第一作者石云波男，副教授，1972年6月生

MEMS高量程壓阻加速度計(jì)侵徹雙層鋼靶性能測(cè)試

石云波1,2，周智君1,2，唐軍1,2

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

摘要：設(shè)計(jì)一種MEMS高量程壓阻加速度計(jì)，利用其組成的彈體測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行雙層鋼靶實(shí)彈侵徹試驗(yàn)，并獲得完整的侵徹?cái)?shù)據(jù)。利用Matlab數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)其進(jìn)行處理，獲得有效的侵徹?cái)?shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，彈體在整個(gè)發(fā)射、侵徹鋼靶過(guò)程中，測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)誤差均小于10%，說(shuō)明設(shè)計(jì)的MEMS高量程壓阻加速度計(jì)性能穩(wěn)定，可完全滿足工程化應(yīng)用要求，為研究雙層介質(zhì)侵徹特性及控制彈體在特定介質(zhì)層的爆破技術(shù)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：MEMS；高量程加速度計(jì)；雙層鋼靶；低通濾波；截止頻率

收稿日期：2013-08-20修改稿收到日期：2014-03-19

中圖分類號(hào):TP212文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：高校博士點(diǎn)基金(20133415130001)

Performance measuring of a double-layer steel target penetrated by projectiles with a MEMS system based on a high measuring range accelermeter

SHIYun-bo1,2,ZHOUZhi-jun1,2,TANGJun1,2(1. Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement North University of China， Ministry of Education, Taiyuan 030051,China；2. Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory,shanxi, North University of China,Taiyuan 030051，China)

Abstract:A MEMS projectile body measuring system based on a high measuring range accelerometer was designed. It was used for tests of projectiles’ penetrating a double-layer steel target. The full data of the penetration were obtained and processed with MATLAB. The results showed that in the whole process of projectiles’ launching and penetrating the steel target, the error of the data measured with the proposed system is less than 10%, so the performance of the designed system is stable, it can meet the requirements of engineering application. The study results provided a reference for studying the penetration features of double-layer media and controlling projectiles’ explosion in special medium layers.

Key words:MEMS; high measuring range accelerometer; double-layer steel target; low-pass filter; cut-off frequency

MEMS高量程加速度計(jì)指具有大動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍的加速度傳感器，測(cè)量范圍可達(dá)幾百g到上萬(wàn)g，甚至高達(dá)幾十萬(wàn)g。主要用于炮彈引信及航空、航天慣性導(dǎo)航等領(lǐng)域，其中需進(jìn)行大量的振動(dòng)、沖擊測(cè)試，環(huán)境惡劣，采用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的加速度計(jì)難以達(dá)到測(cè)試要求。而采用微機(jī)械加工工藝制造的MEMS高量程加速度計(jì)因具有耐沖擊、抗過(guò)載能力強(qiáng)、響應(yīng)快、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，能滿足測(cè)試要求。MEMS技術(shù)作為軍事武器裝備，尤其作為彈體侵徹過(guò)程中慣性測(cè)量、引信控制的關(guān)鍵技術(shù)之一，研究其在多層間隔鋼靶[1-4]侵徹中的性能特性尤為重要。

美國(guó)ENDEVCO公司已成功研制出抗過(guò)載能力達(dá)200000 g、安裝諧振頻率達(dá)1.2 MHz的7270A型高量程加速度傳感器，利用其設(shè)計(jì)的小型侵徹加速度數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行混凝土侵徹試驗(yàn)，獲得完整的彈丸侵徹?cái)?shù)據(jù)；瑞士武器系統(tǒng)試驗(yàn)中心設(shè)計(jì)的高g值彈道飛行數(shù)據(jù)記錄器，測(cè)出90 000 g、峰值脈寬約200 μs的加速度信號(hào)。北京理工大學(xué)、上海微系統(tǒng)所、中電13所、中物院5所、兵器214所等已研制出量程為100 000 g的高量程加速度計(jì)，其中北京理工大學(xué)、中物院5所已取得200 000 g以下測(cè)試數(shù)據(jù)[5-6]。單層靶(包括鋼靶、混凝土靶、土靶)、多層靶(包括混凝土靶、土靶)的侵徹測(cè)試已開展工作，但多層鋼靶的侵徹測(cè)試鮮有報(bào)道，已有研究多由仿真分析多層鋼靶板侵徹特性，但與實(shí)彈測(cè)試仍有一定距離。

