一種新型高量程微加速度傳感器侵徹測試

　　引言

　　高量程微機(jī)械壓阻式加速度傳感器在沖擊測試、軍用引信中運(yùn)用相當(dāng)廣泛。可靠性研究是微電子機(jī)械系統(tǒng) MEMS產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵，對于微加速度傳感器更是如此。由于應(yīng)用環(huán)境的特殊性，高量程微加速度傳感器必須具有極高的抗過載能力。目前，國內(nèi)研究MEMS器件抗過載能力主要停留在計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)測試?？紤]到測試實(shí)驗(yàn)無法充分測試傳感器在特殊環(huán)境下的性能，對該高量程加速度傳感器在侵徹環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，分別對混凝土靶及鋼靶進(jìn)行實(shí)彈侵徹，對比分析該傳感器在真實(shí)沖擊環(huán)境下的數(shù)據(jù)和抗過載能力，從而獲取可靠數(shù)據(jù)，為深入研究彈體侵徹過載特性提供依據(jù)。

　　2 微加速度傳感器結(jié)構(gòu)及封裝

　　圖1是高量程加速度傳感器模型截面圖，150 000 g為量程，一階固有頻率達(dá)300 kHz。梁寬和質(zhì)量塊一致，壓阻對稱放置于4梁根部，抑制了非對稱性結(jié)構(gòu)引起的橫向加速度的影響。整體為“田”字形結(jié)構(gòu)，單晶硅材料。中心的活動(dòng)質(zhì)量塊由十字梁懸浮連接到邊框上。邊框作為錨區(qū)鍵合在玻璃基底上。

　　3 實(shí)彈侵徹測試實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)用921A型鋼靶，其靶板厚26 mm，炮彈出膛速度為420 m／s。鋼筋混凝土靶體積為(2×2×1．5)m3，出膛速度為895 m／s。每發(fā)炮彈內(nèi)安裝有2個(gè)傳感器，一個(gè)為988傳感器，其靈敏度為0．341 pc／g；一個(gè)為帶測試傳感器。系統(tǒng)采樣率為200 kHz。利用130 mm口徑滑膛炮發(fā)射烯卵形頭部彈體，分別對鋼靶和鋼筋混凝土靶進(jìn)行垂直侵徹，如圖2所示。

　　圖3a是侵徹鋼靶觸靶過載曲線圖，兩條虛線對應(yīng)炮彈觸靶后有效過載(T=330μs)曲線，觸靶過載最小值為-106 391．2 g(t=065ms)，觸靶過載最大值為256646．5 g(t=0．270ms)。圖3b為侵徹鋼筋混凝土靶觸靶過載曲線圖，兩條虛線對應(yīng)炮彈觸靶后有效過載(T=700μs)曲線。可看到，侵徹混凝土靶過程中，傳感器已損壞，記錄的傳感器數(shù)據(jù)值負(fù)向峰值為-130 000 g。

　　對濾波后的侵徹鋼靶過載波形進(jìn)行一次和二次積分。得到彈體侵徹初速和位移(即侵徹深度)的時(shí)間曲線，分別如圖4a、b所示。為分析所測得數(shù)據(jù)的可靠性，對應(yīng)比較侵徹過載積分得到彈體速度有效位移和鋼靶實(shí)測彈速度實(shí)測位移，并比較兩傳感器測得的加速度值，濾波頻率為50 kHz，分析結(jié)果見表1。

　　從表1看出，該傳感器在侵徹鋼靶實(shí)驗(yàn)中，由所測過載波形一次積分所得的速度誤差為2．4％，二次積分所得位移誤差為9．1％，加速度值與988傳感器對比誤差為11．3％；具有良好的抗過載能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在侵徹混凝土靶實(shí)驗(yàn)過程中，傳感器出現(xiàn)梁斷裂現(xiàn)象。

　　4 結(jié)束語

　　研究高g值微加速度傳感器侵徹特性，對彈體的侵徹機(jī)理、武器戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)和遮彈技術(shù)等研究具有重要意義。該新型微加速度傳感器，在實(shí)彈侵徹實(shí)驗(yàn)中獲得有價(jià)值數(shù)據(jù)：(1)該高量程傳感器在侵徹鋼靶實(shí)驗(yàn)中可測得100 000 g以上的加速度值，誤差較?。?2)在侵徹鋼靶過程中，脈寬小，能量少，傳感器具有良好抗過載能力；在侵徹混凝土靶時(shí)，子彈初速度大，能量大，由于封裝原因，傳感器出現(xiàn)梁斷裂情況。(3)梁斷裂主要是由于封裝殼體在高過載情況下變形。所以，封裝方面需要進(jìn)一步改進(jìn)。