用于中间弹道测试的电容式抗高过载低量程加速度计

　　电容式加速度计是一种传统使用的古典式传感器之一，其工作原理为人们所熟知，但就其普通型的电容式传感器而言因其结构限制，在应用上有局限性不能满足越来越高的测试技术的要求，本文所介绍的电容式抗高过载低量程加速度计，在结构上与传统的电容式传感器有明显区别，限位结构的设计，赋予电容式传感器以新的使命。它不仅可以承受火炮膛内纵横向高g值加速度、高压力、高温、高频振动，又适应外弹道上低量程测试要求，获取捕捉火炮后效期，即中间弹道上弹丸飞行加速度数据及曲线。试验表明，此种电容式加速度计不但具有良好的抗高过载能力，且具有良好的低g值测试性能，是一种新型的电容式抗高过载低量程加速度计。与国内外同类技术相比，本研究有创新之处。美国恩特福克公司研制的微硅式电容杭高过载加速度计，其结构为长方体，上弹测试的对称性能欠佳。而我们研制的抗高过载低量程测试系统则可直接上弹测试。

　　1.电容式抗高过载低量程加速度计

　　根据弹丸出炮口后加速度及在膛内横向加速度固有频率不是很高，但是在膛内要承受高压、高温、高g值的特点，考虑研制的传感器必须能在弹丸出炮口的瞬间，即中间弹道段，记录存储弹丸在此刻加速度值，既能描绘中间弹道加速度曲线，又保证传感器不损坏。由此我们采用差动电容式的加速度计加限位结构。

　　1.1加速度计工作原理

　　电容式加速度计和其它原理的加速度计一样，为一个典型的二阶系统。其运动方程为

　　式中x—质量块相对于底座的位移;切—等效质量块的质量;‘—阻尼系数;k—刚度系数。

　　由简谐运动分析，被测物体的加速度幅值与最大位移关系，是质量块位移与底座加速度幅值的线性关系。电容式加速度计是根据电容变化的原理:C=A￡/d，A极板面积;￡介电常数;d极板间隙。间隙发生变化d一△d，电容值变化C+△C，根据电容值的变化来测量加速度。因为电容值变化为非线性，采用差动式结构来消除非线性。由此采用差动电容式的加速度计加限位结构，其结构原理图如图1所示。对差动电容式传感器质量块运动行程加限位保护，当高冲击作用于传感器时，传感器在有效量程内的运动受到保护性的限位。当高冲击过后，加速度计测试量程在200g以下，弹性膜片感受到其加速度幅值，带动质量块在弹性范围内上下振动。其可动极设计为弹性平膜片加两个梯形圆台质量块来构成。电容式加速度计的电极间隙的变化主要是由弹性膜片带动圆台质量块上下振动来感受和测试加速度值。其平膜片中心最大的挠度，即是质量块最大位移值，也是极板间的最大间隙。根据中间弹道段上弹丸飞行加速度的测试要求，其加速度计的量程应为0一200g，抗高过载能力为2x10⁴g值以上。若让电容式加速度计具有抗高过载性能，根据其加速度计单自由度二阶系统的运动方程，只需将差动电容式加速度计的电容极板间隙设计值，限制在小于等于平膜片中心点的最大挠度。并加有限位结构即可达到目的。