光觸發(fā)電子測壓儀可靠性設(shè)計(jì)及分析

梁彥斌，李新娥，舒躍飛，李　楊

（1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西　太原　030051；2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

光觸發(fā)電子測壓儀可靠性設(shè)計(jì)及分析

梁彥斌1，2，李新娥1，2，舒躍飛1，2，李楊1，2

（1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051；
2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

針對光觸發(fā)電子測壓儀在多點(diǎn)測試過程中容易受火炮膛內(nèi)復(fù)雜環(huán)境（高溫、高壓、強(qiáng)電磁）的影響等問題，通過設(shè)計(jì)合理的光窗結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)測壓儀外殼的密封性能和整體強(qiáng)度；采取在光窗處附著一層電磁屏蔽薄膜的措施，降低來自火炮發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾。在模擬復(fù)雜條件下，采用有限元分析軟件對改進(jìn)后的測壓儀光窗及殼體進(jìn)行強(qiáng)度仿真，同時(shí)對殼體的電磁屏蔽性能進(jìn)行分析。仿真結(jié)果表明：改進(jìn)后的光觸發(fā)電子測壓儀殼體滿足膛壓測試要求，電磁屏蔽性能得到進(jìn)一步改善。通過實(shí)驗(yàn)測試，驗(yàn)證光觸發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和有效性，達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

激光觸發(fā)；可靠性設(shè)計(jì)；仿真；電磁屏蔽

0　引言

一直以來，火炮膛內(nèi)壓力場分布信息是火炮在研發(fā)、設(shè)計(jì)和驗(yàn)收時(shí)的重要參數(shù)之一，是分析內(nèi)彈道和裝藥結(jié)構(gòu)的合理性的基本依據(jù)［1］。但是就目前來說，大多數(shù)測試方法僅能測得膛內(nèi)某一點(diǎn)的壓力，這對于研究火炮膛內(nèi)壓力分布，進(jìn)而改造火炮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu)，預(yù)測外彈道參數(shù)等是不夠的。針對上述問題，提出了基于光觸發(fā)的多點(diǎn)壓力測試系統(tǒng)。由于系統(tǒng)采用了光窗等新型結(jié)構(gòu)，火炮膛內(nèi)惡劣環(huán)境將對測壓儀的抗壓及電磁屏蔽性能產(chǎn)生影響，本文對新型測壓儀的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析，對測壓儀的強(qiáng)度及電磁屏蔽性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

光觸發(fā)電子測壓儀主要由殼體傳感器、光窗、內(nèi)部電路模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊以及紅外通信模塊組成［2］。測壓儀外部是由馬氏體時(shí)效鋼材料制作的高強(qiáng)度保護(hù)殼體［3］，具有耐高溫、高壓、高沖擊的特性，對內(nèi)部測試電路起到保護(hù)作用，同時(shí)與內(nèi)筒一起組成殼體一體化電容傳感器。測壓儀上端蓋內(nèi)嵌用特殊材料制作的高強(qiáng)度光窗，便于爆炸瞬間光信號(hào)傳輸。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　壓力測試儀結(jié)構(gòu)圖

測壓儀工作過程為：火藥在火炮膛內(nèi)燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)火光，殼體內(nèi)部測試電路的光敏感元件通過光窗捕捉到光信號(hào)后，便會(huì)產(chǎn)生電平的跳變，通過后續(xù)的放大電路，將放大后的信號(hào)輸入到處理器，處理器感受到來自外部的電平變化后進(jìn)入中斷服務(wù)程序，開始采集火炮膛壓信息，同時(shí)將采集到的膛壓數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到Flash中。采集完畢后，根據(jù)需要可將數(shù)據(jù)通過紅外通信模塊讀回主機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。

圖2　端蓋及光窗結(jié)構(gòu)圖

2　殼體的設(shè)計(jì)與的仿真

測壓儀的端蓋處于火炮膛內(nèi)，需承受火炮膛內(nèi)高溫、高壓的作用［4］，改進(jìn)型的測壓儀在端蓋處開設(shè)了高強(qiáng)度光窗，利用高頻封接技術(shù)進(jìn)行封接，以保證測壓儀殼體的密封性能，確保測試過程中測壓儀內(nèi)部電路的安全。由于開設(shè)了光窗，需要進(jìn)一步驗(yàn)證新型測壓端蓋及儀殼體的抗高壓能力［5］。

