1、第 1 页 共 44 页基于悬臂梁原理的惯性开关设计摘要随着电子工业技术的不断发展，基于微机电系统（MEMS）的微型器件表现出越来越广的发展前景，而其中的微惯性开关因被广泛地应用于玩具、汽车及众多工业领域，已逐步成为人们研究的热点。微惯性开关作为一种特殊的惯性传感器，其基本工作原理是用弹簧(或悬臂梁)悬空的质量块作为可动电极，在有外界加速度作用时，质量块快速碰撞到另一固定电极，从而实现对电路的瞬间通断。本文对惯性开关的工作原理进行研究，设计了一种基于悬臂梁原理的惯性开关，同时计算出不同惯性过载时的开关参数，研究极大挠度悬臂梁变形的计算方法并选择最佳方案。研究了定时电路，触发器及固定振荡器的工作
2、原理，设计出具有定时功能的惯性触发开关电路。关键词：碰撞开关，悬臂梁，定时电路，振荡器，触发器第 2 页 共 44 页Inertial Switch Based on the Principle of CantileverAbstractWith the continuous development of technology of electronic industry, micro devices based on micro-electro-mechanical system (MEMS) show more and more wide prospect. Especially micr
3、o inertial switches have gradually become the focus research because they are widely applied in the toy, auto and numerous industries. As a special kind of inertial sensors, the basic principle of micro inertia switch is that a spring (or a cantilever beam) impending quality pieces are used as movin
4、g electrode, In the condition of external acceleration, quality pieces fast clash to another fixed electrode so as to realize the instant on-and-off circuits.Principle of inertial switch has been presented and studied in this paper. A kind of inertial switch based on the principle of cantilever was
5、designed. Meanwhile, parameters of the switch corresponding to different inertial overloads were calculated. Calculation method for cantilever beam deflection of great deformation was studied to select the optimal scheme. Studying the principles of timing circuits, trigger and fixed oscillator, iner
6、tial trigger switch circuit with the function of timing was designed.Keyword: clash switch，cantilever beam，timing circuits，oscillator，trigger1 绪论1.1 研究本课题的目的和意义惯性触发技术自古以来就被人们所重视，作为一种触发手段，广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。惯性触发技第 3 页 共 44 页术是国计民生、国防建设、科学研究等不可缺少的触发技术，惯性触发术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益
