在现代机电引信中，引信电源主要完成两部分的功能，即为引信电路的工作提供能源和为引信电起爆提供起爆能源．随着低功耗电路和微能量电雷管的出现，小型化、高能量密度及长存贮寿命成为对引信电源的设计要求．引信电源一般可以分为物理电源或化学电源．其中，引信化学电源通常由电解液、电极和激活机构组成，以电化学能的形式储存能量，电化学能在两个电极之间的界面处发生化学反应产生电能．引信物理电源，利用各种物理效应，将环境作用的机械能或热能等转化为电能，例如涡轮电机、磁后坐电机等，这些能源目前还有很多的不足和缺点，而压电陶瓷材料在长贮性、耐高冲击、小体积方面有其独特的优势，将压电陶瓷作为引信物理电源，可在瞬间高冲击下产生足够的能量用于引信工作．

     1    压电材料产生能量和利用效率分析

     在在引信中沿垂直弹丸轴线的平面内放置压电陶瓷片，在其上加一质量块．在膛内发射过程中质量块对压电陶瓷产生压力．如图1所示，在压力作用下压电陶瓷两表面产生电荷，压电陶瓷相当于一个电容，电容在两极产生电荷后就存贮了一定的能量．能量等于

 

     （1）

    式中：d₃₃为压电材料的电荷灵敏度，m为压电材料上质量块的质量，a为弹丸发射时的加速度’εo为真空中的介电常数，’ε为压电材料的相对介电常数，S为压电材料的面积，d为电容极板距离，在这里取为压电材料厚度．在引信中当弹丸受力消失后，压电陶瓷产生的电荷马上消失．因此，需要存储电容对压电陶瓷产生的电荷进行存储利用．假设压电陶瓷等效为电容C₁，存储能量的电容为C₂：，产生的电能全部进行了两者再分配，根据传输结束后电压相等的关系，设C₂=aC₁。，则电容C₂上存储的能量与产生能量的传输效率

                               （2）

可用数学方法求效率的极大值：令μ¹=0，解得a=1．即C₂=C₁，时，传输效率最大，此时效率μ=25％．根据压电材料能量公式和传输效率曲线分析，提高引信压电电源利用能量的途径，可以通过选用机电耦合系数较大的压电材料，增大质量块的质量或加大载体的后坐加速度．由于现场弹丸的发射环境不可能改变，引信电源体积受到限制，采用大比重金属作为质量块影响不明显，可通过加工厚度很薄的压电陶瓷片，采用多片压电陶瓷并联的方法，来提高引信压电电源能量的利用率．

    2 小口径弹用引信的压电电源样机

    小口径弹用引信的压电电源样机，是在两片压电陶瓷薄片之间用导电胶粘接薄铜片，将陶瓷微型电源的正负极引在不同两侧，用细导线将向外的引线焊接可靠，将连好线的压电陶瓷和5 g的圆饼状质量块封装在钢圆筒壳体内，质量块用重金属合金以减小体积，将正负极的引线在圆筒壳体两侧引出，导线与外壳体绝缘，压电陶瓷片和质量块按换能器要求有一定预压，壳体表面做防腐处理．如图2所示，具体厚度尺寸如下：压电陶瓷片0．1 mm；薄铜片0．03 mm；导电胶0．05 mm．两个压电电源样机的等效电容按照公式计算，

     （3）

 

理论值C₁=0.21 μF，C₂=0.26μF，实测约为C1=0.19μF，C₂=0.22μF.

   3 实验数据分析和理论公式修正

   直接测量压电材料在加速时产生的能量比较困难，通过测量压电陶瓷叠片两端的电压来计算能量的大小，模拟火炮发射的特点进行了储能实验，将封装好的压电陶瓷叠片固定在一个大质量块上，同时将加速度传感器粘在大质量块上作为加速度标定的依据，将加速度传感器的输出和压电陶瓷叠片的两极的电压都接入示波器观察，分别做桌面敲击实验和马希特锤击实验，按照加薄垫、加厚垫和直接接触3种缓冲情况，测得波形图如图3所示．

  

         

          

图3 不同缓冲情况敲击实验波形图(上面曲线为加速度标定曲线，下面曲线为激活电压曲线)

     利用MATLAB软件的计算绘图功能，对激活能量和所受加速度做理论曲线如图4所示，可以看到激活能量E随所受加速度口变化而改变．利用MATLAB专门提供的样条工具箱，将实验得到的数据进行样条曲线拟合处理，得到实验数据样条拟合曲线如图5．

    通过对各组数据的分析，发现在模拟发射环境激活电压基本和所受的加速度成线性关系，即随着加速度的增大而增大；还可以发现激活电压和接触的缓冲情况有关，激活电压的脉宽和加速度的宽度基本相等，作用时间较长的加速度产生脉宽大的激活电压，即产生较大的能量．还发现加速度的脉宽过窄会引起激活电压的自激震荡，加速度的不稳定会引起激活电压的耦合震荡．引入脉宽加权修正参数ŋ₁，根据数据及曲线构造

（4）

式中，t为周期，t。为最小周期．β为稳定度，取值范围0～1．

    通过对各组数据的比较，在测试条件和测试对象完全一样的情况下，相同的加速度产生的激活电压的峰值差别很大，分析实验的时间不同，天气情况为晴天和下雨，把天气因素记为ξ，引入天气加权修正参数

            （5）

式中，K为系数，ξ取值范围0～1．

     通过两个压电陶瓷电源样机数据的比较分析，两个样机在外界条件相同的情况，包括脉宽加权修正参数ŋ₁。和天气加权修正参数ŋ₂，相同加速度产生的激活电压比值已大大超出两个样机叠片数的比值，分析原因为封装预压程度ε和叠片级联程度ξ引起．在实验时，发现压电陶瓷叠片电源两端接人阻值不同的电阻得到分压不同。分析原因为压电陶瓷内阻和叠片胶连产生内阻，加速度影响电源内阻R．引入样机工艺及内阻加权修正参数

（6）

式中，ε、ξ取值范围0～1，R取值0～∞．

    压电陶瓷叠片在实验过程中产生的能量E和其所受加速度a之间，引入加权修正参数为ŋ=ŋ₁ŋ₂ŋ₃，则修正后的公式为

        （7）

压电陶瓷叠片在实验过程中激活能量和所受加速度关系曲线如图6．

 

   将压电陶瓷电源等效为电容C₁，与储存电容C₂连接原理图如图7所示，其中电阻R为回路中导线电阻。测得存贮电容两端的电压波形图如图8所示．通过二极管和存储电容并联，存储电容能较好的保持压电陶瓷叠片的激励能量，脉宽80μs冲击加速度产生的激活能量通过存储电容可以保持在10 ms以上，按照此种原理可以提供给引信工作所需的能源．

     4 结束语

     通过以上实验和分析，得到激活能量基本随加速度的增加而增加，采用并联叠加的方法可以在同样体积压电材料下，提高能量利用效率．对压电陶瓷薄片采用一致的预处理，其中压电材料的老化处理很重要，采用可靠的焊接工艺，采用性能较好的导电胶，以改善叠片级联状况，减小内阻来提高产生的激活能量．将压电陶瓷在瞬间高冲击下产生的能量，利用存储电容能较好的保持和供给引信使用．

            作者：孙磊    张河    李豪杰

(南京理工大学机械工程学院，南京210094)