（通信与信息系统专业论文）倒置开关的研究.pdf

中北大学学位论文 倒置开关的研究 摘要 本课题针对火炮膛压专用测试仪器一放入式电子测压器，在测试过程中无法接触上 电的问题。研究了几种倒置开关。此种开关是种新型开关，具有低电压驱动、低功率 损耗、微小体积、延时功能、适用于批量生产的微型器件，其工作时不需要人为接触操 作，只需要将开关倒置，就能实现关状态和开状态的单向转换。 首先研究了由活塞或类似活塞的结构制作的倒置开关。分别利用水银、双球和磁铁 作为开关内部活动滑块制作了水银、双球和干簧管式倒置开关。并介绍了它们的工作原 理、制作工艺及各自的优缺点。 其次研究了金属表面的微观特性，提出接触金属极板能构成敏感电容的设想。结合 间距和电容之间相关性理论，制作了电容式倒置开关，讨论了整个开关的系统设计、敏 感电容设计、探测模块的设计。 最后介绍了利用红外发光二极管和光敏三极管作为发射器和接收器制作的光电倒 置开关，分析了光电倒置开关的工作原理，并对开关的基本性能进行了测试。提出利用 c p l d 对开关提供脉冲供电，以近一步减小功耗的设想。 本文所设计的倒置开关对方向敏感系统需要手动启动的应用问题，提供了重要的探 索方向。对国防、航空及各种工业或民用系统，有广泛的推广价值。 关键字：倒置开关；电容；光电 中北大学学位论文 r e s e a r c ho ni n v e r t ss w i t c h c h a n g - k u a n z u - - j i n g a bs t r a c t t h i st o p i cf o rd e d i c a t e da r t i l l e r yc h a m b e rp r e s s u r et e s t i n ge q u i p m e n t a d de l e c t r o n i cm a n o m e t r y ，a n d i nt h ec o u r s eo ft e s t i n gc a r ln o tb ec o n t a c t e do nt h ei s s u eo fe l e c t r i c i t y s t u d i e ds e v e r a lk i n d so fi n v e r s i o n s w i t c h e s t h i sk i n do fs w i t c hi so n ek i n do fn e ws w i t c h , h a st h el o wv o l t a g ea c t u a t i o n , t h el o wp o w e rt o l o s e ，t h es m a l lv o l u m e ，t h et i m ed e l a yf u n c t i o n , t ob es u i t a b l ef o rt h ev o l u m ep r o d u c t i o nm i n i a t u r e c o m p o n e n lw h e ni t sw o r kd o e sn o tn e e dt h ea r t i f i c i a lc o n t a c to p e r a t i o n , o n l yn e e d st h es w i s ht oi n v e r t , c a nr e a l i z et h e p a s s t h ec o n d i t i o na n d 、o p e n s t h ec o n d i t i o nu n i d i r e c t i o n a lt r a n s f o r m a t i o n f i r s t l y , h a ss t u d i e dt h e i n v e r s i o ns w i t c hw h i c hm a n u f a c t u r e sb yt h ep i s t o no rs i m i l a r p i s t o n s s e p a r a t e l yt h eu s eo fm e r c u r y , t w o - b a l la n dam a g n e tf o ri n t e r n a la c t i v i t i e sa ss l i d e rs w i t c hp r o d u c e d m e r c u r y d o u b l eb a l la n dd os p r i n gt l i b ei n v e r s i o ns w i s h a n di n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo ft h e i rw o r k , p r o d u c t i o np r o c e s sa n dt h e i rr e s p e c t i v ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s s e c o