本文利用實(shí)驗(yàn)室研制的MEMS高量程加速度計(jì)組成彈體測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行雙層鋼靶侵徹試驗(yàn)，鋼靶分別為A30鋼及裝甲鋼，通過(guò)處理侵徹?cái)?shù)據(jù)，獲得侵徹雙層鋼靶時(shí)有效過(guò)載分別為81 078 g、152 061 g，侵徹兩層鋼靶的速度測(cè)試誤差分別為4.38%、7.48%，在兩層靶板間彈體飛行位移的測(cè)試誤差為3.11%，均小于10%，由此驗(yàn)證本文的MEMS高量程加速度性能良好，達(dá)到工程化應(yīng)用要求。

1MEMS高量程壓阻加速度計(jì)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的MEMS高量程壓阻加速度計(jì)量程為150 000 g，抗過(guò)載能力達(dá)200 000 g。加速度計(jì)結(jié)構(gòu)采用四梁-島型結(jié)構(gòu)，梁寬度與質(zhì)量塊長(zhǎng)寬一致，壓敏電阻對(duì)稱布置于梁根部，將4個(gè)壓敏電阻連接成惠斯通電橋，用于抑制非對(duì)稱性結(jié)構(gòu)引起的沿梁長(zhǎng)度方向橫向加速度影響。加速度計(jì)受加速度作用時(shí)，結(jié)構(gòu)梁發(fā)生變形，在壓敏電阻區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力，引起壓敏電阻值變化。為加速度計(jì)供電時(shí)，阻值變化將轉(zhuǎn)化為電壓輸出。加速度計(jì)芯片采用玻璃-硅-玻璃三層鍵合結(jié)構(gòu)，將芯片封裝到不銹鋼管殼并用環(huán)氧樹脂進(jìn)行灌封，加速度計(jì)封裝結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　加速度計(jì)封裝結(jié)構(gòu) Fig.1 The package structure of accelerometer

2雙層鋼靶侵徹試驗(yàn)

雙層鋼靶侵徹試驗(yàn)采用152 mm口徑滑膛炮，炮口與鋼靶距離120 m，兩層靶板間距3.2 m。試驗(yàn)彈裝配后啟動(dòng)存儲(chǔ)器發(fā)射炮彈，利用回收裝置(土壤)回收侵徹鋼靶后炮彈，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)效果見圖2。試驗(yàn)結(jié)束后回收試驗(yàn)彈取出存儲(chǔ)器，用讀數(shù)電纜連接存儲(chǔ)器，讀取存儲(chǔ)器內(nèi)侵徹?cái)?shù)據(jù)。雙層鋼靶參數(shù)見表1。

圖2　測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)效果圖 Fig.2 The locale of testing

第一層第二層鋼靶材料A30鋼裝甲鋼鋼靶尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)/m31.5×1.2×0.011.5×1.2×0.03

彈體測(cè)試系統(tǒng)由傳感器、存儲(chǔ)記錄器及接口讀數(shù)裝置組成。傳感器采用自行研制的MEMS高量程壓阻加速度計(jì)，靈敏度為0.172 μv/g。由文獻(xiàn)[7]知，高量程加速度計(jì)在彈體內(nèi)的安裝位置會(huì)直接影響彈體侵徹過(guò)程中其輸出加速度峰值大小?？紤]加速度計(jì)既要承受侵徹鋼靶過(guò)程中高過(guò)載沖擊，又要有效測(cè)量侵徹過(guò)程中加速度大小及試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)要求，將加速度計(jì)安裝于彈體尾部。采用長(zhǎng)640 mm、重147 kg的全裝藥152滑膛炮彈。裝配記錄器及加速度計(jì)實(shí)際安裝位置見圖3。

