一種新型高量程微加速度傳感器侵徹測試

　　引言

　　高量程微機械壓阻式加速度傳感器在沖擊測試、軍用引信中運用相當(dāng)廣泛?？煽啃匝芯渴俏㈦娮訖C械系統(tǒng) MEMS產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵，對于微加速度傳感器更是如此。由于應(yīng)用環(huán)境的特殊性，高量程微加速度傳感器必須具有極高的抗過載能力。目前，國內(nèi)研究MEMS器件抗過載能力主要停留在計算機模擬和實驗測試?？紤]到測試實驗無法充分測試傳感器在特殊環(huán)境下的性能，對該高量程加速度傳感器在侵徹環(huán)境中進(jìn)行試驗驗證，分別對混凝土靶及鋼靶進(jìn)行實彈侵徹，對比分析該傳感器在真實沖擊環(huán)境下的數(shù)據(jù)和抗過載能力，從而獲取可靠數(shù)據(jù)，為深入研究彈體侵徹過載特性提供依據(jù)。

　　2 微加速度傳感器結(jié)構(gòu)及封裝

　　圖1是高量程加速度傳感器模型截面圖，150 000 g為量程，一階固有頻率達(dá)300 kHz。梁寬和質(zhì)量塊一致，壓阻對稱放置于4梁根部，抑制了非對稱性結(jié)構(gòu)引起的橫向加速度的影響。整體為“田”字形結(jié)構(gòu)，單晶硅材料。中心的活動質(zhì)量塊由十字梁懸浮連接到邊框上。邊框作為錨區(qū)鍵合在玻璃基底上。

　　3 實彈侵徹測試實驗

　　實驗用921A型鋼靶，其靶板厚26 mm，炮彈出膛速度為420 m／s。鋼筋混凝土靶體積為(2×2×1．5)m3，出膛速度為895 m／s。每發(fā)炮彈內(nèi)安裝有2個傳感器，一個為988傳感器，其靈敏度為0．341 pc／g；一個為帶測試傳感器。系統(tǒng)采樣率為200 kHz。利用130 mm口徑滑膛炮發(fā)射烯卵形頭部彈體，分別對鋼靶和鋼筋混凝土靶進(jìn)行垂直侵徹，如圖2所示。

　　圖3a是侵徹鋼靶觸靶過載曲線圖，兩條虛線對應(yīng)炮彈觸靶后有效過載(T=330μs)曲線，觸靶過載最小值為-106 391．2 g(t=065ms)，觸靶過載最大值為256646．5 g(t=0．270ms)。圖3b為侵徹鋼筋混凝土靶觸靶過載曲線圖，兩條虛線對應(yīng)炮彈觸靶后有效過載(T=700μs)曲線?？煽吹剑謴鼗炷涟羞^程中，傳感器已損壞，記錄的傳感器數(shù)據(jù)值負(fù)向峰值為-130 000 g。

　　對濾波后的侵徹鋼靶過載波形進(jìn)行一次和二次積分。得到彈體侵徹初速和位移(即侵徹深度)的時間曲線，分別如圖4a、b所示。為分析所測得數(shù)據(jù)的可靠性，對應(yīng)比較侵徹過載積分得到彈體速度有效位移和鋼靶實測彈速度實測位移，并比較兩傳感器測得的加速度值，濾波頻率為50 kHz，分析結(jié)果見表1。

　　從表1看出，該傳感器在侵徹鋼靶實驗中，由所測過載波形一次積分所得的速度誤差為2．4％，二次積分所得位移誤差為9．1％，加速度值與988傳感器對比誤差為11．3％；具有良好的抗過載能力。實驗結(jié)果表明，在侵徹混凝土靶實驗過程中，傳感器出現(xiàn)梁斷裂現(xiàn)象。

　　4 結(jié)束語

　　研究高g值微加速度傳感器侵徹特性，對彈體的侵徹機理、武器戰(zhàn)斗部設(shè)計和遮彈技術(shù)等研究具有重要意義。該新型微加速度傳感器，在實彈侵徹實驗中獲得有價值數(shù)據(jù)：(1)該高量程傳感器在侵徹鋼靶實驗中可測得100 000 g以上的加速度值，誤差較小；(2)在侵徹鋼靶過程中，脈寬小，能量少，傳感器具有良好抗過載能力；在侵徹混凝土靶時，子彈初速度大，能量大，由于封裝原因，傳感器出現(xiàn)梁斷裂情況。(3)梁斷裂主要是由于封裝殼體在高過載情況下變形。所以，封裝方面需要進(jìn)一步改進(jìn)。