一种带有状态监测的MOEMS引信安解装置的制作方法

一种带有状态监测的moems引信安解装置
技术领域
1.本发明属于微机械电子领域，具体涉及一种带有状态监测的moems引信安解装置。


背景技术：

2.目前的电子式引信安全系统通常采用冲击电雷管作为初级起爆元件，虽然实现了引信安全系统由隔爆式向非隔爆式方向发展，但在实际应用中，由高压转换电路引起的强脉冲电磁干扰，发火电容充电引起的静电干扰以及外界静电、闪电、射频及高空电磁脉冲引起的谐波干扰等会导致系统中部分电子电路工作异常甚至损坏，造成其他起爆点失效或过早作用。激光起爆作为一种新型起爆方式，由于所起爆的火工品为许用钝感火工品，因此在点火通道之间不需要设置隔爆机构。
3.针对激光起爆系统所设计的新型微光机电(moems)引信安全系统，继承了传统电子式引信安全系统安全性高、适用性强、可靠性高、体积小、作用迅速、易测性、多点同步顺序起爆等特点，又满足智能化弹药对抗电磁干扰能力提升的需求。本发明主要以moems引信安全系统为应用背景，通过对结构参数的重新设计，也可将其应用于其他起爆方式。
4.由于引信失效后果会特别严重，所以安全性问题始终是引信的首要问题，实现对引信安全系统状态的实时监测可有效提高引信的安全性。近年来国内外引信安全状态的恢复功能越来越受到重视，安全状态可恢复功能不仅是现代引信对“安全”功能的新需求，也是未来引信智能化发展的切入点之一，实现对引信安全系统状态的实时监测可有效提高可恢复式引信的可靠性。2019年，西安交通大学刘加凯等人提出的一种闭锁式moems引信保险机构，实现了微小体积条件下引信保险机构更高的功能集成度，但其为开环控制，当引信保险机构没有实现预定功能或误触发导致其保险状态解除时，引信安全系统的安全性与可靠性无法保证。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种带有状态监测的moems引信安解装置，以提高引信安全系统的可靠性、安全性，以及为引信安全系统动态测试提供实验数据。
6.实现本发明目的的技术解决方案为：
7.一种带有状态监测的moems引信安解装置，包括基底层、设置在基底层上的结构层和光纤组；
8.所述结构层通过支撑锚点固定在基底层上；
9.所述光纤组设有输入端和输出端；所述输入端和输出端之间设有错开位和对准位，且保险状态下处于错开位；
10.所述结构层包括：
11.光纤驱动器，用于在通电状态下推动下光纤组处于对准位；
12.驱动器锁止机构，用于对光纤驱动器进行锁定和解锁，包括光纤组处于错开位时对光纤驱动器的锁定，以及光纤驱动器推动光纤组处于对准位时对光纤驱动器的锁定；
13.反向锁止机构，用于光纤组错开位的锁定，以及在在通电状态下解除对光纤组的锁定；
14.驱动器锁止状态反馈单元，用于与驱动器锁止机构配合是否形成回路产生输出信号，以监测驱动器锁止机构的状态；
15.光路通断状态反馈单元，用于与光纤驱动器配合是否形成回路产生输出信号，以监测光纤组的通断状态；
16.反向锁止状态反馈单元，用于与反向锁止机构配合是否形成回路产生输出信号，以监测反向锁止机构的状态。
17.一种带有状态监测的moems引信安解装置，其状态监测的方法，包括：
18.在初始状态下，光路通断状态反馈单元一侧接有一检测电源，其余处于断电状态，光纤组处在错开位，反向锁止状态反馈单元、驱动器锁止信号反馈单元、光路通断状态反馈单元无电信号输出，反馈光纤输出端无光能输出，监测为引信安解装置处于安全状态；
