解決侵徹信號連粘的新型傳感技術(shù)

黃 用，崔 敏

（中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

由于國內(nèi)外對高速、超高速侵徹彈藥技術(shù)的深入研究，高速大長徑比彈丸的多層目標(biāo)侵徹計(jì)層問題成為國內(nèi)外侵徹領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。然而將現(xiàn)有基于島梁式加速度傳感器的計(jì)層感知技術(shù)應(yīng)用于高速大長徑比彈丸的多層目標(biāo)計(jì)層時(shí)存在如下問題：當(dāng)彈丸長徑比增長，彈速大于800 m/s時(shí)，侵徹過程中的應(yīng)力波在彈體中來回傳播，形成震蕩加速度，高頻震蕩信號的峰值迅速增加，將多層目標(biāo)侵徹過載包絡(luò)完全淹沒，造成層與層過載信號相互粘連，無法有效對穿層進(jìn)行識別。

針對以上問題，常見的一種方向是從研究侵徹信號算法處理入手，小波閾值消噪方法由Donoho在1995年提出。侵徹信號的小波分析一般通過選擇合適的小波對測試信號進(jìn)行分解，然后對分解后的高頻信號采用設(shè)定的閾值函數(shù)進(jìn)行濾波，最后對處理后的信號進(jìn)行重構(gòu)獲得消噪信號。其處理過程能夠去除信號攜帶的部分高頻噪聲，獲得較高的信噪比，但在實(shí)際濾波過程中忽視了侵徹信號本身的頻率分析，所以容易去除侵徹阻力本身形成的侵徹高頻信號[1]。國內(nèi)中國工程物理研究院電子工程研究所歐陽科等人提出了一種基于加速度傳感器和MEMS開關(guān)信號融合的計(jì)層算法，該算法通過加速度傳感器和MEMS開關(guān)信號分別與不同窗函數(shù)在時(shí)域中的卷積加權(quán)和得到的復(fù)合信號來判定彈丸侵徹過程中的分層特性。但只在軟件上仿真了彈速700 m/s侵徹5層靶的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，缺少更多的實(shí)物試驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證彈速在更高時(shí)算法的適用性[2-6]。另一研究方向是針對侵徹計(jì)層電路，美國已成熟地將FPGA邏輯控制器應(yīng)用于硬目標(biāo)靈巧引信FMU-159，并在實(shí)戰(zhàn)中展現(xiàn)了其穩(wěn)定可靠性，但國內(nèi)與此相關(guān)研究單位還主要停留在試驗(yàn)仿真階段，而且由于在侵徹過程中，環(huán)境非常惡劣，國內(nèi)現(xiàn)階段的電路芯片集成技術(shù)與電路過載防護(hù)措施上的技術(shù)瓶頸很難滿足抗過載方面、精確度方面的測試要求。信號粘連的問題很難從根本上解決。

本文旨在源頭上——傳感器測取數(shù)據(jù)上解決信號粘連的問題，傳統(tǒng)上都是利用高G值的MEMS加速度計(jì)測取侵徹信號，因?yàn)閹缀跛懈逩值加速度計(jì)都是采用島梁結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于靈敏度高，工藝技術(shù)成熟；但缺點(diǎn)是島梁結(jié)構(gòu)在起振后很難馬上穩(wěn)定在平衡位置，這就造成侵徹引信在傾徹多層靶的時(shí)候，在穿過上一層靶后，加速度計(jì)還沒有穩(wěn)定就開始侵徹下一層靶，造成層與層過載信號相互粘連，無法有效對穿層進(jìn)行識別。針對這種棘手問題，本文開拓創(chuàng)新地提出采用陶瓷電容傳感器采集信號，由于疊層電容傳感器的結(jié)構(gòu)相對于島梁結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)起振頻率更高，其優(yōu)點(diǎn)不但在于可以有效測到侵徹高頻信號，還能濾掉一部分低頻干擾信號；而且電容結(jié)構(gòu)剛度更大，在侵徹穿過一層靶后能比島梁結(jié)構(gòu)更快地回到平衡位置，使上一層的侵徹信號不會淹沒下一層的侵徹信號，不但能解決信號連粘的問題還能有效解決信號拖尾的現(xiàn)象，從而提高了測量精度。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 侵徹測量原理仿真

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)的合理性，將會通過有限元仿真軟件對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)、模態(tài)以及瞬態(tài)分析，但在這之前要先仿真彈體侵徹多層靶的動力學(xué)仿真，因?yàn)榍謴馗兄獋鞲衅靼惭b在彈體前段，實(shí)際彈體內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，所以將彈體簡化成一個實(shí)心結(jié)構(gòu)，并提取彈體的仿真試驗(yàn)結(jié)果，其結(jié)果將傳感器結(jié)構(gòu)仿真的實(shí)驗(yàn)載荷施加依據(jù)。

