CN107167277B - 单压电片压电换能的万向触发冲击引信传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单压电片压电换能的万向触发冲击引信传感器，包括正电极、负电极、压电片、正质量块、负质量块和绝缘壳体，正电极的内侧面和负电极的内侧面上均设置有圆锥槽，正质量块设置在正电极的圆锥槽内，负质量块设置在负电极的圆锥槽内，正电极和负电极均设置在绝缘壳体内，压电片固定设置在正质量块与负质量块之间，正电极和负电极与绝缘壳体之间通过螺纹联接。本发明通过构成1个单轴向加速度传感器，当其所受到任意角度的冲击力均能可靠响应，受到任意方向的冲击力时，其压电片所产生的电荷的极性不会发生反转，其信号处理电路只需要1个电压放大器进行阻抗变换和信号放大处理后直接驱动起爆控制电路。

Description

单压电片压电换能的万向触发冲击引信传感器

技术领域

本发明涉及引信传感器，尤其涉及一种单压电片压电换能的万向触发冲击引信传感器。

背景技术

万向触发起爆控制技术在引信中有着广泛的应用，如导弹战斗部、鱼雷、空投炸弹等的触发引信，都需要用它来做引信的主要着发点火机构或辅助点火机构。其中有的起爆控制不仅需要万向作用，还要求作用迅速，即快速起爆，以达到最佳的毁伤效果。

一般的万向触发机构多采用碰击闭合开关、弹簧锤等机构或其他机电开关结构，此类结构存在的主要问题是大着角作用可靠性低和作用时间偏长，有的甚至存在不同大小角度的死区。

采用引信传感器作为弹目交汇的信息探测装置，配以电子处理和起爆控制电路，是解决上述传统问题的有效途径。

由于弹目交汇时的着角和部位是随机的，当着角超过一定角度后，引信头部已不能和目标发生碰撞，而是弹体与目标相擦，甚至可能存在弹尾与目标发生碰撞的情况。

因此，引信用万向触发传感器在结构和性能上与一般传感器有很大差别。它要求传感器在任何方向上受力时都要可靠作用，有时还要求极短的作用时间。

目前，可知的压电换能的万向触发冲击引信传感器有三向中心压缩式压电万向加速度传感器、三维压电式引信万向加速度传感器、压电引信传感器等3种。

对于三向中心压缩式压电万向加速度传感器，3个传感器互成120°安装在与传感器主轴平行的平面上，当受力方向沿该平面做周向旋转时，其输出最大变化13.5％。但当受力方向沿该平面法向(垂向)旋转时，其输出变化将会很大，如当受力方向与该平面垂直时，其输出将接近0。因此，它不是一个真正的万向触发冲击引信传感器。

对于三维压电式引信万向加速度传感器和压电引信传感器，这2种传感器可简单理解为三个单向传感器正交组合，从原理上讲可以感受任一方向的力，起到万向性探测的作用。但是，一方面它们是三个单向传感器的组合结构，因此其结构稍显复杂，另一方面，随着其受力方向的变化，各单向传感器的输出电荷的极性会发生反转，因而需要对3个单向传感器分别送入电压放大器进行阻抗变换和信号放大并分别取绝对值后方可进行求和操作，因此其电路稍显复杂。这2方面的原因导致其体积较大、重量较重、成本较高。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供单压电片压电换能的万向触发冲击引信传感器。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种单压电片压电换能的万向触发冲击引信传感器，包括正电极、负电极、压电片、正质量块、负质量块和绝缘壳体，所述正电极的内侧面和所述负电极的内侧面上均设置有圆锥槽，所述正质量块设置在所述正电极的圆锥槽内，所述负质量块设置在所述负电极的圆锥槽内，所述正电极和所述负电极均设置在所述绝缘壳体内，所述压电片固定设置在所述正质量块与所述负质量块之间。

具体地，所述绝缘外壳为圆筒结构，所述正电极和所述负电极均为圆柱结构，所述正电极和所述负电极与所述绝缘壳体之间通过螺纹联接，所述正质量块和所述负质量块均为半球结构，所述压电片为环形结构，所述压电片的外径与所述正质量块和所述负质量块的直径相等。

优选地，所述圆锥槽的内锥角为90°，所述正质量块的球面与所述正电极的圆锥槽的内侧面相切，所述负质量块的球面与所述负电极的圆锥槽的内侧面相切，所述正质量块和所述负质量块的圆形面的中心处均设置有与所述压电片的内环适配的短圆柱。

具体地，所述压电片的两个侧面分别与所述正质量块和所述负质量块贴合，且所述正质量块和所述负质量块对所述压电片施加预应力。

进一步，所述正电极和所述负电极的外侧面均设置有预应力施加辅助孔。

本发明的有益效果在于：

本发明单压电片压电换能的万向触发冲击引信传感器通过设置1个中心压缩式压电片，构成1个单轴向加速度传感器，当其所受到的冲击力沿其周向旋转时其输出灵敏度不变；当其所受到的冲击力沿其轴向旋转时，其输出灵敏度变化不大，任意角度均能可靠响应；受到任意方向的冲击力时，其压电片所产生的电荷的极性不会发生反转，其信号处理电路只需要1个电压放大器进行阻抗变换和信号放大处理后直接驱动起爆控制电路。

