侵彻姿态测量中MEMS陀螺仪结构仿真与冲击实验
摘要:弹体在高速侵彻过程中的姿态偏转是影响其效能的重要因素,利用微电子机械系统(MEMS)陀螺仪进行姿态测量是监测弹体姿态变化的主要手段。针对侵彻弹体姿态测量对MEMS陀螺仪提出的抗高过载要求,采用结构仿真和冲击实验的方法对国产MEMS陀螺仪进行了抗高过载研究。在结构仿真中,利用ANSYS有限元软件对MEMS陀螺仪敏感结构进行了静力学仿真和冲击仿真。仿真结果表明,MEMS陀螺仪能够承受峰值15000g、脉宽2ms的半正弦冲击载荷;在冲击实验中,利用空气炮对MEMS陀螺仪处于带电工作状态下的抗高过载能力和输出特性进行了研究,实验结果表明,MEMS陀螺仪在8363g的冲击过载条件下可以正常带电工作,其在过载前后的零偏和标度因数基本保持不变。
青泽; 牟东; 廉璞; 刘军; 周铭， 微纳电子技术 发表时间：2021-08-17 期刊
关键词:微电子机械系统(MEMS);陀螺仪;侵彻;姿态测量;抗高过载
0引言
MEMS陀螺是利用微电子机械系统(microelectromechanicalsystem,MEMS)技术制作而成的用来测量运动载体角速度的惯性传感器[1],与传统惯性陀螺相比,MEMS陀螺具有体积小、质量轻、成本低及可批量生产等特点,在惯性导航、姿态测量等领域具有广阔的应用前景[2]。
随着速度的不断提高,弹体在侵彻过程中姿态超出设计值、发生不可控偏转的概率大幅增加,当弹体姿态偏转一定程度时,极易发生横拍解体、跳弹[3]甚至弹体转回地面[4](美国将弹体转回地面的现象形象地称为“J-ing”)等问题,从而导致战斗部失能失效。为避免此类问题发生,需要在侵彻过程中实时感知弹体姿态变化,当弹体姿态失控时,启动应急起爆模式引爆战斗部。
为满足侵彻弹体实时姿态测量的需求,主要的技术手段是增加姿态测量模块[5],由于弹上体积和质量的限制,MEMS陀螺成为实现侵彻弹体姿态测量的首选。但在侵彻高过载条件下,MEMS陀螺的可靠性成为研究的难点[6-7]。国内目前鲜有将MEMS陀螺运用在侵彻高过载环境中的研究,针对MEMS陀螺的抗高过载能力的研究也主要围绕陀螺在过载前后的性能变化(过载作用过程中陀螺处于不带电非工作状态),而鲜有陀螺在过载作用过程中处于带电工作状态下的研究。
为此,本文以某国产MEMS陀螺为研究对象,分别从陀螺敏感结构层面和器件层面对其在侵彻高过载条件下进行结构仿真和带电工作状态下的冲击实验,研究MEMS陀螺在高过载条件下的结构响应和输出特性,为利用MEMS陀螺实现侵彻姿态测量提供参考。
1侵彻姿态测量概述
随着侵彻速度的不断提高,弹体在侵彻过程中的姿态偏转现象越来越明显。图1[8]为在多层靶侵彻实验中的弹体姿态偏转现象,从图中可以看出,弹体在侵彻第5层靶时出现了较为明显的姿态偏转,导致穿靶结束时弹体位置已接近靶板边缘,而随着侵彻速度的进一步增加,弹体将在更早位置(如第3层靶)出现明显的姿态偏转。
MEMS陀螺在上述侵彻弹体姿态测量场景中,主要面临“高过载冲击”的挑战,图2[9]为在多层靶侵彻实验中的过载信号,从图中可以看出,MEMS陀螺在侵彻过程中将承受峰值在20000g左右、持续时间1~2ms的过载冲击。同时,要实现侵彻过程的姿态测量,MEMS陀螺在过载作用过程中必须处于带电工作状态,而现有关于MEMS陀螺抗高过载能力的研究主要围绕MEMS陀螺在过载前后的性能变化,在过载作用过程中陀螺处于不带电非工作状态。为此,本文将围绕MEMS陀螺处于带电工作状态下的抗高过载能力展开研究。
2MEMS陀螺敏感结构仿真分析