n d l y , h a ss t u d i e dt h em e t a ls u r f a c em i c r o s c o p i cc h a r a c t e r i s t i c ，p r o p o s e dt h a tt h ec o n t a c tm e t a l p o l ep l a t ec a nc o n s t i t u t et h es e n s i t i v ee l e c t r i cc a p a c i t y st e n t a t i v ep l a n c o m b i n a t i o no fd i s t a n c ea n d c a p a c i t a n c eb e t w e e nt h er e l e v a n c eo ft h e o r y ，p r o d u c e dac a p a c i t i v ei n v e r s i o ns w i t c h ，t od i s c u s st h ee n t i r e s w i t c hs y s t e md e s i g n ，d e s i g n - s e n s i t i v ec a p a c i t i v ed e t e c t i o nm o d u l ed e s i g n f i n a l l yi n t r o d u c e d t h eu s ei n f r a r e d l i g h te m i t t e rd i o d et i l b ea n dt h ep h o t o s e n s i t i v et r i o d e t h e e l e c t r o - o p t i c a li n v e r s i o ns w i t c hw h i c hm a n u f a c t u r e sa st h el a u n c h e ra n dt h er e c e i v e r , a n a l y s i so ft h e p h o t o e l e c t r i cs w i t c ht h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fi n v e r s i o n , a n dt h eb a s i cp e r f o r m a n c es w i t c h e st e s t e d p r o p o s e dt h a tp r o v i d e st h ep u l s ep o w e rs u p p l yu s i n gc p l dt ot h es w i t c h , b yn e a r l yo n es t e pr e d u c e st h e p o w e rl o s st h et e n t a t i v ep l a n i nt h i sp a p e r , d e s i g n e db yi n v e r s i o no ft h ed i r e c t i o ns e n s i t i v es w i t c hs y s t e mn e e d st om a n u a l l ys t a r t t h ea p p l i c a t i o n , p r o v i d e sa l li m p o r t a n td i r e c t i o nt oe x p l o r e t ot h en a t i o n a ld e f e n s e ，t h ea v i a t i o na n de a c h i n d u s t r yo rt h ec i v i ls y s t e m s ，h a v et h ew i d e s p r e a dp r o m o t e dv a l u e k e yw o r d ：i n v e r t ss w i t c h ；e l e c t r i cc a p a c i t y ；p h o t o e l e c t r i c 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 堂盘 e ii 莓! ： 2 z ：2 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签名：一宪 导师签名：但音 中北大学学位论文 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景 随着科学技术的发展和新技术的应用，特别是国防尖端科学技术的迅速发展，我国 以传统的膛内压力测试装置为主的情况，已远远不能满足当代技术发展的需求了。近年 来，各种火炮、弹药研制生产的迅速发展，已成为国内外现代高技术战争中发展的最新 动向之一，特别令人瞩目。为了确保大、中、小各类口径的膛压测试和动态参数测试的 准确可靠与统一，就要求积极发展膛内压力测试装置技术的研究。 