本發(fā)明涉及引信傳感器，尤其涉及一種單壓電片壓電換能的萬向觸發(fā)沖擊引信傳感器。

背景技術(shù)：

萬向觸發(fā)起爆控制技術(shù)在引信中有著廣泛的應(yīng)用，如導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部、魚雷、空投炸彈等的觸發(fā)引信，都需要用它來做引信的主要著發(fā)點(diǎn)火機(jī)構(gòu)或輔助點(diǎn)火機(jī)構(gòu)。其中有的起爆控制不僅需要萬向作用，還要求作用迅速，即快速起爆，以達(dá)到最佳的毀傷效果。

一般的萬向觸發(fā)機(jī)構(gòu)多采用碰擊閉合開關(guān)、彈簧錘等機(jī)構(gòu)或其他機(jī)電開關(guān)結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)存在的主要問題是大著角作用可靠性低和作用時(shí)間偏長(zhǎng)，有的甚至存在不同大小角度的死區(qū)。

采用引信傳感器作為彈目交匯的信息探測(cè)裝置，配以電子處理和起爆控制電路，是解決上述傳統(tǒng)問題的有效途徑。

由于彈目交匯時(shí)的著角和部位是隨機(jī)的，當(dāng)著角超過一定角度后，引信頭部已不能和目標(biāo)發(fā)生碰撞，而是彈體與目標(biāo)相擦，甚至可能存在彈尾與目標(biāo)發(fā)生碰撞的情況。

因此，引信用萬向觸發(fā)傳感器在結(jié)構(gòu)和性能上與一般傳感器有很大差別。它要求傳感器在任何方向上受力時(shí)都要可靠作用，有時(shí)還要求極短的作用時(shí)間。

目前，可知的壓電換能的萬向觸發(fā)沖擊引信傳感器有三向中心壓縮式壓電萬向加速度傳感器、三維壓電式引信萬向加速度傳感器、壓電引信傳感器等3種。

對(duì)于三向中心壓縮式壓電萬向加速度傳感器，3個(gè)傳感器互成120°安裝在與傳感器主軸平行的平面上，當(dāng)受力方向沿該平面做周向旋轉(zhuǎn)時(shí)，其輸出最大變化13.5％。但當(dāng)受力方向沿該平面法向(垂向)旋轉(zhuǎn)時(shí)，其輸出變化將會(huì)很大，如當(dāng)受力方向與該平面垂直時(shí)，其輸出將接近0。因此，它不是一個(gè)真正的萬向觸發(fā)沖擊引信傳感器。

對(duì)于三維壓電式引信萬向加速度傳感器和壓電引信傳感器，這2種傳感器可簡(jiǎn)單理解為三個(gè)單向傳感器正交組合，從原理上講可以感受任一方向的力，起到萬向性探測(cè)的作用。但是，一方面它們是三個(gè)單向傳感器的組合結(jié)構(gòu)，因此其結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜，另一方面，隨著其受力方向的變化，各單向傳感器的輸出電荷的極性會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)，因而需要對(duì)3個(gè)單向傳感器分別送入電壓放大器進(jìn)行阻抗變換和信號(hào)放大并分別取絕對(duì)值后方可進(jìn)行求和操作，因此其電路稍顯復(fù)雜。這2方面的原因?qū)е缕潴w積較大、重量較重、成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問題而提供單壓電片壓電換能的萬向觸發(fā)沖擊引信傳感器。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的：

一種單壓電片壓電換能的萬向觸發(fā)沖擊引信傳感器，包括正電極、負(fù)電極、壓電片、正質(zhì)量塊、負(fù)質(zhì)量塊和絕緣殼體，所述正電極的內(nèi)側(cè)面和所述負(fù)電極的內(nèi)側(cè)面上均設(shè)置有圓錐槽，所述正質(zhì)量塊設(shè)置在所述正電極的圓錐槽內(nèi)，所述負(fù)質(zhì)量塊設(shè)置在所述負(fù)電極的圓錐槽內(nèi)，所述正電極和所述負(fù)電極均設(shè)置在所述絕緣殼體內(nèi)，所述壓電片固定設(shè)置在所述正質(zhì)量塊與所述負(fù)質(zhì)量塊之間。