2.1端蓋設(shè)計(jì)與仿真

綜合了端蓋的尺寸、光窗的材料強(qiáng)度等因素，在保證端蓋密封性和透光率的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了圖2所示的光窗結(jié)構(gòu)。光窗采用鍥形結(jié)構(gòu)，嵌套在端蓋處。

光窗材料選用了耐高溫高壓的防爆玻璃，其具有良好的透光特性、耐高溫、強(qiáng)度高、抗高沖擊等特點(diǎn)。其具體參數(shù)如表1所示。

表1　耐高溫防爆玻璃參數(shù)

圖3　端蓋在600MPa下應(yīng)力云圖

利用ANSYS仿真軟件，對帶有光窗的端蓋進(jìn)行恒定載荷靜態(tài)分析。測壓儀的測量范圍是0～600MPa，所以在最大壓力情況下進(jìn)行仿真。圖3為端蓋在600MPa時(shí)的應(yīng)力云圖。

由仿真結(jié)果可知，在端蓋螺紋尾部的退刀槽處應(yīng)力較大，但并沒有超過端蓋材料的屈服極限。同時(shí)端蓋的楔形光窗也在其材料的屈服極限內(nèi)，端蓋及光窗強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2殼體仿真與分析

測壓儀工作于火炮膛內(nèi)高沖擊、高溫的惡劣環(huán)境中，而其殼體本身作為電容傳感器的敏感元件，除了感受外部壓力的變化而引起的電容容值的變化，還要保護(hù)內(nèi)部測試電路的安全，所以必須保證殼體有足夠的強(qiáng)度。采用18Ni馬氏體時(shí)效鋼來作為敏感元件材料，其材料參數(shù)如表2所示。

表2　18Ni馬氏體時(shí)效鋼參數(shù)

為了檢驗(yàn)改進(jìn)后的外殼體的強(qiáng)度，采用ANSYS仿真軟件對殼體及端蓋進(jìn)行瞬態(tài)力學(xué)仿真，獲取其在火炮膛內(nèi)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

殼體是一個(gè)軸對稱結(jié)構(gòu)，所以為了簡化計(jì)算，在仿真時(shí)建立了殼體的軸對稱有限元平面模型，根據(jù)殼體材料和光窗材料的力學(xué)參數(shù)和材料屬性，采取網(wǎng)格的劃分，其模型如圖4所示。

圖4　測壓儀殼體結(jié)構(gòu)模型

火藥在炮膛內(nèi)燃燒時(shí)，膛內(nèi)壓力上升時(shí)間集中于2～7 ms之間，脈寬在20 ms左右［6］，峰值設(shè)定為600MPa。測壓儀外殼體所受的壓力環(huán)境便可據(jù)此進(jìn)行模擬。仿真時(shí)，將該載荷施加到殼體的外側(cè)面。

提取殼體所受最大載荷時(shí)的應(yīng)力云圖，如圖5所示。由此可以看出，測壓儀處于最大載荷壓力的情況下，殼體所受應(yīng)力均小于所用材料的屈服極限應(yīng)力，外殼僅發(fā)生了彈性變形。由此可以看出改進(jìn)后的殼體設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求，即電容式測壓儀殼體在600MPa壓力下工作在彈性范圍內(nèi)。

圖5　膛壓達(dá)到峰值時(shí)的應(yīng)力云圖

3　殼體電磁屏蔽性能分析

在火炮發(fā)射過程中，由于等離子體附加磁場的存在，微小的有用信號(hào)很容易被外部干擾信號(hào)所湮沒。改進(jìn)之前的測壓儀端蓋與殼體組成閉合密閉空間，充當(dāng)屏蔽體，有效減小了外部電磁干擾信號(hào)。改進(jìn)之后的測壓儀由于在端蓋處增加了光窗，外部的電磁干擾信號(hào)很容易透過光窗影響到內(nèi)部的電路安全，因此需要進(jìn)一步對其電磁屏蔽效果進(jìn)行驗(yàn)證。采用ANSYS軟件對光觸發(fā)測壓儀殼體進(jìn)行電磁屏蔽效能的分析計(jì)算。在測壓儀外部施加高頻電磁場，方向?yàn)闅んw的軸向方向。其中圖6是殼體附近磁密分布情況，圖7是殼體內(nèi)部磁密分布情況。

