馬其琪，徐曉輝，孔雁凱，郭 濤

(1 中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051;2 中北大學(xué)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;3 洛陽理工學(xué)院工程訓(xùn)練中心，河南洛陽， 471023)

0 引言

近年來，彈載存儲測試技術(shù)的研究已經(jīng)成為航空航天以及軍事技術(shù)學(xué)科的一個(gè)重要方向，具有廣泛的應(yīng)用前景，它是在特殊環(huán)境條件下完成各種參數(shù)測試的有效方法。彈載記錄器在應(yīng)用過程中，暴露出了產(chǎn)品可靠性低的問題。面臨的一大難題是如何提高產(chǎn)品可靠性，提高設(shè)備的各項(xiàng)性能指標(biāo)以及保證產(chǎn)品安全可靠的工作。為了準(zhǔn)確的獲取彈體在飛行過程中的各種姿態(tài)參數(shù)，記錄器在設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)、使用的全過程都必須重視可靠性研究。由于彈載記錄器一般是一次性使用的特殊設(shè)備，所以記錄器的可靠性問題就是飛行過程中的抗高過載問題。

1 彈載記錄器的抗高過載分析

彈體侵徹時(shí)在混凝土靶板接觸界面處產(chǎn)生很強(qiáng)的應(yīng)力，并向記錄器傳播應(yīng)力波;彈體逐漸進(jìn)入靶板，記錄器殼體的底部與混凝土接觸部分所受應(yīng)力最大，其次頂部中心的應(yīng)力也較大;彈體即將離開靶板時(shí)，記錄器底部所受應(yīng)力仍是最大的，并且側(cè)面與彈體接觸部分所受應(yīng)力也很大。因此，彈體侵徹時(shí)，記錄器外殼結(jié)構(gòu)的底部以及外殼結(jié)構(gòu)與彈體的接觸面承受的應(yīng)力最大。

圖1 彈體侵徹標(biāo)靶應(yīng)力分布圖

通過分析回收記錄器，可以總結(jié)出彈載記錄器的失效模式主要是:外殼失效，電路體失效。

1.1 外殼失效機(jī)理分析

彈載記錄器隨彈體侵徹目標(biāo)的過程相當(dāng)于是高速率沖擊碰撞過程。在高過載、高沖擊環(huán)境下，記錄器外殼因所承受的屈服應(yīng)力等原因會發(fā)生形變或斷裂，引起灌封材料的擠壓、拉伸、剪切應(yīng)力改變，使得電路灌封體出現(xiàn)裂紋甚至斷裂，最終導(dǎo)致電路板或芯片結(jié)構(gòu)薄弱部位應(yīng)力超過破壞強(qiáng)度而發(fā)生斷裂、電路短路或斷路等，從而導(dǎo)致記錄器失效。

在高過載沖擊動態(tài)載荷下，所發(fā)生在材料中的損傷和破壞，是與速率密切相關(guān)的動態(tài)過程，如果承受的載荷強(qiáng)度明顯超過了材料的屈服應(yīng)力強(qiáng)度，材料的薄弱環(huán)節(jié)就會變成各種損傷。

彈載記錄器在高過載、高沖擊環(huán)境下的損傷主要是記錄器的外殼因塑性變形引起的層裂，又由于外鋼殼蓋與內(nèi)鋼筒直接剛性接觸，內(nèi)鋼筒會發(fā)生振動，從而造成電路板的損壞，導(dǎo)致測試失?。?］。

1.2 電路體失效機(jī)理分析

(1)元器件失效機(jī)理分析

電子元器件最常見失效模式有:管腿腐蝕或斷腿、芯片破碎或粘結(jié)不良、內(nèi)部有可動多余物等。造成上述這些失效模式的原因主要有以下幾方面:

1)芯體破碎引起的失效

在制造生產(chǎn)過程中，芯體由于工藝水平的限制容易出現(xiàn)劃痕、裂紋、損傷等缺陷，這些缺陷部位會使芯體所受的應(yīng)力超過自身的強(qiáng)度極限時(shí)出現(xiàn)不穩(wěn)定的應(yīng)變-應(yīng)力關(guān)系，導(dǎo)致芯體破碎［2］。