具體地，所述絕緣外殼為圓筒結(jié)構(gòu)，所述正電極和所述負(fù)電極均為圓柱結(jié)構(gòu)，所述正電極和所述負(fù)電極與所述絕緣殼體之間通過螺紋聯(lián)接，所述正質(zhì)量塊和所述負(fù)質(zhì)量塊均為半球結(jié)構(gòu)，所述壓電片為環(huán)形結(jié)構(gòu)，所述壓電片的外徑與所述正質(zhì)量塊和所述負(fù)質(zhì)量塊的直徑相等。

優(yōu)選地，所述圓錐槽的內(nèi)錐角為90°，所述正質(zhì)量塊的球面與所述正電極的圓錐槽的內(nèi)側(cè)面相切，所述負(fù)質(zhì)量塊的球面與所述負(fù)電極的圓錐槽的內(nèi)側(cè)面相切，所述正質(zhì)量塊和所述負(fù)質(zhì)量塊的圓形面的中心處均設(shè)置有與所述壓電片的內(nèi)環(huán)適配的短圓柱。

具體地，所述壓電片的兩個(gè)側(cè)面分別與所述正質(zhì)量塊和所述負(fù)質(zhì)量塊貼合，且所述正質(zhì)量塊和所述負(fù)質(zhì)量塊對(duì)所述壓電片施加預(yù)應(yīng)力。

進(jìn)一步，所述正電極和所述負(fù)電極的外側(cè)面均設(shè)置有預(yù)應(yīng)力施加輔助孔。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明單壓電片壓電換能的萬向觸發(fā)沖擊引信傳感器通過設(shè)置1個(gè)中心壓縮式壓電片，構(gòu)成1個(gè)單軸向加速度傳感器，當(dāng)其所受到的沖擊力沿其周向旋轉(zhuǎn)時(shí)其輸出靈敏度不變；當(dāng)其所受到的沖擊力沿其軸向旋轉(zhuǎn)時(shí)，其輸出靈敏度變化不大，任意角度均能可靠響應(yīng)；受到任意方向的沖擊力時(shí)，其壓電片所產(chǎn)生的電荷的極性不會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)，其信號(hào)處理電路只需要1個(gè)電壓放大器進(jìn)行阻抗變換和信號(hào)放大處理后直接驅(qū)動(dòng)起爆控制電路。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述單壓電片壓電換能的萬向觸發(fā)沖擊引信傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明正向沖擊受力分析示意圖；

圖3是本發(fā)明橫向沖擊受力分析示意圖；

圖4是本發(fā)明橫向沖擊受力右側(cè)質(zhì)量塊平面力系示意圖；

圖5是本發(fā)明側(cè)向沖擊受力分析示意圖；

圖6是本發(fā)明側(cè)向沖擊有力上方質(zhì)量塊平面力系示意圖；

圖7是本發(fā)明軸向受力變化規(guī)律示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

如圖1所示，本發(fā)明一種單壓電片4壓電換能的萬向觸發(fā)沖擊引信傳感器，包括正電極6、負(fù)電極2、壓電片4、正質(zhì)量塊5、負(fù)質(zhì)量塊3和絕緣殼體1，正電極6的內(nèi)側(cè)面和負(fù)電極2的內(nèi)側(cè)面上均設(shè)置有圓錐槽，正質(zhì)量塊5設(shè)置在正電極6的圓錐槽內(nèi)，負(fù)質(zhì)量塊3設(shè)置在負(fù)電極2的圓錐槽內(nèi)，正電極6和負(fù)電極2均設(shè)置在絕緣殼體1內(nèi)，壓電片4固定設(shè)置在正質(zhì)量塊5與負(fù)質(zhì)量塊3之間，絕緣外殼為圓筒結(jié)構(gòu)，正電極6和負(fù)電極2均為圓柱結(jié)構(gòu)，正電極6和負(fù)電極2的直徑與絕緣外殼的內(nèi)徑相等，正質(zhì)量塊5和負(fù)質(zhì)量塊3均為半球結(jié)構(gòu)，壓電片4為環(huán)形結(jié)構(gòu)，壓電片4的外徑與正質(zhì)量塊5和負(fù)質(zhì)量塊3的直徑相等。

