侵徹姿態(tài)測(cè)量中MEMS陀螺儀結(jié)構(gòu)仿真與沖擊實(shí)驗(yàn)

　　摘要:彈體在高速侵徹過(guò)程中的姿態(tài)偏轉(zhuǎn)是影響其效能的重要因素,利用微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)陀螺儀進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量是監(jiān)測(cè)彈體姿態(tài)變化的主要手段。針對(duì)侵徹彈體姿態(tài)測(cè)量對(duì)MEMS陀螺儀提出的抗高過(guò)載要求,采用結(jié)構(gòu)仿真和沖擊實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)國(guó)產(chǎn)MEMS陀螺儀進(jìn)行了抗高過(guò)載研究。在結(jié)構(gòu)仿真中,利用ANSYS有限元軟件對(duì)MEMS陀螺儀敏感結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)仿真和沖擊仿真。仿真結(jié)果表明,MEMS陀螺儀能夠承受峰值15000g、脈寬2ms的半正弦沖擊載荷;在沖擊實(shí)驗(yàn)中,利用空氣炮對(duì)MEMS陀螺儀處于帶電工作狀態(tài)下的抗高過(guò)載能力和輸出特性進(jìn)行了研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,MEMS陀螺儀在8363g的沖擊過(guò)載條件下可以正常帶電工作,其在過(guò)載前后的零偏和標(biāo)度因數(shù)基本保持不變。

　　青澤; 牟東; 廉璞; 劉軍; 周銘， 微納電子技術(shù) 發(fā)表時(shí)間：2021-08-17 期刊

　　關(guān)鍵詞:微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS);陀螺儀;侵徹;姿態(tài)測(cè)量;抗高過(guò)載

　　0引言

　　MEMS陀螺是利用微電子機(jī)械系統(tǒng)(microelectromechanicalsystem,MEMS)技術(shù)制作而成的用來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)載體角速度的慣性傳感器[1],與傳統(tǒng)慣性陀螺相比,MEMS陀螺具有體積小、質(zhì)量輕、成本低及可批量生產(chǎn)等特點(diǎn),在慣性導(dǎo)航、姿態(tài)測(cè)量等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。

　　隨著速度的不斷提高,彈體在侵徹過(guò)程中姿態(tài)超出設(shè)計(jì)值、發(fā)生不可控偏轉(zhuǎn)的概率大幅增加,當(dāng)彈體姿態(tài)偏轉(zhuǎn)一定程度時(shí),極易發(fā)生橫拍解體、跳彈[3]甚至彈體轉(zhuǎn)回地面[4](美國(guó)將彈體轉(zhuǎn)回地面的現(xiàn)象形象地稱(chēng)為“J-ing”)等問(wèn)題,從而導(dǎo)致戰(zhàn)斗部失能失效。為避免此類(lèi)問(wèn)題發(fā)生,需要在侵徹過(guò)程中實(shí)時(shí)感知彈體姿態(tài)變化,當(dāng)彈體姿態(tài)失控時(shí),啟動(dòng)應(yīng)急起爆模式引爆戰(zhàn)斗部。

　　為滿(mǎn)足侵徹彈體實(shí)時(shí)姿態(tài)測(cè)量的需求,主要的技術(shù)手段是增加姿態(tài)測(cè)量模塊[5],由于彈上體積和質(zhì)量的限制,MEMS陀螺成為實(shí)現(xiàn)侵徹彈體姿態(tài)測(cè)量的首選。但在侵徹高過(guò)載條件下,MEMS陀螺的可靠性成為研究的難點(diǎn)[6-7]。國(guó)內(nèi)目前鮮有將MEMS陀螺運(yùn)用在侵徹高過(guò)載環(huán)境中的研究,針對(duì)MEMS陀螺的抗高過(guò)載能力的研究也主要圍繞陀螺在過(guò)載前后的性能變化(過(guò)載作用過(guò)程中陀螺處于不帶電非工作狀態(tài)),而鮮有陀螺在過(guò)載作用過(guò)程中處于帶電工作狀態(tài)下的研究。

　　為此,本文以某國(guó)產(chǎn)MEMS陀螺為研究對(duì)象,分別從陀螺敏感結(jié)構(gòu)層面和器件層面對(duì)其在侵徹高過(guò)載條件下進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真和帶電工作狀態(tài)下的沖擊實(shí)驗(yàn),研究MEMS陀螺在高過(guò)載條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和輸出特性,為利用MEMS陀螺實(shí)現(xiàn)侵徹姿態(tài)測(cè)量提供參考。

