2萬g量程壓阻式加速度傳感器的非線性研究

李曉紅，范錦彪，王燕

（中北大學 電子測試技術國家重點實驗室 山西 太原 030051）

0 引言

高量程微機械壓阻式加速度傳感器在沖擊測試軍用引信中運用相當廣泛[1]。對于彈體對混凝土和鋼筋混凝土侵徹破壞效果的研究，國內外已經做了大量的工作[2-4]。在硬目標動能侵徹過程中，對于彈丸動能侵徹過程的動態參數測試，目前現有的通用測試手段無法滿足要求，而較先進手段如高速攝影等又無法在像侵徹這樣的惡劣環境下使用，因此目前國內外的侵徹加速度測試技術，仍以彈載存儲測試技術為主。彈載記錄儀包括傳感器與記錄存儲電路兩大部分，利用存儲設計裝置，可以記錄彈丸發射、飛行和著靶侵徹過程中的實時加速度[5]。因此通過彈體侵徹混凝土的模擬實驗，驗證了傳感器的非線性。

1 壓阻式加速度傳感器非線性分析

壓阻傳感器是四端網絡器件, 雙端輸入端接一定的激勵電壓源或電流源,當受到氣體或液體的壓力作用時,雙端信號輸出端輸出信號電壓[7]。由于壓阻傳感器在制造過程中有一定的離散性, 不可能每只完全一樣, 另外在傳感器老化時, 也有所變化。由于壓阻傳感器的擴散電阻的溫度系數較大, 在實際工藝中很難將每個橋臂電阻的值做得完全一致, 因此不但存在每只傳感器的零位和滿度不一樣問題,還存在線性問題, 每只傳感器都有標稱的非線性度。集成惠斯頓電橋壓阻傳感器, 經過零位和滿度調節后,液體或氣體的壓力與信號輸出電正關系如表1所示。然而電阻分壓法卻無法達到表1的標準, 即非線性現在明顯,其根本原因, 是直接供給壓阻傳感器的電源從原內阻極小的恒壓源E變成了現在內阻較大的電阻分壓所得到的電壓值E1, 且各個傳感器的E1值大小不一樣。更重要的是在壓阻傳感器受到吸力作用時, 其電橋的電阻阻值發生變化，電橋從平衡狀態變為不平衡狀態,其壓阻傳感器的輸入阻抗隨吸力變化而產生變化迫使直接供給壓阻傳感器的電源E1, 不是恒壓源[8]。

表1 壓力與信號電壓的關系

2 實驗中發現傳感器非線性問題

在對彈體侵徹混凝土的模擬實驗過程中，在炮管內加氣壓，實現彈體的運動，由于模擬實驗，彈體運動速度比較緩慢，而且炮管長度也比較長，那么在實驗過程中，發現彈體在炮管內運動速度和侵徹混凝土速度不吻合，而且經過幾次實驗都發現了此問題，由于在炮管內的加速度和侵徹時加速度不同，我們猜想可能是由于傳感器本身的非線性造成的。

彈體侵徹過程中，由于壓阻式加速度傳感器具有零漂、外圍電路簡單、抗過載能力強等優點，成為高量程微加速度計設計的首選，廣泛應用于沖擊環境的測量[6]。因此我們在存儲測試裝置中采用的傳感器是壓阻式加速度傳感器，采樣頻率為500kHz，而被測彈體的彈長為0.32m，彈重3.25kg。將存儲測試裝置安裝在彈體內，并將其固定，這樣在彈體侵徹過程中，可以確保測試裝置能正確啟動、記錄可靠、抗沖擊并最終能夠真實記錄全部規定信號。

將測試裝置安裝到彈體內后，測試裝置經過觸發，可以完整記錄下彈體在膛內及侵徹混凝土過程中的詳細信息。侵徹過程結束后，我們將彈體打開，取出測試裝置，與計算機相連，即可進行讀數，并經過預先編輯好的程序讀取測試裝置中的數據，如圖1所示。

圖1 實測加速度曲線

圖2 實測速度曲線

其中圖1是測試存儲裝置所記錄的全彈道曲線，即在膛內以及穿靶過程中的加速度曲線，圖2是對加速度一次積分得到的速度曲線，由圖2可以看出，當侵徹過程結束時，速度曲線并沒有歸零。圖3為彈體在膛內及侵徹過程分開所求得的速度曲線，可以看出膛內最大速度為137.8 m/s，侵徹過程的速度為134m/s，誤差為2.8%。