圓錐槽的內(nèi)錐角為90°，正質(zhì)量塊5的球面與正電極6的圓錐槽的內(nèi)側(cè)面相切，負(fù)質(zhì)量塊3的球面與負(fù)電極2的圓錐槽的內(nèi)側(cè)面相切，正質(zhì)量塊5和負(fù)質(zhì)量塊3的圓形面的中心處均設(shè)置有與壓電片4的內(nèi)環(huán)適配的短圓柱，壓電片4的兩個(gè)側(cè)面分別與正質(zhì)量塊5和負(fù)質(zhì)量塊3貼合，且正質(zhì)量塊5和負(fù)質(zhì)量塊3對(duì)壓電片4施加預(yù)應(yīng)力，正電極6和負(fù)電極2的外側(cè)面均設(shè)置有預(yù)應(yīng)力施加輔助孔。

裝配時(shí)，絕緣殼體1與正電極6和負(fù)電極2之間通過螺紋連接，通過施加一定的預(yù)緊力將壓電片4、正質(zhì)量塊5、負(fù)質(zhì)量塊3定位裝配到一起，并給壓電片4施加一定的預(yù)應(yīng)力，其中壓電片4為內(nèi)徑1.6mm、外徑8mm、厚2mm的圓環(huán)結(jié)構(gòu)。

正質(zhì)量塊5和負(fù)質(zhì)量塊3的結(jié)構(gòu)相同，其為球半徑為4mm的半球體，圓柱的直徑為1.6mm，厚度為0.5mm。

正電極6和負(fù)電極2的結(jié)構(gòu)相同，其輔助孔的直徑為2mm，且數(shù)量為2個(gè)，兩個(gè)輔助孔的中軸線之間的距離為6.6mm，正電極6和負(fù)電極2的直徑為16mm，高度為9mm，圓錐槽的孔口直徑為11.3mm。

絕緣殼體1的長(zhǎng)度為20mm，外徑為20mm。

其工作原理為：當(dāng)彈著靶時(shí)，由于沖擊的作用，其質(zhì)量塊將產(chǎn)生慣性力，該慣性力經(jīng)過力的傳遞，將對(duì)壓電片4產(chǎn)生作用力，該作用力是1個(gè)壓力，符合壓電片4的工作原理，壓電片4即產(chǎn)生電荷輸出，該電荷通過正質(zhì)量塊5/負(fù)質(zhì)量塊3傳遞給正電極6/負(fù)電極2，從而成為該引信傳感器的電荷輸出，正電極6輸出電荷極性為正，負(fù)電極2輸出電荷極性為負(fù)，該電荷送入電壓放大器進(jìn)行阻抗變換和信號(hào)放大后，用于驅(qū)動(dòng)起爆控制電路。該引信傳感器的輸出電荷靈敏度取決于壓電片4所受到的作用力，它決定了該引信傳感器的萬向性輸出特性。

如圖2所示，當(dāng)該引信傳感器所受到的沖擊作用與傳感器軸向一致，即正向沖擊受力時(shí)，其處于下方的質(zhì)量塊作為支撐，其處于上方的質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力f0，f0全部作用在壓電片4上。

如圖3所示，當(dāng)該引信傳感器所受到的沖擊作用與傳感器軸向垂直，即橫向沖擊受力時(shí)，其左右兩側(cè)的質(zhì)量塊分別產(chǎn)生相同大小的慣性力f0。作為支撐，左右兩側(cè)的電極分別產(chǎn)生相同大小的支撐力f1，f1與f0呈45°夾角。它們構(gòu)成1個(gè)平衡的平面力系。

左側(cè)質(zhì)量塊所受作用力f0、f1產(chǎn)生1個(gè)沿傳感器軸線方向的合力f，f正向作用于壓電片4，進(jìn)而作用于右側(cè)質(zhì)量塊。右側(cè)質(zhì)量塊共受到f、f0、f1的共同作用，并構(gòu)成1個(gè)平衡的平面力系，如圖4所示；

