光触发电子测压仪可靠性设计及分析

梁彦斌，李新娥，舒跃飞，李　杨

（1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西　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，山西 太原 030051）

光触发电子测压仪可靠性设计及分析

梁彦斌1，2，李新娥1，2，舒跃飞1，2，李杨1，2

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

针对光触发电子测压仪在多点测试过程中容易受火炮膛内复杂环境（高温、高压、强电磁）的影响等问题，通过设计合理的光窗结构，增强测压仪外壳的密封性能和整体强度；采取在光窗处附着一层电磁屏蔽薄膜的措施，降低来自火炮发射时产生的电磁干扰。在模拟复杂条件下，采用有限元分析软件对改进后的测压仪光窗及壳体进行强度仿真，同时对壳体的电磁屏蔽性能进行分析。仿真结果表明：改进后的光触发电子测压仪壳体满足膛压测试要求，电磁屏蔽性能得到进一步改善。通过实验测试，验证光触发结构设计的合理性和有效性，达到系统的设计要求。

激光触发；可靠性设计；仿真；电磁屏蔽

0　引言

一直以来，火炮膛内压力场分布信息是火炮在研发、设计和验收时的重要参数之一，是分析内弹道和装药结构的合理性的基本依据［1］。但是就目前来说，大多数测试方法仅能测得膛内某一点的压力，这对于研究火炮膛内压力分布，进而改造火炮结构设计与优化装药结构，预测外弹道参数等是不够的。针对上述问题，提出了基于光触发的多点压力测试系统。由于系统采用了光窗等新型结构，火炮膛内恶劣环境将对测压仪的抗压及电磁屏蔽性能产生影响，本文对新型测压仪的结构进行了仿真分析，对测压仪的强度及电磁屏蔽性能进行了实验验证。

1　系统结构及工作原理

光触发电子测压仪主要由壳体传感器、光窗、内部电路模块、光电转换模块以及红外通信模块组成［2］。测压仪外部是由马氏体时效钢材料制作的高强度保护壳体［3］，具有耐高温、高压、高冲击的特性，对内部测试电路起到保护作用，同时与内筒一起组成壳体一体化电容传感器。测压仪上端盖内嵌用特殊材料制作的高强度光窗，便于爆炸瞬间光信号传输。其结构如图1所示。

图1　压力测试仪结构图

测压仪工作过程为：火药在火炮膛内燃烧时会产生瞬态火光，壳体内部测试电路的光敏感元件通过光窗捕捉到光信号后，便会产生电平的跳变，通过后续的放大电路，将放大后的信号输入到处理器，处理器感受到来自外部的电平变化后进入中断服务程序，开始采集火炮膛压信息，同时将采集到的膛压数据存储到Flash中。采集完毕后，根据需要可将数据通过红外通信模块读回主机进行后续处理。

图2　端盖及光窗结构图

2　壳体的设计与的仿真

测压仪的端盖处于火炮膛内，需承受火炮膛内高温、高压的作用［4］，改进型的测压仪在端盖处开设了高强度光窗，利用高频封接技术进行封接，以保证测压仪壳体的密封性能，确保测试过程中测压仪内部电路的安全。由于开设了光窗，需要进一步验证新型测压端盖及仪壳体的抗高压能力［5］。

2.1端盖设计与仿真

综合了端盖的尺寸、光窗的材料强度等因素，在保证端盖密封性和透光率的基础上，设计了图2所示的光窗结构。光窗采用锲形结构，嵌套在端盖处。

光窗材料选用了耐高温高压的防爆玻璃，其具有良好的透光特性、耐高温、强度高、抗高冲击等特点。其具体参数如表1所示。

表1　耐高温防爆玻璃参数

图3　端盖在600MPa下应力云图

利用ANSYS仿真软件，对带有光窗的端盖进行恒定载荷静态分析。测压仪的测量范围是0～600MPa，所以在最大压力情况下进行仿真。图3为端盖在600MPa时的应力云图。

由仿真结果可知，在端盖螺纹尾部的退刀槽处应力较大，但并没有超过端盖材料的屈服极限。同时端盖的楔形光窗也在其材料的屈服极限内，端盖及光窗强度满足设计要求。

2.2壳体仿真与分析

测压仪工作于火炮膛内高冲击、高温的恶劣环境中，而其壳体本身作为电容传感器的敏感元件，除了感受外部压力的变化而引起的电容容值的变化，还要保护内部测试电路的安全，所以必须保证壳体有足够的强度。采用18Ni马氏体时效钢来作为敏感元件材料，其材料参数如表2所示。

表2　18Ni马氏体时效钢参数

为了检验改进后的外壳体的强度，采用ANSYS仿真软件对壳体及端盖进行瞬态力学仿真，获取其在火炮膛内的动态响应。

壳体是一个轴对称结构，所以为了简化计算，在仿真时建立了壳体的轴对称有限元平面模型，根据壳体材料和光窗材料的力学参数和材料属性，采取网格的划分，其模型如图4所示。

图4　测压仪壳体结构模型

火药在炮膛内燃烧时，膛内压力上升时间集中于2～7 ms之间，脉宽在20 ms左右［6］，峰值设定为600MPa。测压仪外壳体所受的压力环境便可据此进行模拟。仿真时，将该载荷施加到壳体的外侧面。

提取壳体所受最大载荷时的应力云图，如图5所示。由此可以看出，测压仪处于最大载荷压力的情况下，壳体所受应力均小于所用材料的屈服极限应力，外壳仅发生了弹性变形。由此可以看出改进后的壳体设计满足强度要求，即电容式测压仪壳体在600MPa压力下工作在弹性范围内。

