赵小龙，马铁华 ，范锦彪

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

弹体侵彻硬目标过程中，弹载电子仪器承受了高g值加速度冲击作用［1－3］，目前国内外常用的高g值加速度计有压电式和压阻式两类［4］。国外(以美国Sandia国家实验室为例)用于高速侵彻试验的加速度计较多选用Endevco－7270系列压阻式高g值加速度计，这是由于压阻传感器具有良好的低频响应性能和极高的装配谐振频率［5－7］。国内则以使用压电加速度计为主，如兵器工业204研究所生产的988加速度计，这主要是因为压电加速度计坚实耐用。采用压缩和剪切振动两种工作模式压电加速度计结构原理图如图1～图3［8］所示。

在高冲击加速度环境中，压电式高g值冲击加速度测量时，经常会出现所谓的“零漂”现象。压阻式加速度计经常发生断裂失效。加速度计(无论是压电式或压阻式)在高g值环境中会发生各种形式的失效。主要失效模式有:外壳脱开、内部结构断裂、导线断裂或短路等。加速度计信号导线是连接传感器和电路模块的通道，加速度计输出的模拟信号只有通过导线才能到达电路模块进行存储记录，在侵彻过程中，导线可能受到某种方式的挤压和磨损，造成短路。这些都将使加速度信号无法获取，直接导致试验失败。所以这里对加速度计的失效特性的研究显得尤为重要。

图1 压缩型结构

图2 剪切型结构

图3 硅悬壁梁结构

1 零漂机理及降低零漂的措施

1.1 高g值加速度计的零漂机理

在使用压电式高g值冲击加速度测量时，经常会出现所谓的“零漂”现象。零漂定义为:当冲击运动结束时，电信号输出不是立刻回到基线。图4是我们最近测得的加速度—时间历程曲线其中的一条。正常的测试曲线应该在6 ms～9 ms即回零，而该曲线却没有立即回零。在随后的积分求速度、侵彻深度时，积分面积增大，这直接导致速度、侵彻深度不准确。尤其对多层靶侵彻试验，前一层靶侵彻时加速度信号的零漂将直接影响后一层靶的加速度信号的幅值。

图4 加速度－时间历程曲线

加速度传感器零漂规律研究:利用适当的缓冲系统(图5)，使加速度传感器安装基座被撞击到高幅值加速度后(可能引起零漂和灵敏度改变)，再缓慢降低到零加速度。在这一过程中，采用一套激光干涉仪记录安装基座的加速度，同时采用外置拉线的方式，用采集卡记录加速度的信号，比较这两个加速度信号，可对加速度传感器零漂规律研究。

图5 加速度传感器零漂规律研究

目前认为产生零漂的物理机理有以下几个方面:

(1)敏感材料的过应力 用于压电加速度传感器敏感元件的压电材料可分为两类:天然和人工合成石英、压电陶瓷(包括钛酸钡 BaTio3、锆钛酸铅等)。压电元件承受过大的应力，部分极化的“电畴”将返转回以前的状态，继而导致零漂。研究表明:低矫顽材料在经受较大的冲击或瞬态温度变化时，电场较易发生变化并导致零漂，实验表明:电畴的方向将随着应力、电磁场及温度的改变而达到新的平衡。

(2)元件的物理移动 通常的冲击加速度计的结构有两种。图1为压缩类型，这类加速度计需要预紧载荷以产生线性输出。当压电元件承受高g值冲击时，应力波通过基座传入振动单元，形成的拉伸波可能超过预紧力，在这种松弛的状态下，连接部件之间将产生小的相对运动，这种滑动将导致虚假的输出(零漂)；图2为一种环形剪切型的冲击加速度计，这种结构无需预载荷，抗环境干扰(主要指瞬变温度)能力强。

(3)电缆噪声 高阻抗加速度计输出的电荷信号较弱，容易受到干扰；同轴电缆本身也会对零漂带来影响，质量差的电缆在承受高冲击时，由于静电摩擦效应将产生足够多的伪噪声。

(4)基应变引起的零漂 压缩型结构的加速度计往往具有较大的基应变灵敏度，由于微应变可以导致预载荷的改变，继而导致内部元件的移动而产生一定的零漂。

1.2 降低零漂所采取的措施

因为在高g值加速度测试时，加速度计都是采用螺纹刚性安装的方式，任何外部缓冲的方式将改变加速度计的工作频带。目前主要是选择合适的传感器，避免或减小零漂。具体的选用原则如下。