圖6　殼體附近磁場分布

從圖中可以看出，在端蓋處增加光窗后，殼體內(nèi)部的殘余磁密也變大，外部的干擾信號(hào)很容易對內(nèi)部電路產(chǎn)生影響［7］，這對于要測試的微弱瞬變電容信號(hào)是不可接受的?；诖耍斜匾页鼋档碗姶判盘?hào)干擾的措施。

為了增強(qiáng)殼體的電磁屏蔽效果，在殼體內(nèi)部的光窗上面粘貼一層由ITO材料制作的電磁屏蔽薄膜，利用其高透光率、低電阻率等特性來降低外部電磁干擾信號(hào)［8］。其屏蔽效果如圖8所示。

圖7　開設(shè)光窗后屏蔽效果圖

圖8　光窗表面貼屏蔽薄膜后屏蔽效果圖

通過對比圖7可以看出，在光窗的內(nèi)部貼上屏蔽薄膜后，測壓儀殼體屏蔽效果得到顯著改善，基本可以忽略外部電磁干擾對內(nèi)部電路的影響，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及討論

采用模擬膛壓發(fā)生器模擬火炮膛壓，實(shí)驗(yàn)時(shí)用少量發(fā)射藥在帶膜片、噴管的模擬膛壓發(fā)生器中點(diǎn)燃，產(chǎn)生一個(gè)類似膛壓曲線的P-t過程。放置測壓儀在模擬膛壓發(fā)生器內(nèi)，為了與真實(shí)的膛壓數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，將經(jīng)過校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)傳感器放入模擬膛壓發(fā)生器內(nèi)。將標(biāo)準(zhǔn)傳感器得到的曲線與測壓儀得到的曲線進(jìn)行對比，如圖9所示。

由曲線可知，測壓儀曲線與標(biāo)準(zhǔn)傳感器曲線基本吻合，測壓儀與標(biāo)準(zhǔn)傳感器同時(shí)觸發(fā)，在下降沿過程中出現(xiàn)誤差，因?yàn)樵趶椥孕巫兎秶鷥?nèi)，外殼體的形變除了與膛壓有關(guān)外，還與時(shí)間有關(guān)，殼體的形變需要一定時(shí)間來完成。受彈性滯后和彈性后效影響，導(dǎo)致上述誤差的產(chǎn)生。

圖9　標(biāo)準(zhǔn)傳感器與測壓儀曲線對比

5　結(jié)束語

文本對改進(jìn)后的光觸發(fā)測壓儀殼體和光窗進(jìn)行了強(qiáng)度和抗電磁屏蔽的分析和論證。通過仿真可知，改進(jìn)后的測壓儀殼體滿足膛壓測試要求，同時(shí)對光窗的電磁屏蔽性能進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于光觸發(fā)的測壓儀能夠有效屏蔽外界電磁的干擾，完整記錄膛壓曲線，提高了測壓儀的可靠性，可為今后新型測壓儀的推廣奠定基礎(chǔ)。

［1］張相炎.火炮設(shè)計(jì)理論［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2005：153-161.

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（編輯：李妮）

Reliability design and simulation analysis of light trigger electronic manometer

LIANG Yanbin1，2，LI Xin'e1，2，SHU Yuefei1，2，LI Yang1，2
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement of Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

The study designsreasonable opticalwindowstructure，enhances manometershell sealing performance and strength for solving problems such as light-triggered electronic manometer easilyinfluencedbythecomplexenvironment（hightemperature，highpressureandstrong electromagnetic interference）of the artillery chamber pressure in the process of multipoint test. The external electromagnetic interference is reduced by attaching a layer of electromagnetic shield film to theoptical window.In conditions ofcomplicatedsimulation，finiteelementanalysis software is used for high intensity simulation to improved optical window and shell of manometer and analysis on shell electromagnetic shielding performance.The simulation results show that the improved light-triggered electronic manometer meets chamber pressure testing requirements and the electromagnetic shielding performance has been further improved.The rationality and effectiveness of light triggered structural design meet the system design requirements.

light trigger；reliability design；simulation；electromagnetic shield

A

1674-5124（2016）08-0131-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.08.027

2016-01-16；

2016-02-26

國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（04011007）

梁彥斌（1990-），男，山西陽泉市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測試與智能儀器。

李新娥（1971-），女，山西大同市人，教授，博士，研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測試與智能儀器。