基于微冲击开关的弹载测试仪

王 朋,马铁华,崔春生,沈大伟,任先贞

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

基于微冲击开关的弹载测试仪

王 朋1,2,马铁华1,2,崔春生1,2,沈大伟1,2,任先贞1,2

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

针对武器系统动态参数测试实验准备周期很长，而子弹内部空间狭小所能存放电池容量小，电池电量不能满足测试需求等问题，提出了基于微冲击开关的弹载测试仪。该测试仪改变以往为壳体开槽引线，实验前通过断线方式上电的方法，利用子弹发射瞬间的加速度为测试仪上电，避免了为壳体开槽引线以及装配过程中无意磨断上电线导致装置无法上电的问题。对微冲击开关进行抗冲击实验和空气炮实验，其可靠性得到验证，实验数据分析结果表明，测试仪能够很好地完成子弹发射过程中动态参数的采集存储。

弹载测试；微冲击开关；上电；微体积；电池容量

0 引言

武器系统动态参数的测试对提高武器的安全性、可靠性有至关重要的意义[1]。目前武器系统动态参数测试通常采用存储记录法[2]，实验过程中，弹载测试仪要随炮弹一起飞行，实现了对子弹发射全程的动态信息的实时采集与记录，由于炮弹发射飞行过程中强振动、高冲击、高低温的环境，对测试仪内部器件的抗冲击性、抗过载、抗高温性能提出了严格的要求，测试结束后通过测试仪上预留的通讯接口与上位机进行通讯，通过读数软件读取数据并处理，还原被测信号。在测试实验前，首先在装配厂将测试仪装配好，然后运输到靶场，在恶劣的实验环境下，实验准备工作复杂繁琐，为了保证安全性，测试仪要放置相当长的一段时间才能进行实验，这对电池电量提出了较高的要求。而弹丸内部狭小的空间使测试仪和电池必须做到微体积，电池电量也就非常有限。为解决电池电量小与实验准备周期较长的问题，以往通常采用为壳体开槽引线[3]，炮弹发射前通过断线方式为系统上电的方法，但是为壳体开槽，会对实验效果产生影响，装配过程中如果无意磨断了引线，还可能导致装置无法上电，采集不到有用数据，且有些弹体不允许开槽[4-5]。本文针对上述问题，提出了基于微冲击开关上电方法的弹载测试仪。

1 微冲击开关

微冲击开关是一种通过感受外界加速度变化而工作的精密机械开关[6-7],具有体积小、低功耗、响应快、抗干扰能力强等优点，在日常生产生活中已经得到广泛应用[8]。在武器系统动态参数测试实验中，微冲击开关要连同测试仪一起承受几万g值的强冲击，能否承受住高g值的冲击成为微冲击开关能否应用于弹载测试仪的关键。不同材料和工艺制作的微冲击开关其抗冲击能力和导通阈值不同。本文重点对基于MEMS工艺采用金属钼制作的微冲击开关进行了实验验证。

1.1 微冲击开关机械结构与工作原理

微冲击开关主要由高强度弹簧、可移动触点质量块、固定电极、外壳组成[6]。图1为微冲击开关的机械结构模型。在没有加速度的情况下，微冲击开关所处状态如图1(a),弹簧K1处于平衡状态，K2在m2的质量作用下处于压缩状态，可动触点质量块m2接触不到固定电极，开关断开；当微冲击开关承受固定电极方向的加速度时，弹簧K1拉伸，m2向固定电极方向移动，随着加速度逐渐增大，m2逐渐靠近固定电极，图1(b)为质量块m2刚接触到固定电极时的状态，此时开关刚好导通；如果加速度继续增大或者维持开关导通的阈值以上，质量块m2将一直接触固定电极，开关一直导通，如图1(c)。从机械结构可知，微冲击开关导通的阈值与弹簧K1，K2的弹性系数，m1,m2的质量大小有关。

1.2 微冲击开关的导通实验验证

在生产微冲击开关过程中对m1和m2质量块的大小和比例进行调整可以生产出不同导通阈值的微冲击开关，常规生产的微冲击开关的导通阈值有20g,30g,50g,100g, 500g。50g的导通阈值既可以避免在运输子弹过程中系统误上电，又确保微冲击开关在子弹发射瞬间较快导通，系统及时上电采集数据,所以选择导通阈值50g的微冲击开关进行实验验证，采用马歇特锤击实验对微冲击开关导通阈值验证。将微冲击开关固定在马歇锤上，通过改变落锤的高度来改变微冲击开关的加速度峰值和脉宽，根据微冲击开关导通阈值大小选择适宜的高度，分别将齿轮拨到第12，13，14，15个齿然后释放锤头，通过固定在落锤上的标准加速度传感器988以及多通道信号采集卡对落锤下落过程中的加速度值、对应时间以及开关是否导通进行采集记录。图2为其中一次微冲击开关导通波形，通过对比落锤在不同高度落下时测得的数据，发现微冲击开关在加速度值65g以上，脉宽30 μs时导通。

1.3 微冲击开关的抗过载实验

微冲击开关在武器系统动态参数测试实验过程中要连同炮弹一起以非常高的速度撞击障碍物，撞击瞬间产生的加速度高达几万个g，能否承受住这种强冲击决定着微冲击开关是否能在弹载测试仪中重复使用，为了验证其可靠性，利用空气炮装置进行了抗冲击性能检验。空气炮实验装置的原理如图3所示。实验前将微冲击开关和加速度记录仪装入子弹内部固定，通过气动控制系统产生的高压气体推动炮管内的子弹，在炮口通过LD激光器和计时器对子弹出膛速度进行测试，靶板选用混凝土靶，经过多次测试，读取加速度记录仪采集存储的数据并处理，炮弹出膛速度在1 000～1 200 m/s之间，微冲击开关所能承受的最大过载量在46 000g以上，图4为一次实验结束后读取加速度记录仪的加速度曲线，峰值为46 000g，而在真实的武器系统动态参数测试实验中，子弹所承受的最大过载量一般小于40 000g。实验结果证明，微冲击开关能够承受武器系统动态参数测试过程中的高过载量，可应用于弹载测试仪。