(1)应尽量选用以天然石英晶体为压电元件的加速度计。压电加速度计是以压电材料(石英晶体和压电陶瓷)为转换元件，因为天然石英经历了亿万年的长时间老化，其介电常数、压电系数、线性和重复性均较人造石英更为稳定。在高量程的压电加速度计中，压电元件具有较大的刚度系数，位移较小。且石英晶体热释电系数小，温度的变化引起极化状态改变小。所以在高g值冲击环境下宜采用天然石英为敏感元件的压电式加速度计避免零漂。基座、质量块应选用弹性模量高的材料，从而提高传感器的谐振频率，降低电畴偏转。可使用压阻式加速度计，它一般不会出现零漂现象。

(2)避免使用以低矫顽力铁电晶体陶瓷(如锆钛酸铅)为敏感元件的加速度计，从而降低电畴偏转。避免选择预紧螺栓压缩结构设计的加速度计，减轻传感器各部分元件之间的物理移动。剪切型结构、具有高矫顽力的铁电陶瓷的加速度计更适合高冲击测试。

(3)普通的屏蔽线不宜使用，需采用专用的低噪声同轴射频电缆，其内的绝缘层和屏蔽层之间涂有减磨材料硅油和导电石墨层，可以有效防止电缆振动和弯曲而产生的摩擦生电效应，从而减少电缆噪声。

(4)避免基座应变的影响，应尽量选择剪切式的加速度传感器，与压缩性相比，其压电元件与基座无直接接触，所以影响很小。压缩性加速度计可以采用基座隔离技术，减小基座由于变形而产生的附加输出信号。

2 机械滤波器对加速度计的保护

在高冲击加速度环境中，压阻式加速度计经常发生断裂失效［9－10］，压电式加速度计也存在零漂，为了解决这些问题，美国Sandia国家实验室和我国核工业部一院［11］二所采用了机械滤波器对加速度计进行保护。其中Sandia采用是“内置式”，而核一院则采用“外置式”。机械滤波器与电子滤波器的情况不同，后者是把加速度计输出信号中的高频成分滤去，而前者则是先将输入信号的高频分量大幅衰减后再传到加速度计。

为了消除应力波传播对加速度计的影响，在弹体和加速度计之间安装“机械滤波器”，如图6所示，利用橡胶(ρ=0.93×103kg/m3，c=46 m/s)等弹性阻尼材料的波阻抗(ρc)远小于弹体材料钢(ρ=7.83×103kg/m3，c=5 190 m/s)的波阻抗，反射大部分应力波，有效地阻止应力波传给加速度计。

图6 带机械滤波器的加速度计力学模型

图6中m1为加速度计基座、外壳和机械滤波器安装块的总质量；m2为加速度计的惯性质量；k1，c1为机械滤波器弹性材料的刚度、阻尼系数；k2为加速度计刚度系数，压电加速度计的阻尼很小，可以忽略不计。Z=X2－X1为m2相对于m1的位移安装机械滤波器后，加速度计的幅频特性:

压电晶体片在其端面产生的电荷为Q=dKZ，d为压电系数；K为压电晶体的刚度系数；Z为压电晶体的压缩位移。由式(1)可知，当γ=1时，系统不发生共振，系统的第1共振点左移，幅频曲线的平直段范围减小，移动的多少与β和μ的大小有关；第2共振点右移，这就降低了加速度计的工作频带范围。

因为钻地弹的基频都比较低，所以安装了机械滤波器的ENDEVCO—7270A系列加速度计被用来测试弹体侵彻过程的刚体加速度是可行的。但对于测量引信动态特性、考核弹载电子装置的抗冲击性能时，需要获得加速度计对安装点的高频响应，这时需要分析所关心的高频成分是否在加速度计降低后的频率范围内，若超过该范围则不能使用。

3 ENDEVCO—7270压阻式加速度计的失效分析

加速度计(无论是压电式或压阻式)在高g值环境中会发生各种形式的失效。主要失效模式有:外壳脱开、内部结构断裂、导线断裂或短路等，导致试验失败。压电式加速度计除了容易发生零漂外，坚实耐用。所以主要讨论压阻式加速度计的失效问题。

我们曾经应用压阻式加速度计测量了某弹丸的发射、飞行过程的冲击加速度。其膛内冲击加速度幅值为18 000gn，作用时间为11 ms，飞行过程中尾翼张开时的冲击加速度约为700gn，脉冲宽度约为0.1 ms，且为多次冲击；弹丸落地时承受幅值约为18 000gn、脉宽约为数毫秒的反向冲击加速度。采用的加速度计为美国Endevco公司的7270A－20K型加速度计，其过载指标为60 000gn，谐振频率为350 kHz。为了模拟冲击环境，把加速度计安装在一个直径为35 mm，长为50 mm的钢制圆柱体的端部，用力锤敲击另一端。锤击力可以简化为半正弦脉冲，冲击脉宽为 0.1 ms，幅值为 2 250 N，可用式(2)表示。

