降低加速度信號粘連的傳感器二次封裝材料

張海濤，張　康，李朝陽，徐蓬朝

(西安機電信息技術(shù)研究所，西安　710065)

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降低加速度信號粘連的傳感器二次封裝材料

張海濤，張康，李朝陽，徐蓬朝

(西安機電信息技術(shù)研究所，西安710065)

摘要：針對戰(zhàn)斗部高速侵徹多層硬目標時，時域內(nèi)出現(xiàn)的加速度信號粘連影響引信計層準確性的問題，提出通過傳感器二次封裝降低侵徹計層信號粘連，而選擇灌封材料的原則是提高振動模型的阻尼比；彈性模量相對較高、阻尼系數(shù)與剛度系數(shù)比值較大的灌封材料可以獲得更高的阻尼比；仿真及試驗表明：與石蠟相比，用環(huán)氧樹脂灌封使振動模型阻尼比增大，戰(zhàn)斗部高速侵徹多層硬目標時加速度信號衰減迅速、信號粘連程度降低，實現(xiàn)引信計層準確性的提高。

關(guān)鍵詞：引信；傳感器；信號粘連；二次封裝；阻尼比

本文引用格式：張海濤，張康，李朝陽，等.降低加速度信號粘連的傳感器二次封裝材料[J].兵器裝備工程學報，2016(7):37-41.

Citation format:ZHANG Hai-tao, ZHANG Kang, LI Zhao-yang, et al.Secondary Packaging Materials to Reduce the Acceleration Sensor Signal Blocking[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(7):37-41.

計層起爆控制是硬目標侵徹引信起爆控制方式之一，工作原理是用高g值加速度傳感器測取戰(zhàn)斗部侵徹加速度時間歷程，實時計算加速度信號，利用加速度信息判斷戰(zhàn)斗部著靶、出靶，實現(xiàn)計層。

在彈丸侵徹速度高于600 m/s時，侵徹過載淹沒在高頻振蕩信號中，彈丸侵徹下一層靶標時應(yīng)力波未完全衰減，使加速度信號在前一層與后一層之間相互粘連，分層特性不明顯。文獻[1]提出基于小波包絡(luò)分解的多層侵徹信號分析及處理方法，基于小波變換的沖擊振動時頻特征分析，可以給出所侵徹的目標層信息，但該方法僅在數(shù)據(jù)后期處理中實現(xiàn)，且處理器配置要求較高。文獻[2]提出一種基于加速度傳感器和MEMS開關(guān)信號融合的計層算法，消除彈丸高速侵徹過程中加速度信號受應(yīng)力波等干擾影響造成分層特性不明顯或信號異常產(chǎn)生的計層誤差。文獻[3]提出調(diào)整加速度計的阻尼，可以消弱諧振現(xiàn)象，但加速度計阻尼較小時其響應(yīng)信號諧振情況嚴重，幅值誤差大。文獻[4]研究了灌封材料對壓阻式高g值加速度傳感器動態(tài)特性的影響，指出彈性模量大于2 GPa的環(huán)氧樹脂是適于壓阻式高g值加速度計的二次灌封材料，但沒有研究傳感器二次封裝材料與侵徹多層硬目標時加速度信號粘連的內(nèi)在聯(lián)系。綜上所查閱的文獻，信號融合方法能解決問題，但對經(jīng)濟性和產(chǎn)品小型化不利，時域內(nèi)出現(xiàn)的加速度信號粘連沒有消除或降低，加速度信號粘連影響引信計層準確性的問題解決不徹底。針對戰(zhàn)斗部高速侵徹多層硬目標時，時域內(nèi)出現(xiàn)的加速度信號粘連影響引信計層準確性的問題，提出通過傳感器二次封裝降低侵徹計層信號粘連的途徑，而選擇灌封材料的原則是提高振動模型的阻尼比。

1芯片級封裝傳感器及動態(tài)特性

1.1壓阻式傳感器結(jié)構(gòu)

