馬英卓，祖 靜

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

火炮膛內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力是檢驗(yàn)火炮炮膛強(qiáng)度、發(fā)射藥性能和炮彈外彈道初速預(yù)測(cè)的重要參數(shù)，對(duì)于火炮的研發(fā)有重要的研究意義［1］。國內(nèi)研制的電子測(cè)壓器是一種可內(nèi)置于火炮藥室中，隨火炮發(fā)射時(shí)，實(shí)時(shí)測(cè)量并記錄火炮膛壓變化規(guī)律的存儲(chǔ)記錄儀。面對(duì)高溫、高壓、強(qiáng)沖擊振動(dòng)、高過載的惡劣測(cè)試環(huán)境，電子測(cè)壓器要求做到小體積、高強(qiáng)度、高可靠性［2］。小體積限制了內(nèi)置電池的容量，而保溫試驗(yàn)又要求電子測(cè)壓器能連續(xù)工作2天～3天不斷電，這就要求系統(tǒng)擁有較小的功耗。由于試驗(yàn)前電子測(cè)壓器已固封在彈丸中，人無法對(duì)其手動(dòng)啟動(dòng)，故需要一種智能開關(guān)實(shí)現(xiàn)無接觸式控制?，F(xiàn)有的倒置開關(guān)在使用中常出現(xiàn)誤上電現(xiàn)象，影響了電子測(cè)壓器的使用可靠性。為此，設(shè)計(jì)了一種新型智能倒置開關(guān)，可通過判斷外界動(dòng)作控制系統(tǒng)工作狀態(tài)，并對(duì)系統(tǒng)能源進(jìn)行管理、分配，有效降低了系統(tǒng)功耗，提高了電能使用率。

1 倒置開關(guān)現(xiàn)狀

倒置開關(guān)是針對(duì)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種不需要人為操作，具有延時(shí)功能，利用重力對(duì)物體產(chǎn)生的影響設(shè)計(jì)出來的單向轉(zhuǎn)換開關(guān)［3］。目前已有的倒置開關(guān)有水銀倒置開關(guān)、雙球倒置開關(guān)、干簧管式倒置開關(guān)、電容式倒置開關(guān)和光電式倒置開關(guān)。

水銀倒置開關(guān)是以水銀做導(dǎo)電介質(zhì)，水銀被密封在真空殼體中。當(dāng)殼體倒置水銀下落與兩個(gè)電極接觸時(shí)，電路導(dǎo)通，即為存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)上電。雙球倒置開關(guān)是將兩個(gè)大小不同的金屬小球密封于殼體中，殼體作為其中一個(gè)電極，當(dāng)殼體倒置小球接觸到另一端的電極時(shí)，倒置開關(guān)為“開”狀態(tài)。干簧管式倒置開關(guān)也稱磁簧開關(guān)，由一對(duì)磁性材料制成的彈性簧片和玻璃管組成，管內(nèi)充有惰性氣體。使用時(shí)依靠調(diào)節(jié)磁鐵與干簧管的距離來決定倒置開關(guān)的“開”與“關(guān)”。光電倒置開關(guān)內(nèi)置發(fā)光二極管和光敏三極管，在“關(guān)”狀態(tài)，內(nèi)部的小鋼球擋住透光孔；倒置此開關(guān)，小球滑落，光敏三極管接收到發(fā)光二極管的紅外線后，輸出有效信號(hào)［4］。

2 新型智能倒置開關(guān)的設(shè)計(jì)

2.1 傳感器選擇

在對(duì)動(dòng)作感應(yīng)元件進(jìn)行選擇時(shí)，除了要求其性能參數(shù)滿足功能所需，還要從體積、功耗、抗沖擊性等方面來考慮。飛思卡爾公司在2010年推出了一款3軸電容微機(jī)械數(shù)字加速度傳感器MMA845x，此款加速度傳感器有3 個(gè)量程±2gn/±4gn/±8gn，完全勝任緩慢動(dòng)作的檢測(cè)；工作時(shí)電流僅為6 μA，待機(jī)狀態(tài)下電流為1.8 μA，在加速度傳感器中屬于功耗極低的一款，并且?guī)в须娫垂芾砉δ埽С炙吣Ｊ?；供電電壓范?.95 V～3.6 V，適合電子測(cè)壓器此種低電壓供電的系統(tǒng)；可檢測(cè)多種動(dòng)作，能夠智能判斷動(dòng)作種類，帶有正面/背面檢測(cè)模式，符合倒置開關(guān)所需功能；補(bǔ)償糾正寄存器還可以彌補(bǔ)安裝造成的誤差；數(shù)據(jù)通過I2C接口進(jìn)行傳輸，協(xié)議簡單、可靠；而其體積只有9 mm3，相對(duì)于其他同類產(chǎn)品屬于小型款－40℃ ～+85℃的工作溫度又令其能夠滿足現(xiàn)場環(huán)境要求［5－6］。圖1是MMA845x結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 MMA845x加速度傳感器結(jié)構(gòu)框圖

