，對圖6(b)數(shù)據(jù)進行積分，得速度-時間曲線見圖6(d)。圖6(d)可知，由于靶板阻力，炮彈速度由著靶的450 m/s 快速降低到398.0 m/s，此過程大約經(jīng)歷0.25 ms，隨后炮彈速度基本保持不變。炮彈完全穿出靶板速度約398.0 m/s(高速攝影裝置所測實際初速為430.2m/s)。

3.4測試結(jié)果分析

將彈體侵徹雙層鋼靶測試數(shù)據(jù)及現(xiàn)場高速攝影裝置實測數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果見表2。由表2可知，在侵徹過程中炮彈出膛時速度測試誤差最小，約1.78%；炮彈在侵徹第二層鋼靶時測試誤差大于侵徹第一層鋼靶測試誤差，主要因彈體在侵徹A30鋼靶時產(chǎn)生強烈振動及在重力等因素影響作用下，使彈體傾斜進入第二層鋼靶，導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)誤差較大。通過對測試數(shù)據(jù)分析可得彈體在兩層鋼靶間的運行時間為6.89 ms，兩層靶板間距為3.100 5 m，對比實測雙層鋼靶間距3.2 m，測試誤差為3.11%。

表2　侵徹測試誤差分析

由圖4(a)、圖5(a)、圖6(a)原始測試數(shù)據(jù)可知，在沖擊測試采集的第一個有效峰值信號后出現(xiàn)大量高頻過載信號，主要因應(yīng)力波疊加作用影響，彈體在整個測試過程中會伴隨軸向、橫向振動，應(yīng)力波從彈體頭部傳遞到彈體尾部，在尾部發(fā)生反射回頭部，而在尾部應(yīng)力波疊加作用尤為明顯，使測試的彈體過載在剛性過載基礎(chǔ)上發(fā)生劇烈上下波動；在測試過程中，壓阻加速度計的零位輸出發(fā)生漂移現(xiàn)象(膛內(nèi)零位輸出約為-41 000 g，出炮口時零位基本不變，侵徹A30鋼靶后零位輸出約為20 000 g，侵徹裝甲鋼靶后零位輸出約為-1 000 g)，整個測試過程中加速度計零位輸出漂移約40 000 g，因在侵徹鋼靶過程中，彈體與侵徹靶板間的摩擦作用導(dǎo)致彈體劇烈振動，彈體內(nèi)部產(chǎn)生高溫高壓，使試驗中所用壓阻式加速度計芯片內(nèi)應(yīng)力(熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力等)、壓敏電阻溫度系數(shù)發(fā)生變化，影響加速度計信號輸出。

4結(jié)論

(1)本文利用搭載自行設(shè)計的高量程加速度計組成的彈體測試系統(tǒng)進行152滑膛炮彈體侵徹雙層鋼靶板的試驗，通過提取臨界截止頻率方法，確定處理雙層鋼靶侵徹數(shù)據(jù)時所需低通濾波截止頻率對侵徹數(shù)據(jù)進行低通濾波處理，分別獲得彈體侵徹第一、二層鋼靶的加速度值。

(2)通過對比分析高速攝影機實測炮彈出膛及出靶速度與加速度計測試數(shù)據(jù)，獲得炮彈出膛時速度測試誤差約為1.78%，炮彈侵徹雙層鋼靶出靶時速度測試誤差分別為4.38%、7.48%，炮彈在兩層鋼靶間飛行位移測試誤差為3.11%。彈體在發(fā)射、侵徹鋼靶過程中，測試系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)測試誤差均小于10%。

(3)彈體測試系統(tǒng)中所用MEMS高量程加速度計性能穩(wěn)定、優(yōu)異，完全能勝任彈體侵徹雙層鋼靶的侵徹測試要求，可為炮彈在侵徹雙層介質(zhì)過程中特定介質(zhì)層測試提供可靠數(shù)據(jù)；MEMS高量程加速度計雖達(dá)到工程化應(yīng)用要求，但其在測試過程中出現(xiàn)明顯的零點漂移現(xiàn)象，尚待進一步優(yōu)化改進。

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