针对侵彻姿态测量对MEMS陀螺提出的带电工作状态下抗高过载的要求,国内现有MEMS陀螺市场中,并没有能够满足该要求的产品。因此,本文在充分调研国内现有MEMS陀螺产品的基础上,选择技术成熟、具有一定静态(即不带电非工作状态)抗高过载能力的MEMS陀螺,其测量范围为±4000°/s,主要性能参数如表1[10]所示,表1中LSB为最低有效位。
从表1可以看出,该陀螺测量范围大、精度高,响应延迟不超过1.0ms,其在不带电非工作状态下的静态抗高过载能力为15000g,而侵彻姿态测量要求MEMS陀螺在带电工作状态下具有一定抗高过载能力。
当MEMS陀螺以带电工作状态承受高过载时,其与不带电状态的区别主要体现在陀螺的控制系统上,即带电工作状态下,陀螺内部调制器可能会因过载而失去稳定,同时无法依靠自身重新恢复稳定。因此,为验证该陀螺在带电工作状态下的抗过载能力,本文将从工程应用的角度,首先对陀螺敏感结构进行抗高过载能力仿真分析,再对陀螺整机在带电工作状态下进行冲击实验研究。
2.1静力学仿真分析
首先对MEMS陀螺敏感结构进行静力学仿真分析,明确其敏感结构能承受的静力载荷边界,为下一步将要进行的冲击动力学仿真提供输入载荷参考。静力学仿真分析采用ANSYS有限元分析软件对MEMS陀螺敏感结构在静力恒加载荷下的应力、应变响应情况进行仿真研究[11-12]。分别对陀螺敏感结构在X轴、Y轴和Z轴上施加10000g~20000g的静力载荷,设置10000g、12500g、15000g、17500g和20000g5个载荷进行仿真求解。
图3为MEMS陀螺最大等效应力与加速度的关系曲线。从图3中可以看出,Z轴方向过载下的最大等效应力为3个方向中最小的,其在20000g过载下的最大等效应力为323MPa,Y轴方向20000g下的最大等效应力为462MPa,而X轴方向过载下的最大等效应力为3个方向中最大的,其在20000g过载下的最大等效应力达到630MPa,其最大等效应力位于陀螺刚性连杆的扭转机构(中心支点)区,如图4所示。相较于MEMS陀螺硅材料700MPa的失效强度(该失效强度值为陀螺设计厂家限定),可见陀螺可以承受Y轴和Z轴方向上20000g过载,而X轴20000g过载下的最大等效应力已接近失效强度,可以预见陀螺在X轴20000g过载下将接近结构断裂失效边界。
图5为MEMS陀螺最大等效应变与加速度的关系曲线。从图中可以看出,3个轴向上的最大等效应变均随着加速度的增加而增大,在Z轴方向上的最大等效应变约为0.00118,低于0.0035的安全应变边界(该安全应变边界值为陀螺设计厂家限定);在Y轴方向上的最大等效应变约为0.00327,仍低于0.0035的安全应变边界;而在X轴方向上,当载荷为15000g时,其最大等效应变约为0.00335,接近安全应变边界,当载荷增至17500g时,最大等效应变为0.00363,超过0.0035的安全应变边界,因此可以预见的是,当X轴方向载荷超过15000g时,陀螺接近结构断裂失效边界。
综合上述静力学仿真结果可以看出,在Y轴和Z轴方向上,陀螺可以承受20000g的静力载荷而不会出现结构失效,而在X轴方向上,当载荷超过15000g时,陀螺接近结构失效边界,可能出现结构断裂失效。
2.2冲击仿真分析
冲击仿真分析采用ANSYS动力学分析方法,研究MEMS陀螺敏感结构在强瞬态冲击载荷作用下的应力应变分布。在冲击仿真中,以静力学仿真分析中的载荷边界为基础,同时为模拟侵彻过程中的过载特性,选择幅值分别为5000g、10000g、15000g和20000g,脉宽为2ms的半正弦冲击载荷作为输入,分析陀螺敏感结构在冲击载荷下的瞬态响应,明确其抗动态冲击过载能力。