　　1侵徹姿態(tài)測(cè)量概述

　　隨著侵徹速度的不斷提高,彈體在侵徹過(guò)程中的姿態(tài)偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象越來(lái)越明顯。圖1[8]為在多層靶侵徹實(shí)驗(yàn)中的彈體姿態(tài)偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象,從圖中可以看出,彈體在侵徹第5層靶時(shí)出現(xiàn)了較為明顯的姿態(tài)偏轉(zhuǎn),導(dǎo)致穿靶結(jié)束時(shí)彈體位置已接近靶板邊緣,而隨著侵徹速度的進(jìn)一步增加,彈體將在更早位置(如第3層靶)出現(xiàn)明顯的姿態(tài)偏轉(zhuǎn)。

　　MEMS陀螺在上述侵徹彈體姿態(tài)測(cè)量場(chǎng)景中,主要面臨“高過(guò)載沖擊”的挑戰(zhàn),圖2[9]為在多層靶侵徹實(shí)驗(yàn)中的過(guò)載信號(hào),從圖中可以看出,MEMS陀螺在侵徹過(guò)程中將承受峰值在20000g左右、持續(xù)時(shí)間1~2ms的過(guò)載沖擊。同時(shí),要實(shí)現(xiàn)侵徹過(guò)程的姿態(tài)測(cè)量,MEMS陀螺在過(guò)載作用過(guò)程中必須處于帶電工作狀態(tài),而現(xiàn)有關(guān)于MEMS陀螺抗高過(guò)載能力的研究主要圍繞MEMS陀螺在過(guò)載前后的性能變化,在過(guò)載作用過(guò)程中陀螺處于不帶電非工作狀態(tài)。為此,本文將圍繞MEMS陀螺處于帶電工作狀態(tài)下的抗高過(guò)載能力展開(kāi)研究。

　　2MEMS陀螺敏感結(jié)構(gòu)仿真分析

　　針對(duì)侵徹姿態(tài)測(cè)量對(duì)MEMS陀螺提出的帶電工作狀態(tài)下抗高過(guò)載的要求,國(guó)內(nèi)現(xiàn)有MEMS陀螺市場(chǎng)中,并沒(méi)有能夠滿(mǎn)足該要求的產(chǎn)品。因此,本文在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)現(xiàn)有MEMS陀螺產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,選擇技術(shù)成熟、具有一定靜態(tài)(即不帶電非工作狀態(tài))抗高過(guò)載能力的MEMS陀螺,其測(cè)量范圍為±4000°/s,主要性能參數(shù)如表1[10]所示,表1中LSB為最低有效位。

　　從表1可以看出,該陀螺測(cè)量范圍大、精度高,響應(yīng)延遲不超過(guò)1.0ms,其在不帶電非工作狀態(tài)下的靜態(tài)抗高過(guò)載能力為15000g,而侵徹姿態(tài)測(cè)量要求MEMS陀螺在帶電工作狀態(tài)下具有一定抗高過(guò)載能力。

　　當(dāng)MEMS陀螺以帶電工作狀態(tài)承受高過(guò)載時(shí),其與不帶電狀態(tài)的區(qū)別主要體現(xiàn)在陀螺的控制系統(tǒng)上,即帶電工作狀態(tài)下,陀螺內(nèi)部調(diào)制器可能會(huì)因過(guò)載而失去穩(wěn)定,同時(shí)無(wú)法依靠自身重新恢復(fù)穩(wěn)定。因此,為驗(yàn)證該陀螺在帶電工作狀態(tài)下的抗過(guò)載能力,本文將從工程應(yīng)用的角度,首先對(duì)陀螺敏感結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗高過(guò)載能力仿真分析,再對(duì)陀螺整機(jī)在帶電工作狀態(tài)下進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)研究。

　　2.1靜力學(xué)仿真分析

　　首先對(duì)MEMS陀螺敏感結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析,明確其敏感結(jié)構(gòu)能承受的靜力載荷邊界,為下一步將要進(jìn)行的沖擊動(dòng)力學(xué)仿真提供輸入載荷參考。靜力學(xué)仿真分析采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)MEMS陀螺敏感結(jié)構(gòu)在靜力恒加載荷下的應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng)情況進(jìn)行仿真研究[11-12]。分別對(duì)陀螺敏感結(jié)構(gòu)在X軸、Y軸和Z軸上施加10000g~20000g的靜力載荷,設(shè)置10000g、12500g、15000g、17500g和20000g5個(gè)載荷進(jìn)行仿真求解。