图5　膛压达到峰值时的应力云图

3　壳体电磁屏蔽性能分析

在火炮发射过程中，由于等离子体附加磁场的存在，微小的有用信号很容易被外部干扰信号所湮没。改进之前的测压仪端盖与壳体组成闭合密闭空间，充当屏蔽体，有效减小了外部电磁干扰信号。改进之后的测压仪由于在端盖处增加了光窗，外部的电磁干扰信号很容易透过光窗影响到内部的电路安全，因此需要进一步对其电磁屏蔽效果进行验证。采用ANSYS软件对光触发测压仪壳体进行电磁屏蔽效能的分析计算。在测压仪外部施加高频电磁场，方向为壳体的轴向方向。其中图6是壳体附近磁密分布情况，图7是壳体内部磁密分布情况。

图6　壳体附近磁场分布

从图中可以看出，在端盖处增加光窗后，壳体内部的残余磁密也变大，外部的干扰信号很容易对内部电路产生影响［7］，这对于要测试的微弱瞬变电容信号是不可接受的。基于此，有必要找出降低电磁信号干扰的措施。

为了增强壳体的电磁屏蔽效果，在壳体内部的光窗上面粘贴一层由ITO材料制作的电磁屏蔽薄膜，利用其高透光率、低电阻率等特性来降低外部电磁干扰信号［8］。其屏蔽效果如图8所示。

图7　开设光窗后屏蔽效果图

图8　光窗表面贴屏蔽薄膜后屏蔽效果图

通过对比图7可以看出，在光窗的内部贴上屏蔽薄膜后，测压仪壳体屏蔽效果得到显著改善，基本可以忽略外部电磁干扰对内部电路的影响，达到了设计要求。

4　实验验证及讨论

采用模拟膛压发生器模拟火炮膛压，实验时用少量发射药在带膜片、喷管的模拟膛压发生器中点燃，产生一个类似膛压曲线的P-t过程。放置测压仪在模拟膛压发生器内，为了与真实的膛压数据进行对比，将经过校准的标准传感器放入模拟膛压发生器内。将标准传感器得到的曲线与测压仪得到的曲线进行对比，如图9所示。

由曲线可知，测压仪曲线与标准传感器曲线基本吻合，测压仪与标准传感器同时触发，在下降沿过程中出现误差，因为在弹性形变范围内，外壳体的形变除了与膛压有关外，还与时间有关，壳体的形变需要一定时间来完成。受弹性滞后和弹性后效影响，导致上述误差的产生。

图9　标准传感器与测压仪曲线对比

5　结束语

文本对改进后的光触发测压仪壳体和光窗进行了强度和抗电磁屏蔽的分析和论证。通过仿真可知，改进后的测压仪壳体满足膛压测试要求，同时对光窗的电磁屏蔽性能进行了优化设计。实验结果表明：基于光触发的测压仪能够有效屏蔽外界电磁的干扰，完整记录膛压曲线，提高了测压仪的可靠性，可为今后新型测压仪的推广奠定基础。

［1］张相炎.火炮设计理论［M］.北京：北京理工大学出版社，2005：153-161.

［2］温星曦，李新娥，王美林.光触发电子测压器的设计［J］.传感技术学报，2014，27（5）：591-594.

［3］陈建刚，张建福，卢凤双.18Ni马氏体时效钢强化方法概述［J］.金属功能材料，2009，16（4）：46-49.

［4］陈明华，阎建平.发射药燃烧光谱测试技术［J］.光电技术应用，2011，26（4）：86-88.

［5］李成涛，沈卓身.光电光窗的封接技术［J］.半导体技术，2008，33（2）：102-105.

［6］王亚军.火炮膛内多点压力同步触发测试方法研究［D］.太原：中北大学，2013.

［7］吕文红，郭银景，唐富华.电磁兼容原理及应用教程［M］.北京：清华大学出版社，2008：180-189.

［8］马勇，孔春阳.ITO薄膜的光学和电学性质及其应用［J］.重庆大学学报，2002，25（8）：114-117.

（编辑：李妮）

Reliability design and simulation analysis of light trigger electronic manometer

LIANG Yanbin1，2，LI Xin'e1，2，SHU Yuefei1，2，LI Yang1，2
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement of Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

The study designsreasonable opticalwindowstructure，enhances manometershell sealing performance and strength for solving problems such as light-triggered electronic manometer easilyinfluencedbythecomplexenvironment（hightemperature，highpressureandstrong electromagnetic interference）of the artillery chamber pressure in the process of multipoint test. The external electromagnetic interference is reduced by attaching a layer of electromagnetic shield film to theoptical window.In conditions ofcomplicatedsimulation，finiteelementanalysis software is used for high intensity simulation to improved optical window and shell of manometer and analysis on shell electromagnetic shielding performance.The simulation results show that the improved light-triggered electronic manometer meets chamber pressure testing requirements and the electromagnetic shielding performance has been further improved.The rationality and effectiveness of light triggered structural design meet the system design requirements.

light trigger；reliability design；simulation；electromagnetic shield

A

1674-5124（2016）08-0131-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.08.027

2016-01-16；

2016-02-26

国防科技重点实验室基金项目（04011007）

梁彦斌（1990-），男，山西阳泉市人，硕士研究生，专业方向为动态测试与智能仪器。

李新娥（1971-），女，山西大同市人，教授，博士，研究方向为动态测试与智能仪器。