MEMS高量程压阻加速度计侵彻双层钢靶性能测试

第一作者石云波男，副教授，1972年6月生

MEMS高量程压阻加速度计侵彻双层钢靶性能测试

石云波1,2，周智君1,2，唐军1,2

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051； 2.中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051)

摘要：设计一种MEMS高量程压阻加速度计，利用其组成的弹体测试系统进行双层钢靶实弹侵彻试验，并获得完整的侵彻数据。利用Matlab数据处理软件对其进行处理，获得有效的侵彻数据。试验结果表明，弹体在整个发射、侵彻钢靶过程中，测试系统所测数据误差均小于10%，说明设计的MEMS高量程压阻加速度计性能稳定，可完全满足工程化应用要求，为研究双层介质侵彻特性及控制弹体在特定介质层的爆破技术提供参考依据。

关键词：MEMS；高量程加速度计；双层钢靶；低通滤波；截止频率

收稿日期：2013-08-20修改稿收到日期：2014-03-19

中图分类号:TP212文献标志码：A

基金项目：高校博士点基金(20133415130001)

Performance measuring of a double-layer steel target penetrated by projectiles with a MEMS system based on a high measuring range accelermeter

SHIYun-bo1,2,ZHOUZhi-jun1,2,TANGJun1,2(1. Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement North University of China， Ministry of Education, Taiyuan 030051,China；2. Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory,shanxi, North University of China,Taiyuan 030051，China)

Abstract:A MEMS projectile body measuring system based on a high measuring range accelerometer was designed. It was used for tests of projectiles’ penetrating a double-layer steel target. The full data of the penetration were obtained and processed with MATLAB. The results showed that in the whole process of projectiles’ launching and penetrating the steel target, the error of the data measured with the proposed system is less than 10%, so the performance of the designed system is stable, it can meet the requirements of engineering application. The study results provided a reference for studying the penetration features of double-layer media and controlling projectiles’ explosion in special medium layers.

Key words:MEMS; high measuring range accelerometer; double-layer steel target; low-pass filter; cut-off frequency

MEMS高量程加速度计指具有大动态测量范围的加速度传感器，测量范围可达几百g到上万g，甚至高达几十万g。主要用于炮弹引信及航空、航天惯性导航等领域，其中需进行大量的振动、冲击测试，环境恶劣，采用传统工艺生产的加速度计难以达到测试要求。而采用微机械加工工艺制造的MEMS高量程加速度计因具有耐冲击、抗过载能力强、响应快、稳定性高等特点，能满足测试要求。MEMS技术作为军事武器装备，尤其作为弹体侵彻过程中惯性测量、引信控制的关键技术之一，研究其在多层间隔钢靶[1-4]侵彻中的性能特性尤为重要。

美国ENDEVCO公司已成功研制出抗过载能力达200000 g、安装谐振频率达1.2 MHz的7270A型高量程加速度传感器，利用其设计的小型侵彻加速度数据记录仪进行混凝土侵彻试验，获得完整的弹丸侵彻数据；瑞士武器系统试验中心设计的高g值弹道飞行数据记录器，测出90 000 g、峰值脉宽约200 μs的加速度信号。北京理工大学、上海微系统所、中电13所、中物院5所、兵器214所等已研制出量程为100 000 g的高量程加速度计，其中北京理工大学、中物院5所已取得200 000 g以下测试数据[5-6]。单层靶(包括钢靶、混凝土靶、土靶)、多层靶(包括混凝土靶、土靶)的侵彻测试已开展工作，但多层钢靶的侵彻测试鲜有报道，已有研究多由仿真分析多层钢靶板侵彻特性，但与实弹测试仍有一定距离。

本文利用实验室研制的MEMS高量程加速度计组成弹体测试系统进行双层钢靶侵彻试验，钢靶分别为A30钢及装甲钢，通过处理侵彻数据，获得侵彻双层钢靶时有效过载分别为81 078 g、152 061 g，侵彻两层钢靶的速度测试误差分别为4.38%、7.48%，在两层靶板间弹体飞行位移的测试误差为3.11%，均小于10%，由此验证本文的MEMS高量程加速度性能良好，达到工程化应用要求。

1MEMS高量程压阻加速度计结构

设计的MEMS高量程压阻加速度计量程为150 000 g，抗过载能力达200 000 g。加速度计结构采用四梁-岛型结构，梁宽度与质量块长宽一致，压敏电阻对称布置于梁根部，将4个压敏电阻连接成惠斯通电桥，用于抑制非对称性结构引起的沿梁长度方向横向加速度影响。加速度计受加速度作用时，结构梁发生变形，在压敏电阻区域产生应力，引起压敏电阻值变化。为加速度计供电时，阻值变化将转化为电压输出。加速度计芯片采用玻璃-硅-玻璃三层键合结构，将芯片封装到不锈钢管壳并用环氧树脂进行灌封，加速度计封装结构见图1。

