MEMS加速度計在膛壓測試中的應用*

丁永紅，馬鐵華，尤文斌

（1．中北大學信息與通信工程學院，山西 太原 030051;2．中北大學電子測試技術(shù)重點實驗室，山西太原 030051）

0 引言

膛壓測試對常規(guī)兵器的研究設(shè)計和生產(chǎn)驗收極其重要，準確可靠的膛壓數(shù)據(jù)是分析裝藥結(jié)構(gòu)的合理性、炮彈各部件（如彈體、引信、炮管等）的強度設(shè)計、后座裝置阻力曲線以及炮架強度和剛度設(shè)計的基本依據(jù)［1］。常用的膛壓測試儀器有:1）銅柱測壓器［2，3］，對壓力波所發(fā)生的規(guī)律無論在定性上或定量上都不是很清楚;2）引線電測法［4］，將壓電傳感器安裝在膛底和藥室前端的藥筒口部附近，該方法不能反映彈底的真實壓力，同時在炮管上打孔也十分不便;3）存儲式電測法［5］，該方法不對被測體產(chǎn)生影響，能安裝在炮膛底部記錄壓力時間曲線，該測試儀器使用方便，測量精度高，可重復使用，但還存在不足之處，如體積較大，不能滿足小口徑火炮的膛壓測試，誤上電。

由于測試裝置在測試火炮膛壓前，要隨彈一起保溫，保溫時間可能達到48 h以上，若放入藥筒前就使測試裝置處于工作狀態(tài)，則在保溫時電源消耗太大，所以，必須使測試裝置在保溫過程中處于低功耗狀態(tài)，本文利用MEMS加速度計 MMA8453Q 和 MSP430 單片機［6，7］研制了一種低功耗，小體積、抗高過載、高可靠的膛壓測試系統(tǒng)。

1 放入式電子測壓器

微型放入式電子測壓器的系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由壓電傳感器、適配電路、單片機、紅外收發(fā)器、電源管理、電池及倒置開關(guān)組成。

1．1 倒置開關(guān)

倒置開關(guān)是電源管理控制的核心部件。裝置都是在保溫前放到被測物體中，放入式電子測壓器內(nèi)部空間僅有15 cm3，電池容量僅有50 mAh（3．7 V），這要求測試裝置不僅要體積小，且在保溫狀態(tài)下功耗低。倒置開關(guān)的作用就是在保溫過程中使測試系統(tǒng)處于低功耗休眠態(tài)，在測試前通過倒置開關(guān)使系統(tǒng)上電工作。倒置開關(guān)還要啟動快速和方便，避免采用定時啟動帶來的時間限制。當前，采用水銀倒置導通、小球重力原理、干璜管磁性加磁鐵塊等［8，9］形式的倒置開關(guān)，由于工藝限制存在體積大，在低溫下可靠性欠佳的缺點。因此，本文利用MEMS加速度計MMA8453Q設(shè)計了一種針對放入式電子測壓器特殊使用條件，具有小體積、低功耗、抗沖擊、高可靠的開關(guān)。

倒置開關(guān)常態(tài)為水平或測壓面向上（Z正向），如圖2（a），（b）所示，電源管理處于關(guān)閉態(tài)。利用MEMS加速度計MMA8453Q的方向檢測特性，當開關(guān)Z向角度發(fā)生改變到大于或等于設(shè)定的角度時，并持續(xù)超過一定時間（這里設(shè)定持續(xù)時間為30 s）后，傳感器中斷管腳輸出高電平。圖2（c）所示為上電倒置狀態(tài)，由圖2（b）狀態(tài)到（a）和（c）狀態(tài)傳感器都能檢測到由水平方向改變方向過程，但不能通過傳感器中斷輸出確定傳感器方向改變的角度正負。需要單片機在響應中斷后讀取Z軸加速度的值進行判斷，僅當Z軸加速度值小于－0．867gn，單片機才進入全功耗狀態(tài)進行采樣存儲。此后，直到取出裝置重置前加速度計進入掉電態(tài)，而電源控制一直處于開狀態(tài)，既實現(xiàn)了開關(guān)響應在一定角度內(nèi)有效的要求，又避免了由于振動等造成短時間加速度的干擾，實現(xiàn)了開關(guān)“關(guān)”狀態(tài)和“開”狀態(tài)的單向轉(zhuǎn)換。

圖2 倒置開關(guān)倒置示意圖Fig 2 Inverting diagram of inversion switch

1．2 控制模塊

選用TI公司MSP430單片機為控制器，單片機既作為倒置開關(guān)的控制器，又作為信號采集存儲的單片系統(tǒng)。系統(tǒng)上電后，壓電傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換為電荷信號，經(jīng)適配電路將電荷轉(zhuǎn)換為A/D所需要的電壓信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入內(nèi)部的Flash中。當存儲記錄完畢，通過紅外收發(fā)器將記錄數(shù)據(jù)讀入計算機并處理。整個測試系統(tǒng)上電前平均工作電流約為26 μA，1 mAh電量能夠讓系統(tǒng)在該狀態(tài)下工作38 h;啟動存儲記錄后，全工作態(tài)時平均工作電流約4．5 mA，整個電路系統(tǒng)體積為7 mm×20 mm×4 mm。