2.2 工作原理

進(jìn)行測(cè)壓器隨彈保溫時(shí)，令智能倒置開關(guān)與電子測(cè)壓器進(jìn)行電氣連接，通過存儲(chǔ)測(cè)試電路為其提供電源和初始化配置，令控制電路處于值更狀態(tài)，智能倒置開關(guān)處于激活狀態(tài)；正式試驗(yàn)前5 min，利用翻彈機(jī)將彈丸倒置1 min(彈丸前端朝下)，智能倒置開關(guān)檢測(cè)外界動(dòng)作，判斷滿足倒置條件，即向控制電路發(fā)出上電中斷信號(hào)，開啟電子測(cè)壓器的采樣模塊，使其進(jìn)入全工作狀態(tài)，隨后智能倒置開關(guān)進(jìn)入待機(jī)模式。圖2為智能倒置開關(guān)運(yùn)用于電子測(cè)壓器的原理框圖。圖3(a)是智能倒置開關(guān)在電子測(cè)壓器中的安裝位置，3(b)是電子測(cè)壓器隨彈丸保溫的姿勢(shì)，3(c)是開啟電子測(cè)壓器采樣模式的上電姿勢(shì)。

圖2 智能倒置開關(guān)的應(yīng)用原理框圖

圖3 智能倒置開關(guān)的使用示意圖

3 防誤上電設(shè)計(jì)

倒置開關(guān)作為能量管理的關(guān)鍵組件，對(duì)電子測(cè)壓器能否順利完成火炮膛壓的獲得起著重要的作用。倒置開關(guān)對(duì)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行可靠上電，是電子測(cè)壓器使用可靠性和穩(wěn)定性的重要體現(xiàn)。為了防止在運(yùn)輸過程中車輛顛簸或人為誤操作等造成的誤上電，智能倒置開關(guān)采取雙重判斷機(jī)制對(duì)上電條件進(jìn)行判斷。

倒置開關(guān)使用了MMA845x的正面/背面模式檢測(cè)，當(dāng)令加速度計(jì)從正面(z軸重力為1gn)旋轉(zhuǎn)115°，便默認(rèn)加速度計(jì)的姿態(tài)是背面。在現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，此過程就是將彈丸前端從豎直向上轉(zhuǎn)向地面。由于115°在裝配彈丸的過程中很容易不小心達(dá)到，故當(dāng)加速度計(jì)默認(rèn)為背面時(shí)，膛內(nèi)壓力計(jì)的主控芯片通過I2C讀取加速度計(jì)z軸重力值，連續(xù)20 s內(nèi)判斷此值都小于－0.8gn，則認(rèn)為是上電動(dòng)作。為進(jìn)一步降低功耗，提高可靠性，設(shè)計(jì)先利用加速度計(jì)的防抖動(dòng)功能進(jìn)行10 s的判斷，延時(shí)輸出中斷信號(hào)，主控芯片接收到中斷信號(hào)后才開啟I2C通信［7－8］。圖4是智能倒置開關(guān)的姿態(tài)與z軸所受重力值的關(guān)系示意圖。

圖4 智能倒置開關(guān)3軸方向示意圖(側(cè)視圖)

4 抗沖擊檢測(cè)