圖3　彈體測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剖面圖 Fig.3 The section plane of cannonball testing system

3侵徹測(cè)試數(shù)據(jù)處理

侵徹測(cè)試中彈體結(jié)構(gòu)任何位置感應(yīng)到的響應(yīng)均由剛體過(guò)載響應(yīng)與彈體結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)組成。由于剛體過(guò)載是彈體撞擊鋼靶時(shí)承受沖擊力載荷大小的標(biāo)準(zhǔn)量度，因此加速度計(jì)在彈體安裝點(diǎn)處所測(cè)過(guò)載值不能作為彈體承受沖擊力載荷大小的量度，其中包含因彈體振動(dòng)響應(yīng)造成的各種高頻信號(hào)干擾，直接影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)侵徹?cái)?shù)據(jù)低通濾波處理，可有效抑制各種高頻信號(hào)干擾，獲得準(zhǔn)確測(cè)試結(jié)果[7-8]。結(jié)合確定低通濾波臨界截止頻率方法[7]，對(duì)實(shí)測(cè)加速度數(shù)據(jù)從高頻到低頻逐次濾波，確定低通濾波的臨界截止頻率f。

3.1膛內(nèi)測(cè)試數(shù)據(jù)處理

膛內(nèi)過(guò)載的原始信號(hào)見圖4(a)。由圖4(a)看出，炮彈在膛內(nèi)運(yùn)行時(shí)間為毫秒級(jí)，發(fā)射過(guò)程中，膛內(nèi)由膛壓產(chǎn)生的加速度過(guò)載及炮彈運(yùn)行時(shí)間與炮彈裝藥量、火炮管長(zhǎng)度等有關(guān)。彈體出膛時(shí)，因膛壓突然卸載會(huì)造成彈體發(fā)生劇烈振動(dòng)，因此彈體在出炮口時(shí)的測(cè)試信號(hào)已含彈體振動(dòng)產(chǎn)生的高頻信號(hào)。

對(duì)膛內(nèi)測(cè)試數(shù)據(jù)從高頻到低頻逐次低通濾波處理，獲得濾波截止頻率與加速度峰值關(guān)系見圖4(b)。利用文獻(xiàn)[7]方法得低通濾波臨界截止頻率f=3 kHz，對(duì)膛內(nèi)過(guò)載原始信號(hào)進(jìn)行3 kHz低通濾波，所得加速度-時(shí)間曲線見圖4(c)。由圖4(c)可知，在0~7.1 ms時(shí)間段內(nèi)，炮彈在膛內(nèi)受膛壓作用的加速度值持續(xù)上升，加速度最大峰值為7100 g；在7.1~14.9 ms時(shí)間段內(nèi)，炮彈因受膛壓減小及炮彈在炮管內(nèi)受摩擦力等作用加速度值持續(xù)減?。辉?4.9~16.8 ms時(shí)間段內(nèi)，因膛內(nèi)壓力卸載炮彈發(fā)生劇烈震蕩。對(duì)圖4(c)加速度-時(shí)間信號(hào)進(jìn)行一次積分，獲得彈體在膛內(nèi)的速度-時(shí)間信號(hào)曲線見圖4(d)。由圖4(d)可知，炮彈因受膛內(nèi)壓力作用，從靜止開始加速，出膛時(shí)初速度為475.0 m/s。

圖4　炮彈在膛內(nèi)過(guò)載信號(hào)處理與分析 Fig.4 Analysis of the overload signal in gun tube

