CN112629569B - 一种侵彻引信用电容传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电容传感器技术领域,具体涉及一种侵彻引信用电容传感器。一种侵彻引信用电容传感器,其技术方案是:传感器下盖上表面置有电介质薄膜,其与外壳相连接,构成传感器的定极板;敏感元件由第一压簧支撑,构成传感器的动极板;敏感元件和钛合金垫片由第二压簧相连接;绝缘套筒安装在外壳和敏感元件之间,实现了定极板与动极板之间的绝缘;电极板安装在外壳和钛合金垫片之间,电极板的上下表面镀有电极,上电极与外壳接触,下电极与钛合金垫片接触。敏感元件在受到大于弹簧抗力的惯性力后向下运动,电容器动、定两个极板间距离减小,从而产生变化的电容信号,使引信在侵彻硬目标的情况下能够实现计层识别。
Description
技术领域
本发明涉及电容传感器技术领域,具体涉及一种侵彻引信用电容传感器。
背景技术
侵彻引信是侵彻弹药对多层硬目标进行高效毁伤的关键,其核心是在高过载环境条件下的自适应起爆控制技术。在侵彻多层硬目标过程中,对于采用计层识别原理的侵彻引信来说通常要求其能够准确获取与识别穿层信号,并在预先设定的层数起爆,以达到最大毁伤效果。侵彻传感器作为侵彻引信的前级敏感元件,其对穿层信号的可靠获取是侵彻弹药实现定时定点起爆的基础,也是当前侵彻弹药的主要研究方向之一
传统的穿层信号获取方式多采用高g值加速度传感器,在弹速比较低的情况下,高g值加速度传感器获取的穿层信号容易识别,能够准确地进行层数判断。但在打击更多防护层(或更多层甲板)下的目标时,弹丸的侵彻速度大大增加,同时弹丸的长度和质量也随之增加,由此带来穿层过程中加速度传感器获取的侵彻信号出现粘连的现象,严重影响控制系统对穿层识别,给计层起爆控制带来严重挑战。因此传感器能否准确获取穿层信号是其能否应用于侵彻引信的关键。
目前国内外侵彻传感器大多采用高g值加速度传感器,其类型主要有压阻式、压电式、电容式。这几种高g值加速度传感器都是通过检测加速度信号来获取穿层信息进而实现穿层识别的,其加工基本都需采用微机械加工技术,工艺较为复杂。同时,其获得的加速度信号往往还叠加了弹体振动信号及其它干扰信号,在进行多层硬目标侵彻时容易造成层间信号的粘连,这就给计层识别带来了巨大困难。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种侵彻引信用电容传感器,能够在侵彻多层硬目标时准确获取穿层信号。
为了解决上述技术问题,本发明是这样实现的。
一种侵彻引信用电容传感器,包括:外壳、下盖、绝缘层、敏感元件、电极板、垫片、第一压簧、第二压簧、绝缘套筒;外壳、下盖、敏感元件、第一压簧、第二压簧和垫片均为金属材质;
所述下盖提供传感器的定极板,其与所述外壳相连接;敏感元件提供传感器的动极板,其由第一压簧支撑;敏感元件和垫片由第二压簧相连接,并安装在下盖和外壳组成的空间中;动极板与定极板之间具有相对运动的空间;
所述绝缘套筒安装在所述外壳和所述敏感元件之间,实现定极板与动极板之间的绝缘;下盖的内表面具有绝缘层,以实现与敏感元件之间的绝缘;垫片与外壳绝缘;
所述电极板安装在外壳和垫片之间,电极板表面镀有第一电极和第二电极;第一电极与所述外壳接触,第二电极与所述垫片接触;第一电极连接静电极信号线,第二电极连接动电极信号线,静电极信号线和动电极信号线通过外壳开设的引出孔引出;
在传感器处于侵彻状态时,敏感元件压缩所述第一压簧,脱离与电极板之间的接触,向靠近下盖的方向运动,使得定极板与动极板间的电容产生变化。
优选地,所述第一压簧提供初始预压力,使传感器未处于侵彻状态时敏感元件始终与垫片紧密接触。
优选地,所述第二压簧在敏感元件的整个运动过程中始终处于压缩状态,敏感元件和垫片无需设置与第二压簧相连接的槽口。
优选地,所述第一电极和第二电极分别制备在所述电极板的上、下表面;第一电极位于电极板的边缘,与外壳紧密接触;第二电极位于电极板的中间部分,与所述垫片接触。
优选地,所述敏感元件为带有底面的圆筒;第二压簧设置在圆筒内,第二压簧一端与圆筒底面连接,另一端与垫片连接;所述第二压簧在敏感元件的整个运动过程中始终处于压缩状态。