7、的提高。因此，惯性触发技术的研究和发展各国都非常重视。在测试领域中，低功耗，小体积，噪声小，大容量已是竞争的主要目标。而测 试环境有时候非常恶劣，通常的电路容易被损坏或不能正常工作，这就需要一种惯性触发的装置。本文正是在满足上述条件的情况下设计出了一种惯性触发开关。1.2 触发引信研究的背景触发引信的发展历史源远流长,从 14 世纪末出现最早的触发引信雏形到现在,经过了 600 多年悠悠岁月。触发引信的发展历史,大体可以分为古代、近代和现(当)代 3 个不同的历史时期。19 世纪中叶以前,是古代触发引信的发展时期。最早的触发引信是由我国先民发明的,大概出现在 14 世纪末。在 15 世纪初成书
8、的火龙经中,记载了一种地雷触发引信,并对这种触发引信的具体结构和作用原理进行了详细的描述。记载称:引信的发火动力来自坠石的重力,触发机构由铁针、旋转钢(铁)轮、坠石、火石和牵拉绳索组成。设置时,将绳索的两端分别拴住坠石与钢(铁)轮,并将绳索设置成绊索,然后将坠石置于高处,当人或牲畜绊动绳索时,坠石便从高处坠落,坠落时带动钢轮转动,与火石摩擦发火,点燃火药引火线,通过引火线引燃地雷的装药(当时是火药)。这就是有文字记载的最早的触发机构,是触发引信的雏形。在其后的数百年间,由于历史原因,我国触发引信的发展非常缓慢,到 19 世纪欧洲工业革命取得成功的时候,我国的触发引信还处于用钢(铁)轮摩擦火石发
9、火的水平,几乎一直处于停滞不前的状态 3。在欧洲,到 19 世纪初才出现触发引信,最早记载西方国家使用触发引信的史料是英国的1880 年不列颠弹药论文集一书。据该书记载:英国人在 1835 年的克里米亚战役中使用了针刺发火的触发引信,这种触发引信是配用在球形弹上的,但其具体结构已无从考证了。由此可见,欧洲使用触发引信的历史,比我国至少晚了400 多年。近代触发引信的出现是在 19 世纪中叶,那时在西方国家出现了用线膛发射、靠旋转稳定的弹丸,使弹丸碰击目标的定向性得到保证,从而促进了早期近代触发第 4 页 共 44 页引信的快速发展。但这一时期出现的触发引信,还是一些结构比较简单、加工粗糙,性能
10、比较落后的引信。从 20 世纪初开始,发达国家便开始研制具有保险机构的触发引信,从而进入现(当)代触发引信的发展时期,到 30 年代,触发引信,特别是机械触发引信得到了较快的发展。40 年代在德国出现了电触发引信,50 年代美国发明了压电引信。从 60年代开始,提高触发引信的安全性能被提到引信研究工作的主要议程,为了适应高初速、大威力炮弹的发展,双环境力、全保险很快成为引信的安全设计准则,从而推动了全保险型触发引信的快速发展。从 70 年代初提出全天候作战的概念后,引信的防潮、防雨性能很快成为突出的问题。经过努力,80 年代初,防潮、防雨技术得到突破性发展,基本解决了引信的全天候使用问题。由于
11、微型集成电路和数字电路的发展,80 年代末、90 年代初又解决了触发引信的自调延期技术和爆炸编程控制等关键性技术,使触发引信的发展迈上了一个新台阶。90 年代末,人们开始进行触发引信的目标识别、信息接收处理等人工智能化研究,预计在不久的将来,触发引信将实现智能化。惯 性 触 发 技 术 的 发 展 过 程 与 其 它 事 物 一 样 ， 也 经 历 了 由 简 单 到 复 杂 、 由 粗糙 到 精 密 、 由 机 械 到 机 电 结 合 再 到 全 电 子 化 、 由 单 一 功 能 到 多 功 能 的 过 程 。 最后 将 向 多 功 能 化 、 智 能 化 发 展 5。1.3 触发技术研究
12、现状不同类型的触发引信,其结构组成和作用原理是有区别的。机械触发引信的目标敏感装置是由惯性体等机械构件组成的,靠引信撞击目标时目标的反作用力或引信向前冲击的惯性力,作用于发火装置,起爆发火元件(火帽),再起爆爆炸元件(雷管),或直接起爆爆炸序列的爆炸元件。撞击式压电引信的目标敏感装置是由压电元件和导线等电子元器件组成。目标敏感装置安装在引信头部。引信的底部由电雷管、隔爆板、引爆管、传爆药柱和传爆管等零部件组成。靠目标的反作用力或引信的前冲惯性力,压迫引信头,使引信头产生变形,利用压电元件的变形能转变成发火的电能,经导线由引信头传到引信底部的电雷管,使电雷管起爆。 这类触发引信的优点是结构简单,
13、原材料来源广泛,工艺要求低,造价低廉;缺点是需要足够的冲击动能才能可靠发火,也就是说,引信的发火性能受目标状态与第 5 页 共 44 页弹丸落点速度(着靶速度)的影响很大,如果目标太软或弹的着靶速度过低,引信的发火性能也会随之降低。撞击式压电引信主要配用于弹丸速度比较高、对付比较坚硬目标的破甲弹、攻坚弹等。 电触发引信的目标感应装置由各种类型的撞击开关或惯性开关等机构组成,它的使命只是在碰击目标时使开关闭合,接通发火控制电路,使发火控制电路正常工作。 电触发引信的优点是发火可靠性高,受冲击动能的影响小,也就是说,对弹丸的落速和目标状态没有固定的要求;缺点是需要外带电源或能源转化装置,结构相对复