19.在光纤组处在错开位的情况下，若激光源误开启，激光射出至光功率计，若在非测试状态下光功率计测得激光能量，光功率计将关闭信号反馈至激光源使激光源关闭；
20.识别到第一种环境信息，驱动器锁止机构通电解除对光纤驱动器的锁定，驱动器锁止机构与驱动器锁止状态反馈单元接触，驱动器锁止状态反馈单元输出电信号，监测为驱动器锁止机构处于解锁状态；
21.识别到第二种环境信息，反向锁止机构通电解除对输入光纤输出端的锁定，反向锁止机构与反向锁止状态反馈单元接触，反向锁止状态反馈单元输出电信号，监测为反向锁止机构处于解锁状态；
22.然后光纤组处于对齐位，光纤驱动器与光路通断状态反馈单元接触，光路通断状态反馈单元输出电信号，监测为光路处于导通状态；
23.驱动器锁止机构断电完成对光纤驱动器的锁定，驱动器锁止机构与驱动器锁止状态反馈单元分离，驱动器锁止状态反馈单元无电信号输出，监测为驱动器锁止机构处于锁定状态；
24.光纤驱动器断电，驱动器锁止机构保持对光纤驱动器的锁定，光路通断状态反馈单元保持输出电信号，监测为光路保持导通状态；
25.反向锁止机构断电完成对输入光纤输出端的锁定，反向锁止机构与反向锁止状态反馈单元接触，反向锁止状态反馈单元无电信号输出，监测为反向锁止机构处于锁定状态；
26.此时装置各部件处于断电状态，输入光纤输出端在对齐位，反向锁止状态反馈单元、驱动器锁止状态反馈单元无电信号输出，光路通断状态反馈单元有电信号输出，监测为引信安解装置处于解保状态。
27.本发明与现有技术相比，其显著优点是：
28.(1)本发明通过在moems引信安解装置中加入状态监测单元，由光路通断反馈单元判断输入光纤与输出光纤的相对位置，由输出端接有光功率计的反馈光纤保证激光器在非待发状态下的待机状态，从而确保引信安全系统在非待发状态下的安全性；
29.(2)本发明通过采集来自各锁止状态反馈单元的电信号判断各锁止机构是否解锁到位，通过采集来自光路通断状态反馈单元的电信号判断输入光纤输出端是否运动到位，提高了装置的可靠性；
30.(3)本发明允许在最终组装前进行拆装功能测试，在非可视环境下对引信安解装置进行黑盒测试，丰富了引信安全系统的测试手段；通过采集反馈光纤输出端光功率的数据或光纤驱动器开始通电到获得光路通断状态反馈单元信号的时间，可得到光路通断所需要的时间，标定后可实现炸药的适时起爆。
附图说明
31.图1是moems引信安解装置三维模型结构图。
32.图2是moems引信安解装置初始(安全)状态示意图。
33.图3是moems引信安解装置驱动器锁止机构解锁及其反馈单元的结构放大图。
34.图4是moems引信安解装置光纤驱动器及光路通断反馈单元的结构放大图。
35.图5是moems引信安解装置反向锁止机构解锁及其反馈单元的结构放大图。
36.图6是moems引信安解装置u型电热驱动器和v型电热驱动器的结构放大图。
37.图7是moems引信安解装置驱动器锁止机构解锁及其反馈单元工作示意图。
38.图8是moems引信安解装置反向锁止机构解锁及其反馈单元工作示意图。
39.图9是moems引信安解装置光纤驱动器及光路通断反馈单元工作示意图。
40.图10是moems引信安解装置解保状态示意图。
41.图11是moems引信安解装置由初始(安全)状态到解保状态时，在装置上施加电压以及各反馈单元输出电压的时序图。
42.图12是moems引信安解装置由解保状态到安全状态时，在装置上施加电压以及各反馈单元输出电压的时序图。
具体实施方式
43.下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
