第41卷增刊2 2020年6月兵工学报
ACTA ARMAMENTARII
Vol.41Suppl.2
Jun.2020
高瞬态冲击下陶瓷电容损伤过程中的参数漂移特性
程向1,I李晓峰12，王亚斌2，富玉3，王钢3
(1.北京新立机械有限责任公司，北京100039；2.北京理工大学机电学院，北京100081；
3.吉林江机特种工业有限公司，吉林吉林132021)
摘要：触发引信随弹体碰击和侵彻目标过程中经历的大瞬态高过载可能导致电容承受的应力急剧增加，严重情况将造成结构损伤，应力的瞬变带来电容参数的漂移，进而影响到与电容相关的电路单元。针对高瞬态冲击环境下带电电容参数漂移问题，基于高速充放电原理提出一种高重复频率的电容参数测试方法。利用分离式霍普金森杆试验装置作为加载途径，设计高瞬态加载过程中测试电容参数漂移的系统，
进行多组高动态加载试验，峰值过载由1.8伊104g提高至16.8伊104g.观测到未开裂电容和开裂电容在冲击过程中的充放电现象，通过数据分析获得电容应变、冲击过载和电学参数变化历程。数据曲线显示：在应力波首次通过电容时，电容容值减小，容值减小幅度因冲击强度而有所区别；该参数漂移现象可能导致带电电容极板的电压升高。
关键词：多层陶瓷电容；高瞬态冲击；参数漂移；电容容值测试；霍普金森杆
中图分类号：TJ430.2文献标志码：A文章编号：1000-1093(2020)S2-0234-07
DOI：10.3969/j.issn.1000-1093.2020.S2.031
Parameter Drift Characteristics of Ceramic Capacitors During
Damage under High Transient Impact
CHENG Xiangqun1,|LI Xiaofengf,WANG Yabin2,FU Yu3,WANG Gang3
(1.Beijing Xinli Machinery Co.,Ltd.,Beijing100039,China；
2.School of Mechatronical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing100081,China；
3.Jilin Jiangji Special Industry Co.,Ltd.,Jilin132021,Jilin,China)
Abstract:During the course of the projectile hitting and penetrating a target,the impact fuze will be subjected by large transients and high overloads,which cause a sharp increase in stress on capacitor and serious structural damage.The drift of capacitance parameter caused by the transient of stress further affects the circuit unit related to the capacitance.For this problem,a high repetition frequency capacitor parameter test method is proposed based on the principle of high-speed charge and discharge.A split Hopkinson bar test device is used as the loading path.A test system for testing capacitance parameter drift during high transient loading was designed,and multiple sets of highly dynamic loading tests were performed,and the peak overload was increased from18000g to168000g.The charging and discharging phenomena of the cracked and uncracked capacitors during the shock loading were observed. The change processes of capacitive strain,shock overload,and electrical parameter were obtained through data analysis.The data curve shows that,when the stress wave first passes through the capacitor,the
收稿日期：2020-03-11
基金项目：国家自然科学基金项目(11372047)
作者简介：程向(1992—)，男，助理工程师。E-mail：chengxqwk@163
通信作者：王亚斌(1977—)，男，教授，博士生导师。E-mail:*****************
增刊2高瞬态冲击下陶瓷电容损伤过程中的参数漂移特性235
capacitance value of the capacitor shifts,and the change in capacitance value varies due to strength・This parameter drift phenomenon may cause the voltage of the charged capacitor plate to rise.