壓阻式加速度傳感器是基于單晶硅的壓阻效應(yīng)制成，具有上升時間短、固有頻率高的特性，在沖擊、爆炸、高速碰撞等環(huán)境中使用廣泛。其工作原理是當傳感器內(nèi)的質(zhì)量塊受到慣性力的作用時，梁受壓發(fā)生變形，對稱布置在四根梁端部的壓敏電阻的電阻率隨之按一定規(guī)律變化，傳感器的輸出電壓會因質(zhì)量塊的慣性力不同而隨時改變。壓阻式加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，這種傳感器也稱為芯片封裝傳感器，其外部用不銹鋼管殼封裝[4]。

圖1　壓阻式加速度傳感器結(jié)構(gòu)

1.2影響芯片級封裝傳感器動態(tài)特性的阻尼比

文獻[4]中針對芯片級封裝傳感器建立等效數(shù)學模型是二階系統(tǒng)絕對式模型，如圖2所示。

圖2　芯片級封裝傳感器等效模型

假設(shè)基座受沖擊后相對于大地的運動位移x，質(zhì)量塊相對于基座的運動位移為y，則質(zhì)量塊相對于大地參考系的運動位移z=x+y，依據(jù)牛頓第二定律可得：

(1)

其中：c為阻尼系數(shù)，m為質(zhì)量塊的質(zhì)量，k為彈性元件的剛度系數(shù)。

f(t)代表加速度傳感器的實際輸入，即基座的加速度d2x/dt2，在此將沖擊信號近似為半正弦脈沖信號。激勵加速度均可近似為半正弦脈沖信號[4]：

(2)

(3)

依據(jù)單位脈沖激勵的沖擊響應(yīng)，阻尼比不同時，理論計算得到的沖擊響應(yīng)曲線如圖3所示，可以看出阻尼比不同時，沖擊響應(yīng)幅值和信號衰減速率有很大差異。當傳感器的阻尼比在0.1～0.25時，響應(yīng)信號幅值持續(xù)降低，自由振動部分的衰減速率加快，系統(tǒng)自由振動部分的能量降低，系統(tǒng)穩(wěn)定時間縮短，從而明顯改善加速度計的動態(tài)特性[4，6]。

圖3　單位脈沖激勵信號響應(yīng)曲線

1.3加速度信號粘連機理

戰(zhàn)斗部侵徹多層硬目標時，第一層目標侵徹后，傳感器獲得初始激勵，戰(zhàn)斗部穿靶后傳感器在初始激勵后加速度信號逐漸衰減，傳感器自身還沒有達到穩(wěn)定狀態(tài)時，第二層靶侵徹開始，此時傳感器的第一層穿靶激勵的響應(yīng)與第二層穿靶激勵的響應(yīng)疊加在一起，前兩層靶侵徹加速度信號粘連在一起，有效層信號包絡(luò)淹沒在高頻振蕩信號中，分層特性不明顯。加速度信號粘連的本質(zhì)原因是戰(zhàn)斗部侵徹多層硬目標工況特殊，引信內(nèi)的加速度傳感器要在極短時間內(nèi)經(jīng)受多次連續(xù)沖擊。由于彈速較高、層間距較小、傳感器自身阻尼不足，致使加速度信號在戰(zhàn)斗部穿相鄰兩層靶之間的空檔時信號來不及衰減至穩(wěn)定狀態(tài)，下一層靶的侵徹就開始了，在整個時域內(nèi)出現(xiàn)加速度信號粘連。

2降低加速度信號粘連的傳感器二次封裝材料

2.1高g值壓阻式加速度傳感器二次封裝

侵徹引信內(nèi)置高g值壓阻式加速度傳感器，為實現(xiàn)其計層起爆功能，起爆控制電路實時采集加速度傳感器的輸出信號，用采集的加速度信息判斷戰(zhàn)斗部是否著靶、出靶，實現(xiàn)計層。用環(huán)氧樹脂灌封傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖4所示，國產(chǎn)壓阻式高g值加速度傳感器均為芯片級封裝，需要在PCB板上匹配適配放大電路，傳感器自身有4個引腳，引出4根線連接到PCB板上，傳感器和PCB板分別灌封到獨立的腔室內(nèi)。傳感器二次封裝方法是將芯片級封裝傳感器用彈性模量相對較高、阻尼系數(shù)與剛度系數(shù)比值較大的材料，用專用工裝將芯片級封裝傳感器固定到鋁本體預(yù)制孔內(nèi)，傳感器底面與預(yù)制孔底面保持一定距離，用環(huán)氧樹脂灌封到鋁本體預(yù)制孔內(nèi)，孔內(nèi)壁預(yù)制細牙螺紋以增大環(huán)氧樹脂附著力。傳感器用環(huán)氧樹脂灌封后，傳感器振動模型的阻尼比會改變，傳感器的幅頻特性發(fā)生改變，其工作頻帶降低。