　　圖3為MEMS陀螺最大等效應(yīng)力與加速度的關(guān)系曲線。從圖3中可以看出,Z軸方向過(guò)載下的最大等效應(yīng)力為3個(gè)方向中最小的,其在20000g過(guò)載下的最大等效應(yīng)力為323MPa,Y軸方向20000g下的最大等效應(yīng)力為462MPa,而X軸方向過(guò)載下的最大等效應(yīng)力為3個(gè)方向中最大的,其在20000g過(guò)載下的最大等效應(yīng)力達(dá)到630MPa,其最大等效應(yīng)力位于陀螺剛性連桿的扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(中心支點(diǎn))區(qū),如圖4所示。相較于MEMS陀螺硅材料700MPa的失效強(qiáng)度(該失效強(qiáng)度值為陀螺設(shè)計(jì)廠家限定),可見(jiàn)陀螺可以承受Y軸和Z軸方向上20000g過(guò)載,而X軸20000g過(guò)載下的最大等效應(yīng)力已接近失效強(qiáng)度,可以預(yù)見(jiàn)陀螺在X軸20000g過(guò)載下將接近結(jié)構(gòu)斷裂失效邊界。

　　圖5為MEMS陀螺最大等效應(yīng)變與加速度的關(guān)系曲線。從圖中可以看出,3個(gè)軸向上的最大等效應(yīng)變均隨著加速度的增加而增大,在Z軸方向上的最大等效應(yīng)變約為0.00118,低于0.0035的安全應(yīng)變邊界(該安全應(yīng)變邊界值為陀螺設(shè)計(jì)廠家限定);在Y軸方向上的最大等效應(yīng)變約為0.00327,仍低于0.0035的安全應(yīng)變邊界;而在X軸方向上,當(dāng)載荷為15000g時(shí),其最大等效應(yīng)變約為0.00335,接近安全應(yīng)變邊界,當(dāng)載荷增至17500g時(shí),最大等效應(yīng)變?yōu)?.00363,超過(guò)0.0035的安全應(yīng)變邊界,因此可以預(yù)見(jiàn)的是,當(dāng)X軸方向載荷超過(guò)15000g時(shí),陀螺接近結(jié)構(gòu)斷裂失效邊界。

　　綜合上述靜力學(xué)仿真結(jié)果可以看出,在Y軸和Z軸方向上,陀螺可以承受20000g的靜力載荷而不會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效,而在X軸方向上,當(dāng)載荷超過(guò)15000g時(shí),陀螺接近結(jié)構(gòu)失效邊界,可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)斷裂失效。

　　2.2沖擊仿真分析

　　沖擊仿真分析采用ANSYS動(dòng)力學(xué)分析方法,研究MEMS陀螺敏感結(jié)構(gòu)在強(qiáng)瞬態(tài)沖擊載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變分布。在沖擊仿真中,以靜力學(xué)仿真分析中的載荷邊界為基礎(chǔ),同時(shí)為模擬侵徹過(guò)程中的過(guò)載特性,選擇幅值分別為5000g、10000g、15000g和20000g,脈寬為2ms的半正弦沖擊載荷作為輸入,分析陀螺敏感結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下的瞬態(tài)響應(yīng),明確其抗動(dòng)態(tài)沖擊過(guò)載能力。

　　圖6(a)和(b)分別為MEMS陀螺在沖擊載荷下其敏感結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力、最大等效應(yīng)變隨沖擊載荷變化的時(shí)間響應(yīng)曲線,從圖6中可以看出,在半正弦沖擊載荷作用下,MEMS陀螺敏感結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力和最大等效應(yīng)變隨沖擊過(guò)載值的增大而增大,其響應(yīng)峰值時(shí)間和脈寬與沖擊載荷的峰值時(shí)間和脈寬基本吻合。

　　表2為在不同沖擊載荷下MEMS陀螺敏感結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變的峰值,從表2中可以看出,在15000g、2ms的沖擊載荷下,陀螺敏感結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為516.16MPa,低于700MPa的材料失效強(qiáng)度,最大等效應(yīng)變?yōu)?.0039681,已超過(guò)0.0035的安全應(yīng)變邊界;在20000g、2ms的沖擊載荷下,其最大等效應(yīng)力為664.25MPa,已接近陀螺材料700MPa的失效強(qiáng)度,其最大等效應(yīng)變也已超過(guò)安全應(yīng)變邊界,因此,可以預(yù)見(jiàn)的是當(dāng)沖擊載荷峰值在15000g時(shí),陀螺敏感結(jié)構(gòu)接近失效邊界,將可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)斷裂失效。

　　圖7(a)和(b)分別為陀螺敏感結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變?cè)诜逯禃r(shí)刻的分布圖,從圖中可以看出,在沖擊載荷作用下,陀螺等效應(yīng)力和等效應(yīng)變的最大值均出現(xiàn)在其剛性連桿的扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)區(qū),這與靜力學(xué)仿真結(jié)果基本吻合。

