马英卓，祖 静

(中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原 030051)

火炮膛内动态压力是检验火炮炮膛强度、发射药性能和炮弹外弹道初速预测的重要参数，对于火炮的研发有重要的研究意义［1］。国内研制的电子测压器是一种可内置于火炮药室中，随火炮发射时，实时测量并记录火炮膛压变化规律的存储记录仪。面对高温、高压、强冲击振动、高过载的恶劣测试环境，电子测压器要求做到小体积、高强度、高可靠性［2］。小体积限制了内置电池的容量，而保温试验又要求电子测压器能连续工作2天～3天不断电，这就要求系统拥有较小的功耗。由于试验前电子测压器已固封在弹丸中，人无法对其手动启动，故需要一种智能开关实现无接触式控制。现有的倒置开关在使用中常出现误上电现象，影响了电子测压器的使用可靠性。为此，设计了一种新型智能倒置开关，可通过判断外界动作控制系统工作状态，并对系统能源进行管理、分配，有效降低了系统功耗，提高了电能使用率。

1 倒置开关现状

倒置开关是针对存储测试系统设计的一种不需要人为操作，具有延时功能，利用重力对物体产生的影响设计出来的单向转换开关［3］。目前已有的倒置开关有水银倒置开关、双球倒置开关、干簧管式倒置开关、电容式倒置开关和光电式倒置开关。

水银倒置开关是以水银做导电介质，水银被密封在真空壳体中。当壳体倒置水银下落与两个电极接触时，电路导通，即为存储测试系统上电。双球倒置开关是将两个大小不同的金属小球密封于壳体中，壳体作为其中一个电极，当壳体倒置小球接触到另一端的电极时，倒置开关为“开”状态。干簧管式倒置开关也称磁簧开关，由一对磁性材料制成的弹性簧片和玻璃管组成，管内充有惰性气体。使用时依靠调节磁铁与干簧管的距离来决定倒置开关的“开”与“关”。光电倒置开关内置发光二极管和光敏三极管，在“关”状态，内部的小钢球挡住透光孔；倒置此开关，小球滑落，光敏三极管接收到发光二极管的红外线后，输出有效信号［4］。

2 新型智能倒置开关的设计

2.1 传感器选择

在对动作感应元件进行选择时，除了要求其性能参数满足功能所需，还要从体积、功耗、抗冲击性等方面来考虑。飞思卡尔公司在2010年推出了一款3轴电容微机械数字加速度传感器MMA845x，此款加速度传感器有3 个量程±2gn/±4gn/±8gn，完全胜任缓慢动作的检测；工作时电流仅为6 μA，待机状态下电流为1.8 μA，在加速度传感器中属于功耗极低的一款，并且带有电源管理功能，支持睡眠模式；供电电压范围1.95 V～3.6 V，适合电子测压器此种低电压供电的系统；可检测多种动作，能够智能判断动作种类，带有正面/背面检测模式，符合倒置开关所需功能；补偿纠正寄存器还可以弥补安装造成的误差；数据通过I2C接口进行传输，协议简单、可靠；而其体积只有9 mm3，相对于其他同类产品属于小型款－40℃ ～+85℃的工作温度又令其能够满足现场环境要求［5－6］。图1是MMA845x结构框图。

图1 MMA845x加速度传感器结构框图

2.2 工作原理

进行测压器随弹保温时，令智能倒置开关与电子测压器进行电气连接，通过存储测试电路为其提供电源和初始化配置，令控制电路处于值更状态，智能倒置开关处于激活状态；正式试验前5 min，利用翻弹机将弹丸倒置1 min(弹丸前端朝下)，智能倒置开关检测外界动作，判断满足倒置条件，即向控制电路发出上电中断信号，开启电子测压器的采样模块，使其进入全工作状态，随后智能倒置开关进入待机模式。图2为智能倒置开关运用于电子测压器的原理框图。图3(a)是智能倒置开关在电子测压器中的安装位置，3(b)是电子测压器随弹丸保温的姿势，3(c)是开启电子测压器采样模式的上电姿势。

图2 智能倒置开关的应用原理框图

图3 智能倒置开关的使用示意图

3 防误上电设计

倒置开关作为能量管理的关键组件，对电子测压器能否顺利完成火炮膛压的获得起着重要的作用。倒置开关对存储测试系统进行可靠上电，是电子测压器使用可靠性和稳定性的重要体现。为了防止在运输过程中车辆颠簸或人为误操作等造成的误上电，智能倒置开关采取双重判断机制对上电条件进行判断。

倒置开关使用了MMA845x的正面/背面模式检测，当令加速度计从正面(z轴重力为1gn)旋转115°，便默认加速度计的姿态是背面。在现场试验时，此过程就是将弹丸前端从竖直向上转向地面。由于115°在装配弹丸的过程中很容易不小心达到，故当加速度计默认为背面时，膛内压力计的主控芯片通过I2C读取加速度计z轴重力值，连续20 s内判断此值都小于－0.8gn，则认为是上电动作。为进一步降低功耗，提高可靠性，设计先利用加速度计的防抖动功能进行10 s的判断，延时输出中断信号，主控芯片接收到中断信号后才开启I2C通信［7－8］。图4是智能倒置开关的姿态与z轴所受重力值的关系示意图。