44.参照图1-图7，本实施例的一种带有状态监测的moems引信安解装置，包括框架层1、光纤组2、结构层3、支撑锚点4、基底层5；
45.所述框架层1直接键合在基底层5；所述框架层1包括外框架1-1、内框架1-2和限位单元1-3；所述外框架1-1在结构层3的外围，用于提供光纤组2的固定位和提高结构层3的加工质量，减少加工刻蚀量；所述限位单元1-3由三个限位块组成，其中两个限位块对称布置在光纤驱动器3-4推杆的左右两侧，用于限制光纤驱动器3-4垂直于结构层3平面的摆动，其中一个布置在光纤驱动器3-4的-x方向侧(如图2所示)，用于限制光纤驱动器3-4的反向行程，使光纤驱动器3-4只能向光纤组2方向移动；所述内框架1-2用于提高结构层3加工质量以及减少加工量。
46.所述光纤组2包括输入光纤2-3、输出光纤2-1和反馈光纤2-2；所述输入光纤2-3的输出端和输出光纤2-1的输入端之间设有错开位和对准位；所述输入光纤2-3的输出端在装置处于安全状态时与输出光纤2-1的输入端保持错开位，在装置处于解保状态时与输出光纤2-1的输入端保持对准；所述输入光纤2-3的输入端与激光发生器耦合，所述输出光纤2-1的输出端与激光起爆器耦合；所述反馈光纤2-2始终位于输入光纤2-3在装置处于安全状态时的平行侧，反馈光纤2-2的输出端与光功率计耦合，用于实时监测输入光纤2-3输出端的位置变化，在非待发状态下由于激光发生器误启动而采集到光功率时及时关闭激光发生
器；所述光纤组2嵌于外框架1-1内。
47.所述结构层3包括驱动器锁止状态反馈单元3-1、驱动器锁止机构3-2、光路通断状态反馈单元3-3、光纤驱动器3-4、反向锁止机构3-5和反向锁止状态反馈单元3-6；所述驱动器锁止状态反馈单元3-1位于驱动器锁止机构3-2运动方向侧，沿x轴线对称布置，驱动器锁止状态反馈单元3-1由带有第一圆形触点3-10的第一悬臂梁3-11和第一支撑锚点3-12组成，当驱动器锁止机构3-2解除光纤驱动器3-4的锁定时，驱动器锁止机构3-2与驱动器锁止状态反馈单元3-1第二悬臂梁3-12上的第一圆形触点3-11保持相互接触；所述驱动器锁止机构3-2由两个第一u型电热驱动器3-20和卡齿结构3-23组成，其中两个第一u型电热驱动器3-20共用一个第二支撑锚点3-21，并在该第二支撑锚点3-21上加载电压(或接地)，两个第一u型电热驱动器3-20另外各有一个第三支撑锚点3-22，并将这两个支撑锚点3-22接地(或加载电压)，卡齿结构3-23布置并固联在两个u型驱动器上，与光纤驱动器3-4上的卡齿结构3-42相配合，用于实现对光纤驱动器3-4的位置进行解锁与锁定，其中锁定：包括引信安解机构在安全状态对光纤驱动器3-4的位置进行锁定，以及解除保险使得光路导通状态下对光纤驱动器3-4的位置进行锁定；所述光纤驱动器3-4由两个第二u型电热驱动器3-40、两个梁3-41、一个推杆3-43、两个带有第二圆形触点3-46的第二悬臂梁3-45和卡齿结构3-42组成，两个第二u型电热驱动器3-40、两个梁3-41和两个带有第二圆形触点3-46的第二悬臂梁3-45对称布置在推杆3-43左右两侧，推杆3-43通过梁3-41与u型电热驱动器3-40连接，两个第二u型电热驱动器3-40各设有两个第四支撑锚点3-44，用于加载电压，推杆3-43在限位单元1-3的限制下沿光纤径向产生位移，推杆3-43与输入光纤2-3的输出端侧壁相接触，使得输入光纤2-3的输出端在光纤驱动器3-4的驱动下沿径向产生位移，卡齿结构3-42对称固联在推杆3-43