高g值加速度冲击试验技术研究

徐 鹏，祖 静，范锦彪

(中北大学 电子测试技术国家重点实验室，太原 030051)

在钻地弹药系统研发过程中，弹体侵彻硬目标时的高g值加速度—时间关系曲线是一个重要的被测值，国内、外的研究机构通常采用弹载存储测试技术进行测量［1－4］。为了增强弹载加速度存储测试装置在极恶劣环境中的存活性，提高其数据捕获率，我们研制了高g值加速度冲击试验模拟装置(图1)，图2为其原理图。该装置利用压缩空气推动炮弹获得一定的速度，在测试段与加速度测试装置发生碰撞，使测试装置产生所需的高g值加速度，同时由加速度计和激光多普勒速度干涉仪记录整个加速过程。利用该实验装置可以研究弹载加速度存储测试装置的抗高g值冲击性能、测试装置电路模块的缓冲保护研究，以及对高g值加速度计进行校准。

图1 高g值加速度冲击试验装置Fig.1 High g acceleration shock experiment equipment

图2 冲击试验模拟装置原理示意图Fig.2 Sketch of shock experiment equipment

1 冲击试验的加载装置——空气炮的工作原理

空气炮作为一种加载工具，因为具有重复性好，安全性高、操作维护较方便的优点，被国内外许多研究机构采用［5－7］。本实验装置中的空气炮为一级空气炮，由高压气室、释放机构、发射身管、炮弹和回收装置等组成。该空气炮口径为100mm，发射管有效长度为6.2 m，气室容积约为 0.03592 m3。发射时先通过快速释放机构打开阀门，气体压力直接作用到弹丸底部，弹丸被加速直到撞击弹载加速度存储测试装置。改变碰撞接触面机制毡垫的软硬程度和厚度(不超过30mm)，可以产生不同加速度幅值 a0，持续时间 μs(脉宽)的加速度信号，以模拟弹体侵彻硬目标过程中初始段的负向加速度。碰撞瞬间状态如图3所示，用于测试装置抗高g值冲击试验，图4为加速度存储测试装置。

采用下式(1)可对实际试验中使用的弹丸的速度进行估算［7］:

式中:vg为弹丸到达炮口时的弹速;pcz为气室的注气压力;Vcq为初始气室容积;m为弹丸质量;γ为气体绝热指数;Sf为发射管横截面积;Lf为发射管长度。

φ称为虚拟质量系数，把弹丸质量由原来的m增加到m=φm，那么在能量消耗方面，将各种损耗等效于弹丸质量的增加结果。根据式(1)可以计算对应一定气室初始压力pcz炮弹碰撞前瞬间的速度vg，再根据实际测试的炮弹速度对计算值进行修正，可以建立初始气压和炮弹碰撞测试装置时速度的对应关系。

为了吸收碰撞后的剩余能量，我们采用类似火炮反后坐装置的技术，设计制造了液气缓冲装置，利用液体高速通过小孔产生的阻力和能量消耗，来吸收碰撞结束后炮弹和测试装置的剩余能量。

图3 测试装置抗高g值冲击试验Fig.3 High g shock experiment for test equipment

图4 加速度存储测试装置Fig.4 Acceleration memory test equipment

2 冲击试验的测试系统——反射式激光测速仪和激光多普勒测速仪

2.1 反射式激光测速仪

为了测量炮弹在撞击测试装置前瞬间的速度，在炮弹上接近头部位置沿圆周方向粘贴黑白相间的苏格兰片，间距为4mm。当炮弹以一定的速度通过测速仪时，激光照射到苏格兰片上，由于苏格兰片具有原向反射的特性，当照射到白条纹时，反射光经光电转换和放大器放大后输出的是高电平，同理照射到黑条纹时输出低电平。这样就产生高低电平相间的电信号，因为条纹间距一定，通过计算高低电平的周期以及黑白间条的宽度就可以计算出炮弹的速度。并且，以测速仪的高电平信号输出作为信号采集示波器的触发信号，原理图如图5所示。