14、杂,零部件的加工工艺要求一般比较高,尤其是碰击或惯性开关的加工工艺要求比较高,引信的造价也相对要高一些。这类引信可配用于各种弹丸速度较低、对付目标比较模糊的弹药,如杀伤弹、燃烧纵火弹和催泪弹等。 光触发引信的目标敏感装置主要由光导元件等零部件组成,其作用原理是引信撞击目标时,因光导元件的光通量发生改变而接通发火控制电路,使发火控制电路闭合后正常工作。这类引信是一种技术含量很高的产品,它将使引信的总体性能有一个较大幅度的提高。但这种引信现大多处于原理研究阶段,真正形成产品的还不多见。 化学触发引信的目标敏感装置主要是由装有几种(至少两种)不同化学药剂的器皿组成的,引信撞击目标时,在惯性力或目标反
15、作用力的作用下,某一种或几种装有化学药剂的器皿破碎,使不同的化学药剂混合在一起,产生化学反应,生成热能而发火,完成发火任务。通 过 分 析 近 年 来 惯 性 触 发 产 品 的 发 展 情 况 及 国 内 外 市 场 的 需 求 ， 惯 性 触 发总 的 发 展 趋 势 是 小 型 化 、 模 块 化 、 集 成 化 、 智 能 化 ； 其 技 术 性 能 趋 向 是 速 率 高 、准 确 度 高 、 稳 定 性 高 、 可 靠 性 高 ； 其 功 能 趋 向 是 惯 性 触 发 的 控 制 信 息 和 非 控 制信 息 并 重 的 “智 能 化 ”功 能 ； 其 应 用 性 能 趋 向 于
16、 综 合 性 和 组 合 性 。1 小 型 化 体 积 小 、 高 度 低 、 惯 性 轻 ， 即 小 、 薄 、 轻 。 近 几 年 新 研 制 的 电子 平 台 秤 结 构 充 分 体 现 了 小 薄 轻 的 发 展 方 向 。 对 于 低 容 量 的 电 子 平 台 秤 和电 子 轮 轴 秤 ， 可 采 用 将 薄 型 或 超 薄 型 的 圆 形 惯 性 触 发 传 感 器 ， 直 接 嵌 入 钢 板 或铝 板 底 面 与 惯 性 触 发 传 感 器 外 径 相 同 的 盲 孔 内 ， 形 成 低 外 形 的 秤 体 结 构 ， 惯 性触 发 传 感 器 的 数 量 和 位 置 由 秤
17、的 额 定 载 荷 和 力 学 要 求 计 算 决 定 。 钢 板 或 铝 板 就第 6 页 共 44 页是 秤 体 的 台 面 ， 惯 性 触 发 传 感 器 既 是 传 感 元 件 ， 又 是 承 力 支 点 ， 极 大 地 减 化 了秤 体 结 构 ， 减 少 了 活 动 连 接 环 节 ， 不 但 降 低 了 成 本 ， 而 且 提 高 了 稳 定 性 和 可 靠性 。 对 中 等 或 较 大 容 量 的 电 子 平 台 秤 、 电 子 地 上 衡 ， 已 经 出 现 了 采 用 方 形 或 长方 形 闭 合 截 面 的 薄 壁 型 钢 ， 并 联 排 队 列 焊 接 成 一 个 整
18、体 的 竹 排 式 结 构 的 秤 体 ，4 个 惯 性 触 发 传 感 器 分 别 安 装 在 最 外 边 两 根 薄 壁 型 钢 两 端 的 切 口 内 ， 安 装 在 惯性 触 发 传 感 器 承 力 点 上 的 固 定 支 承 就 是 秤 体 的 承 力 支 点 ， 既 减 化 了 承 力 传 力 机构 ， 又 节 省 了 秤 体 高 度 ， 这 是 一 种 很 有 发 展 前 途 的 秤 体 结 构 。 对 于 大 型 电 子 平台 秤 ， 可 利 用 有 限 单 元 法 进 行 等 强 度 和 刚 度 计 算 ， 采 用 抗 弯 刚 度 大 的 型 材 和 轻型 波 纹 夹 心 钢
19、 板 等 6。2 综 合 性 电 子 惯 性 触 发 技 术 的 发 展 规 律 就 是 不 断 的 加 强 基 础 研 究 并 扩 大应 用 ， 扩 展 新 技 术 领 域 ， 向 相 邻 学 科 和 行 业 渗 透 ， 综 合 各 种 技 术 去 解 决 惯 性 触发 触 发 、 自 动 控 制 、 信 息 处 理 等 问 题 。 如 果 采 用 惯 性 触 发 法 即 惯 性 力 流 量 法 ，只 要 将 惯 性 和 时 间 测 量 准 确 ， 大 流 量 的 测 量 问 题 就 迎 刃 而 解 了 。 对 某 些 商 用 电子 计 价 秤 而 言 ， 只 具 备 惯 性 触 发 功 能