2)元器件疲勞失效

在高過載、高沖擊環(huán)境下，當(dāng)彈載記錄器上電時(shí)，芯片溫度會瞬間升高，由于熱膨脹的作用，引線會變長;當(dāng)記錄器斷電時(shí)，芯片溫度降低，由于冷縮的作用引線會收縮。在不斷的張弛的作用下，引線根部的應(yīng)力最大，導(dǎo)致引線根部因疲勞而出現(xiàn)失效［3］。

3)芯片管腳斷裂引起的失效

管腳斷裂失效機(jī)理主要是疲勞斷裂、過應(yīng)力斷裂和焊接不良斷裂。由于彈載記錄器工作于高溫、高沖擊環(huán)境下，芯片管腳的工作環(huán)境條件較惡劣，發(fā)生斷裂現(xiàn)象很多［4］。

(2)印制電路板失效機(jī)理分析

印制電路板的主要失效模式有開路失效和短路失效，這些失效會引起信號傳送終止、信號中斷或信號改變。

(3)導(dǎo)線失效機(jī)理分析

導(dǎo)線的主要失效模式首先是斷裂。斷裂位置多發(fā)生于導(dǎo)線的活動部分與不可活動部分的交界附近。其次是導(dǎo)線表面發(fā)黑造成接觸不良。此外，導(dǎo)線在器件記錄器裝配過程中不可避免的要彎曲，在高沖擊環(huán)境下，受到張應(yīng)力的部位，受到的張應(yīng)力最大，從而造成失效。還有導(dǎo)線本身的工藝缺陷，在使用過程中因承受的機(jī)械應(yīng)力過大導(dǎo)致斷裂，也可能在貯存時(shí)受腐蝕發(fā)生失效［4］。

芯體破碎、材料性能變化、焊接不良等重要度較大。因此，外殼、電路體是彈載記錄器的薄弱環(huán)節(jié)，在可靠性試驗(yàn)方案制定過程中，應(yīng)主要針對上述薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。

2 彈載記錄器的整體設(shè)計(jì)

本章主要對以往實(shí)際試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的各種問題，對彈載記錄器重新進(jìn)行了抗高過載設(shè)計(jì)，從電路結(jié)構(gòu)、殼體抗高過載以及緩沖保護(hù)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。然后再對記錄器進(jìn)行打彈試驗(yàn)，以驗(yàn)證可靠性設(shè)計(jì)。

2.1 彈載記錄器結(jié)構(gòu)、原理分析

由于應(yīng)用環(huán)境的特殊性，彈載記錄器必須具備體積小、功耗低的特點(diǎn)以及具有抗高過載的能力和測量高過載的能力。彈載記錄器由3個(gè)部分組成:外殼、存儲測試電路體和電池。彈載記錄器總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 彈載記錄器總體圖

2.1.1 彈載記錄器電路模塊

彈載記錄器的電路模塊是整個(gè)設(shè)備的關(guān)鍵部分，通常由信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、雙電源供電保護(hù)電路、FPGA電路等組成，如圖3所示。加速度計(jì)獲取的信號依次經(jīng)過信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路，最后進(jìn)入FPGA電路，而FPGA電路又是電路模塊的關(guān)鍵，它決定著電路的觸發(fā)電平、采樣頻率、延遲時(shí)間等參數(shù)［5］。

電路模塊的信號調(diào)理電路是把傳感器信號進(jìn)行調(diào)理后送到A/D轉(zhuǎn)換電路;雙電源供電自保護(hù)電路是采用雙電池為整個(gè)系統(tǒng)供電;中心控制電路是對A/D變換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行編幀后送入存儲器中，并且可在讀數(shù)接口的控制下將存儲器中的數(shù)據(jù)讀出。

同時(shí)，彈載記錄器遵循低功耗設(shè)計(jì)原則，信號調(diào)理模塊把采集到的信號調(diào)理至適合于A/D的采樣范圍內(nèi)。A/D轉(zhuǎn)換器的功能是在FPGA控制下，進(jìn)行信號采集，并將其送到FPGA邏輯模塊中。

實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，存儲電路通過引線獨(dú)立出來，如圖3左上，將存儲器電路置于用于保護(hù)的內(nèi)鋼筒內(nèi)。

圖3 記錄器硬件電路

2.1.2 彈載記錄器抗高過載結(jié)構(gòu)

