用于旋转弹药的电磁折叠梁MEMS安全系统及控制方法

用于旋转弹药的电磁折叠梁mems安全系统及控制方法
技术领域
1.本发明涉及弱环境力弹药安全技术，具体涉及一种用于旋转弹药的电磁折叠梁mems安全系统及其控制方法。


背景技术：

2.随着弹药武器系统的发展，对引信技术提出了诸多更高、更新的要求，如微小型化、智能化及高安全性等。传统的引信安全系统体积较大，零件组装较为繁琐，而mems安全系统可以依靠多种mems制造技术在一片硅片上同时制作多个组件，解决了安全系统微小型化、集成化制造等问题，mems安全系统是引信技术的重点研究方向之一。
3.目前，用于mems安全系统的mems微驱动器主要包括：电热驱动、电磁驱动、静电驱动和压电驱动。相较于其他类型的mems微驱动器，电磁驱动的驱动电压较低，工作过程中产热较少、功耗更低，优势明显。目前的电磁驱动主要采用通电电磁线圈实现，虽然通电电磁线圈的mems制造技术相对成熟，但是其制作过程繁琐，耗时较长，同时电磁线圈的尺寸较大，增加了整体系统的体积。


技术实现要素：

4.为了不影响引信的安全与解保控制系统的作用可靠性，降低传统电磁线圈式电磁驱动装置的尺寸，本发明提出了一种用于旋转弹药的电磁折叠梁mems安全系统及其控制方法，不仅满足引信安全控制系统小型化的需求，缩小了引信安全系统的体积，同时也满足了mems引信安全可靠解除保险的要求，提高了系统的安全性与可靠性。
5.弹药包括微控制芯片、弹上传感器、mems起爆器和下一级装药，mems起爆器对正下一级装药，弹上传感器和mems起爆器分别连接至微控制芯片，本发明的用于旋转弹药的电磁折叠梁mems安全系统，用于弹药在存在离心力的环境中的安全解保，位于mems起爆器与下一级装药之间，表面垂直于弹轴方向。
6.本发明的一个目的在于提出一种用于旋转弹药的电磁折叠梁mems安全系统。
7.本发明的用于旋转弹药的电磁折叠梁mems安全系统包括：基板、隔爆滑块、传爆孔、左侧永磁铁、右侧永磁铁、弹簧、左侧限位折叠梁、右侧限位折叠梁、电极、隔爆限位销、传爆限位销和限位支撑块；其中，基板为平板，基板的表面垂直于弹轴方向；基板的中心设置有隔爆滑块安装孔，隔爆滑块安装孔穿透基板的上表面和下表面；隔爆滑块位于隔爆滑块安装孔内，隔爆滑块的底端与隔爆滑块安装孔的底端的距离等于安全状态下传爆孔与mems起爆器之间的水平投影距离；在隔爆滑块上开设有穿透隔爆滑块的传爆孔，在安全状态下，传爆孔与mems起爆器错位；在基板的上表面且位于隔爆滑块安装孔的左右两侧分别设置磁铁安装槽，在左右两侧的磁铁安装槽中分别设置左侧永磁铁和右侧永磁铁；左侧永磁铁和右侧永磁铁的磁感应强度方向垂直于基板的表面即平行于弹轴方向；在基板的下表面且分别与左右两侧的磁铁安装槽相对应，分别设置有支撑梁安装槽，在左右两侧的支撑梁安装槽中分别设置左侧限位折叠梁和右侧限位折叠梁；在基板的下表面且分别位于左右