最后又通過3次的侵徹混凝土模擬實驗，也發現了此現象，那么說明裝置本身是沒有問題的，經分析可能是由于加速度傳感器本身的非線性造成的，因此我們用馬歇特錘對加速度傳感器重新進行了校準。

3 壓阻式加速度傳感器的沖擊校準

馬歇特錘的原理是用重力沖擊錘加速，通過不同速度的錘頭來與剛性面碰撞，從而產生較大的加速度過載。抬起的高度低產生的加速度小，抬起的高度高產生的加速度大，當馬歇特錘落下時，由于其與平臺撞擊時間短，故產生的瞬間加速度大。預置不同的齒數進行沖擊實驗，可產生20～50000g的沖擊加速度。而且該方法操作簡單，成本低廉，只要有合適的實驗夾具及相關的測試儀器就可以獲得完整的實驗數據。

在彈體侵徹混凝土實驗中不難發現，彈體在炮管里運動時，加速度最大值為500g左右，侵徹時加速度最大值在6000g左右，因此在對壓阻式傳感器沖擊校準時，以此來確定沖擊校準實驗選擇的沖擊加速度范圍，實驗將被校準傳感器的管腳連接至外部電路中，用電壓放大器來提供5V電壓，放大倍數設定為500倍的情況下，分別檢測100～500g沖擊范圍內，以及1000～5000g的沖擊范圍內的測試結果。實驗對在這兩個沖擊范圍內都進行了6次沖擊校準，通過采集卡采集傳感器沖擊過程中的電壓信號，并經過預先編輯好的程序對電壓信號進行處理，得到加速度值，通過對加速度的積分得到速度值，其中表1給出了在100～500g的沖擊范圍內的測試結果，表2給出了在1000～5000g的沖擊范圍內的測試結果。廠家給出的靈敏度為2.14/。

表1 高值加速度傳感器在100g～500g的沖擊測試結果

經過mathcad軟件對速度進行最小二乘法擬合，分別得出在100～500g的沖擊實驗中，得到該加速度傳感器的靈敏度為1.898v/g，在1000 -5000g的沖擊實驗中，得到該加速度傳感器的靈敏度為1.843v/g， 經計算得到誤差為2.9%，與上面的彈體在膛內及侵徹過程中速度誤差吻合，由此也證明了傳感器的非線性。由于不同沖擊加速度下得到的靈敏度是不同的，所以在彈體侵徹實驗計算過程中，應該根據不同的沖擊加速度帶入不同的靈敏度值進行計算，分別得到如圖所示的速度曲線。由圖3可以看出，對于不同的沖擊加速度，代入不同的靈敏度計算后，發現速度歸為零，而且誤差幾乎為零。證明了速度變化是由傳感器非線性造成的。

表2 高g值加速度傳感器在1000g～5000g的沖擊測試結果

圖3 彈體侵徹混凝土速度曲線

4 結束語

本文對2萬g量程的壓阻式加速度傳感器的非線性產生原因進行了分析，并進行了彈體侵徹混凝土的模擬實驗，通過彈載存儲記錄儀測取了彈體在膛內以及侵徹等整個運動過程的實時加速度，并通過對實測數據的分析處理，驗證了傳感器存在的非線性的問題，并通過馬歇特錘對壓阻傳感器在不同沖擊加速度下的靈敏度進行了沖擊校準，在將不同沖擊加速度下得到的靈敏度再帶回到已編寫好的程序中，再次證明了傳感器的非線性，從而保證了測試數據的準確性。

[1]黃全平.高量程微機械壓阻式加速度傳感器研究[D].上海：中國科學院上海微系統與信息技術研究所,2001.

[2]LIU Xiao-hu,LIU Ji WANG Cheng,etal.Experimental study on the projection normally into a plain concrete[J].Explosion and Shock Waves,1999,10(4):323-328.

[3]宋萍,李科杰.硬目標侵徹武器高沖擊試驗和高過載傳感器技術國外發展概況[J].測控技術,2002,21:30-32.

[4]XU Jian-bo,LIN Junde,TANG Run-dietal.The penetration of steel bar projectile into concrete targets[J].Explosion and ShockWaves,2002, 4(2):174-178.

[5]祖靜,申湘南,張文棟.存儲測試技術[J].測試技術學報,1994 (2):28-34.

[6]郇勇,張泰華,楊業敏,等.壓阻式高量程微加速度計的沖擊校準[J].傳感器技術,2003,22 (11): 78-80.

[7]陳本華.壓阻傳感器的非線性問題[J].儀器技術與傳感器，1994(2):34-36.