MEMS加速度计在膛压测试中的应用*

丁永红，马铁华，尤文斌

（1．中北大学信息与通信工程学院，山西 太原 030051;2．中北大学电子测试技术重点实验室，山西太原 030051）

0 引言

膛压测试对常规兵器的研究设计和生产验收极其重要，准确可靠的膛压数据是分析装药结构的合理性、炮弹各部件（如弹体、引信、炮管等）的强度设计、后座装置阻力曲线以及炮架强度和刚度设计的基本依据［1］。常用的膛压测试仪器有:1）铜柱测压器［2，3］，对压力波所发生的规律无论在定性上或定量上都不是很清楚;2）引线电测法［4］，将压电传感器安装在膛底和药室前端的药筒口部附近，该方法不能反映弹底的真实压力，同时在炮管上打孔也十分不便;3）存储式电测法［5］，该方法不对被测体产生影响，能安装在炮膛底部记录压力时间曲线，该测试仪器使用方便，测量精度高，可重复使用，但还存在不足之处，如体积较大，不能满足小口径火炮的膛压测试，误上电。

由于测试装置在测试火炮膛压前，要随弹一起保温，保温时间可能达到48 h以上，若放入药筒前就使测试装置处于工作状态，则在保温时电源消耗太大，所以，必须使测试装置在保温过程中处于低功耗状态，本文利用MEMS加速度计 MMA8453Q 和 MSP430 单片机［6，7］研制了一种低功耗，小体积、抗高过载、高可靠的膛压测试系统。

1 放入式电子测压器

微型放入式电子测压器的系统框图如图1所示，主要由压电传感器、适配电路、单片机、红外收发器、电源管理、电池及倒置开关组成。

1．1 倒置开关

倒置开关是电源管理控制的核心部件。装置都是在保温前放到被测物体中，放入式电子测压器内部空间仅有15 cm3，电池容量仅有50 mAh（3．7 V），这要求测试装置不仅要体积小，且在保温状态下功耗低。倒置开关的作用就是在保温过程中使测试系统处于低功耗休眠态，在测试前通过倒置开关使系统上电工作。倒置开关还要启动快速和方便，避免采用定时启动带来的时间限制。当前，采用水银倒置导通、小球重力原理、干璜管磁性加磁铁块等［8，9］形式的倒置开关，由于工艺限制存在体积大，在低温下可靠性欠佳的缺点。因此，本文利用MEMS加速度计MMA8453Q设计了一种针对放入式电子测压器特殊使用条件，具有小体积、低功耗、抗冲击、高可靠的开关。

倒置开关常态为水平或测压面向上（Z正向），如图2（a），（b）所示，电源管理处于关闭态。利用MEMS加速度计MMA8453Q的方向检测特性，当开关Z向角度发生改变到大于或等于设定的角度时，并持续超过一定时间（这里设定持续时间为30 s）后，传感器中断管脚输出高电平。图2（c）所示为上电倒置状态，由图2（b）状态到（a）和（c）状态传感器都能检测到由水平方向改变方向过程，但不能通过传感器中断输出确定传感器方向改变的角度正负。需要单片机在响应中断后读取Z轴加速度的值进行判断，仅当Z轴加速度值小于－0．867gn，单片机才进入全功耗状态进行采样存储。此后，直到取出装置重置前加速度计进入掉电态，而电源控制一直处于开状态，既实现了开关响应在一定角度内有效的要求，又避免了由于振动等造成短时间加速度的干扰，实现了开关“关”状态和“开”状态的单向转换。

图2 倒置开关倒置示意图Fig 2 Inverting diagram of inversion switch

1．2 控制模块

选用TI公司MSP430单片机为控制器，单片机既作为倒置开关的控制器，又作为信号采集存储的单片系统。系统上电后，压电传感器将压力信号转换为电荷信号，经适配电路将电荷转换为A/D所需要的电压信号，经A/D转换后的数据存入内部的Flash中。当存储记录完毕，通过红外收发器将记录数据读入计算机并处理。整个测试系统上电前平均工作电流约为26 μA，1 mAh电量能够让系统在该状态下工作38 h;启动存储记录后，全工作态时平均工作电流约4．5 mA，整个电路系统体积为7 mm×20 mm×4 mm。

2 结构缓冲力学模型分析

火炮发射过程中，记录仪会承受几万个重力加速度的冲击。冲击应力波对测试装置的破坏作用远大于静态应力，而缓冲的目的就是为了将冲击脉冲展宽，从而使幅值降低。膛压测试中由于高温、高压、高冲击、狭小空间不适合对整个装置缓冲，本文采用橡胶作为电路模块与外壳之间的缓冲材料。

