光觸發(fā)電子測壓儀可靠性設計及分析

梁彥斌，李新娥，舒躍飛，李　楊

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

光觸發(fā)電子測壓儀可靠性設計及分析

梁彥斌1，2，李新娥1，2，舒躍飛1，2，李楊1，2

（1.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西太原030051；
2.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

針對光觸發(fā)電子測壓儀在多點測試過程中容易受火炮膛內(nèi)復雜環(huán)境（高溫、高壓、強電磁）的影響等問題，通過設計合理的光窗結構，增強測壓儀外殼的密封性能和整體強度；采取在光窗處附著一層電磁屏蔽薄膜的措施，降低來自火炮發(fā)射時產(chǎn)生的電磁干擾。在模擬復雜條件下，采用有限元分析軟件對改進后的測壓儀光窗及殼體進行強度仿真，同時對殼體的電磁屏蔽性能進行分析。仿真結果表明：改進后的光觸發(fā)電子測壓儀殼體滿足膛壓測試要求，電磁屏蔽性能得到進一步改善。通過實驗測試，驗證光觸發(fā)結構設計的合理性和有效性，達到系統(tǒng)的設計要求。

激光觸發(fā)；可靠性設計；仿真；電磁屏蔽

0　引言

一直以來，火炮膛內(nèi)壓力場分布信息是火炮在研發(fā)、設計和驗收時的重要參數(shù)之一，是分析內(nèi)彈道和裝藥結構的合理性的基本依據(jù)［1］。但是就目前來說，大多數(shù)測試方法僅能測得膛內(nèi)某一點的壓力，這對于研究火炮膛內(nèi)壓力分布，進而改造火炮結構設計與優(yōu)化裝藥結構，預測外彈道參數(shù)等是不夠的。針對上述問題，提出了基于光觸發(fā)的多點壓力測試系統(tǒng)。由于系統(tǒng)采用了光窗等新型結構，火炮膛內(nèi)惡劣環(huán)境將對測壓儀的抗壓及電磁屏蔽性能產(chǎn)生影響，本文對新型測壓儀的結構進行了仿真分析，對測壓儀的強度及電磁屏蔽性能進行了實驗驗證。

1　系統(tǒng)結構及工作原理

光觸發(fā)電子測壓儀主要由殼體傳感器、光窗、內(nèi)部電路模塊、光電轉換模塊以及紅外通信模塊組成［2］。測壓儀外部是由馬氏體時效鋼材料制作的高強度保護殼體［3］，具有耐高溫、高壓、高沖擊的特性，對內(nèi)部測試電路起到保護作用，同時與內(nèi)筒一起組成殼體一體化電容傳感器。測壓儀上端蓋內(nèi)嵌用特殊材料制作的高強度光窗，便于爆炸瞬間光信號傳輸。其結構如圖1所示。

圖1　壓力測試儀結構圖

測壓儀工作過程為：火藥在火炮膛內(nèi)燃燒時會產(chǎn)生瞬態(tài)火光，殼體內(nèi)部測試電路的光敏感元件通過光窗捕捉到光信號后，便會產(chǎn)生電平的跳變，通過后續(xù)的放大電路，將放大后的信號輸入到處理器，處理器感受到來自外部的電平變化后進入中斷服務程序，開始采集火炮膛壓信息，同時將采集到的膛壓數(shù)據(jù)存儲到Flash中。采集完畢后，根據(jù)需要可將數(shù)據(jù)通過紅外通信模塊讀回主機進行后續(xù)處理。

圖2　端蓋及光窗結構圖

2　殼體的設計與的仿真

測壓儀的端蓋處于火炮膛內(nèi)，需承受火炮膛內(nèi)高溫、高壓的作用［4］，改進型的測壓儀在端蓋處開設了高強度光窗，利用高頻封接技術進行封接，以保證測壓儀殼體的密封性能，確保測試過程中測壓儀內(nèi)部電路的安全。由于開設了光窗，需要進一步驗證新型測壓端蓋及儀殼體的抗高壓能力［5］。