圖4是彈載記錄器的外殼及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖4 記錄器殼體平視圖

彈載記錄器的頂蓋配有穿線孔、指示燈孔和讀數(shù)孔，并且和外鋼殼通過螺紋剛性連接。電路體和電池通過灌封膠固定在外殼體內(nèi)部。內(nèi)鋼筒和外鋼殼之間的灌封膠能避免兩者之間的剛性接觸。記錄器電路模塊中，存儲器的保護(hù)是重中之重。因此存儲器被單獨(dú)通過引線灌封在內(nèi)鋼筒內(nèi)。撞靶的過程中內(nèi)鋼筒可產(chǎn)生小的位移，減小內(nèi)部存儲器的過載，起到緩沖作用。記錄器內(nèi)鋼筒蓋和內(nèi)鋼筒也是通過螺紋連接，且頂部中央有出線孔，進(jìn)行了圓角處理。內(nèi)鋼筒內(nèi)部支撐壁頂部及底部與內(nèi)鋼筒的交界處都做了圓角處理，可以避免這些地方出現(xiàn)應(yīng)力集中，防止存儲器的損壞。毛氈作為緩沖材料吸收沖擊波的能量，對記錄器電路體進(jìn)行一定的防護(hù)。

即使是在撞靶過程中記錄器殼體失效，外殼頂端讀數(shù)口失效，也能通過存儲器上的讀數(shù)口讀取存儲器中的數(shù)據(jù)，獲取并分析彈體飛行參數(shù)。

圖5 記錄器殼體內(nèi)部圖與內(nèi)鋼筒

2.1.3 彈載記錄器緩沖保護(hù)技術(shù)

彈載記錄器在彈體發(fā)射以及侵徹目標(biāo)過程中，承受著很高的過載沖擊力，另外還伴隨有振動、噪聲等，這些外在環(huán)境的影響會帶來很大的破壞。因此必須對記錄器進(jìn)行灌封，以保證其穩(wěn)定性，具有很高的抗沖擊特性。從兩個(gè)方面對存儲測試電路進(jìn)行緩沖保護(hù):加固保護(hù)和隔離保護(hù)。加固保護(hù)是用灌封膠將電路板灌封在具有高強(qiáng)度和剛度的機(jī)械殼體內(nèi)固化成模塊。隔離保護(hù)是采用合適的緩沖材料，例如在電路板上涂硅膠等途徑，耗散沖擊強(qiáng)度，以減小傳遞到設(shè)備上的應(yīng)力。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

靶場試驗(yàn)是驗(yàn)證彈載記錄器抗高過載性能的有效途徑。本次試驗(yàn)以130 mm加農(nóng)炮在約200 m距離上侵徹12.5 mm鋼靶。通過回收記錄器數(shù)據(jù)驗(yàn)證記錄器的抗高過載性能。

圖6 靶場試驗(yàn)位置圖

回收并檢查記錄器，外殼已經(jīng)嚴(yán)重變形，部分殼體已經(jīng)斷裂，但是底部基本完好，如圖7所示，內(nèi)部鋼筒完好，讀數(shù)口完好，可以實(shí)現(xiàn)讀數(shù)功能。

圖7 記錄器回收以及內(nèi)鋼筒

讀取并處理鋼筒內(nèi)部存儲芯片上的數(shù)據(jù)，可以獲取彈體飛行過程中的軸向加速度曲線，其中彈體在膛內(nèi)的加速度最大值可以達(dá)到6 000 g，而彈體在侵徹過程中的加速度則可以高達(dá)1.7×104g。

圖8 記錄器回收數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

圖9 濾波處理后的加速度

本次設(shè)計(jì)的彈載記錄器是針對原有的記錄器出現(xiàn)的問題加以優(yōu)化。經(jīng)過實(shí)際的靶場試驗(yàn)，彈載記錄器能夠承受高達(dá)1.7×104g甚至更高的加速度沖擊，能夠很好的完成記錄彈體飛行數(shù)據(jù)的任務(wù)。

［1］劉俊，石云波，馬游春.高過載測試中結(jié)構(gòu)防護(hù)模型研究［J］.測試技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，19(3):249－253.

［2］吳虹，李延夫.硅壓力傳感器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)研究［J］.微納電子技術(shù)，2007(7/8):288－290.

［3］任鴻秋.存儲測試系統(tǒng)的可靠性分析［J］.火力與指揮控制，2008，33(4):146－148.

［4］張棟，鐘培道，等.失效分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004.

［5］趙小珍.電子記錄系統(tǒng)的抗高過載設(shè)計(jì)及應(yīng)用［D］.太原:中北大學(xué)，2008.