圖4　傳感器二次封裝結(jié)構(gòu)原理圖

2.2提高振動模型阻尼比降低加速度信號粘連

灌封后的加速度傳感器本質(zhì)是二階線性系統(tǒng)，建立其等效力學模型，進行計算分析。將灌封材料的非線性緩沖簡化為基礎(chǔ)激勵，灌封后的傳感器系統(tǒng)等效為由芯片級傳感器和灌封材料組成的二自由度系統(tǒng)，灌封后傳感器等效力學模型如圖5所示。ma、ka、ca為芯片級封裝加速度傳感器的慣性質(zhì)量、剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)。高g值加速度傳感器的自身阻尼ca相對較小，計算時忽略。mc、kc、cc分別為外部灌封材料的等效質(zhì)量、剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)。xa加速度傳感器芯片的絕對位移，xc灌封材料的絕對位移，z加速度傳感器芯片的慣性質(zhì)量ma相對于灌封材料質(zhì)量mc的位移，θ，ψ初始相位角。

圖5　灌封后傳感器等效力學模型

侵徹引信中使用的高g值壓阻式加速度傳感器動態(tài)性能指標有上升時間tr、峰值時間tp、穩(wěn)定建立時間ts，和超調(diào)量σ等。圖6是加速度傳感器的時域內(nèi)的動態(tài)響應(yīng)曲線，其中上升時間tr反映傳感器響應(yīng)速度的快慢，ts是指傳感器受激勵后穩(wěn)定信號建立時間。引信內(nèi)部使用環(huán)氧樹脂灌封傳感器，傳感器灌封后的傳感器振動模型的阻尼比灌封前傳感器自身的阻尼比大，縮短傳感器動態(tài)指標中的穩(wěn)定信號建立時間ts，降低了戰(zhàn)斗部侵徹多層硬目標時加速度信號粘連，同時降低傳感器共振的振幅。

圖6　加速度傳感器時域動態(tài)響應(yīng)

3驗證

3.1理論分析

灌封后的加速度傳感器等效力學模型為二自由度振動系統(tǒng)，等效模型見圖5。該振動系統(tǒng)兩個不同的自由振動頻率。當加速度傳感器的基礎(chǔ)位移輸入y=y0sinωt。

系統(tǒng)的運動方程組：

(4)

通過求解系統(tǒng)的運動方程組，可得芯片質(zhì)量m的動態(tài)響應(yīng)：

(5)

解算式(5)，可以得到灌封后加速度傳感器系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性：

灌封后傳感器振動模型的阻尼比μ是阻尼系數(shù)與臨界阻尼系數(shù)的比值，反映的是振幅按指數(shù)規(guī)律衰減效率。阻尼比μ增大，可以使式z(t)中的第一項衰減加快，縮短傳感器激勵后到達穩(wěn)定狀態(tài)的時間，同時也能降低z(t)幅值。

依據(jù)式(6)給出的灌封后的加速度傳感器系統(tǒng)的幅頻特性函數(shù)，灌封材料為環(huán)氧樹脂，令β=0.5，δ=γ/6，阻尼比μ取不同值時，仿真得到灌封后傳感器系統(tǒng)幅頻特性曲線如圖7所示。

由圖7可以看出，阻尼比對傳感器系統(tǒng)幅頻特性的曲線影響較大，即灌封材料的特性參數(shù)對系統(tǒng)幅頻特性的影響較大。灌封前芯片級封裝傳感器的幅頻特性只有一個諧振峰。灌封后二次封裝的傳感器有兩個諧振峰值，隨著阻尼比值由小到大不斷的變化，曲線的第一諧振峰值明顯也在逐漸降低，第二諧振峰值變化不大。對于二次封裝傳感器，外界激勵信號的頻率等于傳感器的固有頻率時系統(tǒng)并不發(fā)生共振，而是在其接近整個二次封裝傳感器的諧振頻率時，才會出現(xiàn)共振現(xiàn)象。灌封后傳感器的第一諧振點往左移動，第二諧振點往右移動，傳感器幅頻特性曲線的平直段范圍縮小，工作頻帶降低。