在调试和实弹测试中，有两个加速度计失效于实弹测试；有一个经两次实弹测试后失效于模拟试验；另一个未经实弹测试就在模拟试验中失效。解剖了其中两个加速度计，发现一枚的为一个敏感悬臂断裂，另一枚的敏感悬臂虽未断裂，但已使应变片损坏［12］。

最终认为此次失效的原因是由于发生疲劳断裂，其原因是敏感臂表面质量不高［12］。

Sandia实验室与Endevco公司合作对Endevco7270A和Endevco7270AM4进行了冲击试验。实验采用是钛合金Hopkinson杆，冲击载荷幅值由应变片和激光多普勒测速仪共同测试。7270AM4加速度计仅有一个获得测试数据，其它的都因共振而失效，冲击结束后发现两种加速度计的安装螺栓松动，这可能是产生共振的原因。1998年6月Endevco公司对27个7270A(平面结构)进行了失效分析，其中八个加速度计是完好的，九个有其它的失效模式，研究显示主要的失效模式为导线失效，这种现象被认为是由于绝缘层内导线运动而产生的［13］。

4 加速度计信号导线的失效分析

在侵彻初始时导线自身惯性力的作用下，它可能由于强度不足被拉断，造成测试信号不完整。另外，在侵彻过程中，导线可能受到某种方式的挤压和磨损，从而发生短路，这都将造成测试信号不完整。

加速度计信号导线是连接传感器和电路模块的通道，我们设计的测试装置的示意图如图7，导线经过缓冲件和电路模块的中间通孔，焊接在电路上端面板上。在侵彻过程中加速度方向向上。

图7 高冲击测试装置示意图

为了分析导线在自身惯性力作用下的拉断，将导线的受力模型简化为上端固定，下端自由的杆件(图8)，其固定端的轴向应力最大为，

图8 导线受惯性力示意图

其中ρ为导线材料密度，A为导线横截面积。

导线不被拉断的条件为:

导线不被拉断的最大长度:

其中σb为导线材料的抗拉强度

从(5)可知，导线承受的最大拉应力与导线材料密度、导线悬空长度、加速度相关，与其横截面积无关，在满足易焊接的条件下，可选择直径较小的导线。

从(4)可知，对一定长度l的某种材料的导线，能承受的最大加速度由密度ρ和抗拉强度σb共同决定。为了比较不同导线材料的抗冲击性能，引入比强度Cs的概念。

对于铜导线，密度 ρ=8.9×103kg/m3，抗拉强度对纯铜丝为σb=200 MPa，紫铜丝为σb=400 MPa，取紫铜丝研究，比强度为

为了提高导线的比强度，我们将导线的悬空部分改用直径为d=0.3 mm的钢丝，其密度 ρ=7.8×103kg/m3，钢丝的比强度为

因为Cs2＞Cs1，在研究和应用中选择钢丝作为导线，在高g值加速度作用下不易被拉断。另外，对钢丝还要进行绝缘处理，如涂绝缘漆等，同时还必须对钢丝进行可焊性处理。

由于导线与电路模块的面板是通过焊点连接，为了考核焊点的抗高冲击性能，我们将导线按实际工作状态焊接，并把两个电路板用一根导线连接起来(图9)，在下端电路板上加砝码，直至断裂发生。

图9 焊点破坏试验

我们使用的钢丝直径为d=0.3 mm，最大抗拉载荷为

在图9的试验中，砝码加至5 kg～6 kg时，钢丝就从焊点根部被拉段，焊点保持完整，产生这一现象的原因在于焊接时的局部高温使与焊点连接处的导线变脆，强度降低，于是在较低载荷下导线发生断裂。

5 总结

研究了弹载电子测试仪器中传感器在高g值冲击加速度环境中的本征特性，研究结果对弹载电子仪器的抗g值冲击设计和正常使用具有一定的参考价值。

(1)在高g值冲击下，使用人工压电晶体的压缩型加速度计常发生零漂，从电场微观机理分析，认为以天然石英为敏感元件的压电式加速度计更适合高g值冲击环境。环形剪切型的冲击加速度计在高g值冲击条件一般不会发生零漂。

(2)采用机械滤波器可以大幅降低高幅值应力波对加速度传感器的影响，实现对加速度计保护，但降低了加速度计的工作频率范围。

(3)提出了导线比强度的概念，并以此为标准选择加速度传感器导线材料，理论和试验都证明，采用经过处理的高强度钢丝作为传感器的导线，可以提高导线在侵彻测试中的生存能力。

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