基于電容特性的引信碰合開關無損檢測

史 劍，周 平，聶 崢

（西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065）

0 引言

引信碰合開關通常設置在彈藥或戰(zhàn)斗部頭部，用于適時可靠地感知彈丸碰擊目標的信息，利用開關內(nèi)、外極閉合給引信提供觸發(fā)信號。引信碰合開關的結構特點為內(nèi)、外極兩個導體分別固定在底座上，內(nèi)極裝在外極中間構成了兩個作用元件，內(nèi)、外極分別焊接導線作為引出線，外極用保護罩保護后塑封總裝。碰合開關在總裝之前，可以通過常用的檢測方法檢測斷路或虛焊。但是，在碰合開關塑封總裝后，就沒有手段檢測碰合開關內(nèi)部導線與內(nèi)、外極斷路或虛焊，這種檢測盲區(qū)對產(chǎn)品的質量可靠性埋下了隱患。本文針對此問題，提出了基于電容特性的引信碰合開關無損檢測方法。

1 碰合開關結構和平板電容器電容

1.1 碰合開關的結構簡圖及工作原理

碰合開關是利用載體碰擊目標時的反作用力而閉合［1］。其主要由開關內(nèi)極、開關外極、底座、保護罩等組成，結構示意圖如圖1所示。

由碰合開關的結構示意圖可以看出，在開關內(nèi)極、開關外極、底座、保護罩被塑封后，常用的檢測方法都無法檢測碰合開關焊線與開關內(nèi)、外極斷開或虛焊問題。

圖1 碰合開關結構示意圖Fig.1 The structure map of crush switch

1.2 平板電容器的電容［2］

式中，S為電容器的極板面積；d為極板間的距離；ε0為真空的介電系數(shù)；ε為極板間介質的相對真空的介電系數(shù)。ε0為：

從式（1）可知：平板電容器的電容與極板面積成正比與極板間距離成反比，并且與介質的相對真空的介電系數(shù)成正比。

2 基于電容特性的引信碰合開關無損檢測方法

2.1 碰合開關的電容特性

碰合開關的模型如圖2所示，其主要由開關內(nèi)極、開關外極、底座、保護罩等組成。其中，開關內(nèi)極、開關外極均為導體，內(nèi)、外極之間充滿空氣和絕緣材料。由電容器的構成原理可知，當開關內(nèi)極、開關外極、底座、保護罩被塑封后，就形成了一個電容器。因此，該類碰合開關具有電容特性。

2.2 碰合開關電容的理論分析

由碰合開關的結構可知，該電容器可視為有無數(shù)個平板電容器組成。而平板電容器的電容與極板面積成正比與極板間距離成反比，并且與介質的相對真空的介電系數(shù)成正比。由于在碰合開關塑封總裝后，碰合開關內(nèi)、外極及焊接導線之間相對位置、介質都沒有發(fā)生變化，而在內(nèi)、外極焊接導線出現(xiàn)斷路或虛焊前后只有極板間的面積發(fā)生了變化。因此，可以通過分析極板間的面積變化得出該電容器的電容變化規(guī)律。

圖2 碰合開關的模型圖Fig.2 The model map of crush switch

2.2.1 當內(nèi)、外極焊接導線斷路時

此時，該電容器的電容值就變成了其中的一根引出線與一個極板之間或兩根引出線之間的電容。

1）當內(nèi)極焊接導線出現(xiàn)斷路，而外極焊接導線連接正常時，該電容器的電容值就變成了內(nèi)極引出線與外極和外極引出線之間電容。很顯然，由于不存在內(nèi)極在外極和外極引出線之間電容，也就是說極板間的面積明顯變小。因此，電容器的電容值明顯小于內(nèi)、外極焊接導線正常連接時電容器的電容值。

2）當外極焊接導線出現(xiàn)斷路，而內(nèi)極焊接導線連接正常時，該電容器的電容值就變成了外極引出線與內(nèi)極和內(nèi)極引出線之間電容。很顯然，由于不存在外極在內(nèi)極和內(nèi)極引出線之間電容。也就是說極板間的面積明顯變小。因此，電容器的電容值明顯小于內(nèi)、外極焊接導線正常連接時電容器的電容值。

3）當內(nèi)、外極焊接導線都出現(xiàn)斷路時，該電容器的電容值就變成了兩根內(nèi)、外極引出線之間的電容。很顯然，由于不存在內(nèi)極和外極之間電容。因此，電容器的電容值明顯小于內(nèi)、外極焊接導線正常連接時電容器的電容值。