两侧的支撑梁安装槽的两侧分别设置有电极，左侧限位折叠梁和右侧限位折叠梁的两端分别固定且电学连接至相应的电极，并通过对应的电极电学连接至弹药的微控制芯片，形成闭合回路；左侧限位折叠梁和右侧限位折叠梁均位于垂直于弹轴的同一个平面内，并且均采用导电金属，包括中心平台以及分别连接中心平台且位于两侧的弯曲梁，中心平台为轴对称图形，弯曲梁的末端连接至对应的电极；隔爆滑块的左右两侧边缘均设置有隔爆限位销和传爆限位销，隔爆限位销与传爆限位销之间的距离等于安全状态下传爆孔与mems起爆器之间的水平投影距离；左侧限位折叠梁和右侧限位折叠梁的中心平台的顶端分别设置有限位支撑块，限位支撑块的顶端的形状与隔爆限位销和传爆限位销的形状互补；在基板上且位于隔爆滑块安装孔的顶端开设有与之连通的弹簧安装孔，在弹簧安装孔设置一根或多根弹簧，弹簧关于隔爆滑块的中心线呈轴对称分布，弹簧的伸展方向与弹药的离心力方向相同，垂直于弹轴，弹簧的顶端固定在弹簧安装孔的顶端侧壁上，弹簧的底端固定连接隔爆滑块的顶端；所述电磁折叠梁mems安全系统具有安全状态和解保状态；在安全状态下，传爆孔与mems起爆器错位，连接左侧和右侧限位折叠梁的限位支撑块的顶端分别位于对应的隔爆限位销内，将隔爆滑块固定，弹簧处于自由状态即原长；在弹药发射后，弹上传感器感知到离心力，当离心力达到设定的阈值后，微控制芯片为左侧和右侧限位折叠梁通电，左侧和右侧限位折叠梁有电流，在磁场的作用下产生安培力，通过分别设定左侧和右侧永磁体产生的磁感应强度方向以及流过左侧和右侧限位折叠梁的电流方向，控制左侧和右侧限位折叠梁产生的安培力的方向分别指向左侧和右侧，从而分别拉动对应的限位支撑块脱离隔爆限位销，解除对隔爆滑块的限制；在左侧和右侧限位折叠梁的通电期间内，隔爆滑块在离心力的作用下沿着离心力方向向底端运动，产生位移，传爆孔与mems起爆器对正；在到达设定的延时时间时，微控制芯片对左侧和右侧限位折叠梁断电，左侧和右侧限位折叠梁在弯曲梁自身的恢复力作用下，恢复至初始位置，从而分别推动对应的限位支撑块插入对应的传爆限位销，隔爆滑块重新被固定，进入解保状态，实现安全解保；当需要引爆弹药时，微控制芯片对mems起爆器上电，mems起爆器发生电爆炸，起爆下一级装药，弹药完成毁伤功能。
8.基板和隔爆滑块的材料采用硅基材料；基板的厚度为450～550μm，隔爆滑块的厚度为380～420μm；永磁体的长度、宽度和高度分别为380～420μm、40～60μm和280～320μm，永磁体的磁感应强度为0.1～0.4t；左侧限位折叠梁和右侧限位折叠梁的下层为硅，在硅上溅射形成导电金属，总长度为380～420μm，中心平台的宽度70～90μm。
9.弯曲梁的形状为矩形波、正弦波、三角波、梯形波、锯齿波和方波中的一种。
10.通过左侧限位折叠梁和右侧限位折叠梁的电流为0.2～0.5a。
11.弹簧为平面微弹簧，材料采用硅，形状为s型、l型和z型中的一种，弹性系数为20～30mn/mm。
12.本发明的另一个目的在于提出一种用于旋转弹药的电磁折叠梁mems安全系统的控制方法。
13.本发明的用于旋转弹药的电磁折叠梁mems安全系统的控制方法，包括以下步骤：
14.1)在安全状态下，传爆孔与mems起爆器错位，连接左侧和右侧限位折叠梁的限位支撑块的顶端分别位于对应的隔爆限位销内，将隔爆滑块固定，弹簧处于自由状态即原长；
15.2)在弹药发射后，弹上传感器感知到离心力，当离心力达到设定的阈值后，微控制芯片为左侧和右侧限位折叠梁通电，左侧和右侧限位折叠梁有电流，在磁场的作用下产生
安培力，通过分别设定左侧和右侧永磁体产生的磁感应强度方向以及流过左侧和右侧限位折叠梁的电流方向，控制左侧和右侧限位折叠梁产生的安培力的方向分别指向左侧和右侧，从而分别拉动对应的限位支撑块脱离隔爆限位销，解除对隔爆滑块的限制；