图4 智能倒置开关3轴方向示意图(侧视图)

4 抗冲击检测

炮弹发射过程中会产生上万gn的冲击过载，智能倒置开关运用在电子测压器中要能承受高过载的冲击振动，才能保证使用的可靠性［9］。利用常规的发射过载模拟装置——马歇特冲击锤进行抗冲击检测试验。试验时将倒置开关和标准传感器固定在马歇特锤上，从MMA845x的芯片资料所提供的最大承受加速度值5 000gn开始测试，逐渐增加冲击强度，每个量程进行2次冲击试验，冲击后将智能倒置开关与膛内压力计的控制电路联通，倒置5次，检验倒置开关能否正常工作［10－12］。

试验结果表明，马歇特锤的齿数在24齿时，冲击加速度大概在30 000gn，智能倒置开关在此冲击下仍可以正常工作，工作性能没有发生明显变化，验证了其在高过载环境下的生存能力。图5为马歇特锤冲击试验中标准传感器输出的结果。

图5 马歇特锤冲击试验结果

5 各种倒置开关性能对比

表1列出了各倒置开关的性能对比结果，可以看出水银倒置开关结构简单、使用简便，但由于壳体是玻璃材料，不抗冲击，且水银在低温－39.7℃就凝结成固态，使其与电极的接触导电性变差。双球倒置开关具有较好的低温特性，抗冲击，但对加工精度要求太高，且体积较大，使用可靠性也不够好。干簧管式倒置开关则存在滑块氧化不能正常滑动的问题。光电式倒置开关具有较好的使用性能，但也会出现因加工毛刺阻碍小钢球滑动，影响有效信号输出的现象。智能倒置开关不仅具有良好的低温特性和重复性，在体积、功耗和抗冲击性方面也略胜一筹，并且由于其的智能化，令使用可靠性大大增强。

表1 各种倒置开关的性能对比表

6 实测结果

国军标GJB2973A—2008要求放入式电子测压器上电前等待的时间不小于72 h；上电后待触发时间在常温和高温下不小于4 h，在低温下不小于1 h；数据保持时间不小于1 h。对装有智能倒置开关的电子测压器分别做－40℃和55℃保温72 h的试验和不保温试验，检测、记录其在不同工作状态下的功耗，和其在不同试验环境下的总工作时间保守值。试验结果显示，装有智能倒置开关的电子测压器在不保温情况下，在待触发态和数据保持态能坚持8.5 h以上；进行72 h零下40℃的保温后，在常温环境中待触发态和数据保持态能坚持5.5 h以上；进行72 h零上55℃ 保温后，在常温环境中待触发态和数据保持态能坚持8 h以上。符合国军标的要求，可以保证弹丸保温试验的顺利进行。表2抽样显示了试验结果。

表2 电子测压器总功耗及工作时间抽样检测表

7 结论

针对电子测压器微小体积和超低功耗的要求，为解决进行测试试验时无法接触上电的问题，设计了以数字加速度计为主体的智能倒置开关。该智能倒置开关相较以往的倒置开关具有小体积、低功耗、抗冲击、宽温度范围、可灵活编程等特点，在电池容量一定的情况下，智能倒置开关的运用延长了电子测压器的工作时间，为膛压测试试验的成功提供了必要的保障。

［1］王卿.放入式电子测压器的智能化设计及校准技术研究［D］.太原:中北大学，2011

［2］Zu Jing，Zhang Zhijie，Chen Anshi，et al.New Concept Dynamic Testing and Calibration Techniques［C］//Proceeding of MSC，USA，2006:1663－1666

［3］常宽.倒置开关的研究［D］.太原:中北大学，2009

［4］裴东兴，张红艳，张瑜，等.微型开关［P］.中国，发明专利，ZL201010118052.0，2010－02

［5］MMA8453Q Data Sheet:Technical Data［Z/OL］.http://www.freescale.com.cn/Products/sensors/MMA8453Q.asp，2010－10

［6］王鹏，黄冰，陈婷.基于MMA7455L加速度鼠标的研究［J］.传感技术学报，2010，23(7):1044－1048

［7］Jesus Lazaro，Armando Astarloa，Aitzol Zuloaga，et al.I2CSec:A Secure Serial Chip-to-Chip Communication Protocol［J］.Journal of Systems Architecture，2011，57(2):206－213

［8］Jonathan Soen，Alina Voda，Cyril Condemine.Controller Design for a Closed-Loop Micromachined Accelerometer［J］.Control Engineering Practice，2007，15(1):57－68

［9］Zu Jing，Lin Zusen，Fan Jingbiao，et al.Study on Calibration Technique of High Impact Acceleration Sensors［C］//Proceedin g of MSC，USA，2008

［10］Liu Jun，Shi Yunbo，Li Ping，et al.Experimental Study on the Package of High-gAccelerometer［J］.Sensors and Actuators A:Physical，2012，173(1):1－8

［11］鲍爱达，徐晓辉，张英祥，等.微加速度计固有频率的推导及验证［J］.传感技术学报，2008，21(6):989－99

［12］Robert Kuells，Siegfried Nau，Manfred Salk，et al.Novel Piezoresistive High-gAccelerometer Geometry with Very High Sensitivity-Bandwidth Product［J］.Sensors and Actuators A:Physical，2012，182:41－48.