2.2.2 當內(nèi)、外極焊接導線虛焊時

此時，引出線與內(nèi)、外極接觸不良，時通時斷，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，該電容器的電容值就會在內(nèi)、外極焊接導線正常連接與內(nèi)、外極焊接導線出現(xiàn)斷路兩種狀態(tài)之間跳變。

因此，如果碰合開關焊線與開關內(nèi)、外極斷開或虛焊時其電容值會發(fā)生明顯偏小或跳變，那么就可以利用碰合開關的這種電容特性，通過檢測碰合開關的電容值就可以很方便地判斷開關焊線是否與開關內(nèi)、外極斷開或虛焊，從而實現(xiàn)對碰合開關的無損檢測。

3 試驗驗證

本例中，頭部碰合開關內(nèi)極半徑r＝3.3mm，外極半徑R＝4.7mm，開關內(nèi)極總高度l＝32.5 mm，開關內(nèi)極插入底座內(nèi)部高度h＝5.2mm。常溫下，對669個該引信頭部碰合開關進行實際測量。測試條件如下：

1）頻率：1kHz。

2）電壓有效值：1V。

3）導線長度：10mm。

4）導線截面積：0.15mm2。

測試結果如表1所示（只顯示部分測試數(shù)據(jù)，單位：pF）。

由表1測試結果可以看出，碰合開關的電容測量值主要散布在8～10pF之間，而編號分別為：14、69、91的碰合開關電容測量值出現(xiàn)了異常，其電容測量值均小于2pF。經(jīng)解剖發(fā)現(xiàn)，14＃69＃的頭部碰合開關焊線與開關內(nèi)極出現(xiàn)了斷開現(xiàn)象，91＃的頭部碰合開關焊線與開關外極出現(xiàn)了斷開現(xiàn)象。

由此可知，當碰合開關焊線與開關內(nèi)、外極斷開時其電容值會明顯偏小，通常小于2pF。

為了驗證測試結果的正確性和穩(wěn)定性，隨機抽取了10個碰合開關（其編號分別為：1、14、26、37、59、69、83、91、97、100）進行溫度循環(huán)試驗［3］。

溫循后，分別對每一個碰合開關進行了10次數(shù)據(jù)測試，測試結果如表2所示，單位：pF。

表1 頭部碰合開關電容測試結果Tab.1 The head crush switch capacitance test results pF

由表2測試結果可以看出，隨機抽取的10個頭部碰合開關的電容測量值除了37的測量值出現(xiàn)了0.65～9.26pF之間的跳變外，其余穩(wěn)定性非常好，與表1的測試結果基本吻合。經(jīng)分析認為，37＃電容測量值是由于虛焊產(chǎn)生了跳變。由此可知，當碰合開關焊線與開關內(nèi)、外極虛焊時其電容值會發(fā)生很大跳變，通常在2pF以下與10pF之間跳變。

因此，可以利用碰合開關的電容特性，通過檢測碰合開關的電容值判斷開關焊線是否與開關內(nèi)、外極斷開或虛焊。

表2 溫循后頭部碰合開關電容測試結果Tab.2 After the temperature cycle the head crush switch capacitance test results pF

4 結論

本文提出了基于電容特性的引信碰合開關無損檢測方法。該方法利用碰合開關具有的電容特性，通過檢測碰合開關的電容值判斷碰合開關塑封總裝后焊線是否與開關內(nèi)、外極斷開或虛焊。理論分析和實測結果表明：該方法有效解決了焊線與開關內(nèi)、外極斷開，虛焊時無法檢測問題，提高了產(chǎn)品的質量，具有一定的工程指導意義。不足之處，由于零件加工及裝配過程中會產(chǎn)生誤差，碰合開關的內(nèi)、外極不可能完全同心，電容測試值存在一定的散布。如何找出散布值與內(nèi)、外極之間間隙大小關系，以提高產(chǎn)品的合格率是下一步研究的工作。

［1］GJB／Z 135－2002引信工程設計手冊［S］.北京：總裝備部軍標出版發(fā)行部，2003：304.

［2］陳永真.電容器及其應用［M］.北京：科學出版社，2005.

［3］莊文青.組件溫度篩選應力的確定方法［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2003（3）：65－68.