高g值冲击下薄壁管抗冲击性能研究

目的在弹箭发射与侵彻时,弹箭系统内部测试电路元件承受高g值加载。为提高电路元件的存活度,需对其进行缓冲防护。方法利用气炮装置发射钢弹,撞击底座获得高g值加载,研究铝合金薄壁管的抗冲击特性,并基于LS-DYNA研究薄壁管壁厚和冲击速度对高g值冲击过程的影响。结果钢弹冲击速度增加,底座的激励加速度幅值(Acceleration Amplitude of Excitation,AAE)逐渐增加,单层管(CirT)和多胞管(MT)的缓冲效率分别达到91.0%和74.7%,数值模拟所得AAE和响应加速度幅值(Acceleration Amplitude of Response,AAR)与实验结果误差<5%,薄壁管壁厚对激励加速度几乎无影响。结论本文所得结果对轻质元件的高g值冲击防护有较强的指导意义。

电池抗高g值冲击性能的研究

针对在高g值冲击下,弹载存储测试装置的电池模块发生爆炸而导致测试失败的情况,选取测试装置常用的几种电池,利用Hopkinson杆对其在不同方向(沿平行和垂直的冲击方向)和石蜡灌封的状态下进行了抗高g值冲击性能试验。研究结果表明,经过冗余设计的电池有很高的抗冲击性。在约30万g的加速度冲击下,所试验的电池均没有发生爆炸。在目前弹体侵彻各种目标的加速度幅值范围内,所采用电池的可靠性可以保证。

高g值加速度计恶劣环境下测试信号处理方法

针对国产高g值加速度计应用环境恶劣的问题,提出了一种使用阈值改进的小波变换处理加速度计输出信号的方法。加速度计主要应用在弹丸侵彻及火炮膛内参数测试等恶劣环境下,测试信号受到干扰较大,需对其进行降噪处理。本文根据加速度计测试信号的特点对小波降噪阈值函数进行修改,提出了一种新的小波降噪阈值函数;其降噪效果优于小波变换原有阈值函数,对加速度计信号的处理有着明显的优势。为验证本文所提数据处理方法的效果,设计相关实验进行分析并采用计算信噪比及均方差的方法对其进行验证。结果表明,新的方法对于高g值加速度计测试信号的降噪取得了更好的效果。

分布式质量块结构高g值加速度传感器仿真分析

针对航空航天、机电、石油等领域的高g值加速度监测需求,设计了一种分布式质量块结构的压阻式加速度传感器。运用敏感性分析和响应面方法对敏感结构模型优化,同时提升结构的固有频率和灵敏度;研究所构建模型在不同方向加速度作用下的应力分布特点,设计抗交叉干扰的传感器信号检测电路;分析结构的加工流程及封装工艺,有利于下一步制造应用。仿真结果表明:该传感器的量程为100000 g,灵敏度为2.18μV/g,一阶固有频率为157.82 kHz,理论上消除了横向交叉干扰,有效提升了传感器的性能。

高g值压阻式加速度计设计与仿真

研究了一种具有高灵敏度、小尺寸的四端梁结构的压阻式加速度计。利用有限元软件对不同悬臂梁、质量块尺寸的结构建立模型,并对该结构进行了灵敏度与应力分析、模态分析,以及动态响应分析。仿真研究结果表明,在50 kg量程内,传感器轴向灵敏度达到7.40μV/g,横向灵敏度为0.33%,线性度为0.06%,响应时间为20.3μs,固有频率为111.2 kHz。抗冲击性能能达到334000 g,可以满足高g值环境下的测试需求,同时该研究为研制高性能传感器提供了一种准确且高效的仿真方法。

高低温环境对三轴高g值加速度传感器灵敏度变化影响研究

针对高低温环境对高g值加速度传感器灵敏度影响机理不清的问题,通过建立两端固支的敏感单元数学模型,得到了传感器灵敏度与敏感单元纵向应力、横向应力的关系。通过热-力耦合仿真分析得到了传感器灵敏度与温度间的关系,在-40℃~50℃范围内,传感器灵敏度随温度的增加而减小,且在-40℃~20℃范围内灵敏度变化较快,在20℃~50℃范围内灵敏度变化较慢。通过传感器高低温试验得到高低温环境下传感器灵敏度数据,-40℃条件下灵敏度大小为0.523μV/g;50℃条件下灵敏度大小为0.516μV/g。与仿真结果进行对比,验证了温度变化对传感器灵敏度的影响规律,为提升高g值加速度传感器在高低温环境下测量精度具有理论参考意义。

多梁凹槽高g值加速度计的设计与分析

针对目前航空航天、车辆碰撞分析等领域对高g值加速度计的迫切需求,设计了一种新型多梁凹槽压阻式加速度计,该加速度计利用变截面梁作为敏感梁来放大质量块的等效惯性力,并通过辅助梁与背面凹槽的组合有效提高结构刚度,实现了高灵敏度输出和良好的频宽特性。建立了加速度计的力学模型,并通过ANSYS有限元软件仿真分析,优化获得了加速度计的结构和尺寸。利用敏感梁表面路径,分析总结其应力分布规律,确定压敏电阻位置。仿真实验结果表明,设计出的该加速度计量程为150000 g,灵敏度为1.32μV/g,固有频率约为268 kHz。最后基于SOI技术设计了加速度计的工艺流程。

