2万g量程压阻式加速度传感器的非线性研究

李晓红，范锦彪，王燕

（中北大学 电子测试技术国家重点实验室 山西 太原 030051）

0 引言

高量程微机械压阻式加速度传感器在冲击测试军用引信中运用相当广泛[1]。对于弹体对混凝土和钢筋混凝土侵彻破坏效果的研究，国内外已经做了大量的工作[2-4]。在硬目标动能侵彻过程中，对于弹丸动能侵彻过程的动态参数测试，目前现有的通用测试手段无法满足要求，而较先进手段如高速摄影等又无法在像侵彻这样的恶劣环境下使用，因此目前国内外的侵彻加速度测试技术，仍以弹载存储测试技术为主。弹载记录仪包括传感器与记录存储电路两大部分，利用存储设计装置，可以记录弹丸发射、飞行和着靶侵彻过程中的实时加速度[5]。因此通过弹体侵彻混凝土的模拟实验，验证了传感器的非线性。

1 压阻式加速度传感器非线性分析

压阻传感器是四端网络器件, 双端输入端接一定的激励电压源或电流源,当受到气体或液体的压力作用时,双端信号输出端输出信号电压[7]。由于压阻传感器在制造过程中有一定的离散性, 不可能每只完全一样, 另外在传感器老化时, 也有所变化。由于压阻传感器的扩散电阻的温度系数较大, 在实际工艺中很难将每个桥臂电阻的值做得完全一致, 因此不但存在每只传感器的零位和满度不一样问题,还存在线性问题, 每只传感器都有标称的非线性度。集成惠斯顿电桥压阻传感器, 经过零位和满度调节后,液体或气体的压力与信号输出电正关系如表1所示。然而电阻分压法却无法达到表1的标准, 即非线性现在明显,其根本原因, 是直接供给压阻传感器的电源从原内阻极小的恒压源E变成了现在内阻较大的电阻分压所得到的电压值E1, 且各个传感器的E1值大小不一样。更重要的是在压阻传感器受到吸力作用时, 其电桥的电阻阻值发生变化，电桥从平衡状态变为不平衡状态,其压阻传感器的输入阻抗随吸力变化而产生变化迫使直接供给压阻传感器的电源E1, 不是恒压源[8]。

表1 压力与信号电压的关系

2 实验中发现传感器非线性问题

在对弹体侵彻混凝土的模拟实验过程中，在炮管内加气压，实现弹体的运动，由于模拟实验，弹体运动速度比较缓慢，而且炮管长度也比较长，那么在实验过程中，发现弹体在炮管内运动速度和侵彻混凝土速度不吻合，而且经过几次实验都发现了此问题，由于在炮管内的加速度和侵彻时加速度不同，我们猜想可能是由于传感器本身的非线性造成的。

弹体侵彻过程中，由于压阻式加速度传感器具有零漂、外围电路简单、抗过载能力强等优点，成为高量程微加速度计设计的首选，广泛应用于冲击环境的测量[6]。因此我们在存储测试装置中采用的传感器是压阻式加速度传感器，采样频率为500kHz，而被测弹体的弹长为0.32m，弹重3.25kg。将存储测试装置安装在弹体内，并将其固定，这样在弹体侵彻过程中，可以确保测试装置能正确启动、记录可靠、抗冲击并最终能够真实记录全部规定信号。

将测试装置安装到弹体内后，测试装置经过触发，可以完整记录下弹体在膛内及侵彻混凝土过程中的详细信息。侵彻过程结束后，我们将弹体打开，取出测试装置，与计算机相连，即可进行读数，并经过预先编辑好的程序读取测试装置中的数据，如图1所示。

图1 实测加速度曲线

图2 实测速度曲线

其中图1是测试存储装置所记录的全弹道曲线，即在膛内以及穿靶过程中的加速度曲线，图2是对加速度一次积分得到的速度曲线，由图2可以看出，当侵彻过程结束时，速度曲线并没有归零。图3为弹体在膛内及侵彻过程分开所求得的速度曲线，可以看出膛内最大速度为137.8 m/s，侵彻过程的速度为134m/s，误差为2.8%。