2.1端蓋設計與仿真

綜合了端蓋的尺寸、光窗的材料強度等因素，在保證端蓋密封性和透光率的基礎上，設計了圖2所示的光窗結構。光窗采用鍥形結構，嵌套在端蓋處。

光窗材料選用了耐高溫高壓的防爆玻璃，其具有良好的透光特性、耐高溫、強度高、抗高沖擊等特點。其具體參數(shù)如表1所示。

表1　耐高溫防爆玻璃參數(shù)

圖3　端蓋在600MPa下應力云圖

利用ANSYS仿真軟件，對帶有光窗的端蓋進行恒定載荷靜態(tài)分析。測壓儀的測量范圍是0～600MPa，所以在最大壓力情況下進行仿真。圖3為端蓋在600MPa時的應力云圖。

由仿真結果可知，在端蓋螺紋尾部的退刀槽處應力較大，但并沒有超過端蓋材料的屈服極限。同時端蓋的楔形光窗也在其材料的屈服極限內(nèi)，端蓋及光窗強度滿足設計要求。

2.2殼體仿真與分析

測壓儀工作于火炮膛內(nèi)高沖擊、高溫的惡劣環(huán)境中，而其殼體本身作為電容傳感器的敏感元件，除了感受外部壓力的變化而引起的電容容值的變化，還要保護內(nèi)部測試電路的安全，所以必須保證殼體有足夠的強度。采用18Ni馬氏體時效鋼來作為敏感元件材料，其材料參數(shù)如表2所示。

表2　18Ni馬氏體時效鋼參數(shù)

為了檢驗改進后的外殼體的強度，采用ANSYS仿真軟件對殼體及端蓋進行瞬態(tài)力學仿真，獲取其在火炮膛內(nèi)的動態(tài)響應。

殼體是一個軸對稱結構，所以為了簡化計算，在仿真時建立了殼體的軸對稱有限元平面模型，根據(jù)殼體材料和光窗材料的力學參數(shù)和材料屬性，采取網(wǎng)格的劃分，其模型如圖4所示。

圖4　測壓儀殼體結構模型

火藥在炮膛內(nèi)燃燒時，膛內(nèi)壓力上升時間集中于2～7 ms之間，脈寬在20 ms左右［6］，峰值設定為600MPa。測壓儀外殼體所受的壓力環(huán)境便可據(jù)此進行模擬。仿真時，將該載荷施加到殼體的外側面。

提取殼體所受最大載荷時的應力云圖，如圖5所示。由此可以看出，測壓儀處于最大載荷壓力的情況下，殼體所受應力均小于所用材料的屈服極限應力，外殼僅發(fā)生了彈性變形。由此可以看出改進后的殼體設計滿足強度要求，即電容式測壓儀殼體在600MPa壓力下工作在彈性范圍內(nèi)。

圖5　膛壓達到峰值時的應力云圖

3　殼體電磁屏蔽性能分析

在火炮發(fā)射過程中，由于等離子體附加磁場的存在，微小的有用信號很容易被外部干擾信號所湮沒。改進之前的測壓儀端蓋與殼體組成閉合密閉空間，充當屏蔽體，有效減小了外部電磁干擾信號。改進之后的測壓儀由于在端蓋處增加了光窗，外部的電磁干擾信號很容易透過光窗影響到內(nèi)部的電路安全，因此需要進一步對其電磁屏蔽效果進行驗證。采用ANSYS軟件對光觸發(fā)測壓儀殼體進行電磁屏蔽效能的分析計算。在測壓儀外部施加高頻電磁場，方向為殼體的軸向方向。其中圖6是殼體附近磁密分布情況，圖7是殼體內(nèi)部磁密分布情況。