在設(shè)計(jì)侵徹模型時(shí)，將靶板與彈體作如下3個假設(shè)：①靶板與彈體均視為均勻連續(xù)與各項(xiàng)同性材料、彈丸為剛體模型、靶板采用無限大方形靶板、不計(jì)邊界效應(yīng)、無初始應(yīng)力；②彈丸垂直于靶板面、不計(jì)重力作用；③整個侵徹過程絕熱，不計(jì)空氣阻力和彈體振動影響。

侵徹幾何模型如圖1所示，本侵徹試驗(yàn)采用Lagrange方法計(jì)算，彈體尺寸為直徑2.6 cm，垂直長度3.9 cm，彈頭為半球形，直徑為2.6 cm。侵徹模型使用三維實(shí)體solid164單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在彈體和靶板直接作用區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，并在四周設(shè)置邊界無反射邊界，來模擬半無限靶板，接觸采用面對面接觸，即*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE算法。

圖1 彈丸侵徹幾何模型Fig.1 Projectile penetration geometry model

彈丸采用剛體模型，彈丸材料采用*MAT_JOHNSON_COOK材料模型來描述其本構(gòu)關(guān)系。靶板采用A30鋼，四層靶板的長*寬*厚為300cm*300cm*6cm，靶板之間的間距為30 cm。靶板材料也采用*MAT_JOHNSON_COOK材料模型來描述其本構(gòu)關(guān)系。所有靶板除了材料編號不同外，其材料參數(shù)都相同。

本仿真單位制采用cm-g-μs制，彈丸初速1300 m/s，仿真時(shí)間180 μs。利用LS-PREPOST軟件處理后，彈丸侵徹各個靶板的應(yīng)力云圖如圖2～圖5所示。

圖2 彈丸侵徹第一層靶板的應(yīng)力云圖Fig.2 Stress cloud diagram of projectile penetrating the first target

圖3 彈丸侵徹第二層靶板的應(yīng)力云圖Fig.3 Stress cloud diagram of projectile penetrating the second target

圖4 彈丸侵徹第三層靶板的應(yīng)力云圖Fig.4 Stress cloud diagram of projectile penetrating the third target

圖5 彈丸侵徹第四層靶板的應(yīng)力云圖Fig.5 Stress cloud diagram of projectile penetrating the fourth target

彈丸在侵徹過程中，本身的速度及加速度變化情況如圖6和圖7所示。

1.2 電容傳感器測量原理

本文所設(shè)計(jì)的電容壓力傳感器是一個雙電容結(jié)構(gòu)，整個結(jié)構(gòu)是一個圓柱形，由可動上極板和中間極板、固定下極板以及上下氧化鋯陶瓷介電層構(gòu)成雙層電容結(jié)構(gòu)，極板與介電層的直徑都為8 mm，三個極板厚度為1 mm，陶瓷介電層厚度3.5 mm。其結(jié)構(gòu)示意如圖8所示。與加速度傳感器采用的島梁或腔體結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)能夠有效提高系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，降低沖擊響應(yīng)的時(shí)間，消除信號粘連問題。可動上、中極板和固定下極板均采用鈀銀（Pb-Ag）導(dǎo)體材料，陶瓷介電層采用氧化鋯陶瓷材料，由于氧化鋯陶瓷片具有零力學(xué)滯后、高彈性、抗腐蝕、抗磨損、蠕變、遲滯小和高溫魯棒性，直至破裂都嚴(yán)格遵循虎克定律的特點(diǎn)，并且壓縮時(shí)的材料強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于拉伸時(shí)的強(qiáng)度。

圖6 彈丸垂直速度-時(shí)間曲線Fig.6 Projectile vertical velocity-time curve

圖7 彈丸垂直加速度-時(shí)間曲線Fig.7 Projectile vertical acceleration-time curve

圖8 雙層電容結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of double-layer capacitor structure

這種類型的傳感器屬于變極距型電容傳感器，理想情況是下極板固定不動，但在實(shí)際侵徹過程中整個侵徹引信系統(tǒng)存在應(yīng)力波在彈體中來回傳播，因此下極板實(shí)際也是在振動的，因此引起上下極板間的極間距的變化不單是侵徹方向的壓力信號，還有一部分還有彈體及傳感器噪聲信號。因此就采用泡沫鋁緩沖層機(jī)械濾波，濾掉這大部分此類干擾噪聲。

2 結(jié)構(gòu)有限元仿真

利用有限元分析軟件ANSYS對雙層電容結(jié)構(gòu)和島梁結(jié)構(gòu)加速度計(jì)的穩(wěn)定性進(jìn)行模態(tài)分析和瞬態(tài)分析，從侵徹測量原理仿真結(jié)果可知彈丸最大侵徹加速度值為25000 g，但在實(shí)際中為了保證結(jié)構(gòu)測量不失真，將在有限元仿真中設(shè)置加速度值為40000 g，并加載到相同體積的電容結(jié)構(gòu)和加速度計(jì)結(jié)構(gòu)上，高G值的島梁加速度計(jì)幾乎都采用四懸臂梁結(jié)構(gòu)。對比兩種結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性。為應(yīng)用于侵徹高沖擊、高頻響環(huán)境下的電容傳感器研究提供了可靠地理論基礎(chǔ)。

