特點(diǎn)
超強(qiáng)的受沖擊能力
優(yōu)異的受沖擊后的穩(wěn)定性
MEMS加速度傳感器中最好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性
溫度、振動(dòng)及沖擊等惡劣環(huán)境下應(yīng)用
小尺寸、質(zhì)量輕
產(chǎn)品出口許可由瑞士管理，但不受?chē)?guó)際武器貿(mào)易條例（ITAR ）限制
HS8030.D加速度傳感器應(yīng)用于彈道系統(tǒng)
簡(jiǎn)介
s1目前一些正在研發(fā)的新技術(shù)，如擴(kuò)展區(qū)域保護(hù)和生存系統(tǒng)（ EAPS ），可用于對(duì)付來(lái)襲的敵方攻擊。然而，這些技術(shù)要求更多地使用遠(yuǎn)程火炮并可能使平民傷亡的風(fēng)險(xiǎn)增大到不可接受的程度。因此，精確的火炮系統(tǒng)，智能彈藥和智能導(dǎo)彈將是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。與此同時(shí)，”智能炮彈”要求提高彈藥的精度，并且獨(dú)立于GPS的控制，并且集成了獨(dú)立可靠的能由傳感器（例如加速度傳感器）觸發(fā)的冗余自毀機(jī)制。這就要求傳感器在沖擊開(kāi)始前直至受到撞擊后都能工作。如果沒(méi)有檢測(cè)到或沒(méi)有達(dá)到發(fā)射的目標(biāo)，武器或是自我銷(xiāo)毀以消除殘留爆炸物對(duì)平民的威脅，或是使其自我失效。需要指出的是精度的提高也意味著需要更少的發(fā)射次數(shù)，因此能大幅度減少炮兵部隊(duì)的后勤。
除了必要的高性能傳感器，即，陀螺儀和加速度傳感器，Colibrys挑戰(zhàn)的是提供合適的彈道應(yīng)用傳感器，以滿(mǎn)足制導(dǎo)和引信系統(tǒng)所要求的高抗沖擊能力和沖擊后的高穩(wěn)定性。
MEMS傳感器技術(shù)在堅(jiān)固防御系統(tǒng)中應(yīng)用的最好例子之一是M982神劍，一種155毫米超遠(yuǎn)程制導(dǎo)炮彈，由美國(guó)雷聲公司導(dǎo)彈系統(tǒng)分公司，和已并為英國(guó)BAE系統(tǒng)公司旗下的瑞典博福斯（Bofors）防務(wù)公司共同研發(fā)。該產(chǎn)品使用了慣性控制系統(tǒng)來(lái)提高精度，最大限度地縮小傷害范圍。尤其是在復(fù)雜的地形情況下，常規(guī)炮彈的有效性受到限制，后勤和補(bǔ)給不便，而該產(chǎn)品具有更高的工作效率。此控制系統(tǒng)面臨的一個(gè)主要的挑戰(zhàn)就是需要具有高精度的并且在極其惡劣的發(fā)射后的環(huán)境下還能穩(wěn)定工作的慣性傳感器。
這種集成了Colibrys的MEMS加速度傳感器的智能炮彈，能夠承受發(fā)射時(shí)高達(dá)20000g的沖擊力，在GPS和/或慣性單元引導(dǎo)下，對(duì)50公里外的目標(biāo)范圍內(nèi)，命中誤差精度可達(dá)到數(shù)米甚至更小 。
導(dǎo)彈發(fā)射沖擊
沖擊是一種很大的加速度，通常可以通過(guò)振幅（通常為g），持續(xù)時(shí)間（通常為ms）以及基本輪廓（通常為半正弦波）來(lái)描述一個(gè)極端的加速度 。常規(guī)應(yīng)用中面臨的沖擊是短時(shí)間內(nèi)高振幅的震蕩，然而導(dǎo)彈發(fā)射的過(guò)程往往呈現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的極端振幅的震蕩，相當(dāng)于更大的能量釋放。
通常情況下，標(biāo)準(zhǔn)的汽車(chē)級(jí)加速度傳感器要面對(duì)相當(dāng)高的抗撞擊能力的要求。但是，在制導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用中，加速度傳感器不僅要求能承受更大的沖擊，更被要求能在此環(huán)境下穩(wěn)定和精確的工作。因此我們區(qū)分這兩種為耐沖擊能力和沖擊后的穩(wěn)定性。
導(dǎo)彈發(fā)射通常伴有所謂的“長(zhǎng)時(shí)間高振幅沖擊” (典型值：20’000g, 8ms, 半正弦波) 和稱(chēng)為“高頻振蕩”的短時(shí)間中振幅沖擊， (典型值：±5’000g to ±10’000g, 0.2ms, 半正弦波)， 取決于導(dǎo)彈的尺寸、形狀、材料和發(fā)射器的規(guī)格。這兩種不同情況對(duì)傳感器的影響差別很大，必須要仔細(xì)考慮。
圖 2: 理論沖擊值
圖 3: 實(shí)際發(fā)射沖擊值
長(zhǎng)時(shí)間沖擊
從傳感器層面來(lái)說(shuō)，這樣的沖擊可以被認(rèn)為是準(zhǔn)連續(xù)的加速度。這意味著，可以用離心機(jī)設(shè)備來(lái)重現(xiàn)這種沖擊的影響并測(cè)試傳感器的耐沖擊能力和沖擊后的穩(wěn)定性。為了證明傳感器的完整性能，這種加速過(guò)程實(shí)驗(yàn)必須在所有的三個(gè)自由度和正反兩方向上測(cè)試。