圖7　不同阻尼比時傳感器的幅頻特性

3.2侵徹多層硬目標仿真

選用不同灌封材料對芯片級封裝傳感器進行灌封，侵徹多層硬目標時，傳感器響應(yīng)信號的衰減特性不同。通過式(5)分析表明彈性模量相對較高、阻尼系數(shù)與剛度系數(shù)比值較大的材料對傳感器進行灌封，可以提高灌封后傳感器振動模型的阻尼比。由于芯片級封裝傳感器的模型復(fù)雜，傳感器在仿真模型中用等效質(zhì)量模塊代替，PCB板灌封腔室與傳感器灌封腔室先互獨立，互不影響，忽略了PCB板灌封腔室部分的建模。引戰(zhàn)仿真模型中引信傳感器安裝位置及灌封結(jié)構(gòu)如圖8所示。

建立侵徹多層硬目標仿真模型，用LS-DYNA軟件進行仿真，引戰(zhàn)仿真模型如圖9所示。

圖8　傳感器安裝位置及灌封結(jié)構(gòu)

圖9　引戰(zhàn)仿真模型

仿真模型中戰(zhàn)斗部初速650 m/s。戰(zhàn)斗部殼材料為30CrMnSi鋼，選用雙線性隨動塑性材料模型；引信殼、壓螺材料為鈦合金，選用JOHNSON-COOK材料模型；封裝體和配重模塊的材料和傳感器的材料均為硬鋁2A12，均選用隨動塑性材料模型；灌封材料選擇石蠟與環(huán)氧樹脂以便于對比，選用線彈性材料模型。8層鋼筋混凝土靶，層間距3 m，厚度0.3 m，混凝土抗壓強度40 MPa，選用J-H-C模型。環(huán)氧樹脂與鋁本體之間采用共節(jié)點連接方式模擬增強附著力的螺紋結(jié)構(gòu)。在其他條件不變的情況下，在引戰(zhàn)模型中調(diào)整灌封材料參數(shù)，為對比不同封裝材料即石蠟與環(huán)氧樹脂，兩種條件下進行仿真，仿真結(jié)果如圖10和圖11。

圖10　石蠟封裝傳感器的仿真結(jié)果

圖10是石蠟灌封傳感器的仿真結(jié)果，彈丸在連續(xù)侵徹多層靶所形成的層與層之間的侵徹過載包絡(luò)不清晰，層與層之間的加速度信號發(fā)生相互粘連。由于彈速較高、層間距較小、灌封材料阻尼比小，致使加速度信號在戰(zhàn)斗部穿越層層衰減慢，侵徹過載層次不清晰，出現(xiàn)加速度信號粘連。

圖11　環(huán)氧樹脂封裝傳感器的仿真結(jié)果

圖11是環(huán)氧樹脂灌封傳感器的仿真結(jié)果，彈丸在侵徹每一層靶板時，其所形成的層與層之間的侵徹過載包絡(luò)較為清晰，侵徹過載曲線特征層次比較分明，與石蠟灌封傳感器仿真結(jié)果相比，層與層之間加速度信號相互粘連程度降低。

3.3沖擊試驗

選用不同的灌封材料對芯片級封裝傳感器進行灌封，灌封后傳感器的阻尼比不同，傳感器的沖擊響應(yīng)信號的衰減速率也不同。與石蠟相比，環(huán)氧樹脂的彈性模量相對較高、阻尼系數(shù)與剛度系數(shù)比值較大，為驗證環(huán)氧樹脂是否適合對傳感器進行灌封，與石蠟灌封材料做對比。

選用量程3萬g，抗過載能力5萬g，靈敏度3．5 μV/g，諧振頻率250 kHz的壓阻式高g值加速度傳感器，傳感器灌封后放入引信殼體內(nèi)，引信殼體通過底部的外螺紋與錘頭連接，用馬歇特錘擊設(shè)備進行沖擊試驗。具體試驗方法是沖擊過程中的加速度數(shù)據(jù)的采集存儲由數(shù)據(jù)采集存儲模塊負責，加速度傳感器灌封到鋁本體內(nèi)，用壓螺壓緊，然后與錘頭連接，將馬歇特錘齒數(shù)設(shè)置在8齒釋放后錘頭與鐵砧產(chǎn)生碰撞，被試產(chǎn)品的安裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖12所示。

