一種基于壓電石英晶體的高gn值加速度傳感器

　　引 言

　　引信對(duì)多層硬目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別是近年來(lái)引信技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要分支。多層目標(biāo)侵徹探測(cè)采用機(jī)械動(dòng)作無(wú)法完成，只能利用抗高過(guò)載的加速度傳感器采集、識(shí)別目標(biāo)信息，適時(shí)控制引爆戰(zhàn)斗部，以獲得最佳毀傷效果。對(duì)多層目標(biāo)的探測(cè)識(shí)別與控制引爆技術(shù)，美國(guó)已應(yīng)用在武器型號(hào)中，據(jù)報(bào)道目前美國(guó)可對(duì)16層目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)與識(shí)別。在1999年的科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)攻擊我國(guó)駐南斯拉夫大使館使用的JADM彈藥就是采用多層侵徹引爆。

　　由于加速度傳感器不但能探測(cè)彈發(fā)射過(guò)程的加速度，為安全解除保險(xiǎn)提供信息，同時(shí)，利用加速度傳感器測(cè)得的彈道飛行信息還可以為彈道修正提供依據(jù);再者還可以利用加速度傳感器對(duì)多層目標(biāo)侵徹進(jìn)行探測(cè)，為引信起爆提供信息。因此，加速度傳感器在引信上的應(yīng)用比其他類型的傳感器有著更廣闊的前景。但由于引信所經(jīng)受的特殊環(huán)境，對(duì)加速度傳感器的要求也非常的苛刻，一是抗高過(guò)載，其加速度范圍為幾萬(wàn)gn到幾十萬(wàn)gn的范圍;二是體積小、質(zhì)量輕;

　　另外，諧振頻率、動(dòng)態(tài)范圍也是主要考慮的因素，要求諧振頻率高，動(dòng)態(tài)范圍大;如果工作頻率段為0～5 kHz，那么，用于測(cè)試的傳感器的頻率至少應(yīng)該為15 kHz。

　　壓電加速度傳感器具有體積小，頻率范圍寬(可達(dá)30000Hz)，沖擊加速度測(cè)量可以從幾分之一gn到200000gn，在0～85℃的范圍內(nèi)具有較好的特性，堅(jiān)固、穩(wěn)定、沒(méi)有活動(dòng)部件、價(jià)格便宜;但壓電加速度傳感器需要特殊的電荷放大器，對(duì)于低頻率或低gn值的加速度測(cè)量不太合適，長(zhǎng)時(shí)間歷程(大于10ms)沖擊的測(cè)量效果較差。

　　國(guó)際上，許多知名的公司和研究機(jī)構(gòu)都開(kāi)展了加速度傳感器的研究，如美國(guó)ENDEVCO公司研制的高gn加速度傳感器，主要應(yīng)用在激光制導(dǎo)炸彈和巡航導(dǎo)彈中。美國(guó)生產(chǎn)的加速度傳感器量程在20萬(wàn)gn左右，目前，國(guó)產(chǎn)的高gn值加速度傳感器主要是壓電式的，量程在10萬(wàn)gn左右。本文作者研制的壓縮式壓電石英加速度傳感器的最大量程可以達(dá)到15萬(wàn)gn，具有20kHz的頻率響應(yīng)，幅值線性度小于10%，完全滿足硬目標(biāo)侵徹的應(yīng)用。

　　1 壓電加速度傳感器

　　壓電傳感器是一種利用壓電效應(yīng)進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的變換器，是一種典型的有源傳感器。壓電材料在外力的作用下，在材料的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量的轉(zhuǎn)換。因?yàn)樗哂腥舾蓛?yōu)點(diǎn)，所以，被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與沖擊參量的測(cè)量，壓電傳感器基本上有壓縮式、剪切式和彎曲式3種形式。

　　1.1 加速度傳感器的結(jié)構(gòu)

　　本文作者采用壓縮式、雙屏蔽套筒式的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是利用壓電石英的縱向壓電應(yīng)變系數(shù)d33，將兩片壓電片機(jī)械串聯(lián)以增大傳感器的靈敏度。雙屏蔽套筒式的結(jié)構(gòu)能夠有效屏蔽外界干擾對(duì)傳感器輸出的影響，中問(wèn)間隙灌封的材料能夠?qū)鞲衅髌鸬揭欢ǖ谋Ｗo(hù)作用。應(yīng)用同軸電纜作為引線也能減少外界對(duì)傳感器輸出的影響。采用優(yōu)質(zhì)的高強(qiáng)度、低密度的航空材料作為該加速度傳感器的主體結(jié)構(gòu)，能夠有效地降低傳感器的質(zhì)量，增加整個(gè)加速度傳感器的固有頻率，提升加速度傳感器的有效工作頻段。

　　1.2 加速度傳感器的工作原理

　　當(dāng)固定在被測(cè)物體上的加速度傳感器隨物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，其慣性質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性作用力作用在壓電晶體片上，壓電晶體片產(chǎn)生與此作用力成比例的變形，由于壓電晶體片的壓電效應(yīng)，產(chǎn)生與壓電元件變形成比例的電荷，此信號(hào)由輸出端引出。檢測(cè)出輸出的電荷量，就可以根據(jù)標(biāo)定的靈敏度數(shù)值計(jì)算出被測(cè)物體的加速度，可用公式表示為

　　D=dma， (1)

　　式中 D為壓電材料的電位移(單位面積電荷);d為壓電常數(shù);m為質(zhì)量塊的質(zhì)量;a為加速度?；蛘吆?jiǎn)單表示為

　　D=SQ>a， (2)