雙層電容結(jié)構(gòu)和島梁結(jié)構(gòu)加速度計(jì)有限元網(wǎng)格化后如圖9和圖10所示。

圖9 雙層電容有限元結(jié)構(gòu)示意Fig.9 Schematic diagram of finite element structure of double-layer capacitor

圖10 加速度計(jì)有限元結(jié)構(gòu)示意Fig.10 Schematic diagram of the finite element structure of the accelerometer

首先對電容結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)仿真，四階各個模態(tài)仿真結(jié)果如圖11～圖14所示。

圖11 雙層電容結(jié)構(gòu)一階模態(tài)圖Fig.11 First-order modal diagram of double-layer capacitor structure

圖12 雙層電容結(jié)構(gòu)二階模態(tài)圖Fig.12 Second-order modal diagram of double-layer capacitor structure

圖13 雙層電容結(jié)構(gòu)三階模態(tài)圖Fig.13 Third-order modal diagram of double-layer capacitor structure

圖14 雙層電容結(jié)構(gòu)四階模態(tài)圖Fig.14 Fourth-order modal diagram of double-layer capacitor structure

電容結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的各階振動頻率如表1所示。

表1 電容結(jié)構(gòu)各階振動頻率Tab.1 Vibration frequency of each order of the capacitor structure

再是對四懸臂梁的加速度計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)仿真，四階各個模態(tài)仿真結(jié)果如圖15～圖18所示。

圖15 四懸臂梁的加速度計(jì)一階模態(tài)圖Fig.15 First-order modal diagram of the accelerometer of four cantilever beams

圖16 四懸臂梁的加速度計(jì)二階模態(tài)圖Fig.16 Second-order modal diagram of the accelerometer of four cantilever beams

圖17 四懸臂梁的加速度計(jì)三階模態(tài)圖Fig.17 Third-order modal diagram of the accelerometer of four cantilever beams

圖18 四懸臂梁的加速度計(jì)四階模態(tài)圖Fig.18 Fourth-order modal diagram of the accelerometer of four cantilever beams

四懸臂梁加速度計(jì)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的各階振動頻率如表2所示。

表2 四懸臂梁加速度計(jì)結(jié)構(gòu)各階振動頻率Tab.2 Vibrational frequencies of four cantilever beam accelerometer structures

對比兩者的模態(tài)仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)在沿著加速度方向的振動頻率，電容結(jié)構(gòu)為77.940 kHz，遠(yuǎn)大于加速度計(jì)的25.692 kHz。

由已經(jīng)已知彈體侵徹靶標(biāo)的過程中所產(chǎn)生沖擊響應(yīng)頻譜的截止頻率在20 kHz以下，而該電容結(jié)構(gòu)的一階固有頻率相對于島梁結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)明顯遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于20 kHz，因此更能符合測試不失真要求。

為了能夠進(jìn)一步對比說明電容結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，從瞬態(tài)仿真對比兩者響應(yīng)特性，在相同的40000 g沖擊加速度，并在相同的結(jié)構(gòu)體積下的四懸臂梁的加速度計(jì)和電容結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)分析結(jié)果如圖19～圖21所示。

從仿真結(jié)果能夠清晰看到電容結(jié)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間約為20 ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于加速度計(jì)結(jié)構(gòu)約為160 ms的響應(yīng)時(shí)間，而且從上圖就能看出電容結(jié)構(gòu)相對于島梁結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)響應(yīng)曲線更加平滑，沒有信號拖尾發(fā)生，因此就能更好杜絕侵徹時(shí)信號連粘的發(fā)生。

圖19 沖擊加速度階躍信號Fig.19 Impact acceleration step signal

圖20 雙層電容結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)圖Fig.20 Double-layer capacitor structure transient response diagram

圖21 四懸臂梁加速度計(jì)瞬態(tài)響應(yīng)圖Fig.21 Four cantilever beam accelerometer transient response diagram

綜上所述，選擇雙層電容結(jié)構(gòu)作為侵徹傳感器結(jié)構(gòu)更加合理。

3 結(jié)語

通過仿真試驗(yàn)分別對陶瓷疊層電容組結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)島梁結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)進(jìn)行模態(tài)和瞬態(tài)分析結(jié)果對比，結(jié)果說明雙層電容傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能很好地解決侵徹信號連粘的問題，對高頻率范圍具有良好的適用性和有效性，可以實(shí)現(xiàn)對彈體侵徹計(jì)層的實(shí)時(shí)、高精度測量，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

由于該傳感器還處于仿真實(shí)驗(yàn)階段，還沒有真正在彈體穿靶試驗(yàn)中驗(yàn)證其可靠性，因此優(yōu)化傳感器性能、平衡誤差范圍是下一步的研究方向和研究重點(diǎn)。