3.2第一層鋼靶侵徹?cái)?shù)據(jù)處理

炮彈出膛后以475.0 m/s初速度撞擊A30鋼靶(炮彈在空氣中受空氣阻力忽略不計(jì)，認(rèn)為出膛速度為撞擊鋼靶的初速，初速為加速度計(jì)所測(cè)數(shù)據(jù)，高速攝影裝置所測(cè)實(shí)際初速為483.6m/s)，其侵徹原始數(shù)據(jù)見圖5(a)，對(duì)侵徹?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理，獲得侵徹過(guò)程中信號(hào)分布在0~80 kHz頻率范圍內(nèi)，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波處理，濾掉高頻干擾信號(hào)，保留有效侵徹?cái)?shù)據(jù)。利用確定低通濾波截止頻率方法，確定低通濾波截止頻率約為16 kHz。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波處理所得侵徹加速度-時(shí)間曲線見圖5(b)。在炮彈侵徹鋼靶過(guò)程中采集的第一個(gè)加速度峰值信號(hào)為有效加速度信號(hào)，對(duì)圖5(b)曲線進(jìn)行部分展開，得觸靶部分加速度信號(hào)-時(shí)間曲線見圖5(c)。由圖5(c)可知，侵徹有效加速度值為81078 g，脈寬為175 μs。對(duì)圖5(b)數(shù)據(jù)積分運(yùn)算，獲得速度-時(shí)間曲線見圖5(d)。由圖5(d)可知，炮彈從開始侵徹鋼靶到炮彈頭部錐形部分(炮彈錐形頭長(zhǎng)0.32 m，靶板厚0.01 m)即將穿透靶板時(shí)，速度下降最快，從475.0 m/s降低到455 m/s約經(jīng)歷0.1 ms。炮彈頭部錐形部分穿過(guò)靶板后，炮彈速度變化很小；炮彈完全穿過(guò)靶板后，速度降為450.0 m/s(高速攝影裝置測(cè)得實(shí)際初速為470.6 m/s)。

圖5　炮彈第一次觸靶過(guò)載信號(hào)處理及分析(A30鋼靶板) Fig.5 Analysis of the overload signal in the first impacting target (A30 steel target)

圖6　炮彈第二次觸靶過(guò)載信號(hào)處理與分析(裝甲鋼靶板) Fig.6 Analysis of the overload signal in the second impacting target (armor steel target)

3.3第二層鋼靶侵徹?cái)?shù)據(jù)處理

彈體完成第一層A30鋼靶侵徹后，以450 m/s初速撞擊第二層裝甲鋼靶(炮彈在空氣中受空氣阻力忽略不計(jì)，初速為加速度計(jì)所測(cè)數(shù)據(jù)，高速攝影裝置所測(cè)初速為470.6 m/s)，其侵徹原始數(shù)據(jù)見圖6(a)。利用低通濾波截止頻率方法確定低通濾波截止頻率約為9 kHz，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波處理，獲得侵徹加速度-時(shí)間曲線見圖6(b)，對(duì)該曲線部分展開，所得觸靶部分加速度-時(shí)間信號(hào)曲線見圖6(c)。由圖6(c)可知，有效加速度值為152061 g，脈寬為154 μs，對(duì)圖6(b)數(shù)據(jù)進(jìn)行積分，得速度-時(shí)間曲線見圖6(d)。圖6(d)可知，由于靶板阻力，炮彈速度由著靶的450 m/s 快速降低到398.0 m/s，此過(guò)程大約經(jīng)歷0.25 ms，隨后炮彈速度基本保持不變。炮彈完全穿出靶板速度約398.0 m/s(高速攝影裝置所測(cè)實(shí)際初速為430.2m/s)。

