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(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

由于國(guó)內(nèi)外對(duì)高速、超高速侵徹彈藥技術(shù)的深入研究，高速大長(zhǎng)徑比彈丸的多層目標(biāo)侵徹計(jì)層問(wèn)題成為國(guó)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(zhǎng)徑比彈丸的多層目標(biāo)計(jì)層時(shí)存在如下問(wèn)題：當(dāng)彈丸長(zhǎng)徑比增長(zhǎng)，彈速大于800 m/s時(shí)，侵徹過(guò)程中的應(yīng)力波在彈體中來(lái)回傳播，形成震蕩加速度，高頻震蕩信號(hào)的峰值迅速增加，將多層目標(biāo)侵徹過(guò)載包絡(luò)完全淹沒(méi)，造成層與層過(guò)載信號(hào)相互粘連，無(wú)法有效對(duì)穿層進(jìn)行識(shí)別。

針對(duì)以上問(wèn)題，常見(jiàn)的一種方向是從研究侵徹信號(hào)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(hào)的小波分析一般通過(guò)選擇合適的小波對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行分解，然后對(duì)分解后的高頻信號(hào)采用設(shè)定的閾值函數(shù)進(jìn)行濾波，最后對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)獲得消噪信號(hào)。其處理過(guò)程能夠去除信號(hào)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(guò)程中忽視了侵徹信號(hào)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(hào)[1]。國(guó)內(nèi)中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所歐陽(yáng)科等人提出了一種基于加速度傳感器和MEMS開(kāi)關(guān)信號(hào)融合的計(jì)層算法，該算法通過(guò)加速度傳感器和MEMS開(kāi)關(guān)信號(hào)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(hào)來(lái)判定彈丸侵徹過(guò)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(lái)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(duì)侵徹計(jì)層電路，美國(guó)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(guó)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(guò)程中，環(huán)境非常惡劣，國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段的電路芯片集成技術(shù)與電路過(guò)載防護(hù)措施上的技術(shù)瓶頸很難滿足抗過(guò)載方面、精確度方面的測(cè)試要求。信號(hào)粘連的問(wèn)題很難從根本上解決。

本文旨在源頭上——傳感器測(cè)取數(shù)據(jù)上解決信號(hào)粘連的問(wèn)題，傳統(tǒng)上都是利用高G值的MEMS加速度計(jì)測(cè)取侵徹信號(hào)，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(guò)上一層靶后，加速度計(jì)還沒(méi)有穩(wěn)定就開(kāi)始侵徹下一層靶，造成層與層過(guò)載信號(hào)相互粘連，無(wú)法有效對(duì)穿層進(jìn)行識(shí)別。針對(duì)這種棘手問(wèn)題，本文開(kāi)拓創(chuàng)新地提出采用陶瓷電容傳感器采集信號(hào)，由于疊層電容傳感器的結(jié)構(gòu)相對(duì)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(cè)到侵徹高頻信號(hào)，還能濾掉一部分低頻干擾信號(hào)；而且電容結(jié)構(gòu)剛度更大，在侵徹穿過(guò)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(hào)不會(huì)淹沒(méi)下一層的侵徹信號(hào)，不但能解決信號(hào)連粘的問(wèn)題還能有效解決信號(hào)拖尾的現(xiàn)象，從而提高了測(cè)量精度。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 侵徹測(cè)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(huì)通過(guò)有限元仿真軟件對(duì)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(dòng)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(jiǎn)化成一個(gè)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(gè)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(wú)限大方形靶板、不計(jì)邊界效應(yīng)、無(wú)初始應(yīng)力；②彈丸垂直于靶板面、不計(jì)重力作用；③整個(gè)侵徹過(guò)程絕熱，不計(jì)空氣阻力和彈體振動(dòng)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(zhǎng)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(wú)反射邊界，來(lái)模擬半無(wú)限靶板，接觸采用面對(duì)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(lái)描述其本構(gòu)關(guān)系。靶板采用A30鋼，四層靶板的長(zhǎng)*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(lái)描述其本構(gòu)關(guān)系。所有靶板除了材料編號(hào)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(gè)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(guò)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(cè)量原理

本文所設(shè)計(jì)的電容壓力傳感器是一個(gè)雙電容結(jié)構(gòu)，整個(gè)結(jié)構(gòu)是一個(gè)圓柱形，由可動(dòng)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(gè)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(hào)粘連問(wèn)題?？蓜?dòng)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(dòng)，但在實(shí)際侵徹過(guò)程中整個(gè)侵徹引信系統(tǒng)存在應(yīng)力波在彈體中來(lái)回傳播，因此下極板實(shí)際也是在振動(dòng)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(hào)，還有一部分還有彈體及傳感器噪聲信號(hào)。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(duì)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(cè)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(cè)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(duì)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(duì)電容結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)仿真，四階各個(gè)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(dòng)頻率如表1所示。

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

再是對(duì)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(gè)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(dòng)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(dòng)頻率Tab.2 Vibrational frequencies of four cantilever beam accelerometer structures

對(duì)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(dòng)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(guò)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(duì)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(cè)試不失真要求。

為了能夠進(jìn)一步對(duì)比說(shuō)明電容結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，從瞬態(tài)仿真對(duì)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(duì)于島梁結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)響應(yīng)曲線更加平滑，沒(méi)有信號(hào)拖尾發(fā)生，因此就能更好杜絕侵徹時(shí)信號(hào)連粘的發(fā)生。

圖19 沖擊加速度階躍信號(hào)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(yǔ)

通過(guò)仿真試驗(yàn)分別對(duì)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(duì)比，結(jié)果說(shuō)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(hào)連粘的問(wèn)題，對(duì)高頻率范圍具有良好的適用性和有效性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)彈體侵徹計(jì)層的實(shí)時(shí)、高精度測(cè)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(méi)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)。