圖12　被試產(chǎn)品安裝示意圖

用石蠟灌封的加速度傳感器，在8齒條件下進行沖擊試驗，試驗結(jié)果如圖13所示，加速度傳感器的響應(yīng)信號中有比較明顯諧振現(xiàn)象，從18 000g衰減至4 000g歷時140 ms，衰減至2 000g歷時350 ms，衰減速率較慢。

圖13　石蠟封裝傳感器的試驗結(jié)果

用環(huán)氧樹脂灌封的加速度傳感器，在8齒條件下進行沖擊試驗，試驗結(jié)果如圖14所示，響應(yīng)信號有較小的諧振現(xiàn)象。從17 000g衰減之4 000g歷時30 ms，衰減至2 000g歷時60 ms。與圖13試驗結(jié)果相比，加速度傳感器響應(yīng)信號的衰減速率明顯加快。

圖14　環(huán)氧樹脂封裝傳感器的試驗結(jié)果

對比圖13和圖14的試驗數(shù)據(jù)，盡管兩次試驗中傳感器響應(yīng)信號的幅值特性不完全相同，但加速度傳感器響應(yīng)信號的衰減速率差異明顯，環(huán)氧樹脂灌封的傳感器響應(yīng)信號衰減特性優(yōu)于石蠟灌封的傳感器。

4結(jié)論

本文提出通過傳感器二次封裝來降低侵徹計層信號粘連的途徑，而其中選擇灌封材料的原則是提高振動模型的阻尼比。該方法是用彈性模量相對較高、阻尼系數(shù)與剛度系數(shù)比值較大的環(huán)氧樹脂材料，用專用工裝將芯片級封裝傳感器固定到鋁本體預(yù)制孔內(nèi)，傳感器底面與預(yù)制孔底面保持一定距離，用環(huán)氧樹脂灌封到鋁本體預(yù)制孔內(nèi)，孔內(nèi)壁預(yù)制細牙螺紋以增大環(huán)氧樹脂附著力。芯片級封裝傳感器用環(huán)氧樹脂灌封后，傳感器振動模型阻尼比增大，加速度信號的衰減加快，動態(tài)響應(yīng)指標中的穩(wěn)定建立時間縮短。仿真及試驗表明：與石蠟相比，用環(huán)氧樹脂灌封使振動模型阻尼比增大，戰(zhàn)斗部高速侵徹多層硬目標時加速度信號衰減迅速、信號粘連程度降低，實現(xiàn)引信計層準確性的提高。

由于試驗成本較高，傳感器灌封材料的差異性及何種灌封料效果最佳，還需進一步通過大量試驗來驗證。

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(責任編輯周江川)

收稿日期：2016-02-18；修回日期：2016-03-02

作者簡介：張海濤(1982—)，男，工程師，主要從事機電引信技術(shù)研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.009

中圖分類號：TP274

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)07-0037-06

Secondary Packaging Materials to Reduce the Acceleration Sensor Signal Blocking

ZHANG Hai-tao, ZHANG Kang, LI Zhao-yang, XU Peng-zhao

(Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China)

Abstract:For the problem that acceleration signal appears in time domain impacts accuracy issue of blocking layer of fuze meter when warhead penetrated multi-warhead hard targets in high-speed, the second package of the sensor was proposed to reduce meter penetration adhesion layer signal, and the selection potting material principle was to improve the damping ratio of the vibration model. The modulus of elasticity is relatively high and potting material with large damping and stiffness coefficient ratio can achieve higher damping ratio. Simulation and experiments show that: compared with paraffin, the vibration model damping ratio increases with epoxy potting, and the acceleration signal attenuation rapidly when warhead penetrated multi-warhead hard targets in high-speed, and the degree of adhesion signals is reduced, which realizes the improvement of accuracy of fuze meter level.

Key words:fuze; sensor; signal blocking; the second package; damping ratio

【裝備理論與裝備技術(shù)】