优选地,所述绝缘套筒的上、下两部分内径不同,下部的内径小于上部的内径,从而构成了一个台阶面;敏感元件为带有外沿的圆筒;敏感元件的外径与绝缘套筒的小径尺寸相配合,使得敏感元件可以在绝缘套筒中移动;敏感元件的外沿与绝缘套筒的台阶面之间安装第一压簧。
优选地,所述垫片与外壳之间安装绝缘环。
优选地,所述绝缘层采用绝缘电介质薄膜。
优选地,所述垫片采用钛合金垫片。
优选地,所述第一压簧的刚度大于所述第二压簧的刚度。
有益效果:本发明结构简单可靠,加工难度低,输出信号波形单一,易于识别与处理,有效解决了采用传统加速度传感器获取的侵彻过载信号易于混叠和粘连的问题,探索了一种通过敏感弹体侵彻位移特征的能够可靠获取穿层信息的侵彻引信用电容传感器。具体来说:
(1)本发明中敏感元件在受到大于弹簧抗力的惯性力后向下运动,电容器动、定两个极板间距离减小,从而产生变化的电容信号,使引信在侵彻硬目标的情况下能够实现计层识别。
(2)由于刚体过载信号具有高峰值、单向特性,而弹体振动信号具有低峰值、双向特性,因此相比于刚体过载信号,振动信号对敏感元件所能达到的最大位移影响很小。当弹体所受到的冲击频率远高于传感器的固有频率时,传感器敏感元件的相对位移和弹体位移近似相等。因此本发明对弹体振动信号具有一定的抗扰能力。
(3)本发明产生的穿层信号仅能反映传感器的电容变化的过程而无法反映整个过程的时间信息,但是由于敏感元件在运动的过程中两电极间的间距只有特别小时时传感器才有较大的输出信号,因此能够有效避免敏感元件5反弹运动或其它干扰振动对输出信号的影响;经过搭建的实验平台测得的实验数据可知,在敏感元件运动过程中只有两极板间的间距小于0.4mm时,传感器电容变化幅度较大,传感器才有较大输出信号,因此本发明输出信号的脉宽较窄,能有效避免敏感元件反弹运动或其它干扰振动对输出信号的影响,能够有效防止侵彻多层硬目标时层间信号的粘连。
(4)第一压簧在装配时有一定的初始预压力,侵彻引信在受到冲击过载前,即使引信受到微小的振动或冲击,传感器敏感元件与引信也能保持相对静止,此时传感器电容量无变化,传感器无信号输出,从而提升传感器的抗扰能力。
(5)绝缘套筒设计为内径不同的两段结构,两段之间构成台阶,可以支撑压簧并起到限位的作用,并且其具有良好的抗冲击性能。
(6)第二压簧在敏感元件的整个运动过程中始终处于压缩状态,因此其始终保持与垫片和敏感元件相连接,保证动电极输出路的连接可靠性;而且敏感元件和垫片不需要设置和压簧二相连接的槽口,相比导线来说更加方便。此外,由于第二压簧对敏感元件的作用力与第一压簧相反,且第二压簧的刚度小于第一压簧的刚度,因此可以降低传感器的固有频率。
(7)绝缘层使用绝缘电介质薄膜的好处是①避免动电极和静电极输出短路;②为了增大传感器初始电容的大小,拓宽传感器测量范围;③经过调研,由于聚酯薄膜具有优异的机械性能,刚性、硬度及韧性高,耐穿刺、耐摩擦、耐高低温、耐化学品腐蚀等特点,电介质薄膜材料选用厚度为50μm的聚酯薄膜。
(8)在高冲击过载的作用下,可能由于内壁台阶对电极板的剪切作用造成电极板损坏,影响传感器的输出可靠性,为满足传感器抗高冲击性的要求,在电极板下加装一个钛合金垫片;该垫片还作为连接部件,连接第二压簧、第二电极、敏感元件,组成动电极信号输出路。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为本发明中敏感元件的结构示意图;
图3为本发明中钛合金垫片的结构示意图;
图4为本发明中外壳的结构示意图;
图5为本发明中绝缘环的结构示意图;
图6为本发明中绝缘套筒的结构示意图;
图7为本发明中下盖的结构示意图;
图8为本发明中电极板的结构示意图;
图中:1-电极板、2-垫片(钛合金垫片)、3-绝缘环、4-外壳、5-敏感元件、6-绝缘套筒、7-绝缘层(绝缘电介质薄膜)、8-下盖、9-第二压簧、10-第一压簧、11-动电极信号线、12-静电极信号线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明提供了一种通过电容变化获取穿层信号的方案。该方案不采用加速度信号来获取穿层信号,而是专门设计了一种如图1所示的一种能够在侵彻多层硬目标时可准确获取穿层信号的侵彻引信用电容传感器,参见附图1,该侵彻引信用电容传感器,包括:外壳4、下盖8、绝缘层7、敏感元件5、电极板1、垫片2、第一压簧10、第二压簧9和绝缘套筒6。其中,外壳、下盖、敏感元件、第二压簧和垫片需要导电,因此均为金属材质。本实施例中,绝缘层7采用绝缘电介质薄膜,垫片2采用钛合金垫片。