圖6　殼體附近磁場分布

從圖中可以看出，在端蓋處增加光窗后，殼體內(nèi)部的殘余磁密也變大，外部的干擾信號很容易對內(nèi)部電路產(chǎn)生影響［7］，這對于要測試的微弱瞬變電容信號是不可接受的。基于此，有必要找出降低電磁信號干擾的措施。

為了增強殼體的電磁屏蔽效果，在殼體內(nèi)部的光窗上面粘貼一層由ITO材料制作的電磁屏蔽薄膜，利用其高透光率、低電阻率等特性來降低外部電磁干擾信號［8］。其屏蔽效果如圖8所示。

圖7　開設光窗后屏蔽效果圖

圖8　光窗表面貼屏蔽薄膜后屏蔽效果圖

通過對比圖7可以看出，在光窗的內(nèi)部貼上屏蔽薄膜后，測壓儀殼體屏蔽效果得到顯著改善，基本可以忽略外部電磁干擾對內(nèi)部電路的影響，達到了設計要求。

4　實驗驗證及討論

采用模擬膛壓發(fā)生器模擬火炮膛壓，實驗時用少量發(fā)射藥在帶膜片、噴管的模擬膛壓發(fā)生器中點燃，產(chǎn)生一個類似膛壓曲線的P-t過程。放置測壓儀在模擬膛壓發(fā)生器內(nèi)，為了與真實的膛壓數(shù)據(jù)進行對比，將經(jīng)過校準的標準傳感器放入模擬膛壓發(fā)生器內(nèi)。將標準傳感器得到的曲線與測壓儀得到的曲線進行對比，如圖9所示。

由曲線可知，測壓儀曲線與標準傳感器曲線基本吻合，測壓儀與標準傳感器同時觸發(fā)，在下降沿過程中出現(xiàn)誤差，因為在彈性形變范圍內(nèi)，外殼體的形變除了與膛壓有關外，還與時間有關，殼體的形變需要一定時間來完成。受彈性滯后和彈性后效影響，導致上述誤差的產(chǎn)生。

圖9　標準傳感器與測壓儀曲線對比

5　結束語

文本對改進后的光觸發(fā)測壓儀殼體和光窗進行了強度和抗電磁屏蔽的分析和論證。通過仿真可知，改進后的測壓儀殼體滿足膛壓測試要求，同時對光窗的電磁屏蔽性能進行了優(yōu)化設計。實驗結果表明：基于光觸發(fā)的測壓儀能夠有效屏蔽外界電磁的干擾，完整記錄膛壓曲線，提高了測壓儀的可靠性，可為今后新型測壓儀的推廣奠定基礎。

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（編輯：李妮）

Reliability design and simulation analysis of light trigger electronic manometer

LIANG Yanbin1，2，LI Xin'e1，2，SHU Yuefei1，2，LI Yang1，2
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement of Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

The study designsreasonable opticalwindowstructure，enhances manometershell sealing performance and strength for solving problems such as light-triggered electronic manometer easilyinfluencedbythecomplexenvironment（hightemperature，highpressureandstrong electromagnetic interference）of the artillery chamber pressure in the process of multipoint test. The external electromagnetic interference is reduced by attaching a layer of electromagnetic shield film to theoptical window.In conditions ofcomplicatedsimulation，finiteelementanalysis software is used for high intensity simulation to improved optical window and shell of manometer and analysis on shell electromagnetic shielding performance.The simulation results show that the improved light-triggered electronic manometer meets chamber pressure testing requirements and the electromagnetic shielding performance has been further improved.The rationality and effectiveness of light triggered structural design meet the system design requirements.

light trigger；reliability design；simulation；electromagnetic shield

A

1674-5124（2016）08-0131-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.08.027

2016-01-16；

2016-02-26

國防科技重點實驗室基金項目（04011007）

梁彥斌（1990-），男，山西陽泉市人，碩士研究生，專業(yè)方向為動態(tài)測試與智能儀器。

李新娥（1971-），女，山西大同市人，教授，博士，研究方向為動態(tài)測試與智能儀器。