Keywords:multilayer ceramic capacitor；high transient impact；parameter drift；capacitance test；
Hopkinson bar
0引言
陶瓷电容器因其体积小、比电容高等特点，常见于各类电路系统，引信电路中陶瓷电容也得到大量应用⑴。触发引信随弹体碰击目标，在带电电容承受高瞬态冲击、防护措施不充分的情况下，陶瓷电容固有应力进一步发展，将发生局部或完全损伤。在损伤发展过程中电容容值若发生变化，则对发火电路性能可能造成不利影响，严重的将导致瞎火或早炸，因此目前研究多在静力条件下进行［2-8］o由
此可见，开展高瞬态冲击下陶瓷电容损伤过程中的参数漂移研究，对提高引信性能、强化引信系统可靠性具有重要意义。
弹体碰击或侵彻典型目标的过程通常在数百微秒到数毫秒之间，为观测动态冲击过程中电容容值的漂移现象，需要在加载过程中进行多次重复测量，测量频率应达到百千赫量级。电子行业通常采用的电桥法、谐振法、恒压放电法、恒流积分法和矢量电压-电流法均不能满足实现高重复测试(以下简称高重频)频率⑼，例如江冰等设计的基于运放充放电原理的微电容测量电路采样率为60Hz［10］；何荣华等设计的高过载下军用电容动态测试方案测量频率为400Hz［11］；李新娥等设计了采样率为100kHz的小电容充放电电路〔⑵，但其测量对象主要是皮法级电容，不能对纳法到微法级电容进行测量。
针对现有电容测试方法的不足，本文提出了一种基于高速RC充放电原理的多层陶瓷电容容值高重频测试方法，并采用分离式霍普金森压杆进行高瞬态加载试验，同步获得电容应变、冲击过载和容值参数变化历程，以此来了解高瞬态冲击下电容损伤过程中的参数漂移规律。
1电容容值高重频测试方法
1.1电容容值高重频测试原理
由于RC充放电过程中的电压变化遵循指数规律，观测电容充电过程中的电压变化，可反求未知电容容
值。文献［10-11］等均采用小电流驱动的充放电设计，充放电速度慢，致使高重频测试无法提升，因此提升电容充放电速率是实现高重频测试的关键。本文采用金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、高速栅极驱动器实现高速充放电控制，以大功率电阻进行充放电限流保护，为在抑制放电电流峰值的同时不降低放电速度，设置两级顺序放电回路。图1所示为电容容值高重
图1电容容值高重频测试电路原理图
Fig.1Schematic diagram of high repetition
frequency test circuit
图1中:VCC为充电电压;C1为待测电容;U1~ U3为高速栅极驱动器；Q1~Q3为大功率MOSFET；R1为充电限流电阻；傀、R3为两级放电负载电阻; PWM1、PWM2、PWM3为充电驱动脉冲，PWM1经U1驱动Q1对C1进行快速充电；当PWM1截止时, Q1关断，充电结束；PWM2经U2驱动Q2对C1存储的电荷进行快速泄放，当C1电压已经降低一定幅值后,PWM3经U3驱动Q3增加一个并联的放电回路，加速C1电荷泄放，使观测电压快速归零，以进行下一周期的重复测量。
1.2PSpice电路仿真与电路测试
利用PSpice仿真软件对高重频测试电路的性能进行仿真。电路仿真模型如图2所示，通过调整3个信号
源的时间参数，实现所需时序和驱动频率。图2中，叫为脉冲信号的低电平，V2为高电平,7D为脉冲信号的延迟时间,TR为脉冲上升时间,TF为脉冲下降时间,PW为脉冲宽度，PER
为
236
兵工学报第41卷
12V直流电源
+
TO=1.5jjls
TR=10
TF=10
PW=0.5阴
PER=2as
V=12V
77)=1.5|Jis
TR=10ns
TF=10ns
PW=0.5|xs
PER=2rs~°
77)=1.5|Jis
TR=10ns
TF=10ns
-=-PW=0.5|jis
_O PER=2Jis
图2高重频测试电路PSpice仿真模型Fig.2High repetition frequency test circuit model
脉冲周期，M1、M2、M3均为功率MOSFET.图3所示为500kHz重复频率下的仿真结果。由图3可知，当充放电频率为500kHz，即一个充放电周期为2js时，电容充放电过程的指数曲线特
图3500kHz重复频率下的仿真结果
Fig.3Simulated results at500kHz repetition rate
根据上述原理进行实体电路设计装调，观测电容为福建火炬电子科技股份有限公司生产的CT473640PD473K1250F型多层陶瓷电容，容值为47nF.选定测量重复频率为100kHz,3个电阻阻值匹配为R1=100赘,R2=50赘,R3=10赘时，充放电速率可以满足重复频率要求，实际电路样机如图4所示。该参数下电路的仿真结果及实际充放电测量结果如图5所示，可见实测与仿真结果基本保持一致，可用于动态测试试验。
图4高重频测试电路实体样机
Fig.4PCB of test circuit prototype pwmi—
TLrLrLrLrLrLTLrLrLr pwM2_f~LrLTLrLrLrLrLrLrLr
时间/|XS
图5100kHz重复频率下的电路仿真与实测结果
Fig.5Measured results at100kHz repetition frequency
2高瞬态冲击加载试验
2.1试验方案设计
分离式霍普金森杆试验技术是研究中高应变
增刊2高瞬态冲击下陶瓷电容损伤过程中的参数漂移特性237
率下材料力学性能的主要试验方法，具有冲击幅度可控、关键参量可在线同步测量等优点［13］o本文选用分离式霍普金森压杆试验方法对电容进行高瞬态冲击加载，根据试验需要，对加载与测量系统进行设计。