膛压作为火炮系统的重要性能参数，不论是新型火炮研制还是产品验收，都要 进行多次检测分析。膛压测试技术的发展对火炮系统的发展起着举足轻重的作用。膛内 压力测试不同于一般冲击波场的压力测试。主要体现在以下几个方面：( 1 ) 膛内高压及 伴随高压出现的瞬时高温会直接作用于测试系统，瞬时高温达3 0 0 0 ，高压达8 0 0 m p a 级，因此对测试系统的环境适应性要求更高，( 2 ) 根据“火炮内弹道测试方法国家 军用标准，测试仪器的体积必须小于药室容积的2 ，所以对测试系统的体积有严格限制。 ( 3 ) 测试仪器要随着弹药保高、低温，这对仪器的高低温性能和电池的高低温特性有很 高的要求。( 4 ) 诸如电热化学炮一类的火炮在发射时瞬时电流可达1 0 0 0 0 0 a ，会产生极 强的电磁干扰，这就要求测试仪器具有极好的抗电磁干扰的能力。( 5 ) 测试仪器在炮膛 内测试时要承受火炮气体扰动时所造成的冲击，此冲击振动可达n s o o o g 的加速度值。总 之，弹药在发射或终点爆炸过程中膛内压力的环境极其恶劣不仅要求测试仪器耐高压、 抗高冲击振动、适应高低温环境，同时要求测试仪器具有微小体积，高可靠性、高精度 的特点。现在科研和生产中用于膛压测试的主要方法有两种：一种是铜柱或铜球测压法， 另一种是引线电测法，最后一种是使用放入式电压器的测压方法。 至1 8 6 0 年诺贝尔发明铜柱测压器后，塑性测压法在实用弹道学领域内，一直是膛压 测量的主要技术手段瞳1 。塑性敏感组件一般采用铜质、铝质的球体或圆柱体。测量时， 测压器置于弹膛内某位置，火药燃气压力通过活塞作用于测压器，使其发生永久变形， 塑性变形量作为最大膛压大小的量度。为获得火炮膛压值，现在般采用对塑性敏感测 试元件进行准动态标定，获得铜柱变形量与膛压值的对照表。 结合国外相关的铜柱测压及准动态校准规程，目前准动态校准所用的压力脉宽一般 中北大学学位论文 为( 6 + 0 6 ) m s 口1 。随着兵器技术的发展，很多新型火炮膛压曲线的上升时间有着较大的覆 盖范围，因此采用( 6 o 6 ) m s 校准的测压铜柱去测量上升时间小于或大于3 m s 的压力曲 线，查表有无误差或出现多少误差是很难确定的。 塑性敏感元件的固体力学性质和温度有关，火炮膛压测量是在瞬态高温环境中进行， 动态标定是在室温2 0 进行，由于温度的影响会引入系统误差，而这种误差可能高达8 o a - i 0 嘲。测量时火药燃气压力推动活塞压缩铜柱的同时，活塞获得运动速度，由于 活塞惯性的影响，要压缩铜柱，使其产生正误差。铜柱为一次使用元件，其个体特性， 使用状况都以系统误差的形式反映到测量中。使得测量值含有严重的动态测量误差。而 且使用塑性敏感元件测压时无法获得膛压变化曲线，无法对其进行频率特性进行分析。 电测方法具有测量精度高，测试方便等无可比拟的优点，随着近几年传感器性能的 不断提高，得到了迅速的发展，有代替塑性敏感组件法的趋势。在电测法中，无论是何 种测试组件，都需要对其动态特性进行研究，建立标准系统对其进行动态校准，判断误 差范围，作为标准系统的建立要求有比原测试系统更高的精度，标准系统的建立就成了 另外一个难题。 传统的电测法是由传感器一电荷放大器一数据采集系统组成，将压力传感器固定于 火炮膛内某位置，用传输电缆将被测信号传送到电荷放大器，再用数据采集系统对信号 进行采集存储。实验时需将炮膛穿孔以使传输电缆与传感器相连，传输电缆一般采用屏 蔽性能好的低噪声电缆，现场测试环境恶劣，容易损坏电缆，使得测量无法继续进行。 火炮膛压测试实验一般在野外进行，需要现场布线，安置实验仪器，这给实验带来诸多 不便。 七十年代初存储测试技术被应用于弹上参数的测试，它是在对被测对象无影响或影 响在允许范围的条件下，在被测体内置入微型数据采集与存储测试仪，现场实时完成信 息的快速采集与记忆，事后回收记录仪，由计算机处理和再现测试信息的一种动态测试 技术h 1 。 近年来国内、外都在积极的研究将存储测试技术应用到火炮膛压测试中并有相关产 品出现。国外从8 0 年代末奥地利a v l 公司在国际上推出了内置式电子测压器，俄罗斯 在1 9 9 1 年也推出了内置式电子压力测试仪器，到2 0 0 0 年奥地利h p i 公司推出了第三代 b 2 5 1 型内置式电子压力测试仪。 2 中北大学学位论文 2 0 世纪8 0 年代初期随着微电子技术的发展，国外报道了利用存储器芯片作为信息 载体的数字存储测试仪。在国内，有关科技人员也及时意识到了以数字存储为特征的新 型测试方法的发展前景。中北大学( 原华北工学院) 祖静教授采用自行设计的存储测试 专用厚膜集成电路，研制成功了用于火炮膛压测试的一电子测压蛋佑1 ，现已更名为放入 式电子测压器。并于1 9 8 9 年获得国家发明专利，1 9 9 1 年获得国家发明二等奖。并且也 已先后为多个单位提供了“放入式电子测压器”产品，成功获取了多种中大口径火炮及 不同装药类型的膛压曲线。放入式电子测压器用于实测膛压参数，该动态压力参数是评 定火炮、火药装药、弹丸和引信等的性能好坏的重要依据。 