李曉紅，范錦彪，王燕

（中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山西 太原 030051）

0 引言

高量程微機(jī)械壓阻式加速度傳感器在沖擊測(cè)試軍用引信中運(yùn)用相當(dāng)廣泛[1]。對(duì)于彈體對(duì)混凝土和鋼筋混凝土侵徹破壞效果的研究，國內(nèi)外已經(jīng)做了大量的工作[2-4]。在硬目標(biāo)動(dòng)能侵徹過程中，對(duì)于彈丸動(dòng)能侵徹過程的動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試，目前現(xiàn)有的通用測(cè)試手段無法滿足要求，而較先進(jìn)手段如高速攝影等又無法在像侵徹這樣的惡劣環(huán)境下使用，因此目前國內(nèi)外的侵徹加速度測(cè)試技術(shù)，仍以彈載存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)為主。彈載記錄儀包括傳感器與記錄存儲(chǔ)電路兩大部分，利用存儲(chǔ)設(shè)計(jì)裝置，可以記錄彈丸發(fā)射、飛行和著靶侵徹過程中的實(shí)時(shí)加速度[5]。因此通過彈體侵徹混凝土的模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)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(wǎng)絡(luò)器件, 雙端輸入端接一定的激勵(lì)電壓源或電流源,當(dāng)受到氣體或液體的壓力作用時(shí),雙端信號(hào)輸出端輸出信號(hào)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(shí), 也有所變化。由于壓阻傳感器的擴(kuò)散電阻的溫度系數(shù)較大, 在實(shí)際工藝中很難將每個(gè)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(biāo)稱的非線性度。集成惠斯頓電橋壓阻傳感器, 經(jīng)過零位和滿度調(diào)節(jié)后,液體或氣體的壓力與信號(hào)輸出電正關(guān)系如表1所示。然而電阻分壓法卻無法達(dá)到表1的標(biāo)準(zhǔn), 即非線性現(xiàn)在明顯,其根本原因, 是直接供給壓阻傳感器的電源從原內(nèi)阻極小的恒壓源E變成了現(xiàn)在內(nèi)阻較大的電阻分壓所得到的電壓值E1, 且各個(gè)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(shí), 其電橋的電阻阻值發(fā)生變化，電橋從平衡狀態(tài)變?yōu)椴黄胶鉅顟B(tài),其壓阻傳感器的輸入阻抗隨吸力變化而產(chǎn)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(hào)電壓的關(guān)系

2 實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)傳感器非線性問題

在對(duì)彈體侵徹混凝土的模擬實(shí)驗(yàn)過程中，在炮管內(nèi)加氣壓，實(shí)現(xiàn)彈體的運(yùn)動(dòng)，由于模擬實(shí)驗(yàn)，彈體運(yùn)動(dòng)速度比較緩慢，而且炮管長(zhǎng)度也比較長(zhǎng)，那么在實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)彈體在炮管內(nèi)運(yùn)動(dòng)速度和侵徹混凝土速度不吻合，而且經(jīng)過幾次實(shí)驗(yàn)都發(fā)現(xiàn)了此問題，由于在炮管內(nèi)的加速度和侵徹時(shí)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(jiǎn)單、抗過載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為高量程微加速度計(jì)設(shè)計(jì)的首選，廣泛應(yīng)用于沖擊環(huán)境的測(cè)量[6]。因此我們?cè)诖鎯?chǔ)測(cè)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(cè)彈體的彈長(zhǎng)為0.32m，彈重3.25kg。將存儲(chǔ)測(cè)試裝置安裝在彈體內(nèi)，并將其固定，這樣在彈體侵徹過程中，可以確保測(cè)試裝置能正確啟動(dòng)、記錄可靠、抗沖擊并最終能夠真實(shí)記錄全部規(guī)定信號(hào)。

將測(cè)試裝置安裝到彈體內(nèi)后，測(cè)試裝置經(jīng)過觸發(fā)，可以完整記錄下彈體在膛內(nèi)及侵徹混凝土過程中的詳細(xì)信息。侵徹過程結(jié)束后，我們將彈體打開，取出測(cè)試裝置，與計(jì)算機(jī)相連，即可進(jìn)行讀數(shù)，并經(jīng)過預(yù)先編輯好的程序讀取測(cè)試裝置中的數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 實(shí)測(cè)加速度曲線