按平面力系的簡(jiǎn)化運(yùn)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，該作用力f即為壓電所受到的正向壓力作用力。由此可知：該引信傳感器壓電片4的正向沖擊受力與橫向沖擊受力相等。

如圖5所示，當(dāng)該引信傳感器所受到的沖擊作用與傳感器軸向呈θ角，該θ角在0°～90°之間變化時(shí)，即側(cè)向沖擊受力時(shí)，其處于上方的質(zhì)量塊將產(chǎn)生慣性力f0，其處于上方的電極將產(chǎn)生支撐力f1，其處于下方的質(zhì)量塊作為支撐，將產(chǎn)生產(chǎn)生支撐力f，f作用于壓電片4，進(jìn)而作用于處于上方的質(zhì)量塊。f與傳感器的軸線重合，f0與傳感器的軸線呈θ夾角，f1與傳感器的軸線呈45°夾角。

上方質(zhì)量塊共受到f、f0、f1的共同作用，并構(gòu)成1個(gè)平衡的平面力系，如圖6所示。

按平面力系的簡(jiǎn)化運(yùn)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，壓電片4所受到的正向壓力作用力為f，f＝f0(sinθ+cosθ)。

作為驗(yàn)證手段，我們將θ＝0°、θ＝90°分別代入f＝f0(sinθ+cosθ)，均得到f＝f0的結(jié)果。該結(jié)果與正向、橫向沖擊受力分析結(jié)果一致。

由于該引信傳感器是一個(gè)上下對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此，當(dāng)該θ角在90°～180°之間變化時(shí)，其支撐關(guān)系將與θ角在0°～90°之間變化時(shí)發(fā)生反轉(zhuǎn)，壓電片4所受到的正向壓力作用力與該θ角在0°～90°之間變化時(shí)是鏡像對(duì)稱的。

由于該引信傳感器是一個(gè)軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此，該θ角在0°～-180°之間變化時(shí)，壓電片4所受到的正向壓力作用力與該θ角在0°～180°之間變化時(shí)是鏡像對(duì)稱的。

因此，該引信傳感器所受到的沖擊作用與傳感器軸向呈θ角，該θ角在0°～360°范圍內(nèi)變化時(shí)，壓電片4始終受到正向壓力作用力，所受到的正向壓力作用力為f，f＝f0(sinθ+cosθ)。該作用力呈周期變化，最大值與最小值的比為變化規(guī)律如圖7所示。

由于該引信傳感器是一個(gè)軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此，當(dāng)該引信傳感器所受到的沖擊作用沿傳感器的周向(徑向)旋轉(zhuǎn)時(shí)，壓電片4所受到的正向壓力作用力是不會(huì)變化的。

綜上，該引信傳感器是一種真正的具有萬向沖擊響應(yīng)的傳感器。任意沖擊方向的沖擊輸出靈敏度的最大值與最小值的比為

在任意沖擊方向，該引信傳感器中壓電片4始終受到正向壓力作用力，其輸出電荷極性始終保持不變。因此，其信號(hào)處理電路只需要1個(gè)電壓放大器進(jìn)行阻抗變換和信號(hào)放大后直接驅(qū)動(dòng)起爆控制電路。因此，其電路結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，電路成本也較低。

由此，我們得到了一種體積較小、重量較輕、成本較低的萬向觸發(fā)沖擊引信傳感器。

該傳感器擁有雙質(zhì)量塊加雙電極的結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)形式使得：在任意沖擊方向，該引信傳感器中壓電片4始終受到正向壓力作用力，其輸出電荷極性始終保持不變。

兩端電極中的錐形槽結(jié)構(gòu)，其錐角為90°。該錐角使得：該引信傳感器所受到的沖擊作用沿傳感器軸偏轉(zhuǎn)時(shí)，在0°～360°范圍內(nèi)，該引信傳感器中壓電片4受到正向壓力作用力呈周期變化，最大值與最小值的比為經(jīng)變換錐角的驗(yàn)算證明，無論錐角是增大或是減小，該比值都將增大，因此，90°是最佳錐角角度。

本發(fā)明的技術(shù)方案不限于上述具體實(shí)施例的限制，凡是根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案做出的技術(shù)變形，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。