1 2 放入式电子测压器简介 放入式电子测压器兼具铜柱测压器和引线电测法的优点，既有和铜柱测压器相当的 体积、无引出线、使用方便的特点，又有引线电测法相当的测试精度和记录膛压一时间 曲线的能力，并可重复使用，是一种理想的火炮膛压测试仪器。其总体结构如图1 1 所 示： 1 0 9 87 1 ) 护膛环2 ) 前端盖3 ) 壳体 4 ) 信号线连接组件5 ) 绝缘纸6 ) 后端盖 7 ) 橡胶缓冲垫8 ) 电池连接组件9 ) 电路电池模块 1 0 ) 橡胶缓冲垫1 1 ) 倒置开关缓冲垫1 2 ) 倒置开关 1 3 ) 传感器1 4 ) 传感器密封圈1 5 ) 传感器高压硅脂 图1 1 放入式电子测压器总体结构示意图 放入式电子测压器具有性能稳定、实验操作简单等优点，是一种新型的火炮膛压测 3 中北大学学位论文 试仪器。它是由压力传感器、信号调理电路、模一数转换器及存储器等部件组成的测试 系统。测试时将测压器置于火炮膛内某位置，火炮发射的同时完成对信号的采集及存储。 放入式电子测压器由传感器、电路模块、电池、倒置开关、测压器壳体( 包含前、 后端盖、壳体及护膛环) 及缓冲垫组成。f d y q 6 d g 型放入式电子测压器的传感器选用 k i s t l e r 6 2 1 5 q ( 6 0 0 m p a ) 型压电晶体压力传感器；电路模块是放入式电子测压器的核心 部件，由电荷放大器、瞬态波形记录仪及接口、电源控制器组成：前、后端盖及壳体采 用超高强度钢制造，经热处理达到额定强度，以保护传感器及电路模块在高温高压环境 下不受损坏；在电路模块的两端有缓冲垫对电路起缓冲及隔热作用；电池为可充电聚合 物锂离子电池；倒置开关为测压器的关键部件，可有效地降低测压器在保温过程中功耗。 存储测试系统的上电方式是一个非常重要的环节。许多测试都是在保温一定时间后 进行的，而测试装置都是在保温前放到被测物体中，这就要求在保温过程中使测试装置的 功耗降到最低，而倒置开关的作用就是在物体保温的过程中测试系统不工作，而在测试 前通过倒置开关使测试系统上电工作，从而达到低功耗，使测试系统在工作时能正常运 行。上电的作用除了控制系统工作状态的转换、有效地利用电源完成存储测试工作外， 在多个存储测试装置同时工作的情况下还能起到同步的作用哺1 。要研究的上电控制技术 需要满足：首先要求其在常态时处于断电状态，而在非常态时处于通电状态，这样就可 ； 使电池只有在存储测试装置工作时才消耗能量，其次，要排除误工作，以减少不必要的 能量损失，最后，必须使其可靠上电，这直接关系到整个试验的成败。因此，迫切需要 一种针对存储测试技术的开关，在有限的狭小空间内，不需要人为操作，在一定的延时 后，自动启动存储测试系统。 1 3 当前国内外研究现状 国内研究现状 就开关而言，我国在二十世纪5 0 年代末开始研制真空开关，基本与美国同步，略早 于日本。1 9 5 8 年，由西安交通大学电器教研室和当时的西安高压开关整流器厂合作成立 了一个厂校联合研制小组，成功研制出我国第一只真空灭弧室，并在西安交通大学电器 实验室的合成回路上通过了5 0 h z 、4 k v 、5 k a 的电流开断试验。1 9 6 8 年9 月5 日，国家重 点国防工程( 6 8 9 5 工程) 在华光电子管厂实施，同年诞生了我国第一只商用真空灭弧室口1 。 1 9 8 4 年，西安高压电器研究所、桂林电器科学研究所、宝光电工总厂和北京开关厂 4 中北大学学位论文 等四家联合引进了德国西门子公司3 a f 系列真空断路器的全套制造技术( 含c u c r 角虫头材 料、真空灭弧室和真空断路器三大部分) 。1 9 8 6 年，华光电子管厂引进了美国西屋公司 全套真空灭弧室的制造技术( 召 c u c r 触头材料) 。这两次引进使我国真空开关行业的制 造和设计水平均得到了极大的提高，为此后我国真空开关行业的发展和繁荣奠定了技术 基础。 1 9 9 2 年，当时机械电子工业部与能源部召开了关于在电力系统广泛推广应用真空开 关的“天津会议 ，从此我国真空开关进入快速发展期，市场上先后出现了多种由我国 自主开发、技术指标达到当时国外先进水平的真空断路器，其代表产品有z n 2 3 、z n 2 8 和z n 6 3 a 等。 从2 0 0 3 年至今，我国己研制出7 2 5 l ( v 、1 1 0 l 【v 3 1 5 k a 和1 8k v 8 0 k a 的单断口真空断 路器，全行业年产各类真空开关2 0 万余台，在世界上真空开关从业厂家最多、产销量最 大和品种系列最多，成为名符其实的“真空开关王国 。 目前，国内正在研制一种新的开关：红外线延时开关，采用一种新型热释红外专用 器件s n s 9 2 0 1 制作，其特点是电路简单，功耗小，性能可靠，可在楼道、厕所等场合或 一些需要报警功能的场所作检测开关用。在实现自动控制的同时达到了节能降耗的目 的。红外延时开关具有以下功能： ( 1 ) 当人体在红外探测区域内连续移动时，则开关一直接通，电灯始终被点亮或 报警器始终报警，直至移动的人体离开为止； ( 2 ) 当光线亮度低于1 0 l u x 时，红外开关检测到的红外信号方能被接通； ( 3 ) 当开关接通时，探测器不再检测到红外信号时，经过一定的时间，开关即自 动关闭，电灯便熄灭或停止报警。 