基于微沖擊開(kāi)關(guān)的彈載測(cè)試儀

王 朋,馬鐵華,崔春生,沈大偉,任先貞

(1.電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051； 2.儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

基于微沖擊開(kāi)關(guān)的彈載測(cè)試儀

王 朋1,2,馬鐵華1,2,崔春生1,2,沈大偉1,2,任先貞1,2

(1.電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051； 2.儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

針對(duì)武器系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備周期很長(zhǎng)，而子彈內(nèi)部空間狹小所能存放電池容量小，電池電量不能滿足測(cè)試需求等問(wèn)題，提出了基于微沖擊開(kāi)關(guān)的彈載測(cè)試儀。該測(cè)試儀改變以往為殼體開(kāi)槽引線，實(shí)驗(yàn)前通過(guò)斷線方式上電的方法，利用子彈發(fā)射瞬間的加速度為測(cè)試儀上電，避免了為殼體開(kāi)槽引線以及裝配過(guò)程中無(wú)意磨斷上電線導(dǎo)致裝置無(wú)法上電的問(wèn)題。對(duì)微沖擊開(kāi)關(guān)進(jìn)行抗沖擊實(shí)驗(yàn)和空氣炮實(shí)驗(yàn)，其可靠性得到驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，測(cè)試儀能夠很好地完成子彈發(fā)射過(guò)程中動(dòng)態(tài)參數(shù)的采集存儲(chǔ)。

彈載測(cè)試；微沖擊開(kāi)關(guān)；上電；微體積；電池容量

0 引言

武器系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)試對(duì)提高武器的安全性、可靠性有至關(guān)重要的意義[1]。目前武器系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試通常采用存儲(chǔ)記錄法[2]，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，彈載測(cè)試儀要隨炮彈一起飛行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)子彈發(fā)射全程的動(dòng)態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集與記錄，由于炮彈發(fā)射飛行過(guò)程中強(qiáng)振動(dòng)、高沖擊、高低溫的環(huán)境，對(duì)測(cè)試儀內(nèi)部器件的抗沖擊性、抗過(guò)載、抗高溫性能提出了嚴(yán)格的要求，測(cè)試結(jié)束后通過(guò)測(cè)試儀上預(yù)留的通訊接口與上位機(jī)進(jìn)行通訊，通過(guò)讀數(shù)軟件讀取數(shù)據(jù)并處理，還原被測(cè)信號(hào)。在測(cè)試實(shí)驗(yàn)前，首先在裝配廠將測(cè)試儀裝配好，然后運(yùn)輸?shù)桨袌?chǎng)，在惡劣的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作復(fù)雜繁瑣，為了保證安全性，測(cè)試儀要放置相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這對(duì)電池電量提出了較高的要求。而彈丸內(nèi)部狹小的空間使測(cè)試儀和電池必須做到微體積，電池電量也就非常有限。為解決電池電量小與實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備周期較長(zhǎng)的問(wèn)題，以往通常采用為殼體開(kāi)槽引線[3]，炮彈發(fā)射前通過(guò)斷線方式為系統(tǒng)上電的方法，但是為殼體開(kāi)槽，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)效果產(chǎn)生影響，裝配過(guò)程中如果無(wú)意磨斷了引線，還可能導(dǎo)致裝置無(wú)法上電，采集不到有用數(shù)據(jù)，且有些彈體不允許開(kāi)槽[4-5]。本文針對(duì)上述問(wèn)題，提出了基于微沖擊開(kāi)關(guān)上電方法的彈載測(cè)試儀。

1 微沖擊開(kāi)關(guān)

微沖擊開(kāi)關(guān)是一種通過(guò)感受外界加速度變化而工作的精密機(jī)械開(kāi)關(guān)[6-7],具有體積小、低功耗、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在日常生產(chǎn)生活中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[8]。在武器系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，微沖擊開(kāi)關(guān)要連同測(cè)試儀一起承受幾萬(wàn)g值的強(qiáng)沖擊，能否承受住高g值的沖擊成為微沖擊開(kāi)關(guān)能否應(yīng)用于彈載測(cè)試儀的關(guān)鍵。不同材料和工藝制作的微沖擊開(kāi)關(guān)其抗沖擊能力和導(dǎo)通閾值不同。本文重點(diǎn)對(duì)基于MEMS工藝采用金屬鉬制作的微沖擊開(kāi)關(guān)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1.1 微沖擊開(kāi)關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)與工作原理