16.3)在左侧和右侧限位折叠梁的通电期间内，隔爆滑块在离心力的作用下沿着离心力方向向底端运动，产生位移，传爆孔与mems起爆器对正；
17.4)在到达设定的延时时间时，微控制芯片对左侧和右侧限位折叠梁断电，左侧和右侧限位折叠梁在弯曲梁自身的恢复力作用下，恢复至初始位置，从而分别推动对应的限位支撑块插入对应的传爆限位销，隔爆滑块重新被固定，进入解保状态，实现安全解保；
18.5)当需要引爆弹药时，微控制芯片对mems起爆器上电，mems起爆器发生电爆炸，
19.起爆下一级装药，弹药完成毁伤功能。
20.其中，在步骤2)中，离心力的设定的阈值为10000～13000r/min。永磁体的磁感应强度为0.1～0.4t；通过左侧限位折叠梁和右侧限位折叠梁的电流为0.2～0.5a。
21.在步骤4)中，设定的延时时间大于隔爆滑块位移的时间，为0.5～1秒。
22.本发明的优点：
23.本发明采用永磁铁提供磁场，通过微控制芯片为左侧和右侧限位折叠梁通电产生安培力，控制解除隔爆滑块的位置限制，隔爆滑块在离心力的作用下向下运动，从而传爆孔与mems起爆器对正，然后断电，左侧和右侧限位折叠梁在弯曲梁自身的恢复力作用下，恢复至初始位置，从而分别推动对应的限位支撑块插入对应的传爆限位销，隔爆滑块重新被固定，进入解保状态；本发明具有结构简单、可靠性高等优势，同时，相较于利用电磁线圈驱动的mems安保系统，本发明的加工流程更简单，结构尺寸更小；其次，完全利用安培力解除保险，可通过合理的电路逻辑设计，提高系统工作的安全性及可靠性。
附图说明
24.图1为本发明的用于旋转弹药的电磁折叠梁mems安全系统的一个实施例的示意图，其中，(a)为上表面的示意图，(b)为下表面的示意图；
25.图2为本发明的用于旋转弹药的电磁折叠梁mems安全系统的一个实施例在安全状态下的示意图，其中，(a)为上表面的示意图，(b)为下表面的示意图；
26.图3为本发明的用于旋转弹药的电磁折叠梁mems安全系统的一个实施例在解保过程的示意图；
27.图4为本发明的用于旋转弹药的电磁折叠梁mems安全系统的一个实施例在解保状态下的示意图。
具体实施方式
28.下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
29.如图1所示，本实施例的用于旋转弹药的电磁折叠梁mems安全系统包括：基板1、隔爆滑块2、传爆孔21、左侧永磁铁31、右侧永磁铁32、弹簧33、左侧限位折叠梁41、右侧限位折叠梁42、电极5、隔爆限位销61、传爆限位销62和限位支撑块7；其中，基板1为平板，基板1的表面垂直于弹轴方向；基板1的中心设置有隔爆滑块2安装孔，隔爆滑块2安装孔穿透基板1的上表面和下表面；隔爆滑块2位于隔爆滑块2安装孔内，隔爆滑块2的底端与隔爆滑块2安
装孔的底端的距离等于安全状态下传爆孔21与mems起爆器之间的水平投影距离；在隔爆滑块2上开设有穿透隔爆滑块2的传爆孔21，在安全状态下，传爆孔21与mems起爆器错位；在基板1的上表面且位于隔爆滑块2安装孔的左右两侧分别设置磁铁安装槽，在左右两侧的磁铁安装槽中分别设置左侧永磁铁31和右侧永磁铁32；左侧永磁铁31和右侧永磁铁32的磁感应强度方向垂直于基板1的表面即平行于弹轴方向；在基板1的下表面且分别与左右两侧的磁铁安装槽相对应，分别设置有支撑梁安装槽，在左右两侧的支撑梁安装槽中分别