高g值可见光导引头缓冲系统仿真设计及验证

以可见光导引头橡胶垫缓冲减振结构为研究对象,确定橡胶材料的模型公式,建立橡胶垫缓冲减振的理论模型,验证使用ANSYS Workbench稳态和瞬态分析模块仿真分析的可行性;对橡胶垫材料属性进行线性化处理,通过设置不同的减振型式,在18000 g工况下对镜片进行了强度校核,对比分析了减振效果,确定2片减振垫缓冲为最佳方案;用摆锤锤击等效冲击的方法验证了可见光导引头缓冲系统在高g值工况下能够正常工作。根据材料实验得到合适的橡胶参数,弹性模量取6 MPa,泊松比取0.47时,2片减振垫缓冲时镜片的安全系数能够达到4左右,验证了高g值条件下减振垫对光学镜片可靠性的影响,为后续研究奠定基础。

复合泡沫填充管的高g值冲击防护特性

目的为避免或减小高g值冲击对弹内轻质元器件的破坏,应加强对轻质元器件缓冲防护结构的研究。方法基于新型复合泡沫和通孔泡沫铝的2种泡沫填充管,通过万能试验机和落锤冲击系统研究了2种泡沫填充管的静动态力学特性,并运用数值模拟方法研究高g值冲击下等质量的泡沫填充管与夹芯管的加速度缓冲效果和吸能机制。结果数值模拟所得结构变形和落锤加速度与实验结果较为一致,验证了数值模拟方法的可靠性。复合泡沫平台应力具有显著的应变率效应,其填充管压溃载荷平稳且高于泡沫铝填充管,比泡沫铝填充管体现出更优异的高过载防护性能。等质量的泡沫夹芯管的抗冲击性能优于填充管,2种泡沫填充而成的夹芯管具有相似的高过载防护性能,泡沫材料压缩行为对夹芯管压溃载荷特征的影响低于填充管。结论所得结果对轻质元器件的高g值缓冲防护有较强的指导意义。

高g值加速度传感器动态补偿范围研究

针对传感器动态补偿后会放大高频段噪声的问题,提出对高g值加速度传感器动态补偿范围的研究。将高g值加速度传感器采用零极点相消方法进行动态补偿。仿真分析不同频带宽度系统的输出信号与理想输入信号的误差以及输出信号的信噪比。仿真结果表明:信噪比为21 dB时,最佳拓宽频带范围为原工作频带的4~12倍。对动态补偿后的高g值加速度传感器进行动态校准实验。实验结果证明:在最佳拓宽范围内,高g值加速度传感器不仅可以对输入信号无失真传输,同时还可抑制噪声。

压阻式高g值加速度传感器温度补偿设计

该文针对压阻式传感器在环境温度变化时会引起灵敏度非线性问题,提出了一种在惠斯通电桥中引入多晶硅的温度补偿方案。以单晶硅制备的高g值压阻式加速度计为模型,通过建立理论模型,分析了单晶硅压敏电阻的电阻率和压阻系数的温度特性。对传感器进行有限元仿真分析,仿真结果表明一阶频率为0.776 MHz,最大等效应力为44 MHz。通过对压敏电阻路径的线性分析,得到补偿前的灵敏度为0.349μV/g。对多晶硅电阻引入前后的输出电压进行理论分析,得到电阻系数比以及补偿前后传感器灵敏度随温度的变化关系。结果表明,补偿后的灵敏度漂移温度系数(Temperature Coefficient of Sensitivity drift,TCS)为6.8×10^(-4)(1/℃),与补偿前相比降低了两个数量级。

微硅高g加速度传感器工艺研究

主要介绍在制作一种压阻式微硅高 g(g =9 8m/s2 ,微重力加速度值 )加速度传感器的过程中 ,所遇到的工艺问题及其解决方法。并较详细地叙述了涉及到的键合 (SDB)、双面光刻及传感器几何图形的精确控制等关键技术。

MEMS高g加速度传感器高过载能力的优化研究

设计的MEMS高g加速度传感器抗高过载能力差,将导致在冲击等恶劣环境中应用时结构易破坏。通过分析传感器结构对其抗过载能力的影响,及在高冲击测试中传感器结构损坏情况的统计,提出了一种新颖的优化高g加速度传感器抗高过载能力的方法。该方法是在结构最易断裂的梁根部和端部添加倒角,以分散在冲击作用下传感器结构这些部位受到的应力,进而提高加速度传感器的高过载能力,并从理论仿真分析了该方法的可行性。最后利用Hopkinson杆测试方法对优化前后的加速度传感器进行冲击测试,测试结果表明,加速度计的抗高过载能力从180 000 g提高到240000 g,说明该优化方法显著,明显提高了该类加速度传感器的抗高过载能力,设计的加速度传感器达到了较理想的抗高过载能力。