　　式中 SQ為電荷靈敏度。

　　對(duì)于每一個(gè)傳感器D，m，SQ均為常數(shù)，因此，產(chǎn)生的電荷量(通過(guò)電荷放大器轉(zhuǎn)換成電壓)與所受的沖擊加速度成正比。

　　壓電加速度傳感器可以用圖1所示的二階系統(tǒng)模擬。

　　其中，m為質(zhì)量塊的質(zhì)量;c為阻尼系數(shù);K為壓電晶體片的剛度(K=Eπφ2/8t，E為壓電晶體片的楊氏模量，φ為壓電晶體片的直徑，t為壓電晶體片的厚度);加速度傳感器的絕對(duì)位移為X(t)，質(zhì)量塊m的絕對(duì)位移為Xm(t)，因此，質(zhì)量塊和傳感器的相對(duì)位移為Xm(t)-X(t)，當(dāng)輸入加速度為a時(shí)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

　　實(shí)際上，加速度傳感器的固有頻率是低于

　　1.3 加速度傳感器的電路設(shè)計(jì)

　　壓電傳感器內(nèi)阻很高，且信號(hào)微弱，特別是以石英晶體作為壓電材料的壓電傳感器，信號(hào)極其微弱，其靈敏度只有幾十fC/gn。當(dāng)用電壓前置放大電路信號(hào)時(shí)，其輸出電壓與傳感器固有電容、接線電容、傳感器絕緣電阻有關(guān)，這些參數(shù)對(duì)測(cè)量精度影響很大。為克服這一缺點(diǎn)，需采用電荷放大器。電荷放大器是具有電容反饋、高輸入阻抗，高增益的放大電路，如圖2所示。

　　圖3中，Cf為電荷放大器反饋電容;Cz為傳感器電容;Ca為電纜電容;Ci為放大器輸入電容;Rf為反饋電阻;A為放大器開(kāi)環(huán)增益。

　　根據(jù)“密勒”效應(yīng)，可將Ci折算到放大器輸入端的有效電容C′f為

　　考慮到壓電石英傳感器輸出靈敏度和沖擊測(cè)量范圍，電路的轉(zhuǎn)換靈敏度設(shè)計(jì)為1 mV/pC。

　　電荷放大器的頻響和放大器本身的開(kāi)環(huán)頻響的好壞關(guān)系不大，主要取決于反饋電容和傳感器連接電纜。電荷放大器的低頻響應(yīng)主要由反饋電容Cf和反饋電阻Rf決定。低頻下降3 dB的截止頻率為

　　式中ft為低頻下降3 dB的截止頻率。

　　沖擊測(cè)量為動(dòng)態(tài)測(cè)量，實(shí)際應(yīng)用也主要利用其動(dòng)態(tài)特性。在長(zhǎng)時(shí)間歷程沖擊測(cè)量時(shí)，傳感器殘余電荷和外界干擾引起電荷放大器輸出的零位漂移，零位漂移容易引起放大電路飽和，當(dāng)放大器電源電壓較低的情況下尤其明顯。在對(duì)沖擊加速度動(dòng)態(tài)測(cè)量精度要求不太苛刻時(shí)，適當(dāng)提高電荷放大器的低頻響應(yīng)，可減小電荷放大器輸出的零位漂移。如低頻響應(yīng)截至頻率太高，會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)波形失真，同時(shí)，會(huì)影響測(cè)量精度。為折中考慮，低頻截止頻率設(shè)計(jì)為30Hz左右。

　　2 試驗(yàn)結(jié)果

　　2.1 試驗(yàn)條件

　　加速度傳感器通過(guò)馬希特錘擊機(jī)和霍普金森桿進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)，馬希特錘擊機(jī)最多只能標(biāo)定到8萬(wàn)gn左右，而霍普金森桿最多可以標(biāo)定20萬(wàn)gn左右。對(duì)低gn值時(shí)，對(duì)馬希特錘擊機(jī)進(jìn)行了標(biāo)定。

　　2.1.1 馬希特錘擊機(jī)

　　馬希特錘擊機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

　　馬希特錘擊機(jī)能夠標(biāo)定的gn值沒(méi)有霍普金森桿標(biāo)定的gn值高，但其重復(fù)性比較好，應(yīng)力波的形式比較復(fù)雜，較接近于傳感器的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境。

　　2.1.2 信號(hào)記錄

　　通過(guò)錘擊試驗(yàn)，傳感器的輸出信號(hào)用同軸電纜傳至電荷放大器，最后，通過(guò)示波器輸出，為便于數(shù)據(jù)判讀，濾波器選擇10 kHz。通過(guò)測(cè)量各傳感器的輸出信號(hào)取得各傳感器在沖擊過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)。

　　2.2 試驗(yàn)結(jié)果

　　圖4是編號(hào)為H1101的傳感器在馬希特錘擊機(jī)上標(biāo)定的曲線。

　　3 結(jié)論

　　高gn值加速度傳感器具有高過(guò)載、高響應(yīng)速度、高環(huán)境壓力以及體積小和價(jià)格低等特點(diǎn)。本文作者開(kāi)發(fā)的新型壓電石英加速度傳感器具有15萬(wàn)gn的量程，能夠?qū)崿F(xiàn)高gn環(huán)境下的加速度測(cè)量，滿足彈上的要求。通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在大量程和靈敏度之間綜合考慮，確定了高gn的設(shè)計(jì)思路，并采用壓縮式、雙屏蔽套筒式壓電石英加速度傳感器。另外，就是材料的選擇，通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇了強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的優(yōu)質(zhì)航空材料作為整個(gè)傳感器的主要用材。