炮彈發(fā)射過程中會(huì)產(chǎn)生上萬gn的沖擊過載，智能倒置開關(guān)運(yùn)用在電子測(cè)壓器中要能承受高過載的沖擊振動(dòng)，才能保證使用的可靠性［9］。利用常規(guī)的發(fā)射過載模擬裝置——馬歇特沖擊錘進(jìn)行抗沖擊檢測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)將倒置開關(guān)和標(biāo)準(zhǔn)傳感器固定在馬歇特錘上，從MMA845x的芯片資料所提供的最大承受加速度值5 000gn開始測(cè)試，逐漸增加沖擊強(qiáng)度，每個(gè)量程進(jìn)行2次沖擊試驗(yàn)，沖擊后將智能倒置開關(guān)與膛內(nèi)壓力計(jì)的控制電路聯(lián)通，倒置5次，檢驗(yàn)倒置開關(guān)能否正常工作［10－12］。

試驗(yàn)結(jié)果表明，馬歇特錘的齒數(shù)在24齒時(shí)，沖擊加速度大概在30 000gn，智能倒置開關(guān)在此沖擊下仍可以正常工作，工作性能沒有發(fā)生明顯變化，驗(yàn)證了其在高過載環(huán)境下的生存能力。圖5為馬歇特錘沖擊試驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出的結(jié)果。

圖5 馬歇特錘沖擊試驗(yàn)結(jié)果

5 各種倒置開關(guān)性能對(duì)比

表1列出了各倒置開關(guān)的性能對(duì)比結(jié)果，可以看出水銀倒置開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、使用簡便，但由于殼體是玻璃材料，不抗沖擊，且水銀在低溫－39.7℃就凝結(jié)成固態(tài)，使其與電極的接觸導(dǎo)電性變差。雙球倒置開關(guān)具有較好的低溫特性，抗沖擊，但對(duì)加工精度要求太高，且體積較大，使用可靠性也不夠好。干簧管式倒置開關(guān)則存在滑塊氧化不能正常滑動(dòng)的問題。光電式倒置開關(guān)具有較好的使用性能，但也會(huì)出現(xiàn)因加工毛刺阻礙小鋼球滑動(dòng)，影響有效信號(hào)輸出的現(xiàn)象。智能倒置開關(guān)不僅具有良好的低溫特性和重復(fù)性，在體積、功耗和抗沖擊性方面也略勝一籌，并且由于其的智能化，令使用可靠性大大增強(qiáng)。

表1 各種倒置開關(guān)的性能對(duì)比表

6 實(shí)測(cè)結(jié)果

國軍標(biāo)GJB2973A—2008要求放入式電子測(cè)壓器上電前等待的時(shí)間不小于72 h；上電后待觸發(fā)時(shí)間在常溫和高溫下不小于4 h，在低溫下不小于1 h；數(shù)據(jù)保持時(shí)間不小于1 h。對(duì)裝有智能倒置開關(guān)的電子測(cè)壓器分別做－40℃和55℃保溫72 h的試驗(yàn)和不保溫試驗(yàn)，檢測(cè)、記錄其在不同工作狀態(tài)下的功耗，和其在不同試驗(yàn)環(huán)境下的總工作時(shí)間保守值。試驗(yàn)結(jié)果顯示，裝有智能倒置開關(guān)的電子測(cè)壓器在不保溫情況下，在待觸發(fā)態(tài)和數(shù)據(jù)保持態(tài)能堅(jiān)持8.5 h以上；進(jìn)行72 h零下40℃的保溫后，在常溫環(huán)境中待觸發(fā)態(tài)和數(shù)據(jù)保持態(tài)能堅(jiān)持5.5 h以上；進(jìn)行72 h零上55℃ 保溫后，在常溫環(huán)境中待觸發(fā)態(tài)和數(shù)據(jù)保持態(tài)能堅(jiān)持8 h以上。符合國軍標(biāo)的要求，可以保證彈丸保溫試驗(yàn)的順利進(jìn)行。表2抽樣顯示了試驗(yàn)結(jié)果。

表2 電子測(cè)壓器總功耗及工作時(shí)間抽樣檢測(cè)表

7 結(jié)論

針對(duì)電子測(cè)壓器微小體積和超低功耗的要求，為解決進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)時(shí)無法接觸上電的問題，設(shè)計(jì)了以數(shù)字加速度計(jì)為主體的智能倒置開關(guān)。該智能倒置開關(guān)相較以往的倒置開關(guān)具有小體積、低功耗、抗沖擊、寬溫度范圍、可靈活編程等特點(diǎn)，在電池容量一定的情況下，智能倒置開關(guān)的運(yùn)用延長了電子測(cè)壓器的工作時(shí)間，為膛壓測(cè)試試驗(yàn)的成功提供了必要的保障。

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