微沖擊開(kāi)關(guān)主要由高強(qiáng)度彈簧、可移動(dòng)觸點(diǎn)質(zhì)量塊、固定電極、外殼組成[6]。圖1為微沖擊開(kāi)關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型。在沒(méi)有加速度的情況下，微沖擊開(kāi)關(guān)所處狀態(tài)如圖1(a),彈簧K1處于平衡狀態(tài)，K2在m2的質(zhì)量作用下處于壓縮狀態(tài)，可動(dòng)觸點(diǎn)質(zhì)量塊m2接觸不到固定電極，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；當(dāng)微沖擊開(kāi)關(guān)承受固定電極方向的加速度時(shí)，彈簧K1拉伸，m2向固定電極方向移動(dòng)，隨著加速度逐漸增大，m2逐漸靠近固定電極，圖1(b)為質(zhì)量塊m2剛接觸到固定電極時(shí)的狀態(tài)，此時(shí)開(kāi)關(guān)剛好導(dǎo)通；如果加速度繼續(xù)增大或者維持開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的閾值以上，質(zhì)量塊m2將一直接觸固定電極，開(kāi)關(guān)一直導(dǎo)通，如圖1(c)。從機(jī)械結(jié)構(gòu)可知，微沖擊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的閾值與彈簧K1，K2的彈性系數(shù)，m1,m2的質(zhì)量大小有關(guān)。

1.2 微沖擊開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在生產(chǎn)微沖擊開(kāi)關(guān)過(guò)程中對(duì)m1和m2質(zhì)量塊的大小和比例進(jìn)行調(diào)整可以生產(chǎn)出不同導(dǎo)通閾值的微沖擊開(kāi)關(guān)，常規(guī)生產(chǎn)的微沖擊開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通閾值有20g,30g,50g,100g, 500g。50g的導(dǎo)通閾值既可以避免在運(yùn)輸子彈過(guò)程中系統(tǒng)誤上電，又確保微沖擊開(kāi)關(guān)在子彈發(fā)射瞬間較快導(dǎo)通，系統(tǒng)及時(shí)上電采集數(shù)據(jù),所以選擇導(dǎo)通閾值50g的微沖擊開(kāi)關(guān)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用馬歇特錘擊實(shí)驗(yàn)對(duì)微沖擊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通閾值驗(yàn)證。將微沖擊開(kāi)關(guān)固定在馬歇錘上，通過(guò)改變落錘的高度來(lái)改變微沖擊開(kāi)關(guān)的加速度峰值和脈寬，根據(jù)微沖擊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通閾值大小選擇適宜的高度，分別將齒輪撥到第12，13，14，15個(gè)齒然后釋放錘頭，通過(guò)固定在落錘上的標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器988以及多通道信號(hào)采集卡對(duì)落錘下落過(guò)程中的加速度值、對(duì)應(yīng)時(shí)間以及開(kāi)關(guān)是否導(dǎo)通進(jìn)行采集記錄。圖2為其中一次微沖擊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通波形，通過(guò)對(duì)比落錘在不同高度落下時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)微沖擊開(kāi)關(guān)在加速度值65g以上，脈寬30 μs時(shí)導(dǎo)通。

1.3 微沖擊開(kāi)關(guān)的抗過(guò)載實(shí)驗(yàn)

微沖擊開(kāi)關(guān)在武器系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要連同炮彈一起以非常高的速度撞擊障礙物，撞擊瞬間產(chǎn)生的加速度高達(dá)幾萬(wàn)個(gè)g，能否承受住這種強(qiáng)沖擊決定著微沖擊開(kāi)關(guān)是否能在彈載測(cè)試儀中重復(fù)使用，為了驗(yàn)證其可靠性，利用空氣炮裝置進(jìn)行了抗沖擊性能檢驗(yàn)。空氣炮實(shí)驗(yàn)裝置的原理如圖3所示。實(shí)驗(yàn)前將微沖擊開(kāi)關(guān)和加速度記錄儀裝入子彈內(nèi)部固定，通過(guò)氣動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的高壓氣體推動(dòng)炮管內(nèi)的子彈，在炮口通過(guò)LD激光器和計(jì)時(shí)器對(duì)子彈出膛速度進(jìn)行測(cè)試，靶板選用混凝土靶，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，讀取加速度記錄儀采集存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)并處理，炮彈出膛速度在1 000～1 200 m/s之間，微沖擊開(kāi)關(guān)所能承受的最大過(guò)載量在46 000g以上，圖4為一次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后讀取加速度記錄儀的加速度曲線，峰值為46 000g，而在真實(shí)的武器系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，子彈所承受的最大過(guò)載量一般小于40 000g。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，微沖擊開(kāi)關(guān)能夠承受武器系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試過(guò)程中的高過(guò)載量，可應(yīng)用于彈載測(cè)試儀。