图1　加速度计封装结构 Fig.1 The package structure of accelerometer

2双层钢靶侵彻试验

双层钢靶侵彻试验采用152 mm口径滑膛炮，炮口与钢靶距离120 m，两层靶板间距3.2 m。试验弹装配后启动存储器发射炮弹，利用回收装置(土壤)回收侵彻钢靶后炮弹，测试现场效果见图2。试验结束后回收试验弹取出存储器，用读数电缆连接存储器，读取存储器内侵彻数据。双层钢靶参数见表1。

图2　测试现场效果图 Fig.2 The locale of testing

第一层第二层钢靶材料A30钢装甲钢钢靶尺寸(长×宽×厚)/m31.5×1.2×0.011.5×1.2×0.03

弹体测试系统由传感器、存储记录器及接口读数装置组成。传感器采用自行研制的MEMS高量程压阻加速度计，灵敏度为0.172 μv/g。由文献[7]知，高量程加速度计在弹体内的安装位置会直接影响弹体侵彻过程中其输出加速度峰值大小。考虑加速度计既要承受侵彻钢靶过程中高过载冲击，又要有效测量侵彻过程中加速度大小及试验相关参数要求，将加速度计安装于弹体尾部。采用长640 mm、重147 kg的全装药152滑膛炮弹。装配记录器及加速度计实际安装位置见图3。

图3　弹体测试系统结构剖面图 Fig.3 The section plane of cannonball testing system

3侵彻测试数据处理

侵彻测试中弹体结构任何位置感应到的响应均由刚体过载响应与弹体结构振动响应组成。由于刚体过载是弹体撞击钢靶时承受冲击力载荷大小的标准量度，因此加速度计在弹体安装点处所测过载值不能作为弹体承受冲击力载荷大小的量度，其中包含因弹体振动响应造成的各种高频信号干扰，直接影响测试结果的准确性。通过对侵彻数据低通滤波处理，可有效抑制各种高频信号干扰，获得准确测试结果[7-8]。结合确定低通滤波临界截止频率方法[7]，对实测加速度数据从高频到低频逐次滤波，确定低通滤波的临界截止频率f。

3.1膛内测试数据处理

膛内过载的原始信号见图4(a)。由图4(a)看出，炮弹在膛内运行时间为毫秒级，发射过程中，膛内由膛压产生的加速度过载及炮弹运行时间与炮弹装药量、火炮管长度等有关。弹体出膛时，因膛压突然卸载会造成弹体发生剧烈振动，因此弹体在出炮口时的测试信号已含弹体振动产生的高频信号。

对膛内测试数据从高频到低频逐次低通滤波处理，获得滤波截止频率与加速度峰值关系见图4(b)。利用文献[7]方法得低通滤波临界截止频率f=3 kHz，对膛内过载原始信号进行3 kHz低通滤波，所得加速度-时间曲线见图4(c)。由图4(c)可知，在0~7.1 ms时间段内，炮弹在膛内受膛压作用的加速度值持续上升，加速度最大峰值为7100 g；在7.1~14.9 ms时间段内，炮弹因受膛压减小及炮弹在炮管内受摩擦力等作用加速度值持续减小；在14.9~16.8 ms时间段内，因膛内压力卸载炮弹发生剧烈震荡。对图4(c)加速度-时间信号进行一次积分，获得弹体在膛内的速度-时间信号曲线见图4(d)。由图4(d)可知，炮弹因受膛内压力作用，从静止开始加速，出膛时初速度为475.0 m/s。

图4　炮弹在膛内过载信号处理与分析 Fig.4 Analysis of the overload signal in gun tube

3.2第一层钢靶侵彻数据处理

炮弹出膛后以475.0 m/s初速度撞击A30钢靶(炮弹在空气中受空气阻力忽略不计，认为出膛速度为撞击钢靶的初速，初速为加速度计所测数据，高速摄影装置所测实际初速为483.6m/s)，其侵彻原始数据见图5(a)，对侵彻数据进行FFT处理，获得侵彻过程中信号分布在0~80 kHz频率范围内，对原始数据进行低通滤波处理，滤掉高频干扰信号，保留有效侵彻数据。利用确定低通滤波截止频率方法，确定低通滤波截止频率约为16 kHz。对原始数据进行低通滤波处理所得侵彻加速度-时间曲线见图5(b)。在炮弹侵彻钢靶过程中采集的第一个加速度峰值信号为有效加速度信号，对图5(b)曲线进行部分展开，得触靶部分加速度信号-时间曲线见图5(c)。由图5(c)可知，侵彻有效加速度值为81078 g，脉宽为175 μs。对图5(b)数据积分运算，获得速度-时间曲线见图5(d)。由图5(d)可知，炮弹从开始侵彻钢靶到炮弹头部锥形部分(炮弹锥形头长0.32 m，靶板厚0.01 m)即将穿透靶板时，速度下降最快，从475.0 m/s降低到455 m/s约经历0.1 ms。炮弹头部锥形部分穿过靶板后，炮弹速度变化很小；炮弹完全穿过靶板后，速度降为450.0 m/s(高速摄影装置测得实际初速为470.6 m/s)。