最后又通过3次的侵彻混凝土模拟实验，也发现了此现象，那么说明装置本身是没有问题的，经分析可能是由于加速度传感器本身的非线性造成的，因此我们用马歇特锤对加速度传感器重新进行了校准。

3 压阻式加速度传感器的冲击校准

马歇特锤的原理是用重力冲击锤加速，通过不同速度的锤头来与刚性面碰撞，从而产生较大的加速度过载。抬起的高度低产生的加速度小，抬起的高度高产生的加速度大，当马歇特锤落下时，由于其与平台撞击时间短，故产生的瞬间加速度大。预置不同的齿数进行冲击实验，可产生20～50000g的冲击加速度。而且该方法操作简单，成本低廉，只要有合适的实验夹具及相关的测试仪器就可以获得完整的实验数据。

在弹体侵彻混凝土实验中不难发现，弹体在炮管里运动时，加速度最大值为500g左右，侵彻时加速度最大值在6000g左右，因此在对压阻式传感器冲击校准时，以此来确定冲击校准实验选择的冲击加速度范围，实验将被校准传感器的管脚连接至外部电路中，用电压放大器来提供5V电压，放大倍数设定为500倍的情况下，分别检测100～500g冲击范围内，以及1000～5000g的冲击范围内的测试结果。实验对在这两个冲击范围内都进行了6次冲击校准，通过采集卡采集传感器冲击过程中的电压信号，并经过预先编辑好的程序对电压信号进行处理，得到加速度值，通过对加速度的积分得到速度值，其中表1给出了在100～500g的冲击范围内的测试结果，表2给出了在1000～5000g的冲击范围内的测试结果。厂家给出的灵敏度为2.14/。

表1 高值加速度传感器在100g～500g的冲击测试结果

经过mathcad软件对速度进行最小二乘法拟合，分别得出在100～500g的冲击实验中，得到该加速度传感器的灵敏度为1.898v/g，在1000 -5000g的冲击实验中，得到该加速度传感器的灵敏度为1.843v/g， 经计算得到误差为2.9%，与上面的弹体在膛内及侵彻过程中速度误差吻合，由此也证明了传感器的非线性。由于不同冲击加速度下得到的灵敏度是不同的，所以在弹体侵彻实验计算过程中，应该根据不同的冲击加速度带入不同的灵敏度值进行计算，分别得到如图所示的速度曲线。由图3可以看出，对于不同的冲击加速度，代入不同的灵敏度计算后，发现速度归为零，而且误差几乎为零。证明了速度变化是由传感器非线性造成的。

表2 高g值加速度传感器在1000g～5000g的冲击测试结果

图3 弹体侵彻混凝土速度曲线

4 结束语

本文对2万g量程的压阻式加速度传感器的非线性产生原因进行了分析，并进行了弹体侵彻混凝土的模拟实验，通过弹载存储记录仪测取了弹体在膛内以及侵彻等整个运动过程的实时加速度，并通过对实测数据的分析处理，验证了传感器存在的非线性的问题，并通过马歇特锤对压阻传感器在不同冲击加速度下的灵敏度进行了冲击校准，在将不同冲击加速度下得到的灵敏度再带回到已编写好的程序中，再次证明了传感器的非线性，从而保证了测试数据的准确性。

[1]黄全平.高量程微机械压阻式加速度传感器研究[D].上海：中国科学院上海微系统与信息技术研究所,2001.

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[3]宋萍,李科杰.硬目标侵彻武器高冲击试验和高过载传感器技术国外发展概况[J].测控技术,2002,21:30-32.

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[7]陈本华.压阻传感器的非线性问题[J].仪器技术与传感器，1994(2):34-36.