圖2 實(shí)測(cè)速度曲線

其中圖1是測(cè)試存儲(chǔ)裝置所記錄的全彈道曲線，即在膛內(nèi)以及穿靶過程中的加速度曲線，圖2是對(duì)加速度一次積分得到的速度曲線，由圖2可以看出，當(dāng)侵徹過程結(jié)束時(shí)，速度曲線并沒有歸零。圖3為彈體在膛內(nèi)及侵徹過程分開所求得的速度曲線，可以看出膛內(nèi)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(shí)驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)了此現(xiàn)象，那么說明裝置本身是沒有問題的，經(jīng)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(duì)加速度傳感器重新進(jìn)行了校準(zhǔn)。

3 壓阻式加速度傳感器的沖擊校準(zhǔn)

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(chǎn)生較大的加速度過載。抬起的高度低產(chǎn)生的加速度小，抬起的高度高產(chǎn)生的加速度大，當(dāng)馬歇特錘落下時(shí)，由于其與平臺(tái)撞擊時(shí)間短，故產(chǎn)生的瞬間加速度大。預(yù)置不同的齒數(shù)進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，可產(chǎn)生20～50000g的沖擊加速度。而且該方法操作簡(jiǎn)單，成本低廉，只要有合適的實(shí)驗(yàn)夾具及相關(guān)的測(cè)試儀器就可以獲得完整的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在彈體侵徹混凝土實(shí)驗(yàn)中不難發(fā)現(xiàn)，彈體在炮管里運(yùn)動(dòng)時(shí)，加速度最大值為500g左右，侵徹時(shí)加速度最大值在6000g左右，因此在對(duì)壓阻式傳感器沖擊校準(zhǔn)時(shí)，以此來確定沖擊校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)選擇的沖擊加速度范圍，實(shí)驗(yàn)將被校準(zhǔn)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(shù)設(shè)定為500倍的情況下，分別檢測(cè)100～500g沖擊范圍內(nèi)，以及1000～5000g的沖擊范圍內(nèi)的測(cè)試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)對(duì)在這兩個(gè)沖擊范圍內(nèi)都進(jìn)行了6次沖擊校準(zhǔn)，通過采集卡采集傳感器沖擊過程中的電壓信號(hào)，并經(jīng)過預(yù)先編輯好的程序?qū)﹄妷盒盘?hào)進(jìn)行處理，得到加速度值，通過對(duì)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(nèi)的測(cè)試結(jié)果，表2給出了在1000～5000g的沖擊范圍內(nèi)的測(cè)試結(jié)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(cè)試結(jié)果

經(jīng)過mathcad軟件對(duì)速度進(jìn)行最小二乘法擬合，分別得出在100～500g的沖擊實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中，得到該加速度傳感器的靈敏度為1.843v/g， 經(jīng)計(jì)算得到誤差為2.9%，與上面的彈體在膛內(nèi)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(shí)驗(yàn)計(jì)算過程中，應(yīng)該根據(jù)不同的沖擊加速度帶入不同的靈敏度值進(jìn)行計(jì)算，分別得到如圖所示的速度曲線。由圖3可以看出，對(duì)于不同的沖擊加速度，代入不同的靈敏度計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)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(cè)試結(jié)果

圖3 彈體侵徹混凝土速度曲線

4 結(jié)束語

本文對(duì)2萬g量程的壓阻式加速度傳感器的非線性產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了彈體侵徹混凝土的模擬實(shí)驗(yàn)，通過彈載存儲(chǔ)記錄儀測(cè)取了彈體在膛內(nèi)以及侵徹等整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程的實(shí)時(shí)加速度，并通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理，驗(yàn)證了傳感器存在的非線性的問題，并通過馬歇特錘對(duì)壓阻傳感器在不同沖擊加速度下的靈敏度進(jìn)行了沖擊校準(zhǔn)，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(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

[1]黃全平.高量程微機(jī)械壓阻式加速度傳感器研究[D].上海：中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)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(biāo)侵徹武器高沖擊試驗(yàn)和高過載傳感器技術(shù)國外發(fā)展概況[J].測(cè)控技術(shù),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(chǔ)測(cè)試技術(shù)[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào),1994 (2):28-34.

[6]郇勇,張?zhí)┤A,楊業(yè)敏,等.壓阻式高量程微加速度計(jì)的沖擊校準(zhǔn)[J].傳感器技術(shù),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(shù)與傳感器，1994(2):34-36.