基于压缩式、双屏蔽套筒式结构实现高gn值加速度传感器的设计
引 言
引信对多层硬目标的探测和识别是近年来引信技术发展的一个主要分支。多层目标侵彻探测采用机械动作无法完成，只能利用抗高过载的加速度传感器产品采集、识别目标信息，适时控制引爆战斗部，以获得最佳毁伤效果。对多层目标的探测识别与控制引爆技术，美国已应用在武器型号中，据报道目前美国可对16层目标进行探测与识别。在1999年的科索沃战争中，美国攻击我国驻南斯拉夫大使馆使用的JADM弹药就是采用多层侵彻引爆。
由于加速度传感器产品不但能探测弹发射过程的加速度，为安全解除保险提供信息，同时，利用加速度传感器产品测得的弹道飞行信息还可以为弹道修正提供依据;再者还可以利用加速度传感器产品对多层目标侵彻进行探测，为引信起爆提供信息。因此，加速度传感器产品在引信上的应用比其他类型的传感器有着更广阔的前景。但由于引信所经受的特殊环境，对加速度传感器的要求也非常的苛刻，一是抗高过载，其加速度范围为几万gn到几十万gn的范围;二是体积小、质量轻;
另外，谐振频率、动态范围也是主要考虑的因素，要求谐振频率高，动态范围大;如果工作频率段为0～5 kHz，那么，用于测试的传感器的频率至少应该为15 kHz。
压电加速度传感器具有体积小，频率范围宽(可达30000Hz)，冲击加速度测量可以从几分之一gn到200000gn，在0～85℃的范围内具有较好的特性，坚固、稳定、没有活动部件、价格便宜;但压电加速度传感器需要特殊的电荷放大器，对于低频率或低gn值的加速度测量不太合适，长时间历程(大于10ms)冲击的测量效果较差。
国际上，许多知名的公司和研究机构都开展了加速度传感器的研究，如美国ENDEVCO公司研制的高gn加速度传感器，主要应用在激光制导炸弹和巡航导弹中。美国生产的加速度传感器量程在20万gn左右，目前，国产的高gn值加速度传感器主要是压电式的，量程在10万gn左右。本文作者研制的压缩式压电石英加速度传感器的最大量程可以达到15万gn，具有20kHz的频率响应，幅值线性度小于10%，完全满足硬目标侵彻的应用。
1 、压电加速度传感器
压电传感器是一种利用压电效应进行机电能量转换的变换器，是一种典型的有源传感器。压电材料在外力的作用下，在材料的表面上产生电荷，从而实现非电量的转换。因为它具有若干优点，所以，被广泛地应用于机械结构的振动与冲击参量的测量，压电传感器基本上有压缩式、剪切式和弯曲式3种形式。
1.1 加速度传感器的结构
本文作者采用压缩式、双屏蔽套筒式的结构。该结构的特点是利用压电石英的纵向压电应变系数d33，将两片压电片机械串联以增大传感器的灵敏度。双屏蔽套筒式的结构能够有效屏蔽外界干扰对传感器输出的影响，中问间隙灌封的材料能够对传感器起到一定的保护作用。应用同轴电缆作为引线也能减少外界对传感器输出的影响。采用优质的高强度、低密度的航空材料作为该加速度传感器的主体结构，能够有效地降低传感器的质量，增加整个加速度传感器的固有频率，提升加速度传感器的有效工作频段。
1.2 加速度传感器的工作原理
当固定在被测物体上的加速度传感器随物体运动时，其惯性质量块产生惯性作用力作用在压电晶体片上，压电晶体片产生与此作用力成比例的变形，由于压电晶体片的压电效应，产生与压电元件变形成比例的电荷，此信号由输出端引出。检测出输出的电荷量，就可以根据标定的灵敏度数值计算出被测物体的加速度，可用公式表示为
D=dma， (1)
式中 D为压电材料的电位移(单位面积电荷);d为压电常数;m为质量块的质量;a为加速度。或者简单表示为
D=SQ>a， (2)
式中 SQ为电荷灵敏度。
对于每一个传感器D，m，SQ均为常数，因此，产生的电荷量(通过电荷放大器转换成电压)与所受的冲击加速度成正比。
压电加速度传感器可以用图1所示的二阶系统模拟。
其中，m为质量块的质量;c为阻尼系数;K为压电晶体片的刚度(K=Eπφ2/8t，E为压电晶体片的杨氏模量，φ为压电晶体片的直径，t为压电晶体片的厚度);加速度传感器的绝对位移为X(t)，质量块m的绝对位移为Xm(t)，因此，质量块和传感器的相对位移为Xm(t)-X(t)，当输入加速度为a时系统的传递函数为
1.3 加速度传感器的电路设计
压电传感器内阻很高，且信号微弱，特别是以石英晶体作为压电材料的压电传感器，信号极其微弱，其灵敏度只有几十fC/gn。当用电压前置放大电路信号时，其输出电压与传感器固有电容、接线电容、传感器绝缘电阻有关，这些参数对测量精度影响很大。为克服这一缺点，需采用电荷放大器。电荷放大器是具有电容反馈、高输入阻抗，高增益的放大电路，如图2所示。
考虑到压电石英传感器输出灵敏度和冲击测量范围，电路的转换灵敏度设计为1 mV/pC。
电荷放大器的频响和放大器本身的开环频响的好坏关系不大，主要取决于反馈电容和传感器连接电缆。电荷放大器的低频响应主要由反馈电容Cf和反馈电阻Rf决定。低频下降3 dB的截止频率为
式中ft为低频下降3 dB的截止频率。
冲击测量为动态测量，实际应用也主要利用其动态特性。在长时间历程冲击测量时，传感器残余电荷和外界干扰引起电荷放大器输出的零位漂移，零位漂移容易引起放大电路饱和，当放大器电源电压较低的情况下尤其明显。在对冲击加速度动态测量精度要求不太苛刻时，适当提高电荷放大器的低频响应，可减小电荷放大器输出的零位漂移。如低频响应截至频率太高，会导致输出信号波形失真，同时，会影响测量精度。为折中考虑，低频截止频率设计为30Hz左右。
2 试验结果
2.1 试验条件
加速度传感器通过马希特锤击机和霍普金森杆进行了标定试验，马希特锤击机最多只能标定到8万gn左右，而霍普金森杆最多可以标定20万gn左右。对低gn值时，对马希特锤击机进行了标定。
2.1.1 马希特锤击机
马希特锤击机的结构示意图如图3所示。
马希特锤击机能够标定的gn值没有霍普金森杆标定的gn值高，但其重复性比较好，应力波的形式比较复杂，较接近于传感器的实际应用环境。
2.1.2 信号记录
通过锤击试验，传感器的输出信号用同轴电缆传至电荷放大器，最后，通过示波器输出，为便于数据判读，滤波器选择10 kHz。通过测量各传感器的输出信号取得各传感器在冲击过程中的相关参数。
2.2 试验结果
图4是编号为H1101的传感器在马希特锤击机上标定的曲线。
3 、结论
高gn值加速度传感器具有高过载、高响应速度、高环境压力以及体积小和价格低等特点。本文作者开发的新型压电石英加速度传感器具有15万gn的量程，能够实现高gn环境下的加速度测量，满足弹上的要求。通过大量的试验数据，在大量程和灵敏度之间综合考虑，确定了高gn的设计思路，并采用压缩式、双屏蔽套筒式压电石英加速度传感器。另外，就是材料的选择，通过分析试验数据，选择了强度高、质量轻的优质航空材料作为整个传感器的主要用材。