参见附图1-8,外壳4为带有底面的圆筒形结构,底面可以开设引线孔。下盖8为圆形盖。传感器的下盖8上表面置有绝缘电介质薄膜7,下盖8与外壳4通过螺纹相连接,构成传感器的静电极信号输出路。下盖8上表面为定极板。电介质薄膜7的作用是避免下盖的定极板与敏感元件提供的动极板相接触,实现二者绝缘。
敏感元件5提供传感器的动极板,动极板与定极板之间具有一定距离。敏感元件5与钛合金垫片2由第二压簧9相连接,第二压簧9起到信号通道的作用,第二压簧9在敏感元件5的整个运动过程中始终处于压缩状态,始终连接敏感元件5和垫片2。敏感元件5还通过第一压簧10支撑。第一压簧10构成传感器内的惯性系统,其提供初始预压力使传感器未处于侵彻状态时敏感元件5始终与钛合金垫片2紧密接触,保证传感器在非工作状态条件下无信号输出。敏感元件、第一压簧、第二压簧、垫片组合后安装在下盖和外壳组成的空间中。在一优选实施例中,钛合金垫片2外围套着一个绝缘环3,防止动电极输出路与静电极输出路短路。第一压簧的刚度大于所述第二压簧的刚度,可以降低传感器的固有频率。
绝缘套筒6安装在外壳4和敏感元件5之间,实现了定极板与动极板之间的绝缘。
电极板1安装在外壳4和钛合金垫片2之间。电极板1表面镀有电极,分为第一电极和第二电极。第一电极与外壳4接触,与下盖8和外壳4共同构成传感器的静电极信号输出路;第二电极与钛合金垫片2接触,与敏感元件5、垫片2、第二压簧9共同构成传感器的动电极信号输出路;第一电极连接静电极信号线,第二电极连接动电极信号线,静电极信号线和动电极信号线通过外壳开设的引出孔引出。
本实施例中,第一电极和第二电极分别制备在电极板1的上、下表面,称为上电极和下电极。上电极位于电极板1的边缘,与外壳4紧密接触;下电极位于电极板1的中间部分,与钛合金垫片2接触。
本实施例中,所述敏感元件5为带有底面的圆筒;第二压簧9设置在圆筒内,第二压簧9一端与圆筒底面连接,另一端与敏感元件5连接;第二压簧9在敏感元件5的整个运动过程中始终处于压缩状态,主要起组成动电极信号输出路的作用,保证动电极输出路的连接可靠性。
本实施例中,绝缘套筒6的上、下两部分内径不同,下部的内径要小于上部的内径,从而构成了一个台阶面。敏感元件5为带有外沿的圆筒;敏感元件5的外径与绝缘套筒6的小径尺寸相配合,使得敏感元件5可以在绝缘套筒6中移动。敏感元件5的外沿与绝缘套筒6的台阶面之间的环形空间中安装一个第一压簧10。台阶面可以支撑第一压簧10并起到限位的作用,并且其具有良好的抗冲击性能。
本实施例中,外壳4高18mm,敏感元件5下表面与下盖8上表面的初始距离为2mm。
本发明的工作原理为:
考虑到引信勤务处理的安全性以及避免非侵彻过载信号对传感器输出的影响,传感器内的第一压簧10在装配时有一定的初始预压力,敏感元件在初始与压力的作用下与钛合金垫片紧密接触。侵彻引信在受到冲击过载前,即使引信受到微小的振动或冲击,传感器敏感元件5与引信也能保持相对静止,此时传感器电容量无变化,传感器无信号输出。
侵彻引信在受到冲击过载后,当敏感元件5受到的惯性力大于弹簧抗力时,敏感元件5脱离钛合金垫片向靠近下盖的方向运动并压缩第一压簧10,产生相对位移的变化,此时两极板间的间距减小,导致静电极与动电极间的电容增大,而后由于弹簧抗力的作用,敏感元件5速度逐渐衰减至零,两极板间的间距达到最小值,即传感器电容达到最大值。当传感器敏感元件5所受弹簧抗力大于惯性力时,敏感元件5在弹簧抗力的作用下向上运动直至回复到初始位置,这个阶段传感器电容量随两电极间距离的增大而减小。通过上述运动,传感器产生一个脉冲,这个脉冲即为穿层信号。
由于刚体过载信号具有高峰值、单向特性,而弹体振动信号具有低峰值、双向特性,因此相比于刚体过载信号,振动信号对敏感元件所能达到的最大位移影响很小。当弹体所受到的冲击频率远高于传感器的固有频率时,传感器敏感元件的相对位移和弹体位移近似相等,因此通过相应的电容检测电路即可将传感器的电容量转换为易于处理的电信号进行输出,从而根据电信号的大小检测出敏感元件相对位移的变化,进而实现弹丸穿层信息的获取。