20、 还 远 远 不 够 ， 现 代 商 业 系 统 还 要 求 它 能 提供 各 种 销 售 信 息 ， 把 惯 性 触 发 与 管 理 自 动 化 紧 密 结 合 。 3 组 合 性 在 工 业 惯 性 触 发 触 发 过 程 或 工 艺 流 程 中 ， 不 少 惯 性 触 发 触 发 系统 还 要 求 具 有 可 组 合 性 ， 即 测 量 范 围 等 可 以 任 意 设 定 ； 硬 件 能 够 依 据 一 定 的 工作 条 件 和 环 境 作 某 些 调 整 ， 硬 件 功 能 向 软 件 方 向 发 展 ； 软 件 能 按 一 定 的 程 序 进行 修 改 和 扩 展 ； 输 入 输 出
21、 数 据 与 指 令 可 以 使 用 不 同 的 语 言 和 条 形 码 ， 并 能 与 外部 的 控 制 和 数 据 处 理 设 备 进 行 通 信 。 1.4 课题要完成的任务及研究方法简介微 惯 性 电 学 开 关 作 为 一 种 特 殊 的 惯 性 传 感 器 ， 其 基 本 工 作 原 理 是 用 弹 簧(或 悬 臂 梁 )悬 空 的 质 量 块 作 为 可 动 电 极 ， 在 有 外 界 加 速 度 作 用 时 ， 质 量 块 快 速碰 撞 到 另 一 固 定 电 极 ， 从 而 实 现 对 电 路 的 瞬 间 通 断 。本 课 题 设 计 一 种 基 于 悬 臂 梁 原 理 的
22、惯 性 触 发 开 关 及 其 定 时 触 发 电 路 ， 计 算出 惯 性 过 载 分 别 为 5g 和 10g 时 的 开 关 参 数 ， 开 关 在 闭 合 时 间 2s 时 启 动 ， 2s 时 开 关 不 启 动 。 画 出 开 关 示 意 图 和 电 路 原 理 图 。第 一 章 为 绪 论 部 分 ， 讲 了 触 发 引 信 的 研 究 背 景 和 现 状 ， 本 课 题 的 选 题 意 义及 研 究 方 法 。第 7 页 共 44 页第 二 章 讲 解 了 微 惯 性 开 关 设 计 综 述 ， 论 述 了 惯 性 开 关 的 基 本 工 作 原 理 和 理论 分 析 方 法
23、， 介 绍 了 国 内 外 该 领 域 的 研 究 状 态 ， 触 发 开 关 原 理 研 究 及 开 关 参 数设 计 ， 并 对 惯 性 开 关 研 究 设 计 过 程 中 的 关 键 问 题 进 行 了 分 析 和 讨 论 ， 提 出 了 可供 参 考 的 解 决 方 案 ， 对 惯 性 开 关 的 结 构 设 计 具 有 一 定 的 参 考 价 值 。第 三 章 总 体 设 计 思 路 介 绍 ， 综 合 了 解 之 后 设 计 出 系 统 总 体 框 图 ， 对 悬 臂 梁原 理 及 解 析 方 法 进 行 介 绍 ， 常 用 延 时 及 触 发 电 路 简 介 。 是 接 下 来
24、参 数 设 计 的 依据 。第 四 章 为 惯 性 开 关 参 数 设 计 部 分 ， 分 析 开 关 参 数 对 挠 度 的 影 响 ， 在 其 他 参数 不 变 的 前 提 下 ， 分 别 改 变 某 一 开 关 参 数 ， 研 究 此 参 数 对 挠 度 的 影 响 ， 进 而 更方 便 的 调 整 设 计 参 数 。第 五 章 为 定 时 模 块 设 计 部 分 ， 研 究 延 时 电 路 设 计 参 数 和 触 发 器 选 择 ， 触 发器 振 荡 器 的 结 构 功 能 ， 详 细 介 绍 了 4060 的 功 能 和 使 用 ， 用 4060 和 触 发 器设 计 出 一 套 定
25、 时 方 案 。总 体 结 构 安 排 流 程 如 下 ：惯性开关设计综述，论述了惯性开关的基本工作原理和理论分析方法，介绍了国内外该领域的研究状态，触发开关原理研究及开关参数设计，并对惯性开关第 8 页 共 44 页研究设计过程中的关键问题进行了分析和讨论，提出了可供参考的解决方案，对惯性开关的结构设计具有一定的参考价值。总 体 设 计 思 路 介 绍 ， 综 合 了 解 之 后 设 计 出 系 统 总 体 框 图 ， 对 悬 臂 梁 原 理及 解 析 方 法 进 行 介 绍 ， 常 用 延 时 及 触 发 电 路 简 介 。 是 接 下 来 参 数 设 计 的 依 据 。对 惯 性 部 分