图5 反射式测速仪原理框图Fig.5 Frame drawing of reflect type laser velocimeter

2.2 差动式多普勒激光测速装置

差动式激光多普勒测速仪系统包括光栅、激光干涉光路、光电转换、数据采集及处理软件等，实现目标运动－光学干涉－电信号－数据采集－运动参数的转换，如图6所示。作为合作目标的光栅用环氧胶粘接在测试装置表面，栅线数为150线/mm，栅线间距d的不确定度为1 ×10－6。

双入射光光栅运动速度v和由此产生的多普勒频移 Δfψ，(－ψ)的关系为［8］:

图6 测速仪系统框图Fig.6 Frame drawing of test system

其中p、q为两衍射光波的衍射级数，取正、负1级。由式(3)冲击加速度峰值及波形。

3 弹载加速度存储测试装置高g值冲击试验

图7 测试装置内部结构Fig.7 Internal structure of test equipment

图8 测试装置示意图Fig.8 Sketch of test equipment

弹载加速度存储测试装置在高g值冲击作用下，可能引起记录电路模块芯片功能失效、焊点脱开、机械结构破坏、导线断裂等现象，电路模块是测试装置的核心部件，我们利用某种泡沫铝对其进行缓冲保护，内部安装结构如图7所示，示意图如图8，在电路模块和测试装置被撞头部粘接光栅。安装在测试装置被撞头内部的加速度计的输出信号(图9)由电路模块记录，由文献［9］可知，该信号中包含了加速度传感器安装点的结构响应。对该信号进行快速傅利叶变换(FFT)得到其频谱图(图10)，图中频率为9.4 kHz处对应有一个尖峰值。采用ANSYS软件对测试装置整体结构进行计算机模态分析，得到被撞体的第一阶频率为9.3 kHz，相应的振型为轴向振动，所以加速度传感器的输出信号包含这一轴向振动分量，在加速度频谱图中表现为第一级阶频率附近出现一个尖峰值。对加速度传感器的输出信号按9.4 kHz截止频率滤波，得到被撞体的刚体加速度(图11)。采用25mm厚，直径为30mm的某种泡沫铝对电路模块进行缓冲保护，试验后泡沫铝被压缩至16mm。由存储示波器同时记录电路模块和测试装置的频移信号(图12)，处理得到二者的加速度—时间曲线(图13)，其中被撞体上测点的加速度与滤波得到的刚体加速度信号幅值和持续时间基本一致。比较外壳的加速度和电路模块缓冲后的加速度时间曲线可以知道，泡沫铝具有良好的缓冲吸能特性，表1可以看出，泡沫铝缓冲器件将一个幅值为4.36×104g，脉宽205 μs的冲击加速度，缓冲到幅值为1.36×104g，脉宽490 μs左右的加速度，缓冲效果达68.7%。大幅降低了电路模块承受的冲击，且电路模块工作正常，钢丝信号导线也未断裂。

图9 加速度计的输出信号Fig.9 Output signal of accelerometer

图10 加速度信号频谱图Fig.10 Frequency spectrum of accelerometer signal

表1 泡沫铝缓冲效果比较(加速度)Tab.1 Cushion effect compare of foam aluminum(acceleration)

图11 测试装置的刚体加速度Fig.11 Rigid acceleration of test equipment

图12 测试装置的频移信号Fig.12 Frequency shift signal from test equipment

图13 缓冲前后加速度波形曲线对比Fig.13 Cushion effect contrast in acceleration

4 结论

利用高g值冲击试验装置，对弹载加速度存储测试装置进行模拟冲击试验，可以及早暴露测试系统的设计、制造缺陷，提高其在高g值冲击环境中的可靠性。本文介绍了一种适合于微小型电子装置高g值冲击试验的实验装置，并利用它研究了泡沫铝在高幅值、窄脉冲的高g值冲击环境下的缓冲效果，以及弹载加速度存储测试装置整体的抗高g值冲击性能，试验表明，在这种条件下泡沫铝具有良好的缓冲效果，且测试装置整体结构设计是可行的。另外，该试验装置还能对其它弹载电子测试装置(惯性测量组合、智能引信、陀螺、MEMS传感器)进行抗高冲击性能研究。

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