2 微沖擊開(kāi)關(guān)彈載測(cè)試儀

2.1 測(cè)試系統(tǒng)總體方案

彈載測(cè)試儀主要由傳感器陣列、多路模擬開(kāi)關(guān)、電源管理模塊、信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、讀數(shù)模塊、微沖擊開(kāi)關(guān)、機(jī)械殼體以及緩沖材料組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。上電前，系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)，只有控制電路和微沖擊開(kāi)關(guān)處于工作狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)通過(guò)微沖擊開(kāi)關(guān)上電后，電源管理模塊為整個(gè)系統(tǒng)供電，信號(hào)采集存儲(chǔ)模塊循環(huán)采集存儲(chǔ)加速度信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)，存滿存儲(chǔ)器后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式。回收測(cè)試儀，通過(guò)上位機(jī)軟件讀取存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，還原被測(cè)信號(hào)。

2.2 電源管理模塊

為節(jié)省系統(tǒng)功耗，彈載測(cè)試儀采用電源管理芯片LP5996分時(shí)/分區(qū)供電,如圖6所示，ONA和ONB分別為VDD、VEE的控制引腳，ONA通過(guò)限流電阻連接輸入電源控制VDD推挽輸出，VDD為控制電路模塊供電，控制電路根據(jù)系統(tǒng)工作狀態(tài)，調(diào)整ONB的高低電平狀態(tài)。系統(tǒng)上電前，ONB為低電平，系統(tǒng)處于低功耗模式，彈載測(cè)試儀通過(guò)微沖擊開(kāi)關(guān)上電后，ONB變?yōu)楦唠娖剑琕EE為模擬電路和模數(shù)轉(zhuǎn)化器供電，傳感器陣列輸出的信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，經(jīng)過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)的選擇進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)化器，在控制電路的控制下存入存儲(chǔ)器，采集存儲(chǔ)完畢后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式。

2.3 信號(hào)采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

信號(hào)采集存儲(chǔ)模塊由信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、時(shí)序控制電路和存儲(chǔ)器組成。信號(hào)調(diào)理電路采用運(yùn)算放大器OPA2340，具有功耗低、精度高、漂移小、軌到軌輸出、工作在惡劣環(huán)境下信號(hào)不失真的優(yōu)點(diǎn)[9]。模數(shù)轉(zhuǎn)化器采用具有高精度、低功耗、高速度轉(zhuǎn)化的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片AD7274[10]。存儲(chǔ)器采用鐵電存儲(chǔ)器,采樣頻率250 kHz,信號(hào)調(diào)理電路如圖7。系統(tǒng)上電后，時(shí)序控制模塊通過(guò)控制多路模擬開(kāi)關(guān)選通不同的信號(hào)輸入，將模數(shù)轉(zhuǎn)化器的輸出結(jié)果存儲(chǔ)到指定區(qū)域。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)據(jù)處理

4 結(jié)論

本文提出的基于微沖擊開(kāi)關(guān)的彈載測(cè)試儀，該測(cè)試儀利用子彈發(fā)射瞬間的加速度為系統(tǒng)上電，代替了實(shí)驗(yàn)前斷線上電的方式，避免了以往裝配過(guò)程中無(wú)意磨斷上電線而測(cè)不到有效數(shù)據(jù)的問(wèn)題，增加了數(shù)據(jù)的捕獲率，解決了實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備周期長(zhǎng)和電池電量有限的矛盾，無(wú)需在殼體上開(kāi)槽引線，增加了測(cè)試儀的通用性，實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)據(jù)處理表明，測(cè)試儀測(cè)量的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，反映了信號(hào)變化規(guī)律，對(duì)于武器系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試有很大的實(shí)踐意義。

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Missile-borne Test Instrument Based on Micro Impact Switch

WANG Peng1,2, MA Tiehua1,2, CUI Chunsheng1,2,SHEN Dawei1,2, REN Xianzhen1,2

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, Taiyuan 030051,China; 2.Instrument science and dynamic test laboratory North University of China, Taiyuan 030051,China)

It takes long period to prepare the test of dynamical parameter of weapon systems, the inner space is very limited, the capacity of storage battery is small. To solve these problems, we changed the notch for the shell and power on the system by disconnection,put forward a missile-borne test instrument based on micro impact switch. According to the analysis of experimental data, the tester was reliable and it could gathering and storage the dynamical parameter of weapon systems successfully.

ballistic test; micro impact switch; power up;micro volume; battery capacity

2016-07-02

山西省回國(guó)留學(xué)人員重點(diǎn)科研項(xiàng)目資助(2008003)

王朋(1991—)，男，河北省滄州人，碩士研究生,研究方向：動(dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器。E-mail:1518931881@qq.com。

TP29

A

1008-1194(2017)01-0084-04