2 結(jié)構(gòu)緩沖力學模型分析

火炮發(fā)射過程中，記錄儀會承受幾萬個重力加速度的沖擊。沖擊應力波對測試裝置的破壞作用遠大于靜態(tài)應力，而緩沖的目的就是為了將沖擊脈沖展寬，從而使幅值降低。膛壓測試中由于高溫、高壓、高沖擊、狹小空間不適合對整個裝置緩沖，本文采用橡膠作為電路模塊與外殼之間的緩沖材料。

2．1 緩沖模型

假設(shè)電路模塊的質(zhì)量為m，并以v0的速度撞擊剛性板，從而產(chǎn)生一定的過載，膠皮受壓縮變形，假設(shè)整個壓縮過程都在彈簧的線性彈性范圍內(nèi)，則由能量守恒定理和虎克定理可求得電路模塊所受到最大位移Xm和最大加速度am

式中K為彈性系數(shù)。

由上述公式分析可知，1）在K和v0不變的情況下，最大位移量與呈正比，最大加速度與呈反比;2）根據(jù)能量守恒定理，緩沖材料所吸收的能量應等于電路模塊的動能（不考慮其他形式的能量轉(zhuǎn)換），所以，在空間有限的條件下，微型化測試裝置可以降低對緩沖材料的要求。

2．2 力學模型ANSYS仿真

橡膠是一種廣泛用于隔離振動和吸收沖擊的緩沖材料。它具有彈性模量非常小，而伸長率很高，高彈性和高強度的結(jié)構(gòu)特性。它的剪切彈性模量G一般為1 MPa左右，而體積彈性模量K為103MPa左右［10］。

橡膠采用BLATZ_KO_RUBBER材料模型。材料參數(shù)為:密度 ρ=1．15 g/cm3，泊松比 ν=0．27，楊氏模量E=1．04 GPa，厚度L=2 mm。測試裝置質(zhì)量為3 g，為了提高測試裝置的抗沖擊性能，在真空條件下采用環(huán)氧樹脂對電路板進行了二次灌封。利用ANSYS建立的電路緩沖的模型如圖3所示。將電路殼體以一定的速度撞擊剛性板，無膠皮緩沖時的加速度曲線如圖4所示，沖擊加速度峰值達到32500gn，脈寬長度為2．3 μs;有膠皮緩沖時的加速度曲線如圖5所示，沖擊加速度峰值為5 100gn，脈寬長度為332．8 μs。

圖3 電路殼體結(jié)構(gòu)Fig 3 Circuit shell structure

圖4 無緩沖的過載曲線Fig 4 Unbuffered overload curve

圖5 緩沖后的過載曲線Fig 5 Buffered overload curve

由仿真結(jié)果表明:采用膠皮能有效過濾高頻加速度沖擊，能滿足電路在膛內(nèi)和出炮口時的高頻加速度沖擊的緩沖要求。

3 測試裝置抗沖擊試驗

利用馬謝特錘模擬火炮發(fā)射沖擊特征的沖擊對其進行沖擊測試，試驗裝置如圖6所示，測試裝置通過螺栓固定在馬歇特錘的錘頭上方，為避免傳感器在沖擊過程中損壞，使用5 mm厚的毛氈墊置于鐵砧上。加速度值的大小通過馬歇特錘的轉(zhuǎn)盤控制。分別對1#，2#，3#測試裝置進行了沖擊，測試結(jié)果如表1所示，在超過4．5×104gn時倒置開關(guān)開始出現(xiàn)損壞，倒置開關(guān)已不能正常上電。測試結(jié)果表明該裝置具有4．5×104gn的抗過載能力。

圖6 馬謝特錘試驗裝置Fig 6 Machete hammer experimental facility

4 結(jié)論

利用飛思卡爾公司生產(chǎn)的MEMS加速度計MMA8453Q和MSP430單片機設(shè)計的膛壓測試裝置，可使裝置體積減小到20 cm3，不僅解決了小體積的問題，還使功耗降低，可靠性提高，為測壓器的推廣起到了一定的促進作用。通過試驗驗證，該測試裝置可有效地滿足炮擊試驗等高沖擊、強烈振動場合的沖擊測試。

表1 試驗結(jié)果Tab 1 Test result

［1］ 李新娥，祖 靜，馬鐵華，等．用于火炮膛內(nèi)壓力測試的電容式傳感器的設(shè)計［J］．儀器儀表學報，2011，32（3）:640 －645．

［2］ 孔德仁，朱明武，申愛平，等．銅柱測壓器動態(tài)特性分析及計算機仿真［J］．火工品，2001（2）:27－30．

［3］ 孔德仁，朱明武．銅柱、銅球準動態(tài)校準的機理［J］．南京理工大學學報，2004，28（4）:375 －379．

［4］ 曾思敏，童偉民，焦化南．彈丸擠進過程的測試研究［J］．兵工學報，1991（4）:71－74．

［5］ 沙 龍．多層侵徹加速度及彈底壓力測試研究［D］．太原:中北大學，2010．

［6］ 沈建華．MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用［M］．北京:清華大學出版社，2004．

［7］ 秦 龍．MSP430單片機C語言應用程序設(shè)計實例精講［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2006:5．

［8］ 常 寬．倒置開關(guān)的研究［D］．太原:中北大學，2009．

［9］ 楊 艷，祖 靜，張 瑜．光電倒置開關(guān)及其可靠性研究［J］．電子測試，2011，1（1）:73 －77．

［10］聞利群，魯建霞，張同來．泡沫鋁和橡膠對測試儀器抗沖擊波緩沖能力的仿真研究［J］．彈箭與制導學報，2010，30（3）:223－225．