c l s l 0 0 电容物位开关是一个性能可靠，价格低廉的点式物位开关。它的尺寸紧凑， 插入深度1 0 0 m m ，适用于空间较小的场合。两线制探头可检测固体、液体、浆体、界面 和泡沫的高低物位，灵敏度高。适用于容器或管道等多种应用场合，是阻旋开关、振动 开关或传统的电容开关替代品。它的先进的顶端传感技术提供了精确的、重复性高的开 关信号。探头材质为耐化学腐蚀的p v d k y n a r ，工作温度为：一4 0 1 1 0 0 c 。全密封紧 凑的设计使之能够工作在搅拌釜等振动场合，可靠性高，抗振动可达4g 。当使用一个 5 中北大学学位论文 s e n s g u a x d 保护盖时，可以保护它免受剪切，冲击和磨损等恶劣的粗糙工艺的影响。 射频电容开关是一种新型的物位检测仪器，采用了“一键标定”技术，解决了长期 以来电容式物位开关在使用中标定烦琐的难题。当传感器安装于壳体上时，电极和壳壁 分别类似于电容器的两个电极；由于被测物料的介质常数与空气不同，所以壳内物位发 生变化时会引起电极对壳壁间的电容量发生变化，当该电容量大于用户设定值时，限位 开关内继电器工作，输出开关信号达到控制或者报警目的。 电容接近开关测量头通常构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当 物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数s 发生变化，它们之间的距离d 发生 改变，从而导致它两所组成电容的电容值发生改变，使得和测量头相连的电路状态也随 之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断。被这种开关的检测物体，并不限于金属 导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。 国外研究现状 国外许多国家很早就对开关有研究和应用，尤其常见的是真空开关。早在1 8 9 3 年， 美国人里顿豪斯( r i t t e n h a u s e ) 就设计出世界上第1 只真空灭弧室，并以专利的形式发表； 1 9 2 0 年，瑞典佛加( b i r k a ) 公司研制出世界上第一台真空开关；1 9 2 6 年，加里福尼亚工 学院的索伦森( s o m s e n ) 教授发表了真空开关的试验结果，并预言应用真空开关的时代不 久就会到来口1 。由于当时的真空技术还很落后，使得真空开关在工业上的实际应用被大 大推迟了。 到1 9 5 0 年前后，随着真空技术以及相关技术如冶金技术等的发展，真空灭弧室的 制造技术得到了提高，又重新开始了真空开关在工业上应用的研究。1 9 5 6 年，罗斯 ( h c r o s s ) 对杰宁无线电制造公司( j e n n i n g ) 生产的用于高频回路的真空开关进行了改 造，试制出了1 5 k v 、2 0 0 a 的真空开关。 1 9 6 1 年美国通用电气公司在总结前人经验的基础上首先研制成功额定电压1 5 k v 、 1 2 5 k a 的真空断路器，1 9 6 6 年相继研制成功额定电压为1 5 k v 、开断电流为2 5 k a 和 3 1 5 k a 的真空断路器，从此真空开关正式进入电力开关的行列，美国也因此成为世界 上最早批量生产和使用真空开关的国家，在其影响和推动下，欧洲和亚洲的部分国家也 相继开始了研制工作，真空开关从此在全球范围内得到认同和发展。二十世纪7 0 年代 初，全球范围掀起的中压开关无油化浪潮给真空开关带来了前所未有的发展机遇。凭借 6 中北大学学位论文 自身巨大的技术优势，真空开关仅用了不到2 0 年的时间就取代少油开关而成为中压领 域的主导产品。目前单断口真空断路器已达到1 4 5 k v 电压等级，短路开断电流己达到 2 0 0 k a 。 随着射频微机电系统( r f m e m s ) 技术的不断发展，r f m e m s 开关由于其插入损耗 低、隔离度高、功耗低、易于集成等优点而备受关注，目前已成为微波领域里较为成熟 的m e m s 器件之一阴1 。现在正在研究一种高g 值微冲击开关，采用微机电系统( m e m s ) 技术设计制作了一种微冲击开关，其敏感元件由悬臂梁支撑的质量块和微触点构成。在 冲击加速度作用下，质量块与触点碰撞实现接通。开关芯片体积为5 m i n x 5 m m 0 5 m m ， 动作门限3 0 0 0 9 ，响应时间8 4 , u s ，能承受极端的高冲击而不被破坏。 冲击开关是感受冲击加速度并输出开关信号的一类惯性器件。已报道的几种应用在 汽车防撞气囊控制系统中的微冲击开关均采用硅制作，能承受一定的冲击，但在极端恶 劣碰撞条件下有可能损坏。为考核i d e m s 硅器件的抗冲击能力，s a n d i a 国家实验室在硅器 件上加载4 0 0 0 0 9 的冲击，发现器件的陶瓷封装管壳都被打碎。为满足高冲击应用的需要， 拟采用金属钼制作了一种能承受高速碰撞并瞬间做出响应的微冲击开关阳1 。 