图6(a)和(b)分别为MEMS陀螺在冲击载荷下其敏感结构的最大等效应力、最大等效应变随冲击载荷变化的时间响应曲线,从图6中可以看出,在半正弦冲击载荷作用下,MEMS陀螺敏感结构的最大等效应力和最大等效应变随冲击过载值的增大而增大,其响应峰值时间和脉宽与冲击载荷的峰值时间和脉宽基本吻合。
表2为在不同冲击载荷下MEMS陀螺敏感结构的等效应力、等效应变的峰值,从表2中可以看出,在15000g、2ms的冲击载荷下,陀螺敏感结构的最大等效应力为516.16MPa,低于700MPa的材料失效强度,最大等效应变为0.0039681,已超过0.0035的安全应变边界;在20000g、2ms的冲击载荷下,其最大等效应力为664.25MPa,已接近陀螺材料700MPa的失效强度,其最大等效应变也已超过安全应变边界,因此,可以预见的是当冲击载荷峰值在15000g时,陀螺敏感结构接近失效边界,将可能出现结构断裂失效。
图7(a)和(b)分别为陀螺敏感结构的等效应力、等效应变在峰值时刻的分布图,从图中可以看出,在冲击载荷作用下,陀螺等效应力和等效应变的最大值均出现在其刚性连杆的扭转机构区,这与静力学仿真结果基本吻合。
3MEMS陀螺冲击实验研究
为研究MEMS陀螺在过载作用过程中处于带电工作状态下的抗高过载能力,分析陀螺性能是否会随着过载增加而发生变化,本文选择空气炮进行MEMS陀螺带电冲击实验。在空气炮实验中,设计MEMS陀螺工作电路,采用锂电池为MEMS陀螺供电,并设计专用数据记录仪,用于对MEMS陀螺在冲击过程中的输出信号进行实时采集记录,制作的空气炮实验样品如图8所示。
共进行两发空气炮实验,两发实验的实测过载值分别为8279g和8363g,相较于图2中的实际侵彻过载,本次空气炮实验的过载持续时间和加载能量均小约一个数量级,主要原因是为了分阶段验证MEMS陀螺的抗过载能力,逐步摸清其在带电工作状态下能够承受的过载极限值,以及研究陀螺的性能是否会随着过载增加而发生变化。
在不考虑噪声影响的前提下,将在实验中采集的陀螺输出换算为角速度信号,如图9所示。从图中可以看出,两发空气炮实验中,两只MEMS陀螺全程处于带电工作状态,且有效输出了角速度信号,虽然受实验能力的限制,无法找到准确的角度或角速度参考基准,但MEMS陀螺的输出结果基本符合实验情况:实验中MEMS陀螺安装为敏感弹体滚转方向的角速度,由于安装误差,在弹体发射瞬间有一个比较大的角速度,稳定飞行后滚转方向角速度在较小范围内波动。实验结果说明,该MEMS陀螺至少具备带电工作状态下抗8363g的过载能力,初步具备应用在侵彻高过载环境中的条件,后续可进一步提高空气炮实验的过载值,以研究MEMS陀螺能够承受的载荷边界,分析其性能是否会随着过载增加而发生变化。这也是本文后续将重点开展的研究内容之一。
表3为空气炮实验前后两只陀螺零偏和标度因数的变化情况,从表3中可以看出,两只陀螺在空气炮实验前后其零偏变化率最大为-1.71%,标度因数变化率不超过-1%,说明其主要性能参数在实验前后基本保持不变,陀螺未出现损坏失效的情况。
4结论
针对侵彻弹体姿态测量对MEMS陀螺提出的抗高过载要求,以国产MEMS陀螺为研究对象,分别从敏感结构层面和器件层面进行结构仿真分析和冲击实验研究。结果表明,该MEMS陀螺在8363g的空气炮冲击过载条件下可正常带电工作,且其主要性能参数在过载环境下基本保持不变,初步具备应用在侵彻高过载环境下的条件。后续将进一步提高空气炮实验过载值,确定MEMS陀螺在带电工作状态下能够承受的过载边界,研究MEMS陀螺的性能随过载增加的变化规律,为利用MEMS陀螺实现侵彻姿态测量提供参考。