　　3MEMS陀螺沖擊實(shí)驗(yàn)研究

　　為研究MEMS陀螺在過(guò)載作用過(guò)程中處于帶電工作狀態(tài)下的抗高過(guò)載能力,分析陀螺性能是否會(huì)隨著過(guò)載增加而發(fā)生變化,本文選擇空氣炮進(jìn)行MEMS陀螺帶電沖擊實(shí)驗(yàn)。在空氣炮實(shí)驗(yàn)中,設(shè)計(jì)MEMS陀螺工作電路,采用鋰電池為MEMS陀螺供電,并設(shè)計(jì)專(zhuān)用數(shù)據(jù)記錄儀,用于對(duì)MEMS陀螺在沖擊過(guò)程中的輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集記錄,制作的空氣炮實(shí)驗(yàn)樣品如圖8所示。

　　共進(jìn)行兩發(fā)空氣炮實(shí)驗(yàn),兩發(fā)實(shí)驗(yàn)的實(shí)測(cè)過(guò)載值分別為8279g和8363g,相較于圖2中的實(shí)際侵徹過(guò)載,本次空氣炮實(shí)驗(yàn)的過(guò)載持續(xù)時(shí)間和加載能量均小約一個(gè)數(shù)量級(jí),主要原因是為了分階段驗(yàn)證MEMS陀螺的抗過(guò)載能力,逐步摸清其在帶電工作狀態(tài)下能夠承受的過(guò)載極限值,以及研究陀螺的性能是否會(huì)隨著過(guò)載增加而發(fā)生變化。

　　在不考慮噪聲影響的前提下,將在實(shí)驗(yàn)中采集的陀螺輸出換算為角速度信號(hào),如圖9所示。從圖中可以看出,兩發(fā)空氣炮實(shí)驗(yàn)中,兩只MEMS陀螺全程處于帶電工作狀態(tài),且有效輸出了角速度信號(hào),雖然受實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ南拗?無(wú)法找到準(zhǔn)確的角度或角速度參考基準(zhǔn),但MEMS陀螺的輸出結(jié)果基本符合實(shí)驗(yàn)情況:實(shí)驗(yàn)中MEMS陀螺安裝為敏感彈體滾轉(zhuǎn)方向的角速度,由于安裝誤差,在彈體發(fā)射瞬間有一個(gè)比較大的角速度,穩(wěn)定飛行后滾轉(zhuǎn)方向角速度在較小范圍內(nèi)波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,該MEMS陀螺至少具備帶電工作狀態(tài)下抗8363g的過(guò)載能力,初步具備應(yīng)用在侵徹高過(guò)載環(huán)境中的條件,后續(xù)可進(jìn)一步提高空氣炮實(shí)驗(yàn)的過(guò)載值,以研究MEMS陀螺能夠承受的載荷邊界,分析其性能是否會(huì)隨著過(guò)載增加而發(fā)生變化。這也是本文后續(xù)將重點(diǎn)開(kāi)展的研究?jī)?nèi)容之一。

　　表3為空氣炮實(shí)驗(yàn)前后兩只陀螺零偏和標(biāo)度因數(shù)的變化情況,從表3中可以看出,兩只陀螺在空氣炮實(shí)驗(yàn)前后其零偏變化率最大為-1.71%,標(biāo)度因數(shù)變化率不超過(guò)-1%,說(shuō)明其主要性能參數(shù)在實(shí)驗(yàn)前后基本保持不變,陀螺未出現(xiàn)損壞失效的情況。

　　4結(jié)論

　　針對(duì)侵徹彈體姿態(tài)測(cè)量對(duì)MEMS陀螺提出的抗高過(guò)載要求,以國(guó)產(chǎn)MEMS陀螺為研究對(duì)象,分別從敏感結(jié)構(gòu)層面和器件層面進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真分析和沖擊實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明,該MEMS陀螺在8363g的空氣炮沖擊過(guò)載條件下可正常帶電工作,且其主要性能參數(shù)在過(guò)載環(huán)境下基本保持不變,初步具備應(yīng)用在侵徹高過(guò)載環(huán)境下的條件。后續(xù)將進(jìn)一步提高空氣炮實(shí)驗(yàn)過(guò)載值,確定MEMS陀螺在帶電工作狀態(tài)下能夠承受的過(guò)載邊界,研究MEMS陀螺的性能隨過(guò)載增加的變化規(guī)律,為利用MEMS陀螺實(shí)現(xiàn)侵徹姿態(tài)測(cè)量提供參考。