此外,本发明产生的穿层信号仅能反映传感器的电容变化的过程而无法反映整个过程的时间信息,但是由于敏感元件5在运动的过程中两电极间的间距只有特别小时(约小于0.4mm)时传感器才有较大的输出信号,因此能够有效避免敏感元件5反弹运动或其它干扰振动对输出信号的影响;同时输出信号的脉宽较窄,能够有效防止侵彻多层硬目标时层间信号的粘连。
虽然,上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之作一些修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种侵彻引信用电容传感器,其特征在于:包括:外壳(4)、下盖(8)、绝缘层(7)、敏感元件(5)、电极板(1)、垫片(2)、第一压簧(10)、第二压簧(9)、绝缘套筒(6);外壳、下盖、敏感元件、第一压簧、第二压簧和垫片均为金属材质;
所述下盖(8)提供传感器的定极板,其与所述外壳(4)相连接;敏感元件(5)提供传感器的动极板,其由第一压簧(10)支撑;敏感元件(5)和垫片(2)由第二压簧(9)相连接,并安装在下盖(8)和外壳(4)组成的空间中;动极板与定极板之间具有相对运动的空间;
所述绝缘套筒(6)安装在所述外壳(4)和所述敏感元件(5)之间,实现定极板与动极板之间的绝缘;下盖(8)的内表面具有绝缘层(7),以实现与敏感元件(5)之间的绝缘;垫片(2)与外壳绝缘;
所述电极板(1)安装在外壳(4)和垫片(2)之间,电极板(1)表面镀有第一电极和第二电极;第一电极与所述外壳(4)接触,第二电极与所述垫片(2)接触;第一电极连接静电极信号线,第二电极连接动电极信号线,静电极信号线和动电极信号线通过外壳开设的引出孔引出;
在传感器处于侵彻状态时,敏感元件(5)压缩所述第一压簧(10),脱离与电极板(1)之间的接触,向靠近下盖的方向运动,使得定极板与动极板间的电容产生变化。
2.根据权利要求1所述的一种侵彻引信用电容传感器,其特征在于:所述第一压簧(10)提供初始预压力,使传感器未处于侵彻状态时敏感元件(5)始终与垫片(2)紧密接触。
3.根据权利要求1所述的一种侵彻引信用电容传感器,其特征在于:所述第二压簧(9)在敏感元件(5)的整个运动过程中始终处于压缩状态,敏感元件(5)和垫片(2)无需设置与第二压簧(9)相连接的槽口。
4.根据权利要求1所述的一种侵彻引信用电容传感器,其特征在于:所述第一电极和第二电极分别制备在所述电极板(1)的上、下表面;第一电极位于电极板(1)的边缘,与外壳(4)紧密接触;第二电极位于电极板(1)的中间部分,与所述垫片(2)接触。
5.根据权利要求1所述的一种侵彻引信用电容传感器,其特征在于:所述敏感元件(5)为带有底面的圆筒;第二压簧(9)设置在圆筒内,第二压簧(9)一端与圆筒底面连接,另一端与垫片(2)连接;所述第二压簧(9)在敏感元件(5)的整个运动过程中始终处于压缩状态。
6.根据权利要求1所述的一种侵彻引信用电容传感器,其特征在于:所述绝缘套筒(6)的上、下两部分内径不同,下部的内径小于上部的内径,从而构成了一个台阶面;敏感元件(5)为带有外沿的圆筒;敏感元件(5)的外径与绝缘套筒(6)的小径尺寸相配合,使得敏感元件(5)可以在绝缘套筒(6)中移动;敏感元件(5)的外沿与绝缘套筒(6)的台阶面之间安装第一压簧(10)。
7.根据权利要求1所述的一种侵彻引信用电容传感器,其特征在于:所述垫片(2)与外壳(4)之间安装绝缘环(3)。
8.根据权利要求1所述的一种侵彻引信用电容传感器,其特征在于:所述绝缘层(7)采用绝缘电介质薄膜。
9.根据权利要求1所述的一种侵彻引信用电容传感器,其特征在于:所述垫片(2)采用钛合金垫片。
10.根据权利要求1所述的一种侵彻引信用电容传感器,其特征在于:所述第一压簧(10)的刚度大于所述第二压簧(9)的刚度。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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