安捷伦科技推出两种f e t 单刀双掷( s p d t ) 固态开关u 9 3 9 7 a 和u 9 3 9 7 c 2 1 2 作频率分别 为3 0 0 k h z 至8 g h z 和3 0 0 k h z 至1 8 g h z 具有极小的视频泄漏电压、高隔离度和高开关 速度，适用于半导体产品研发和生产测试，充分满足验证r f i c 元器件特性所需要的高性 能宽带开关功能的要求。 与传统视频泄漏电压为1 0 0 0 m v p p 的p i n 开关相比，u 9 3 9 7 m c 固有视频泄漏电压的典 型值还不到1 0 m v p p 。这是一个在过去不被广为关注的参数，但是研究表明较大的视频 泄漏电压经常会对敏感的器件和设备造成不可补救的破坏。这两种新型f e t 开关还采用 了专利设计技术，从进行开关切换到开关切换完成( 插人损耗稳定为0 0 1 d b 时) 所需要的 时间不至u 3 0 0 闺，可显著改善高速r f i c 生产测试的效率。这两种开关还具有出色的端e l 之间隔离度，非常保守的指标为不小于9 0 d b ，将信号通路间的串扰降到最低，保证了测 试精度和更高的产能n 训。 1 4 本论文的主要内容 本论文要讨论设计一种低电压驱动、低功率损耗、微小体积、能够批量生产的器件 7 中北大学学位论文 开关。此种开关的工作原理是只有有意使开关达到导通状态并保持一定的时间，才能触 发系统工作，称这种开关为倒置开关。其利用存储测试装置相对重力方向的变化来提供 触发信号，亦即在需要上电时将被测试体( 存储测试装置安置在被测体内) 倒置，在重 力作用下由活塞或类似活塞的结构将开关接通。 本文主要阐述了以下几个方面的问题： ( 1 ) 水银倒置开关、双球倒置开关和干簧管式倒置开关的倒置原理、制作工艺、 性能测试及各自的优缺点： ( 2 ) 电容式微功耗倒置开关的设计原理，敏感电容设计，及整个开关的系统设计， 制作工艺等； ( 3 ) 光电开关的设计原理，光敏二极管及三极管的特点，整个开关的制作工艺及 相关电路设计等： 本文研究的倒置开关不仅适用于军事国防系统，同样适用于工业、民用系统。开关 是常用的电气元件之一，在电路理论及电路分析中采用理想开关元件作为实际开关的电 路模型。 8 中北大学学位论文 第二章结构设计类倒置开关 倒置开关是一种在有限的狭小空间内，不需要人为操作，在定的延时后，自动启 动存储测试系统的开关。开关倒置时改变其内部的活塞或类似活塞的结构，实现开关 关状态和开状态的单向转换。当开关正常放置时，开关内的活塞或类似活塞的 结构不与电极接触，不能输出触发信号启动系统；当开关倒置时，活塞或类似活塞的结 构与电极接触产生的信号连接到延时电路，延时电路可以根据不同的需要，设置不同的 延时时间，在输出端输出触发信号，控制系统启动，在有限时间内测试存储有效实时数 据。同时要求倒置开关是一种工艺简单、结构可靠、高灵敏度、可批量生产的，各项指 标符合存储测试系统要求的扩展性好的微型开关。 本章主要讨论通过巧妙结构设计制作的水银倒置开关、双球倒置开关和干簧管式倒 置开关的工作原理、材料选择、制作工艺等，同时对各种开关的稳定性、长期性、可靠 性加以分析。 2 1 水银倒置开关 由于存储测试装置一般安置在被测体内，而开关要与电源和测试电路、传感器等一 起固定在存储测试装置内部，所以开关的体积受到限制。这就要求导电介质( 可活动部 分) 的质量很小。经过大量的实验发现，若采用固体金属作为导电介质，由于它的重量 小，因此它不可能与电极非常紧密地接触，而是有一定的间隙存在，导致接触电阻比较 大，且不稳定。在这种情况下我们考虑用液态金属汞作为导电介质。汞在常温下是一种 具有特殊凝聚流动状态的银白色液体，对玻璃的粘附力极小，粘度与水相似，电阻率高 于除铋以外的所有金属，汞的表面张力比较大，一般情况下，小滴水银都凝成球状。另 外，由于汞具有金属键，因此它具有良好的导电性n 。 2 1 1 水银倒置开关的工作原理 水银倒置开关是基于汞具有导电性和流动性使其作为导电介质而设计的，图2 1 是 水银倒置开关的结构示意图。导电介质水银真空密封到壳体中，壳体是一个高为8 r n m ， 底面直径为5 m m 的圆柱体。两个固定电极的一端封装到壳体里，另一端露到外面焊引 线。此状态为开关正置状态，电极1 与电极2 没有接通，即不导通状态。 9 中北大学学位论文 自2 图2 1 水银倒置开关结构示意图 为了使水银在倒置时与两个固定电极接触良好，而在水平或倾斜一定角度均不与两 个固定电极接触，对水银的体积及两电极间的距离都有严格的要求。经过大量的实验验 证，在高为8 m m ，直径为5 m m 的壳体中，两电极的距离定为2 2 m m 比较合适，且将其 置于壳体底面的中心。另外，令电极封入壳体的高度为1 5 m m 。在电极的距离确定以后。 我们来看如何确定水银的大小才能使其在倒置时可靠的与电极接触，而在水平或倾斜时 不致误上电。图2 2 ( a ) ( b ) 示意出其倒置及水平放置的状态。 图22 倒置及水平放置状态图 对于液体来说由于表面张力的作用它置于固体上时总是有收缩到最小的趋势，在这 里我们忽略附加压力的作用，则当它收缩到最小时，其表而张力与重力大致相等。