高g值加速度计的设计与冲击特性分析

针对特殊场合的测试需求,设计了四端全固支的高过载梁岛结构加速度计;利用Hopkinson杆冲击校准装置对该加速度计的动态特性进行了测试。测试结果表明,传感器的灵敏度为1.2μV/g,线性度5%左右;结构受到2×105g冲击后完好且输出信号正常,能有效满足高冲击、强烈振动场合的特殊测试要求,可以应用于侵彻系统。

高g值加速度冲击试验技术研究

根据弹体高速侵彻硬目标过程中加速度测试的特点,研制了高g值冲击试验装置。它由一级空气炮、加速度存储测试装置、炮弹、反射式激光测速仪和激光多普勒测速仪等组成,并在该冲击试验装置上进行了弹载加速度存储测试装置的高g值冲击试验。采用泡沫铝缓冲件对记录电路模块进行缓冲保护,利用光栅作为合作目标,由两套激光多普勒测速仪同时记录冲击过程中测试装置外壳和电路模块的激光频移信号,处理可得到二者的加速度——时间曲线,比较了泡沫铝的高g值缓冲效果。

高g值侵彻加速度测试及其相关技术研究进展

结合作者及其合作者最近几年在侵彻加速度测试领域的若干研究工作,总结评价了近十几年国内外弹体高速侵彻硬目标高g值加速度现场测试研究成果,特别是存储测试技术在这方面的应用。同时总结了侵彻加速度测试相关技术的发展,包括高g值加速度计的抗高冲击性能和校准、电池抗高冲击性能的研究等。最后结合现有研究基础和潜在的国防需求,论述了这一研究领域的发展趋势以及值得注意的问题。

高g值加速度传感器的窄脉冲校准理论与方法

针对高g值加速度传感器动态特性校准中遇到的激励窄脉冲的宽度问题,提出了适用于高g值加速度传感器动态特性的窄脉冲校准准则。该准则给出了对不同谐振频率的高g值加速度传感器的动态特性进行校准时,校准所需的激励窄脉冲的最大脉冲宽度与传感器谐振频率的关系。依据该准则设计了窄脉冲校准系统,并对8309型高g值加速度传感器进行了校准实验。实验结果表明,该准则对于高g值加速度传感器频率响应特性的校准是有效的,按照该准则所定脉宽的脉冲能够激起被较准的高g值加速度传感器的各阶谐振频率。

单片集成的高性能压阻式三轴高g加速度计的设计、制造和测试

设计、制造并测试了一种单片集成的压阻式高性能三轴高g加速度计,量程可达105g.x和y轴单元均采用一种带微梁的三梁-质量块结构,z轴单元采用三梁-双岛结构.与传统的单悬臂梁结构或者悬臂梁-质量块结构相比,这两种结构均同时具有高灵敏度和高谐振频率的优点.采用ANSYS软件进行了结构分析和优化设计.中间结构层主要制作工艺包括压阻集成工艺和双面DeepICP刻蚀,并与玻璃衬底阳极键合和上层盖板BCB键合形成可以塑封的三层结构,从而提高加速度计的可靠性.封装以后的加速度计采用落杆方法进行测试,三轴灵敏度分别为2.28,2.36和2.52μV/g,谐振频率分别为309,302和156kHz.利用东菱冲击试验台,采用比较校准法测得y轴和z轴加速度计的非线性度分别为1.4%和1.8%.

基于MEMS的高g值加速度计及在炮弹侵彻双层钢靶试验中的应用

为获取穿甲弹侵彻双层钢靶板过程的高g值冲击过载数据,研制了具有四端全固支的梁岛结构压阻式MEMS的高g值传感加速度计。该加速度计梁根部和端部采用倒角结构,增强了器件强度;采用改进型环氧树脂与不锈钢壳体相结合的强化封装方法,提高了加速度计的抗过载能力;该加速度计与具有特种缓冲结构的高过载电子存储记录器组成了一体化的高过载测试装置。在穿甲弹侵彻双层钢靶的试验中获取了最高峰值达43万g的完整侵彻过程数据,对数据进行截止频率为10 kHz低通滤波后得到侵彻第一层钢靶的峰值过载为-83 281 g,侵彻第二层钢靶的峰值为-115 185 g。试验结果表明该加速度计是一种理想的高过载测试装置,能为相关工程设计及实践提供重要依据。

高g值加速度传感器激光绝对法冲击校准技术研究

在详细分析反射式激光多普勒原理的基础上,研究了高g值加速度传感器的冲击校准方法。该方法利用Hopkinson杆作为加载手段,利用差动式激光多普勒干涉仪来绝对复现冲击加速度的量值。针对高g值压阻加速度传感器SIMIT-AYZ-60k进行了一系列的校准试验,利用积分运算法和最小二乘法的组合从准动态条件下的校准数据得到了准静态条件下的传感器冲击灵敏度。试验表明,这种方法实现了利用脉宽有限的激励脉冲对固有频率在20 kHz以上的高g值加速度传感器的校准,校准的不确定度可以满足冲击测试的工程需求。