附图说明

图1是本发明所述单压电片压电换能的万向触发冲击引信传感器的结构示意图；

图2是本发明正向冲击受力分析示意图；

图3是本发明横向冲击受力分析示意图；

图4是本发明横向冲击受力右侧质量块平面力系示意图；

图5是本发明侧向冲击受力分析示意图；

图6是本发明侧向冲击有力上方质量块平面力系示意图；

图7是本发明轴向受力变化规律示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明一种单压电片4压电换能的万向触发冲击引信传感器，包括正电极6、负电极2、压电片4、正质量块5、负质量块3和绝缘壳体1，正电极6的内侧面和负电极2的内侧面上均设置有圆锥槽，正质量块5设置在正电极6的圆锥槽内，负质量块3设置在负电极2的圆锥槽内，正电极6和负电极2均设置在绝缘壳体1内，压电片4固定设置在正质量块5与负质量块3之间，绝缘外壳为圆筒结构，正电极6和负电极2均为圆柱结构，正电极6和负电极2的直径与绝缘外壳的内径相等，正质量块5和负质量块3均为半球结构，压电片4为环形结构，压电片4的外径与正质量块5和负质量块3的直径相等。

圆锥槽的内锥角为90°，正质量块5的球面与正电极6的圆锥槽的内侧面相切，负质量块3的球面与负电极2的圆锥槽的内侧面相切，正质量块5和负质量块3的圆形面的中心处均设置有与压电片4的内环适配的短圆柱，压电片4的两个侧面分别与正质量块5和负质量块3贴合，且正质量块5和负质量块3对压电片4施加预应力，正电极6和负电极2的外侧面均设置有预应力施加辅助孔。

装配时，绝缘壳体1与正电极6和负电极2之间通过螺纹连接，通过施加一定的预紧力将压电片4、正质量块5、负质量块3定位装配到一起，并给压电片4施加一定的预应力，其中压电片4为内径1.6mm、外径8mm、厚2mm的圆环结构。

正质量块5和负质量块3的结构相同，其为球半径为4mm的半球体，圆柱的直径为1.6mm，厚度为0.5mm。

正电极6和负电极2的结构相同，其辅助孔的直径为2mm，且数量为2个，两个辅助孔的中轴线之间的距离为6.6mm，正电极6和负电极2的直径为16mm，高度为9mm，圆锥槽的孔口直径为11.3mm。

绝缘壳体1的长度为20mm，外径为20mm。

其工作原理为：当弹着靶时，由于冲击的作用，其质量块将产生惯性力，该惯性力经过力的传递，将对压电片4产生作用力，该作用力是1个压力，符合压电片4的工作原理，压电片4即产生电荷输出，该电荷通过正质量块5/负质量块3传递给正电极6/负电极2，从而成为该引信传感器的电荷输出，正电极6输出电荷极性为正，负电极2输出电荷极性为负，该电荷送入电压放大器进行阻抗变换和信号放大后，用于驱动起爆控制电路。该引信传感器的输出电荷灵敏度取决于压电片4所受到的作用力，它决定了该引信传感器的万向性输出特性。

如图2所示，当该引信传感器所受到的冲击作用与传感器轴向一致，即正向冲击受力时，其处于下方的质量块作为支撑，其处于上方的质量块产生惯性力F0，F0全部作用在压电片4上。

如图3所示，当该引信传感器所受到的冲击作用与传感器轴向垂直，即横向冲击受力时，其左右两侧的质量块分别产生相同大小的惯性力F0。作为支撑，左右两侧的电极分别产生相同大小的支撑力F1，F1与F0呈45°夹角。它们构成1个平衡的平面力系。

左侧质量块所受作用力F0、F1产生1个沿传感器轴线方向的合力F，F正向作用于压电片4，进而作用于右侧质量块。右侧质量块共受到F、F0、F1的共同作用，并构成1个平衡的平面力系，如图4所示；

按平面力系的简化运算方法，有：

F1′＝F1cos45°，即F1＝F1′/cos45°

F1′＝F0，即F1＝F0/cos45°

F1″＝F1sin45°，即F1″＝F0sin45°/cos45°＝F0

F＝F1″，即F＝F0

基于作用力等于反作用力，该作用力F即为压电所受到的正向压力作用力。由此可知：该引信传感器压电片4的正向冲击受力与横向冲击受力相等。

如图5所示，当该引信传感器所受到的冲击作用与传感器轴向呈θ角，该θ角在0°～90°之间变化时，即侧向冲击受力时，其处于上方的质量块将产生惯性力F0，其处于上方的电极将产生支撑力F1，其处于下方的质量块作为支撑，将产生产生支撑力F，F作用于压电片4，进而作用于处于上方的质量块。F与传感器的轴线重合，F0与传感器的轴线呈θ夹角，F1与传感器的轴线呈45°夹角。

