专利名称：一种弹道特征温度传感测试方法
技术领域：
本发明涉及一种弹道特征温度传感测试方法，尤其是一种基于反铁电厚膜材料的 弹道特征温度传感测试方法。
背景技术：
随着科学技术的迅速发展，现代战争的需求对武器系统的可靠性、灵巧性、快速 性、精确性提出了更高的要求，处于毁伤与反毁伤最前端的引信技术的突破成为了武器系 统性能提高的关键。武器引信安全与解除保险机构是整个弹体安全性和可靠性的关键子系 统，须满足双环境全保险机构设计要求。目前，对可利用发射环境参量有限的武器装备(非 旋转弹)而言，很多主要是依靠单一的环境力(后坐力)来解除保险，其多重高可靠性引信 安全与保险解除机构实现困难，致使武器装备引信系统可靠性、整体功能及作战效能大大 受限(尤其在小口径弹武器装备上难以实现)，因此，迫切需要开发可利用的环境参量，以 拓展引信功能，加速引信技术革新和升级换代。武器炮丸的弹道温度是对外界环境具有敏感响应的重要信息，是由于弹丸在弹道 环境中(包括膛内、炮口、空中飞行和碰击目标等)受到膛热、气动热等复杂热环境的影响， 引起弹体表面及内部温度场变化而产生的。弹道温度以其灵敏性的优势，可通过测试弹道 特征温度作为引信控制弹体工作的热环境参量，完成相应的解保行为。但是，由于热环境中 的恶劣天气等随机因素，对弹丸温度的变化规律影响较大，致使环境温度作为引信解除保 险源并不多见。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于反铁电厚膜材料弹道特征温度传感 测试方法。一种弹道特征温度传感测试方法，包括以下步骤(1)获取弹道环境下弹体各关键点的温度变化规律；(2)依据所述的温度变化规律，制备铅基反铁电厚膜材料；(3)采用所述反铁电厚膜材料进行微型化传感测试系统搭建；(4)将所述微型化传感测试系统贴片封装于弹体的不同关键区域，进行弹道特征 温度的传感测试验证。本发明提供了一种基于反铁电厚膜材料相变瞬态电流的弹道特征温度传感测试 方法。铅基反铁电厚膜材料在温度诱导作用下，会发生反铁电、铁电及顺电相之间的多种相 变，引起铅基反铁电厚膜材料的高密度相变瞬态电流效应。利用带铁芯罗氏线圈的脉冲电 流传感器检测相变电流的产生来实现武器弹丸弹道特征温度的测试，通过PLZT反铁电材 料组分选择(La、Ti含量变化)和电场调控(0-200V)，可以适应复杂热环境的随机影响，实 现对弹丸弹道不同关键点的特征温度传感测试。(1)利用外界环境温度调控下反铁电厚膜材料独特的内部极化方式，实现弹道特征温度测试的高响应率(ns级)和高灵敏度(瞬时电流密度可达10_6A/Cm2)。(2)通过铅基反铁电材料体系(Ptvw2Lax) (Zr1^yTiy) O3 (0. 01 ^ χ ^ 0. 04， 0. 02 ^ y ^ 0. 10)的组分选择，实现弹道不同关键点的特征温度传感测试。(3)通过对反铁电厚膜材料施加不同偏置电场，实现相变温度的实时可调性 (100 300°C )，提高对复杂多变的外界环境的适应性。(4)开发实施引信保险解除的热环境温度参量，为可利用环境参量有限的弹体 (火箭弹、迫击弹、破甲弹、导弹等)引信解除保险技术提供一种全新思路。
图1某型号弹头引信内部关键点位置及其温度变化示意图；图2某组分反铁电材料温度诱导相变电流释放曲线；图3不同组分反铁电厚膜材料电场调节温谱图；图4电流传感器检测电流等效电路示意图。
具体实施例方式以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。本发明所述弹道特征温度传感测试方法选用铅基反铁电材料体系(Ptvw2Lax) (ZivyTiy) 03，0. 01彡X彡0. 04，0. 02彡y彡0. 10，简称PLZT。具体测试方法如下(1)获取弹道环境下弹体各关键点的温度变化规律。数值模拟依据弹丸基本参数，采用Fluent软件的Gambit建模和Fluent流体计 算，进行弹丸的理想弹道仿真。在Gambit中对弹丸进行二维结构建模，并对求解域划分网 格，将建好的模型输入到Fluent计算软件中，检查模型的正确性并设置弹道各项参数，实 现弹道仿真。实际测试采用数字式温度传感器，贴片封装于弹体不同位置，进行发射实验， 实时检测弹丸飞行状态，获取弹道温度变化。采用理论计算、数值模拟和实际测试结合，可 确定弹体各点的温度变化规律。在弹体内部选取了不同结构和材料区域内的数个点作为测试的关键点，对其在整 个弹道过程中的温度变化进行了跟踪，关键点的位置示意图如图1(a)所示，各关键点的温 度变化如图1(b)所示，其中1-4点分别位于弹头引信的灌封层外围，灌封层中心，风帽层外 围、风帽层内部。由于弹丸飞行初期，摩擦热大于其散热，弹体温度处于升温期。随着弹丸 运动，速度减小，同时大气温度越来越低，弹丸的摩擦热小于散热，弹丸开始降温。直到弹丸 达到弹道顶点，此时，速度上升，摩擦热增加，且大气温度上升，散热减少，弹丸温度开始上 升。关键点3接近空气附面层，具有明显的温度变化规律，但由于风帽材料和灌封材料具有 较好的隔热性能，关键点1、2、4产生了一定的滞后效应。步骤(1)的弹道温度变化规律，只是作为进行反铁电厚膜材料组分选取和施加电 场大小的参考和理论支持。