26、 开 关 参 数 进 行 分 析 设 计 ， 分 析 开 关 参 数 对 挠 度 的 影 响在 其 他 参 数 不 变 的 前 提 下 ， 分 别 改 变 某 一 开 关 参 数 ， 研 究 此 参 数 对 挠 度 的 影响 ， 进 而 更 方 便 的 调 整 设 计 参 数 。研 究 延 时 电 路 设 计 参 数 和 触 发 器 选 择 ， 触 发 器 振 荡 器 的 结 构 功 能 ， 详 细介 绍 了 4060 的 功 能 和 使 用 ， 用 4060 和 触 发 器 设 计 出 一 套 定 时 方 案 。第 9 页 共 44 页2 微 惯 性 开 关 设 计 综 述2.1 惯性开关简
27、介与分类惯性开关(以下简称“开关”)，也称为g开关、阈值传感器等，用于感知加速度信号，当检测到超过设置阈值的加速度信号时，执行开关机械动作，并触发电信号，因此惯性开关是将传感与执行融为一体的精密惯性器件。采用微机械加工技术制作的微电子机械系统(MEMS)惯性开关，具有体积小、重量轻、接口电路简单、便于与数字系统集成等特点，如果是纯机械开关，则具备不受电场、磁场等外界干扰的优点。惯性开关在汽车安全气囊系统、工业安全控制等领域有着重要应用价值。惯性开关在工程应用上可分为2类：a)非线性惯性开关，其感知的加速度幅值一般在1 g-10 000 g之间，对应的加速度作用时间(即脉宽)一般在几十毫秒到几十
28、微秒之间，属于脉冲型加速度，作用时问很短，需要对系统进行动态分析，因此也称这类开关为动态开关。由于要求系统响应频率很高，设计时应保证弹簧的刚度足够大，而质量块足够小，同时阻尼尽量小，以获得较快的响应速度。b)线性惯性开关，其感知的加速度幅值一般在l g-lO0g之间，所需要检测到的加速度信号通常是线性增加，呈现一个慢变的过程，加速度作用时间相对较长。可以采用准静态分析方法分析这类系统，因此这类开关也被称为准静态开关 4。由于开关阈值加速度较低，干扰性的振动或冲击引入的脉冲型高加速度信号容易造成这类开关的误动作，因此设计时应尽可能降低“弹簧一质量”结构在主振方向上的谐振频率，以使系统能够“过滤”
29、掉干扰信号，即要求保证弹簧的低刚度和质量块的大质量。同时，适当调整系统的阻尼系数至0707，使开关既能及时响应正常的加速度信号，又能达到抵抗振动或冲击等干扰信号的目的。由于不同的应用需求，对上述2种类型的惯性开关提出了不同的设计要求。本章论述了惯性开关的基本工作原理和理论分析方法，介绍了国内外该领域的研究状态，并对惯性开关研究设计过程中的关键问题进行了分析和讨论，提出了可供参考的解决方案，对惯性开关的结构设计具有一定的参考价值 5。2.2 惯性开关工作原理惯性开关的结构是典型的“弹簧质量阻尼”系统，工作原理见图2.1。质第 10 页 共 44 页量块经弹簧和阻尼器与壳体连接，在惯性力作用下质量
30、块运动与触点接触，当接触作用力足够大时开关触发电信号实现电接通。在惯性激励作用口(r)下系统的力学平衡方程可表示为：惯性开关的结构是典型的“弹簧质量阻尼”系统，工作原理见图2.1。质量块经弹簧和阻尼器与壳体连接，在惯性力作用下质量块运动与触点接触，当接触作用力足够大时开关触发电信号实现电接通。图2.1 惯性开关原理示意图在 惯 性 激 励 作 用 a(t)下 系 统 的 力 学 平 衡 方 程 可 表 示 为 ：(2-1)taxfx2“式 中 ： x 分 别 是 质 量 块 的 位 移 ， 速 度 和 加 速 度 ; 为 阻 尼 比 ，“ ， k, m 和 分 别 为 系 统 的 有 效 刚
31、度 ， 有 效 质 量 ， 有 效 阻 尼 系 数 ；2为 固 有 振 动 频 率 ， ； 为 F 引 入 的 等 效 加 速 度 ， ， MkfaFatf为 等 效 质 量 ， 为 被 测 对 象 的 加 速 度 。 图 1 中 ， c 为 阻 尼 ， F 为 辅 助 作 用 力 ，比 如 静 电 吸 引 力 或 磁 力 ， 以 增 大 开 关 的 接 触 压 力 从 而 降 低 电 阻 ： y(t)和 z(t)分别 是 质 量 快 和 开 关 壳 体 相 对 于 惯 性 空 间 的 运 动 ， x(t)=y(t)-z(t)为 质 量 快 相对 壳 体 的 运 动 位 移 ， 初 始 条 件 为 ：x(0)=0, （ 2-2）惯 性 开 关 在 惯 性 力 作 用 下 与 触 点 碰 撞 接 触 ， 这 时 可 将 系 统 简 化 为 单 自 由 度的 碰 撞 振 动 系 统 。 假 设 在 to 时 刻 质 量 快 于 触 点 碰 撞 ， 并 假 设 碰 撞 力 为 刚 性 碰撞 ， 在 瞬 间 完 成 。 考 虑 撞 前 和 撞 后 这 两 部 分 有 如 下 关 系 ：0x0tx