2 微冲击开关弹载测试仪

2.1 测试系统总体方案

弹载测试仪主要由传感器阵列、多路模拟开关、电源管理模块、信号调理电路、信号采集与数据存储模块、读数模块、微冲击开关、机械壳体以及缓冲材料组成，系统结构框图如图5所示。上电前，系统处于低功耗状态，只有控制电路和微冲击开关处于工作状态，当系统通过微冲击开关上电后，电源管理模块为整个系统供电，信号采集存储模块循环采集存储加速度信号和转速信号，存满存储器后，系统自动进入低功耗模式。回收测试仪，通过上位机软件读取存储数据，还原被测信号。

2.2 电源管理模块

为节省系统功耗，弹载测试仪采用电源管理芯片LP5996分时/分区供电,如图6所示，ONA和ONB分别为VDD、VEE的控制引脚，ONA通过限流电阻连接输入电源控制VDD推挽输出，VDD为控制电路模块供电，控制电路根据系统工作状态，调整ONB的高低电平状态。系统上电前，ONB为低电平，系统处于低功耗模式，弹载测试仪通过微冲击开关上电后，ONB变为高电平，VEE为模拟电路和模数转化器供电，传感器阵列输出的信号通过信号调理电路，经过多路模拟开关的选择进入模数转化器，在控制电路的控制下存入存储器，采集存储完毕后，系统自动进入低功耗模式。

2.3 信号采集与数据存储模块

信号采集存储模块由信号调理电路、模数转换器、时序控制电路和存储器组成。信号调理电路采用运算放大器OPA2340，具有功耗低、精度高、漂移小、轨到轨输出、工作在恶劣环境下信号不失真的优点[9]。模数转化器采用具有高精度、低功耗、高速度转化的12位串行模数转化芯片AD7274[10]。存储器采用铁电存储器,采样频率250 kHz,信号调理电路如图7。系统上电后，时序控制模块通过控制多路模拟开关选通不同的信号输入，将模数转化器的输出结果存储到指定区域。

3 实验测试与数据处理

4 结论

本文提出的基于微冲击开关的弹载测试仪，该测试仪利用子弹发射瞬间的加速度为系统上电，代替了实验前断线上电的方式，避免了以往装配过程中无意磨断上电线而测不到有效数据的问题，增加了数据的捕获率，解决了实验准备周期长和电池电量有限的矛盾，无需在壳体上开槽引线，增加了测试仪的通用性，实验测试与数据处理表明，测试仪测量的数据真实可靠，反映了信号变化规律，对于武器系统动态参数测试有很大的实践意义。

[1]陈文辉. 弹载大容量多参数测试仪的研制[D].太原：中北大学,2007.

[2]裴东兴,祖静,张瑜等. 弹载电子测试仪的设计[J]. 弹箭与制导学报,2012(03):220-222.

[3]王永芳,范锦彪,王燕. 基于可编程逻辑器件的弹载存储测试仪[J]. 探测与控制学报,2012,34(5):55-58.

[4]祁少文,范锦彪,王燕等. 弹载全弹道多参数测试仪[J]. 传感技术学报,2014(7):993-996.

[5]朱仕永,祖静,范锦彪. 基于CPLD的弹载加速度存储测试仪[J]. 探测与控制学报,2009,31(3):43-45.

[6]陈光焱,杨黎明. 一种高等值微冲击开关的研制[J]. 爆炸与冲击,2007(2):190-192.

[7]陈光焱. 微加速度开关在高冲击环境中的防护技术研究[J]. 传感器与微系统,2007(10):45-47.

[8]蔡豪刚,丁桂甫,杨卓青等. 通过可动触点延长接触时间的新型微冲击开关[J]. 振动与冲击,2009(7):147-152.

[9]王永峰,范锦彪,王燕. 微冲击开关侵彻过载测试仪[J]. 中国测试,2015(12):63-66.

[10]马其琪. 高过载环境下微惯性开关的可靠性技术研究[D].太原：中北大学,2015.

Missile-borne Test Instrument Based on Micro Impact Switch

WANG Peng1,2, MA Tiehua1,2, CUI Chunsheng1,2,SHEN Dawei1,2, REN Xianzhen1,2

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, Taiyuan 030051,China; 2.Instrument science and dynamic test laboratory North University of China, Taiyuan 030051,China)

It takes long period to prepare the test of dynamical parameter of weapon systems, the inner space is very limited, the capacity of storage battery is small. To solve these problems, we changed the notch for the shell and power on the system by disconnection,put forward a missile-borne test instrument based on micro impact switch. According to the analysis of experimental data, the tester was reliable and it could gathering and storage the dynamical parameter of weapon systems successfully.

ballistic test; micro impact switch; power up;micro volume; battery capacity

2016-07-02

山西省回国留学人员重点科研项目资助(2008003)

王朋(1991—)，男，河北省沧州人，硕士研究生,研究方向：动态测试与智能仪器。E-mail:1518931881@qq.com。

TP29

A

1008-1194(2017)01-0084-04