高頻沖擊
高頻沖擊攜帶的能量少得多，但卻潛在地影響傳感器的諧振頻率。在一些沒(méi)有適當(dāng)?shù)臑V波的情況下，某些沖擊的幅度和頻率的組合將影響傳感器的性能和甚至損壞傳感器或陶瓷封裝本身。使用標(biāo)準(zhǔn)錘擊測(cè)試將只反應(yīng)這種高頻率的震動(dòng)沖擊的部分特性。
應(yīng)用于導(dǎo)彈發(fā)射的傳感器測(cè)試
導(dǎo)彈發(fā)射的沖擊曲線(xiàn)取決于發(fā)射器的類(lèi)型以及彈載，形式和材料。各種測(cè)試配置可以一定程度上模擬出傳感器的性能要求，但不能完全再現(xiàn)真實(shí)的火炮發(fā)射沖擊。首當(dāng)其沖的測(cè)試是離心加速度與標(biāo)準(zhǔn)錘擊測(cè)試的組合。這種簡(jiǎn)單的組合測(cè)試一般應(yīng)用于最初的開(kāi)發(fā)和鑒定測(cè)試。
其次，最好的開(kāi)發(fā)測(cè)試肯定是Aerobutt測(cè)試。這個(gè)沉重的工具結(jié)合了上述兩種沖擊特性，并且能保持被測(cè)樣品安全完好。
數(shù)百只Colibrys的HS8000/ HS9000加速度計(jì)已經(jīng)采用這種方法測(cè)試，可以提供相對(duì)良好的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和非常好的測(cè)試結(jié)果。值得注意的是，此設(shè)備提供了和電磁軌道發(fā)射測(cè)試幾乎相同的結(jié)果。
對(duì)加速度器最終的考驗(yàn)是結(jié)合沙地軟著陸的155毫米榴彈實(shí)地發(fā)射測(cè)試。安裝在IMU的加速度計(jì)能成功承受住11’800g到19’500g的沖擊力。對(duì)發(fā)射過(guò)程中最高沖擊力，加速度傳感器表現(xiàn)出良好的耐受性和極小的偏離。
圖4: Aerobutt 測(cè)試設(shè)備
圖5: 155mm G5 榴彈炮和精確彈藥
Aerobutt測(cè)試結(jié)果
在傳感器級(jí)別上，許多測(cè)試已經(jīng)完成，以獲取抗沖擊能力的數(shù)據(jù)以及確定由于沖擊帶來(lái)的性能的變化。Aerobutt測(cè)試設(shè)備可模擬出高g值的多種組合情況。由于此設(shè)備可以在發(fā)射沖擊后短短幾分鐘內(nèi)恢復(fù)傳感器的性能，許多加速度計(jì)使用圖5：155毫米G5榴彈炮進(jìn)行了測(cè)量，以確定沖擊對(duì)傳感器性能的真正影響。
Colibrys HS8030.D 在沖擊后表現(xiàn)出優(yōu)良的穩(wěn)定性，偏離最大不超過(guò)15mg ，比例因子偏差小于1200ppm。
圖6 : 傳感器基于 Aerobutt 發(fā)射測(cè)試后數(shù)據(jù)的偏離, 沿3個(gè)軸向，跨度從 11’000 g 到 22’000 g
裝配要求
基于體硅加工的MEMS微機(jī)械加速度計(jì)擁有固有的高抗沖擊性。傳感器性能即使在離心加速度達(dá)到40’000g 時(shí)也沒(méi)有任何衰退。
應(yīng)用于導(dǎo)彈系統(tǒng)的COLIBRYS加速度計(jì)的一個(gè)主要技術(shù)是其芯片粘接技術(shù)。該技術(shù)最大程度地減小了MEMS芯片的應(yīng)力，確保了偏差的最小化。為了保障發(fā)射時(shí)傳感器的最小偏差， Colibrys開(kāi)發(fā)了專(zhuān)有的芯片粘接技術(shù)，以保障傳感器的抗沖擊能力并確保應(yīng)力對(duì)傳感器芯片的影響到最小化。這項(xiàng)新技術(shù)已被應(yīng)用到抗高沖擊的HS8000和HS9000產(chǎn)品系列。
然而，將傳感器集成到IMU或子系統(tǒng)內(nèi)的安裝步驟仍需要特別地注意。事實(shí)上，在灌封和封裝過(guò)程中，需要特別注意絕緣材料的設(shè)計(jì)和選擇，以保證最大程度地隔離和降低各種振動(dòng)，防止導(dǎo)彈發(fā)射瞬間的沖擊對(duì)傳感器靈敏元件造成傷害。 HS8000或HS9000與防振材料的結(jié)合使用是COLIBRYS傳感器應(yīng)用于導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵。
HS8000 Colibrys 加速度計(jì)
HS9000 Colibrys 加速度計(jì)
總結(jié)
Colibrys已成功開(kāi)發(fā)出應(yīng)用于武器發(fā)射的加速傳感器。它的抗沖擊能力和性能達(dá)到了令人滿(mǎn)意的程度。作為一個(gè)獨(dú)立的產(chǎn)品或者集成在IMU中，本產(chǎn)品都已被廣泛的測(cè)試。所獲得的結(jié)果證實(shí)了其機(jī)械耐用性和傳感器在嚴(yán)酷的環(huán)境下的高靈敏度。該加速度傳感器是目前市售的Colibrys的廣泛的加速度傳感器產(chǎn)品組合的一部分。