3.4測(cè)試結(jié)果分析

將彈體侵徹雙層鋼靶測(cè)試數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)高速攝影裝置實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表2。由表2可知，在侵徹過(guò)程中炮彈出膛時(shí)速度測(cè)試誤差最小，約1.78%；炮彈在侵徹第二層鋼靶時(shí)測(cè)試誤差大于侵徹第一層鋼靶測(cè)試誤差，主要因彈體在侵徹A30鋼靶時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)及在重力等因素影響作用下，使彈體傾斜進(jìn)入第二層鋼靶，導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)誤差較大。通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)分析可得彈體在兩層鋼靶間的運(yùn)行時(shí)間為6.89 ms，兩層靶板間距為3.100 5 m，對(duì)比實(shí)測(cè)雙層鋼靶間距3.2 m，測(cè)試誤差為3.11%。

表2　侵徹測(cè)試誤差分析

由圖4(a)、圖5(a)、圖6(a)原始測(cè)試數(shù)據(jù)可知，在沖擊測(cè)試采集的第一個(gè)有效峰值信號(hào)后出現(xiàn)大量高頻過(guò)載信號(hào)，主要因應(yīng)力波疊加作用影響，彈體在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中會(huì)伴隨軸向、橫向振動(dòng)，應(yīng)力波從彈體頭部傳遞到彈體尾部，在尾部發(fā)生反射回頭部，而在尾部應(yīng)力波疊加作用尤為明顯，使測(cè)試的彈體過(guò)載在剛性過(guò)載基礎(chǔ)上發(fā)生劇烈上下波動(dòng)；在測(cè)試過(guò)程中，壓阻加速度計(jì)的零位輸出發(fā)生漂移現(xiàn)象(膛內(nèi)零位輸出約為-41 000 g，出炮口時(shí)零位基本不變，侵徹A30鋼靶后零位輸出約為20 000 g，侵徹裝甲鋼靶后零位輸出約為-1 000 g)，整個(gè)測(cè)試過(guò)程中加速度計(jì)零位輸出漂移約40 000 g，因在侵徹鋼靶過(guò)程中，彈體與侵徹靶板間的摩擦作用導(dǎo)致彈體劇烈振動(dòng)，彈體內(nèi)部產(chǎn)生高溫高壓，使試驗(yàn)中所用壓阻式加速度計(jì)芯片內(nèi)應(yīng)力(熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力等)、壓敏電阻溫度系數(shù)發(fā)生變化，影響加速度計(jì)信號(hào)輸出。

4結(jié)論

(1)本文利用搭載自行設(shè)計(jì)的高量程加速度計(jì)組成的彈體測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行152滑膛炮彈體侵徹雙層鋼靶板的試驗(yàn)，通過(guò)提取臨界截止頻率方法，確定處理雙層鋼靶侵徹?cái)?shù)據(jù)時(shí)所需低通濾波截止頻率對(duì)侵徹?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波處理，分別獲得彈體侵徹第一、二層鋼靶的加速度值。

(2)通過(guò)對(duì)比分析高速攝影機(jī)實(shí)測(cè)炮彈出膛及出靶速度與加速度計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)，獲得炮彈出膛時(shí)速度測(cè)試誤差約為1.78%，炮彈侵徹雙層鋼靶出靶時(shí)速度測(cè)試誤差分別為4.38%、7.48%，炮彈在兩層鋼靶間飛行位移測(cè)試誤差為3.11%。彈體在發(fā)射、侵徹鋼靶過(guò)程中，測(cè)試系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)測(cè)試誤差均小于10%。

(3)彈體測(cè)試系統(tǒng)中所用MEMS高量程加速度計(jì)性能穩(wěn)定、優(yōu)異，完全能勝任彈體侵徹雙層鋼靶的侵徹測(cè)試要求，可為炮彈在侵徹雙層介質(zhì)過(guò)程中特定介質(zhì)層測(cè)試提供可靠數(shù)據(jù)；MEMS高量程加速度計(jì)雖達(dá)到工程化應(yīng)用要求，但其在測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)明顯的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，尚待進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。

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