2．1 缓冲模型

假设电路模块的质量为m，并以v0的速度撞击刚性板，从而产生一定的过载，胶皮受压缩变形，假设整个压缩过程都在弹簧的线性弹性范围内，则由能量守恒定理和虎克定理可求得电路模块所受到最大位移Xm和最大加速度am

式中K为弹性系数。

由上述公式分析可知，1）在K和v0不变的情况下，最大位移量与呈正比，最大加速度与呈反比;2）根据能量守恒定理，缓冲材料所吸收的能量应等于电路模块的动能（不考虑其他形式的能量转换），所以，在空间有限的条件下，微型化测试装置可以降低对缓冲材料的要求。

2．2 力学模型ANSYS仿真

橡胶是一种广泛用于隔离振动和吸收冲击的缓冲材料。它具有弹性模量非常小，而伸长率很高，高弹性和高强度的结构特性。它的剪切弹性模量G一般为1 MPa左右，而体积弹性模量K为103MPa左右［10］。

橡胶采用BLATZ_KO_RUBBER材料模型。材料参数为:密度 ρ=1．15 g/cm3，泊松比 ν=0．27，杨氏模量E=1．04 GPa，厚度L=2 mm。测试装置质量为3 g，为了提高测试装置的抗冲击性能，在真空条件下采用环氧树脂对电路板进行了二次灌封。利用ANSYS建立的电路缓冲的模型如图3所示。将电路壳体以一定的速度撞击刚性板，无胶皮缓冲时的加速度曲线如图4所示，冲击加速度峰值达到32500gn，脉宽长度为2．3 μs;有胶皮缓冲时的加速度曲线如图5所示，冲击加速度峰值为5 100gn，脉宽长度为332．8 μs。

图3 电路壳体结构Fig 3 Circuit shell structure

图4 无缓冲的过载曲线Fig 4 Unbuffered overload curve

图5 缓冲后的过载曲线Fig 5 Buffered overload curve

由仿真结果表明:采用胶皮能有效过滤高频加速度冲击，能满足电路在膛内和出炮口时的高频加速度冲击的缓冲要求。

3 测试装置抗冲击试验

利用马谢特锤模拟火炮发射冲击特征的冲击对其进行冲击测试，试验装置如图6所示，测试装置通过螺栓固定在马歇特锤的锤头上方，为避免传感器在冲击过程中损坏，使用5 mm厚的毛毡垫置于铁砧上。加速度值的大小通过马歇特锤的转盘控制。分别对1#，2#，3#测试装置进行了冲击，测试结果如表1所示，在超过4．5×104gn时倒置开关开始出现损坏，倒置开关已不能正常上电。测试结果表明该装置具有4．5×104gn的抗过载能力。

图6 马谢特锤试验装置Fig 6 Machete hammer experimental facility

4 结论

利用飞思卡尔公司生产的MEMS加速度计MMA8453Q和MSP430单片机设计的膛压测试装置，可使装置体积减小到20 cm3，不仅解决了小体积的问题，还使功耗降低，可靠性提高，为测压器的推广起到了一定的促进作用。通过试验验证，该测试装置可有效地满足炮击试验等高冲击、强烈振动场合的冲击测试。

表1 试验结果Tab 1 Test result

［1］ 李新娥，祖 静，马铁华，等．用于火炮膛内压力测试的电容式传感器的设计［J］．仪器仪表学报，2011，32（3）:640 －645．

［2］ 孔德仁，朱明武，申爱平，等．铜柱测压器动态特性分析及计算机仿真［J］．火工品，2001（2）:27－30．

［3］ 孔德仁，朱明武．铜柱、铜球准动态校准的机理［J］．南京理工大学学报，2004，28（4）:375 －379．

［4］ 曾思敏，童伟民，焦化南．弹丸挤进过程的测试研究［J］．兵工学报，1991（4）:71－74．

［5］ 沙 龙．多层侵彻加速度及弹底压力测试研究［D］．太原:中北大学，2010．

［6］ 沈建华．MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用［M］．北京:清华大学出版社，2004．

［7］ 秦 龙．MSP430单片机C语言应用程序设计实例精讲［M］．北京:电子工业出版社，2006:5．

［8］ 常 宽．倒置开关的研究［D］．太原:中北大学，2009．

［9］ 杨 艳，祖 静，张 瑜．光电倒置开关及其可靠性研究［J］．电子测试，2011，1（1）:73 －77．

［10］闻利群，鲁建霞，张同来．泡沫铝和橡胶对测试仪器抗冲击波缓冲能力的仿真研究［J］．弹箭与制导学报，2010，30（3）:223－225．