上方质量块共受到F、F0、F1的共同作用，并构成1个平衡的平面力系，如图6所示。

按平面力系的简化运算方法，有：

F0′＝F0sinθ

F1′＝F1sin45°

F0′＝F1′

因此，F0sinθ＝F1sin45°，即F1＝F0sinθ/sin45°

F0″＝F0cosθ

F1″＝F1cos45°，即F1″＝F0sinθ

F＝F0″+F1″

因此，F＝F0cosθ+F0sinθ＝F0(cosθ+sinθ)

基于作用力等于反作用力，压电片4所受到的正向压力作用力为F，F＝F0(sinθ+cosθ)。

作为验证手段，我们将θ＝0°、θ＝90°分别代入F＝F0(sinθ+cosθ)，均得到F＝F0的结果。该结果与正向、横向冲击受力分析结果一致。

由于该引信传感器是一个上下对称结构，因此，当该θ角在90°～180°之间变化时，其支撑关系将与θ角在0°～90°之间变化时发生反转，压电片4所受到的正向压力作用力与该θ角在0°～90°之间变化时是镜像对称的。

由于该引信传感器是一个轴对称结构，因此，该θ角在0°～-180°之间变化时，压电片4所受到的正向压力作用力与该θ角在0°～180°之间变化时是镜像对称的。

因此，该引信传感器所受到的冲击作用与传感器轴向呈θ角，该θ角在0°～360°范围内变化时，压电片4始终受到正向压力作用力，所受到的正向压力作用力为F，F＝F0(sinθ+cosθ)。该作用力呈周期变化，最大值与最小值的比为

变化规律如图7所示。

由于该引信传感器是一个轴对称结构，因此，当该引信传感器所受到的冲击作用沿传感器的周向(径向)旋转时，压电片4所受到的正向压力作用力是不会变化的。

综上，该引信传感器是一种真正的具有万向冲击响应的传感器。任意冲击方向的冲击输出灵敏度的最大值与最小值的比为

在任意冲击方向，该引信传感器中压电片4始终受到正向压力作用力，其输出电荷极性始终保持不变。因此，其信号处理电路只需要1个电压放大器进行阻抗变换和信号放大后直接驱动起爆控制电路。因此，其电路结构也比较简单，电路成本也较低。

由此，我们得到了一种体积较小、重量较轻、成本较低的万向触发冲击引信传感器。

该传感器拥有双质量块加双电极的结构形式。该结构形式使得：在任意冲击方向，该引信传感器中压电片4始终受到正向压力作用力，其输出电荷极性始终保持不变。

两端电极中的锥形槽结构，其锥角为90°。该锥角使得：该引信传感器所受到的冲击作用沿传感器轴偏转时，在0°～360°范围内，该引信传感器中压电片4受到正向压力作用力呈周期变化，最大值与最小值的比为

经变换锥角的验算证明，无论锥角是增大或是减小，该比值都将增大，因此，90°是最佳锥角角度。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种单压电片压电换能的万向触发冲击引信传感器，其特征在于：包括正电极、负电极、压电片、正质量块、负质量块和绝缘壳体，所述正电极的内侧面和所述负电极的内侧面上均设置有圆锥槽，所述正质量块设置在所述正电极的圆锥槽内，所述负质量块设置在所述负电极的圆锥槽内，所述正电极和所述负电极均设置在所述绝缘壳体内，所述压电片固定设置在所述正质量块与所述负质量块之间；

所述绝缘壳体为圆筒结构，所述正电极和所述负电极均为圆柱结构，所述正电极和所述负电极与所述绝缘壳体之间通过螺纹联接，所述正电极和所述负电极的直径与所述绝缘壳体的内径相等，所述正质量块和所述负质量块均为半球结构，所述压电片为环形结构，所述压电片的外径与所述正质量块和所述负质量块的直径相等；

所述圆锥槽的内锥角为90°，所述正质量块的球面与所述正电极的圆锥槽的内侧面相切，所述负质量块的球面与所述负电极的圆锥槽的内侧面相切，所述正质量块和所述负质量块的圆形面的中心处均设置有与所述压电片的内环适配的短圆柱；

受冲击时，正质量块和负质量块产生的惯性力作用于压电片，压电片产生电荷输出，电荷通过正质量块/负质量块传递给正电极/负电极，成为引信传感器的电荷输出，其中正电极输出电荷极性为正，负电极输出电荷极性为负，并将所述电荷输入至电压放大器进行阻抗变换和信号放大；

在任意冲击方向，所述压电片受到正向压力作用力，其输出电荷极性保持不变。

2.根据权利要求1所述的单压电片压电换能的万向触发冲击引信传感器，其特征在于：所述压电片的两个侧面分别与所述正质量块和所述负质量块贴合，且所述正质量块和所述负质量块对所述压电片施加预应力。

3.根据权利要求2所述的单压电片压电换能的万向触发冲击引信传感器，其特征在于：所述正电极和所述负电极的外侧面均设置有预应力施加辅助孔。

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