基于电容特性的引信碰合开关无损检测

史 剑，周 平，聂 峥

（西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065）

0 引言

引信碰合开关通常设置在弹药或战斗部头部，用于适时可靠地感知弹丸碰击目标的信息，利用开关内、外极闭合给引信提供触发信号。引信碰合开关的结构特点为内、外极两个导体分别固定在底座上，内极装在外极中间构成了两个作用元件，内、外极分别焊接导线作为引出线，外极用保护罩保护后塑封总装。碰合开关在总装之前，可以通过常用的检测方法检测断路或虚焊。但是，在碰合开关塑封总装后，就没有手段检测碰合开关内部导线与内、外极断路或虚焊，这种检测盲区对产品的质量可靠性埋下了隐患。本文针对此问题，提出了基于电容特性的引信碰合开关无损检测方法。

1 碰合开关结构和平板电容器电容

1.1 碰合开关的结构简图及工作原理

碰合开关是利用载体碰击目标时的反作用力而闭合［1］。其主要由开关内极、开关外极、底座、保护罩等组成，结构示意图如图1所示。

由碰合开关的结构示意图可以看出，在开关内极、开关外极、底座、保护罩被塑封后，常用的检测方法都无法检测碰合开关焊线与开关内、外极断开或虚焊问题。

图1 碰合开关结构示意图Fig.1 The structure map of crush switch

1.2 平板电容器的电容［2］

式中，S为电容器的极板面积；d为极板间的距离；ε0为真空的介电系数；ε为极板间介质的相对真空的介电系数。ε0为：

从式（1）可知：平板电容器的电容与极板面积成正比与极板间距离成反比，并且与介质的相对真空的介电系数成正比。

2 基于电容特性的引信碰合开关无损检测方法

2.1 碰合开关的电容特性

碰合开关的模型如图2所示，其主要由开关内极、开关外极、底座、保护罩等组成。其中，开关内极、开关外极均为导体，内、外极之间充满空气和绝缘材料。由电容器的构成原理可知，当开关内极、开关外极、底座、保护罩被塑封后，就形成了一个电容器。因此，该类碰合开关具有电容特性。

2.2 碰合开关电容的理论分析

由碰合开关的结构可知，该电容器可视为有无数个平板电容器组成。而平板电容器的电容与极板面积成正比与极板间距离成反比，并且与介质的相对真空的介电系数成正比。由于在碰合开关塑封总装后，碰合开关内、外极及焊接导线之间相对位置、介质都没有发生变化，而在内、外极焊接导线出现断路或虚焊前后只有极板间的面积发生了变化。因此，可以通过分析极板间的面积变化得出该电容器的电容变化规律。

图2 碰合开关的模型图Fig.2 The model map of crush switch

2.2.1 当内、外极焊接导线断路时

此时，该电容器的电容值就变成了其中的一根引出线与一个极板之间或两根引出线之间的电容。

1）当内极焊接导线出现断路，而外极焊接导线连接正常时，该电容器的电容值就变成了内极引出线与外极和外极引出线之间电容。很显然，由于不存在内极在外极和外极引出线之间电容，也就是说极板间的面积明显变小。因此，电容器的电容值明显小于内、外极焊接导线正常连接时电容器的电容值。

2）当外极焊接导线出现断路，而内极焊接导线连接正常时，该电容器的电容值就变成了外极引出线与内极和内极引出线之间电容。很显然，由于不存在外极在内极和内极引出线之间电容。也就是说极板间的面积明显变小。因此，电容器的电容值明显小于内、外极焊接导线正常连接时电容器的电容值。

3）当内、外极焊接导线都出现断路时，该电容器的电容值就变成了两根内、外极引出线之间的电容。很显然，由于不存在内极和外极之间电容。因此，电容器的电容值明显小于内、外极焊接导线正常连接时电容器的电容值。

2.2.2 当内、外极焊接导线虚焊时

此时，引出线与内、外极接触不良，时通时断，处于不稳定状态，该电容器的电容值就会在内、外极焊接导线正常连接与内、外极焊接导线出现断路两种状态之间跳变。

因此，如果碰合开关焊线与开关内、外极断开或虚焊时其电容值会发生明显偏小或跳变，那么就可以利用碰合开关的这种电容特性，通过检测碰合开关的电容值就可以很方便地判断开关焊线是否与开关内、外极断开或虚焊，从而实现对碰合开关的无损检测。

3 试验验证

本例中，头部碰合开关内极半径r＝3.3mm，外极半径R＝4.7mm，开关内极总高度l＝32.5 mm，开关内极插入底座内部高度h＝5.2mm。常温下，对669个该引信头部碰合开关进行实际测量。测试条件如下：

1）频率：1kHz。

2）电压有效值：1V。

3）导线长度：10mm。

4）导线截面积：0.15mm2。

测试结果如表1所示（只显示部分测试数据，单位：pF）。

由表1测试结果可以看出，碰合开关的电容测量值主要散布在8～10pF之间，而编号分别为：14、69、91的碰合开关电容测量值出现了异常，其电容测量值均小于2pF。经解剖发现，14＃69＃的头部碰合开关焊线与开关内极出现了断开现象，91＃的头部碰合开关焊线与开关外极出现了断开现象。

由此可知，当碰合开关焊线与开关内、外极断开时其电容值会明显偏小，通常小于2pF。

为了验证测试结果的正确性和稳定性，随机抽取了10个碰合开关（其编号分别为：1、14、26、37、59、69、83、91、97、100）进行温度循环试验［3］。

温循后，分别对每一个碰合开关进行了10次数据测试，测试结果如表2所示，单位：pF。

表1 头部碰合开关电容测试结果Tab.1 The head crush switch capacitance test results pF

由表2测试结果可以看出，随机抽取的10个头部碰合开关的电容测量值除了37的测量值出现了0.65～9.26pF之间的跳变外，其余稳定性非常好，与表1的测试结果基本吻合。经分析认为，37＃电容测量值是由于虚焊产生了跳变。由此可知，当碰合开关焊线与开关内、外极虚焊时其电容值会发生很大跳变，通常在2pF以下与10pF之间跳变。

因此，可以利用碰合开关的电容特性，通过检测碰合开关的电容值判断开关焊线是否与开关内、外极断开或虚焊。

表2 温循后头部碰合开关电容测试结果Tab.2 After the temperature cycle the head crush switch capacitance test results pF

4 结论

本文提出了基于电容特性的引信碰合开关无损检测方法。该方法利用碰合开关具有的电容特性，通过检测碰合开关的电容值判断碰合开关塑封总装后焊线是否与开关内、外极断开或虚焊。理论分析和实测结果表明：该方法有效解决了焊线与开关内、外极断开，虚焊时无法检测问题，提高了产品的质量，具有一定的工程指导意义。不足之处，由于零件加工及装配过程中会产生误差，碰合开关的内、外极不可能完全同心，电容测试值存在一定的散布。如何找出散布值与内、外极之间间隙大小关系，以提高产品的合格率是下一步研究的工作。

［1］GJB／Z 135－2002引信工程设计手册［S］.北京：总装备部军标出版发行部，2003：304.

［2］陈永真.电容器及其应用［M］.北京：科学出版社，2005.

［3］庄文青.组件温度筛选应力的确定方法［J］.电子产品可靠性与环境试验，2003（3）：65－68.