引 言

引信對多層硬目標的探測和識別是近年來引信技術發展的一個主要分支。多層目標侵徹探測采用機械動作無法完成，只能利用抗高過載的加速度傳感器產品采集、識別目標信息，適時控制引爆戰斗部，以獲得最佳毀傷效果。對多層目標的探測識別與控制引爆技術，美國已應用在武器型號中，據報道目前美國可對16層目標進行探測與識別。在1999年的科索沃戰爭中，美國攻擊我國駐南斯拉夫大使館使用的JADM彈藥就是采用多層侵徹引爆。

由于加速度傳感器產品不但能探測彈發射過程的加速度，為安全解除保險提供信息，同時，利用加速度傳感器產品測得的彈道飛行信息還可以為彈道修正提供依據;再者還可以利用加速度傳感器產品對多層目標侵徹進行探測，為引信起爆提供信息。因此，加速度傳感器產品在引信上的應用比其他類型的傳感器有著更廣闊的前景。但由于引信所經受的特殊環境，對加速度傳感器的要求也非常的苛刻，一是抗高過載，其加速度范圍為幾萬gn到幾十萬gn的范圍;二是體積小、質量輕;

另外，諧振頻率、動態范圍也是主要考慮的因素，要求諧振頻率高，動態范圍大;如果工作頻率段為0～5 kHz，那么，用于測試的傳感器的頻率至少應該為15 kHz。

壓電加速度傳感器具有體積小，頻率范圍寬(可達30000Hz)，沖擊加速度測量可以從幾分之一gn到200000gn，在0～85℃的范圍內具有較好的特性，堅固、穩定、沒有活動部件、價格便宜;但壓電加速度傳感器需要特殊的電荷放大器，對于低頻率或低gn值的加速度測量不太合適，長時間歷程(大于10ms)沖擊的測量效果較差。

國際上，許多知名的公司和研究機構都開展了加速度傳感器的研究，如美國ENDEVCO公司研制的高gn加速度傳感器，主要應用在激光制導***和巡航導彈中。美國生產的加速度傳感器量程在20萬gn左右，目前，國產的高gn值加速度傳感器主要是壓電式的，量程在10萬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到15萬gn，具有20kHz的頻率響應，幅值線性度小于10%，完全滿足硬目標侵徹的應用。

1 、壓電加速度傳感器

壓電傳感器是一種利用壓電效應進行機電能量轉換的變換器，是一種典型的有源傳感器。壓電材料在外力的作用下，在材料的表面上產生電荷，從而實現非電量的轉換。因為它具有若干優點，所以，被廣泛地應用于機械結構的振動與沖擊參量的測量，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 加速度傳感器的結構

本文作者采用壓縮式、雙屏蔽套筒式的結構。該結構的特點是利用壓電石英的縱向壓電應變系數d33，將兩片壓電片機械串聯以增大傳感器的靈敏度。雙屏蔽套筒式的結構能夠有效屏蔽外界干擾對傳感器輸出的影響，中問間隙灌封的材料能夠對傳感器起到一定的保護作用。應用同軸電纜作為引線也能減少外界對傳感器輸出的影響。采用優質的高強度、低密度的航空材料作為該加速度傳感器的主體結構，能夠有效地降低傳感器的質量，增加整個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

當固定在被測物體上的加速度傳感器隨物體運動時，其慣性質量塊產生慣性作用力作用在壓電晶體片上，壓電晶體片產生與此作用力成比例的變形，由于壓電晶體片的壓電效應，產生與壓電元件變形成比例的電荷，此信號由輸出端引出。檢測出輸出的電荷量，就可以根據標定的靈敏度數值計算出被測物體的加速度，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;m為質量塊的質量;a為加速度。或者簡單表示為

D=SQ>a， (2)

式中 SQ為電荷靈敏度。

對于每一個傳感器D，m，SQ均為常數，因此，產生的電荷量(通過電荷放大器轉換成電壓)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所示的二階系統模擬。

其中，m為質量塊的質量;c為阻尼系數;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位移為X(t)，質量塊m的絕對位移為Xm(t)，因此，質量塊和傳感器的相對位移為Xm(t)-X(t)，當輸入加速度為a時系統的傳遞函數為

1.3 加速度傳感器的電路設計

壓電傳感器內阻很高，且信號微弱，特別是以石英晶體作為壓電材料的壓電傳感器，信號極其微弱，其靈敏度只有幾十fC/gn。當用電壓前置放大電路信號時，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，這些參數對測量精度影響很大。為克服這一缺點，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。

考慮到壓電石英傳感器輸出靈敏度和沖擊測量范圍，電路的轉換靈敏度設計為1 mV/pC。

電荷放大器的頻響和放大器本身的開環頻響的好壞關系不大，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。

沖擊測量為動態測量，實際應用也主要利用其動態特性。在長時間歷程沖擊測量時，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，當放大器電源電壓較低的情況下尤其明顯。在對沖擊加速度動態測量精度要求不太苛刻時，適當提高電荷放大器的低頻響應，可減小電荷放大器輸出的零位漂移。如低頻響應截至頻率太高，會導致輸出信號波形失真，同時，會影響測量精度。為折中考慮，低頻截止頻率設計為30Hz左右。

2 試驗結果

2.1 試驗條件

加速度傳感器通過馬希特錘擊機和霍普金森桿進行了標定試驗，馬希特錘擊機最多只能標定到8萬gn左右，而霍普金森桿最多可以標定20萬gn左右。對低gn值時，對馬希特錘擊機進行了標定。

2.1.1 馬希特錘擊機

馬希特錘擊機的結構示意圖如圖3所示。

馬希特錘擊機能夠標定的gn值沒有霍普金森桿標定的gn值高，但其重復性比較好，應力波的形式比較復雜，較接近于傳感器的實際應用環境。

2.1.2 信號記錄

通過錘擊試驗，傳感器的輸出信號用同軸電纜傳至電荷放大器，最后，通過示波器輸出，為便于數據判讀，濾波器選擇10 kHz。通過測量各傳感器的輸出信號取得各傳感器在沖擊過程中的相關參數。

2.2 試驗結果

圖4是編號為H1101的傳感器在馬希特錘擊機上標定的曲線。

3 、結論

高gn值加速度傳感器具有高過載、高響應速度、高環境壓力以及體積小和價格低等特點。本文作者開發的新型壓電石英加速度傳感器具有15萬gn的量程，能夠實現高gn環境下的加速度測量，滿足彈上的要求。通過大量的試驗數據，在大量程和靈敏度之間綜合考慮，確定了高gn的設計思路，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，通過分析試驗數據，選擇了強度高、質量輕的優質航空材料作為整個傳感器的主要用材。
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