图5　炮弹第一次触靶过载信号处理及分析(A30钢靶板) Fig.5 Analysis of the overload signal in the first impacting target (A30 steel target)

图6　炮弹第二次触靶过载信号处理与分析(装甲钢靶板) Fig.6 Analysis of the overload signal in the second impacting target (armor steel target)

3.3第二层钢靶侵彻数据处理

弹体完成第一层A30钢靶侵彻后，以450 m/s初速撞击第二层装甲钢靶(炮弹在空气中受空气阻力忽略不计，初速为加速度计所测数据，高速摄影装置所测初速为470.6 m/s)，其侵彻原始数据见图6(a)。利用低通滤波截止频率方法确定低通滤波截止频率约为9 kHz，对原始数据进行低通滤波处理，获得侵彻加速度-时间曲线见图6(b)，对该曲线部分展开，所得触靶部分加速度-时间信号曲线见图6(c)。由图6(c)可知，有效加速度值为152061 g，脉宽为154 μs，对图6(b)数据进行积分，得速度-时间曲线见图6(d)。图6(d)可知，由于靶板阻力，炮弹速度由着靶的450 m/s 快速降低到398.0 m/s，此过程大约经历0.25 ms，随后炮弹速度基本保持不变。炮弹完全穿出靶板速度约398.0 m/s(高速摄影装置所测实际初速为430.2m/s)。

3.4测试结果分析

将弹体侵彻双层钢靶测试数据及现场高速摄影装置实测数据进行对比，结果见表2。由表2可知，在侵彻过程中炮弹出膛时速度测试误差最小，约1.78%；炮弹在侵彻第二层钢靶时测试误差大于侵彻第一层钢靶测试误差，主要因弹体在侵彻A30钢靶时产生强烈振动及在重力等因素影响作用下，使弹体倾斜进入第二层钢靶，导致测试数据误差较大。通过对测试数据分析可得弹体在两层钢靶间的运行时间为6.89 ms，两层靶板间距为3.100 5 m，对比实测双层钢靶间距3.2 m，测试误差为3.11%。

表2　侵彻测试误差分析

由图4(a)、图5(a)、图6(a)原始测试数据可知，在冲击测试采集的第一个有效峰值信号后出现大量高频过载信号，主要因应力波叠加作用影响，弹体在整个测试过程中会伴随轴向、横向振动，应力波从弹体头部传递到弹体尾部，在尾部发生反射回头部，而在尾部应力波叠加作用尤为明显，使测试的弹体过载在刚性过载基础上发生剧烈上下波动；在测试过程中，压阻加速度计的零位输出发生漂移现象(膛内零位输出约为-41 000 g，出炮口时零位基本不变，侵彻A30钢靶后零位输出约为20 000 g，侵彻装甲钢靶后零位输出约为-1 000 g)，整个测试过程中加速度计零位输出漂移约40 000 g，因在侵彻钢靶过程中，弹体与侵彻靶板间的摩擦作用导致弹体剧烈振动，弹体内部产生高温高压，使试验中所用压阻式加速度计芯片内应力(热应力、残余应力等)、压敏电阻温度系数发生变化，影响加速度计信号输出。

4结论

(1)本文利用搭载自行设计的高量程加速度计组成的弹体测试系统进行152滑膛炮弹体侵彻双层钢靶板的试验，通过提取临界截止频率方法，确定处理双层钢靶侵彻数据时所需低通滤波截止频率对侵彻数据进行低通滤波处理，分别获得弹体侵彻第一、二层钢靶的加速度值。

(2)通过对比分析高速摄影机实测炮弹出膛及出靶速度与加速度计测试数据，获得炮弹出膛时速度测试误差约为1.78%，炮弹侵彻双层钢靶出靶时速度测试误差分别为4.38%、7.48%，炮弹在两层钢靶间飞行位移测试误差为3.11%。弹体在发射、侵彻钢靶过程中，测试系统所得数据测试误差均小于10%。

(3)弹体测试系统中所用MEMS高量程加速度计性能稳定、优异，完全能胜任弹体侵彻双层钢靶的侵彻测试要求，可为炮弹在侵彻双层介质过程中特定介质层测试提供可靠数据；MEMS高量程加速度计虽达到工程化应用要求，但其在测试过程中出现明显的零点漂移现象，尚待进一步优化改进。

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