由于 当开关水平放置时我们不希望它导通，所以此时从水银的顶端到壳体水平面的距离应不 超过25 m m ，在这里我们取其等于25 m m ，则根据表面张力公式 f = p g h 和f = m g ( 2 1 ) 1 0 中北大学学位论文 可得 m = p h 2 2 ( 2 2 ) 式中m 一水银的质量； p 一水银的密度； g 一重力加速度； 办一从水银滴顶端到“赤道面 的距离。 如图2 2 ( b ) 中所示的高度，经计算可得聊= 1 0 6 9 。经大量手动倒置实验可知当 开关从正置状态倾斜大于4 5 。时，即开始导通。 2 1 2 水银倒置开关的壳体、电极材料选择 ( 一) 壳体材料选择 ， 汞能溶解与许多有色金属和贵金属，如n a 、k 、a g 、z n 、s n 、p b 等，汞的合金属为 汞齐，通常情况下汞与许多金属直接生成汞齐，其中有些反应很难进行，但有些反应很 剧烈，对一些重的非过渡金属则具有中等程度的或较大的溶解度。第四周期中的m n 、f e 、 c o 、n i 和c u 实际上是不溶的，所以常用铁做盛汞的容器，下表中列出了一些金属在汞 中的溶解度1 2 一副。 表2 1 一些金属在汞中的溶解度 a g h g a g 在h g 中：0 0 3 ( 重量) ( 2 0 c ) a l h g a l 在h g 中：2 3 x 1 0 3 ( 重量) ( 2 0 ) c u h g c u 在h g 中：2 x 1 0 3 ( 重量) ( 2 0 ) m g - h gm g 在h g 中：0 3 1 ( 重量) ( 2 0 c ) m n - h g m n 在h g 中：1 7 x 1 0 3 ( 重量) ( 2 0 ) m o h g m o 在h g 中： 2 x 1 0 5 ( 重量) ( 2 0 c ) f e - h g f e 在h g 中：5 x 1 0 7 ( 重量) ( 2 0 ) s n h g s n 在h g 中：0 6 ( 重量) ( 2 0 c ) 中北大学学位论文 n i h g n i 在h g 中：2 x 1 0 _ 6 ( 重量) ( 2 0 c ) t i - h g 1 r i 在h g 中：4 x 1 0 - 6 ( 重量) ( 2 0 c ) z n h gz n 在h g 中：无化合物z n 在h g 中：1 9 ( 重量) ( 2 5 c ) 由于导电介质选取了汞，而汞又易溶解大多数金属形成汞齐，汞齐虽然也导电，但 它的流动性比较差，粘度也较大。这样，开关的可靠性、稳定性就受到一定的影响，因 此我们在选取壳体材料时，一定要考虑其具有不溶于水银，同时也不粘附水银的特性， 这样才能保证其不影响水银的流动性和和导电性。玻璃几乎不粘附水银，且不与水银反 应，满足上述要求，因此我们选取玻璃作为封装水银的壳体材料。 ( 二) 电极材料选择 作为电极材料，它需具有以下两个条件：它必须具有导电性，它必须不改变水 银的特性。一般情况下具有金属键的物质都具有导电性，因此大多数金属都可用来作为 电极材料，其中铜的电阻率很小，仅次于银，且价格便宜是最常使用的。但在水银倒置 开关设计中，由于铜在水银中的溶解度2 x 1 0 - 3 ( 重量) ( 2 0 ) ，而且铜里一般都含 有如z n 、s n 、p b 等金属，这些金属在水银中的溶解度都比较大，因此时间长了以后， 水银的特性就会发生变化，其中大多数水银表面都形成一层黄色或黑色薄膜，虽然还导 电，但是导电水银的流动性变差，粘度变大，从而开关的可靠性受到影响，尤其是不易 断电。基于上述原因，我们选用铁作为电极材料，铁在水银中的溶解度为5 1 0 。7 ( 重量) ( 2 0 ) ，几乎不容于水银，因此它基本上不会与水银形成汞齐，从而其流动性、粘 度都不会受到影响，所以也就保证了开关使用的长期性、稳定性n 劓。 2 1 3 水银倒置开关适配电路设计 为了防止短时倒置或振动冲击引起误触发，倒置状态下需要有足够长的延时才能上 电。为此我们给水银倒置开关适配一个延时电路，其基本框图如图2 3 所示n 引。 图2 3 适配电路框图 延时电路如图2 4 所示，它由计数器4 0 6 0 和发光二极管组成。图中4 0 6 0 是具有振 1 2 中北大学学位论文 荡电路和1 4 位触发器的二进制计数器，在其振荡电路中加一r c 延迟环节，组成带r c 延迟电路的振荡器，通常r c 电路产生的延迟时间远大于门电路的传输延迟时间，所以 在计算振荡频率时，只考虑r c 电路的作用，而忽略传输延迟时间的影响。其周期计算 公式为：t 2 2 r c ，则延时时间t = t 2 n ，具体延迟多长时间根据实际情况而定，发 光二极管是作为指示灯的 1 6 1 。 c 1 瀛一1 1 | f 彳 g n dr ，3 o z o c i n q 4 q 5 c o u t q 6 q 7 c o u t q 8 q 9 r 汀 q 1 0 q 1 2 v c c0 1 3 q 1 4 7 5 4 6 1 4 1 3 _ _ 一 1 5 l 2 3 d l l l 、i ，图2 4 延时电路原理图 2 1 4 水银倒置开关的优缺点 所设计制作的水银倒置开关具有结构简单、体积微小、使用简便等特点。