高过载微型加速度计结构设计及数值模拟

　　微型加速度计属于微机械惯性器件,是微机电系统的重要研究内容之一。弹装微型加速度计不仅需要承受火炮膛内纵横向高过载、高压力、高温、高频振动,还要能精确地获取弹丸运动加速度数据。这种高性能发射条件下膛内弹丸运动加速度的测试问题属于内弹道测试的前沿课题。微型加速度计的种类较多,其中电容式微型加速度计具有灵敏度高、功耗低、温度效应小等优点,在高冲击瞬态过程中检测加速度时具有更加明显的优势。

　　国外在微型加速度计方面的研究较早,做了大量工作[1, 2]。比较有代表性的产品有由美国模拟器件公司研制的ADXL系列电容式硅微加速度计,美国军方曾在模拟炮弹发射环境的冲击台和空气炮上进行高过载冲击试验,性能稳定。国内在该方向的研究工作起步较晚,研究力量主要集中于与国防工业相关的一些院校和研究单位,在理论和实验方面也有了一定基础,例如:封装对高过载微型加速度计性能的影响[3],微型陀螺仪的工程应用研究等[4, 5]。但仍需进行大量研究以满足各种需求。

　　本文针对某高膛压模拟火炮,该火炮发射的弹丸在膛内运动加速度最大值可达1. 33×105g(重力加速度g=9. 81 m/s2),提出了一种弹装电容式微型加速度计的结构设计方案,建立了其弹性元件的力学模型,并进行了有限元数值模拟。

　　1　结构方案及测量电路

　　电容式高过载微型加速度计的设计关键在于其弹性元件的结构方案,即检测电容动极板及其支撑件的设计。为了使加速度计具有良好的过载测试能力和较高的谐振频率,弹性元件的结构设计方案如图1所示。检测电容的动极板由16根直梁支撑,动极板的面积取为S=300×300μm2,量程为1. 33×105g。在电容动极板上开一定数量的小孔,当动极板运动时,两极板间的粘性流体从小孔流出(或流入)将会有效地改变动极板的阻尼状况。

　　弹丸在火炮膛内加速运动时,由加速度产生的惯性力使检测电容的动极板相对定极板发生位移,从而导致检测电容的电容量变化。信号测量宜采用图2所示测量电路。图中C1为检测电容,C2为参考电容,Cr为测量电路输出端分布电容,Vm为载波电压。由图2可知,检测电容变化首先经测量电路调制成高频的交流信号,放大后通过解调器、滤波器等环节还原出测量信号。经过适当的标定,从而获得相应的加速度值。应用电路分析可导出测量电路的灵敏度为

　　式中:ΔV0为检测电路输出电压变化,a为检测加速度,δ0为电容极板的初始间距,fn为弹性元件的固有频率。由式(1)可知,在检测电容结构一定的情况下,测量电路的灵敏度S将与δ0密切相关,δ0越小则灵敏度S越高。设Vm=5V, fn=250 kHz,取δ0=1 ~2μm时可算出S≥6 ~12μV/g,满足灵敏度应大于等于1μV/g的设计要求。若取δ0=1μm进行设计,则可获得较大的输出灵敏度,并且减小了检测电容几何尺寸和微型加速度计的非线性特征。