设置左侧限位折叠梁41和右侧限位折叠梁42；在基板1的下表面且分别位于左右两侧的支撑梁安装槽的两侧分别设置有电极5，左侧限位折叠梁41和右侧限位折叠梁42的两端分别固定且电学连接至相应的电极5，并通过对应的电极5电学连接至弹药的微控制芯片，形成闭合回路；左侧限位折叠梁41和右侧限位折叠梁42均位于垂直于弹轴的同一个平面内，并且均采用导电金属，包括中心平台以及分别连接中心平台且位于两侧的弯曲梁，中心平台为轴对称图形，弯曲梁的末端连接至对应的电极5；隔爆滑块2的左右两侧边缘均设置有隔爆限位销61和传爆限位销62，如图1中椭圆虚线框所示，隔爆限位销61与传爆限位销62之间的距离等于安全状态下传爆孔21与mems起爆器之间的水平投影距离；左侧限位折叠梁41和右侧限位折叠梁42的中心平台的顶端分别设置有限位支撑块7，限位支撑块7的顶端的形状与隔爆限位销61和传爆限位销62的形状互补；在基板1上且位于隔爆滑块2安装孔的顶端开设有与之连通的弹簧33安装孔，在弹簧33安装孔设置两根弹簧33，两根弹簧33关于隔爆滑块2的中心线呈轴对称分布，弹簧33的伸展方向与弹药的离心力方向相同，垂直于弹轴，弹簧33的顶端固定在弹簧33安装孔的顶端侧壁上，弹簧33的底端固定连接隔爆滑块2的顶端。
30.在本实施例中，基板11和隔爆滑块22的材料采用硅；基板1厚度为500μm，隔爆滑块2的厚度为400μm，弹簧33厚度为400μm，永磁体长度、宽度和高度分别为400μm、50μm和300μm，左侧限位折叠梁41和右侧限位折叠梁42的总长度和总宽度分别为400μm和80μm；弹簧33采用s型的平面微弹簧33，弹性系数为20mn/mm。
31.本实施例的用于旋转弹药的电磁折叠梁mems安全系统的控制方法，包括以下步骤：
32.1)在安全状态下，传爆孔21与mems起爆器错位，连接左侧和右侧限位折叠梁42的限位支撑块7的顶端分别位于对应的隔爆限位销61内，将隔爆滑块2固定，弹簧33处于自由状态即原长，如图2所示；
33.2)在弹药发射后，弹上传感器感知到离心力，当离心力达到设定的阈值12000r/min后，微控制芯片为左侧和右侧限位折叠梁42通电，电流为0.4a，左侧和右侧限位折叠梁42有电流，在磁场的作用下产生安培力，永磁体的磁感应强度为0.2t通过分别设定左侧和右侧永磁体产生的磁感应强度方向以及流过左侧和右侧限位折叠梁42的电流方向，控制左侧和右侧限位折叠梁42产生的安培力的方向分别指向左侧和右侧，从而分别拉动对应的限位支撑块7脱离隔爆限位销61，解除对隔爆滑块2的限制；
34.3)在左侧和右侧限位折叠梁42的通电期间内，隔爆滑块2在离心力的作用下沿着离心力方向向底端运动，产生位移，传爆孔21与mems起爆器对正，如图3所示；
35.4)在到达设定的延时时间时，延时时间为1秒，微控制芯片对左侧和右侧限位折叠梁42断电，左侧和右侧限位折叠梁42在弯曲梁自身的恢复力作用下，恢复至初始位置，从而分别推动对应的限位支撑块7插入对应的传爆限位销62，隔爆滑块2重新被固定，进入解保
状态，实现安全解保，如图4所示；
36.5)当需要引爆弹药时，微控制芯片对mems起爆器上电，mems起爆器发生电爆炸，
37.起爆下一级装药，弹药完成毁伤功能。
38.最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。