但由于水 银的特殊属性选择壳体材料为玻璃，它不抗冲击，而我们主要是在高冲击环境下使用， 这样就造成开关使用重复性很低，为了提高其重复性，我们考虑在玻璃壳体外面封一金 属壳，以提高它的抗冲击性。另外由于导电介质是水银，而水银在- - 3 9 7 c 就凝成固态。 这样，它与电极接触的可靠性变差，其导电的可靠性也相应下降，因此它作为放入式电 子测压器的控制开关来使用还不合格，为此我们下一步考虑制作固态金属导电介质，以 适用各种环境。 2 2 双球倒置开关 双球倒置开关是在水银倒置开关的基础上研究的制作的，由于水银倒置开关需要将 1 3 莹 zk乒诈0_r 中北大学学位论文 水银密封于玻璃壳体内。并对水银的体积有严格的要求所以加工工艺较复杂，开关的 制作成功率较低。且水银是一种有毒的化学物质，对制作开关的工作人员不利。水银在 - - 3 9 7 就凝成固态，不满足低温要求。在此设想用两个小球代替水银将小球密封于 壳体之中开关倒置时，小球触碰电极，输出有效信号，启动测试系统。 221 双球倒i 开关的工作原理 职球倒置开关是将两个小球密封于壳体内，同时将壳体作为开关的其中一个电极制 作而成的。图2 5 为双球倒置开关的示意图，由8 个零件组成，其中电极4 、小钢珠5 、 大钢珠7 和壳体6 为开关的关键部分。当开关处于正置或横置状态时，如图2 6 所示， 两个小球相接触且只与壳体不与电极4 接触，开关处于“关”状态，当开关处于倒簧状 态时，两个小球相接触同时导通电极4 与壳体开关处于“开”状态。 鬃 图26 横置时的倒氍开关 1 4 珠 珠 皈垫 热淼瓿擀 8 7 6 5 4 3 2 1 中北大学学位论文 2 2 2 双球倒置开关的结构分析 双球倒置开关可靠导通的条件是小钢球对壳体和电极4 的压力要大，大钢球起到使 小钢球与壳体充分接触加大压力的作用。本开关通过巧妙的结构设计，控制壳体结构尺 寸、电极高度以及两钢球的大小，而电极4 的椎形设计可以进一步提高两电极导通的可 靠性。双球倒置开关巧妙的结构设计使得小钢球对壳体和电极的压力可大于两钢球的重 量产生的压力之和。此外电极4 ，小钢珠5 ，壳体6 及大钢珠7 镀金，使其接触电阻小 于0 5 q ，壳体有1 5 0 倾角，在存储测试仪器水平放置及车辆运输下坡、颠簸或制动时 不会导致误上电。双球倒置开关受力分析如图2 7 所示： 钢球受力分析如下： 图2 7 双球倒置开关受力分析图 m 腻( 等) + f 3 x s i n 8 0( 坠1 8 0 ) 删 klji 。 m 堕1 - f 3 x c o s f ，坠、：o i 、1 8 0 l1 8 0 i n ( 塑) 州( 坠) - f 5 xs inl801 8 0 ( 塑1 8 0 ) 一垒 l 一|lll o m 姗s ( 堕) 州( 堕) + f 5 e o s l 8 0 1 8 0 ( 塑1 8 0 ) = 。ll 1 5 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 中北大学学位论文 通过以上受力分析，在选定小钢球对电极和壳体合适的压力即开关倒置时能够可靠 上电的前提下确定大、小钢球的尺寸。 2 2 3 双球倒置开关的优缺点 双球倒置开关的特点： ( 1 ) 使用两颗钢球可增强其接触压力，确保其可靠性； ( 2 ) 此种结构设计，在同样接触压力下，体积较小； ( 3 ) 壳体、钢球及中央电极的表面均镀金，可延长使用寿命、减小接触电阻； ( 4 ) 开关具有一定倾斜角度才能导通，避免误上电； ( 5 ) 整个壳体采用特殊结构，可以抗高冲击。 双球式倒置开关属于非易损长寿命型开关，有很好的高低温特性、抗高冲击。但在 加工过程中要求加工精度太高，且在开关倒置延时等待过程中某些外界因素可能引起钢 球在壳体中滚动引起短时间的断开，使得整个电路不上电，从而使得整个测试系统的可 靠性得不到保证。 2 3 干簧管式倒置开关 干簧管是干式舌簧管的简称，是一种利用磁场信号来控制的有触点的无源电子开关 元件，具有结构简单、体积小巧、灵敏度高、重量轻、功耗小、可靠性高等优点。能够 安装在极度有限的空间，极适合用于微型化设备。目前已广泛应用于自动控制系统的诸 多领域，如机械、汽车、电子、电力、石油、化工、办公自动化、通讯等工程中n 7 一引。 本章将详细介绍由干簧管和磁铁制作的倒置开关。 2 3 1 干簧管式倒置开关的结构设计 2 3 1 1 干簧管的结构及工作原理 干簧管又称为磁簧开关，它是由w e s t e r ne l e c t r i c 公司在1 9 4 0 年发明的一种气密式磁 控机械开关，可以作为磁接近开关或继电器使用。干簧管一般有中心型和偏置型两种，其 结构如图2 8 所示n 钆制。 1 6 中北大学学位论文 2 气拭。每 圈2 8 干簧管的基本结构 干簧管内部由一对磁性材料制成的弹性簧片组成，簧片密闭于充有惰性气体的玻 璃管中，簧片端面互迭，但留有一条细m 隙。簧片端面触点镀有一层贵金属铑或钉，使开 关性能稳定并延长使用寿命l 。 图2 9 ( a ) 为在无磁场时，玻璃管中的两个簧片是分开的。当有磁性物质靠近时， 在磁场的作用下，管内两个簧片被诱导出n 授和s 极，囡这种磁性的吸引力而相互吸合， 如图29 ( b ) 所示。当外磁场消失后，