了解弹丸不同区域的温度变化规律，也就是弹体温度随弹丸飞 行时间、飞行距离、飞行速度等的变化规律，才能便于选取所要测试的特征温度值。反铁电 厚膜材料不能获取整个弹道的温度变化规律，只能获取某个确定的温度值(如150°C )。反 铁电材料在该温度点相变产生瞬态脉冲电流，通过检测该电流的产生，实现特征温度值的 标定，可作为引信解保的环境参量。不同组分的反铁电厚膜材料施加不同的直流电场，可实现其相变温度的变化，即可实现不同特征温度值的测定(如100°c、120°c、18(rc等)。(2)铅基反铁电厚膜材料制备。依据上述步骤(1)中获取的弹道温度变化规律，采用溶胶-凝胶制备工艺，制备 相应不同组分的铅基反铁电厚膜材料样品，并利用计算机控制直流偏置电场施加到材料的 上下电极面。La3+替代Pb2+稳定反铁电相，反铁电厚膜材料在特定温区内发生反铁电、铁电 及顺电相之间的多种相变，其极化强度方向随着相变过程而发生改变，形成强烈的相变电 流峰(如图2所示)。依据实际情况，可控制施加不同偏置电场(0-200V)，实现相变温度 调制。当外电场强度小于反铁电材料相变电场时，相变温度随偏置电场增加向低温方向移 动；当外电场强度大于反铁电材料相变电场时，样品被极化处理诱导为亚稳铁电态，在温度 升高时发生铁电_反铁电相变，相变温度向高温方向移动。AFE-FE、FE-AFE相变温度具有 随偏置电场实现大幅度移动的特性，可以应对外界复杂热环境的随机影 响。例如图3所示， 为Ti =0.05 ((a)图)，Ti = 0.07 ((b)图)的反铁电厚膜材料电场调节温谱图。(3)采用上述反铁电厚膜材料进行微型化传感测试系统搭建。选取上述不同组分反铁电厚膜材料搭建微型化传感测试系统，电流传感器检测反 铁电厚膜材料相变电流原理如图4所示，图中M为罗氏线圈互感，r为线圈导线电阻，LO为 线圈自感，CO为外并电容，Rl为外并电阻，微弱脉冲电流信号经电流传感器耦合到检测回 路中，转换为脉冲电压信号UO (t)，通过对UO (t)在放大电路中的滤波(进一步减小干扰) 和放大(进一步提高灵敏度)处理，脉冲电压信号UO (t)被采集到计算机中。通过计算机 实时监测脉冲电压数据，实现弹道特征温度传感测试。(4)将微型化传感测试系统贴片封装于弹体的不同关键区域，进行弹道特征温度 的传感测试验证。传感测试系统贴片结构主要包括传热壳体、直流电压源、反铁电厚膜材料、电流 传感器。选取温度变化经历反铁电相变温度范围的弹体位置(如图1中关键点3)，设定为 测试关键点，将贴片封装固定于该点。若设定所需的弹道特征值为150°C，可选取图3中Ti =0. 07组分的反铁电厚膜材料，并施加75KV/cm的电场；反铁电厚膜材料的亚稳铁电态和 反铁电态在低于其相变温度时保持在极为稳定的状态，弹丸在发射过程中产生膛热和飞行 过程中弹体与空气摩擦产生气动热时，经传热壳体导热使关键点的反铁电功能材料敏感单 元温度升高，达到相变温度时即可发生相变释放出电能，通过相应的电流传感器检测即可 判断弹体关键点是否达到特征温度值，具有极高的精确性。本发明所述弹道特征温度传感测试为引信安保机构新型环境参量开发提供了一 种新思路，具有以下几个特点(1)反铁电厚膜材料结构相变引起的极化强度变化属于跃变行为，响应速度极快 (ns级)；在外界环境温度调控下，反铁电体产生的瞬时电流密度较大(可达10_6A/Cm2)，具 有很高的灵敏度。(2)通过组分选择和电场调控，可以实现对AFE-FE和FE-AFE的相变温度调制，适 用于弹体不同关键位置(弹头引信、弹底引信等)，且对复杂多变的外界环境具有很好的适 应性。(3)传感测试系统体积小、易集成，采用贴片式封装，可方便安装于弹体上。(4)可作为引信保险解除的特定环境参量，为引信保险解除技术提供一种新的思路，对新型引信安保机构设计具有重大意义。 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换， 而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
权利要求
1. 一种弹道特征温度传感测试方法，其特征在于，包括以下步骤(1)获取弹道环境下弹体各关键点的温度变化规律；(2)依据所述的温度变化规律，制备铅基反铁电厚膜材料；(3)采用所述反铁电厚膜材料进行微型化传感测试系统搭建；(4)将所述微型化传感测试系统贴片封装于弹体的不同关键区域，进行弹道特征温度 的传感测试验证。
全文摘要
本发明公开了一种弹道特征温度传感测试方法，包括以下步骤(1)获取弹道环境下弹体各关键点的温度变化规律；(2)依据所述的温度变化规律，制备铅基反铁电厚膜材料；(3)采用所述反铁电厚膜材料进行微型化传感测试系统搭建；(4)将所述微型化传感测试系统贴片封装于弹体的不同关键区域，进行弹道特征温度的传感测试验证。
文档编号G01K13/00GK102095525SQ20101059530
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月20日 优先权日2010年12月20日
发明者丑修建, 刘俊, 张文栋, 杜妙璇, 熊继军, 牛康康, 薛晨阳 申请人:中北大学