观测电容固定在入射杆和透射杆中间，参考电容置于相同的环境中。发射不同速度的子弹进行冲击加载时，由激光测速装置在测得子弹速度的同时为高重频测试电路和存储示波器提供触发信号，高重频测试电路对两个电容分别进行连续快速充放电，使用聚偏氟乙烯(PVDF)压电计［14］实时测量观测电容在冲击过程中的应力变化历程，使用电阻应变片配合超动态应变仪获得入射杆和透射杆上应力波变化历程，上述动态信号均被存储示波器记录。图6为试验系统组成框图，图7为试验现场电容安装情况。
图6动载环境下电容容值漂移动态测试方案示意图
Fig.6Dynamic testing scheme for capacitance drift in dynamic load environment
图7试验现场电容安装情况
Fig.7Capacitor installation during test
2.2试验结果
试验结果汇总如表1所示。共进行了8组动态加载试验,4组获得了有效测试数据，其中2组发生了电容开裂甚至直接损坏的情况。图8和图9为获得的动态加载过程中充放电曲线，图10为实验中开裂的电容形态。
3试验结果分析
下面给出6号(v=3.13m/s)和8号(v= 4.62m/s)试验获得的结果分析，相关数据曲线如图11和图12所示。
Tab.1Test results
表1试验结果汇总表
试验子弹速度换算最大试验
序号v/(m•s-1)过载/105g现象
3 3.000.180
电容无表面损伤，
充放电曲线无明显变化
6 3.130.272
电容无表面损伤,
充放电曲线无明显变化
7 4.51 1.630
电容破碎，
充放电曲线变化明显
8 4.6216.80
电容表面出现裂纹，
充放电曲线变化明显3号试验中，子弹以v=3.13m/s的速度发射，图11(a)、图11(b)分别为观测电容和参考电容的容值变化曲线，电容器电容充放电特性变化不显著。图11(c)、图11(d)分别为第1、第2个应力波作用下观测电容和参考电容容值变化曲线。由图11(e)和图11(d)可知，在冲击过程中观测电容器的
容值发生了波动，波动时刻与应力波作用时间相关。图11(e)、图11(f)为观测电容应力时间曲线。由图11(e)和图11(f)可见，当t= 1500滋s时第1个应力波(入射波)
作用于陶瓷电
238
兵工学报
第 41 卷
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8
时间/ms
(a) 3号试验电容充放电曲线
(a) Charge and discharge curve of capacitor in 3# test
(a)未开裂电谷(a) Uncracked capacitor (b)开裂电容(b) Cracked capacitor
图10电容比较
时间/ms
(b)6号试验电容充放电曲线
(b) 6# test charge and discharge curve
Fig. 10 Comparison of capacitors
(a)加载电容充放电曲线
(a) Charge and discharge curve of test capacitor
图8 3号、6号试验电容充放电曲线Fig. 8 Charges and discharge curves of capacitor in
3# and 6# test
15
10
5
010
86
42i
1.2
1.3 1.4 1.5 1.6
1.7 1.8 1.9
2.0 2.1
时间/ms
(a) 7号试验电容充放电曲线
(a) Charge and discharge curve of capacitor in 7# test 0.68
0.78
0.88
0.98 1.08 1.18 1.28
时间/ms
(b) 8号试验电容充放电曲线
(b) Charge and discharge curve of capacitor in 8# test
图9 7号、8号试验电容充放电曲线Fig. 9 Charges and discharge curves of capacitor in
7# and 8# test
(b)参考电容充放电曲线
(b) Charge and discharge curve of reference capacitor
50
4540
35
30f-加载电容----爹考电容--标称电容
1.4
1.5
1.6
1.7 1.8
时间/ms
(c)第1个应力波作用下容值
变化曲线
(c) Capacitance change curve
under the action of the
(d)第2个应力波作用下容值
变化曲线
(d) Capacitance change curve
under the action of the
s parameter时间/ms
(e)第1个应力波作用下
应力-时间曲线
(e) Stress-time curve under
the action of the first stress wave
时间/ms
(f)第2个应力波作用下
应力-时间曲线
(f) Stress-time curve under
the action of the second stress wave
图11 6号试验v =3. 13 m/s 动态冲击过程
Fig. 11 Dynamic impact process for v = 3. 13 m/s in 6# test
容器，当t = 1 594 滋s 时电容器应力为268 MPa，达 束；当t = 1 953 滋s 时，第2个应力波（反射波）作用
到最大值，当t = 1 800 滋s 时第1个应力波作用结 于陶瓷电容器，当t =2 032 滋s
时电容器的应力为
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