上，与驱动器锁止机构3-2的卡齿结构相配合；所述光路通断状态反馈单元3-3由带有第三圆形触点3-32的第三悬臂梁3-30和第五支撑锚点3-31组成，位于光纤驱动器3-4的运动方向侧，沿x轴线对称布置，当光纤驱动器3-4推动输入光纤2-3输出端到对准位时，光纤驱动器3-4带有第二圆形触点3-46的第二悬臂梁3-45与光路通断状态反馈单元3-3由带有第三圆形触点3-32的第三悬臂梁3-30保持相互接触；所述反向锁止机构3-5由一个v型电热驱动器3-51和两个带有第四圆形触点3-52的第四悬臂梁3-53组成，两个带有第四圆形触点3-52的第四悬臂梁3-53对称布置在v型电热驱动器3-51的两侧，v型电热驱动器3-51两端各设有一个第六支撑锚点3-50，用于加载电压，反向锁止机构3-5用于输入光纤2-3输出端的错开位和对准位的解锁与锁定，解锁指反向锁止机构3-5在通电状态下产生足够的位移使得输入光纤2-3的输出端可在错开位和对准位自由切换；所述反向锁止状态反馈单元3-6由带有第五圆形触点3-60的第五悬臂梁3-61和第七支撑锚点3-62组成，位于反向锁止机构3-5的运动方向侧，沿x轴线对称布置，当反向锁止机构3-5解除输入光纤2-3输出端的锁定时，反向锁止机构3-5带有第四圆形触点3-52的第四悬臂梁3-53与反向锁止状态反馈单元3-6带有第五圆形触点3-60的第五悬臂梁3-61保持相互接触。
48.所述第一u型电热驱动器3-20和第二u型电热驱动器3-40驱动原理为：在电压作用下，因为热臂6-1的电阻大于冷臂6-2的电阻，所以热臂6-1的总体温度也会高于冷臂6-2，进而导致热臂6-1的热膨胀变形远大于冷臂6-2，最终使得u型电热驱动器的末端沿着其冷臂6-2方向( x方向)弯曲。所述v型电热驱动器3-51驱动原理为：v型电热驱动器为一弯曲梁6-3结构，在电压作用下驱动器产生的热膨胀变形迫使其沿着初始的弯曲方向( x方向)进一
步弯曲。
49.所述基底层5上设有支撑锚点4；所述结构层3固定在支撑锚点4上；所述驱动器锁止状态反馈单元3-1、驱动器锁止机构3-2、光路通断状态反馈单元3-3、光纤驱动器3-4、反向锁止机构3-5、反向锁止状态反馈单元3-6均可相对支撑锚点4运动。
50.进一步的，所述支撑锚点4各个表面溅射有金属薄膜，用于引线接入外设电路。
51.状态监测包括：反向锁止机构3-5的状态、驱动器锁止机构3-2的状态、光路通断的状态、引信安解装置的状态；所述反向锁止机构3-5的状态由驱动器锁止状态反馈单元3-6提供，所述驱动器锁止机构3-2的状态由驱动器锁止状态反馈单元3-1提供，所述光路通断的状态由光路通断状态反馈单元3-3提供；所述引信安解装置的状态由反向锁止机构3-5的状态、驱动器锁止机构3-2的状态、光路通断的状态决定，当光路导通、驱动器锁止机构3-2和反向锁止机构3-5处于锁定状态时，引信安解装置处于解保状态，当光路断开、驱动器锁止机构3-2和反向锁止机构3-5处于锁定状态时，引信安解装置处于安全状态。
52.状态监测方法：
53.moems引信安解装置初始(安全)状态如图2所示，结合图10—moems引信安解装置由初始(安全)状态到解保状态时，在装置上施加电压以及各反馈单元输出电压的时序图，在0时刻，光路通断状态反馈单元一侧接有一低压检测电源v0，装置其余各部件处于断电状态，输入光纤2-3输出端在错开位，反向锁止状态反馈单元3-6、驱动器锁止状态反馈单元3-1、光路通断状态反馈单元3-3无电信号输出，反馈光纤2-2输出端无光能输出，监测为引信安解装置处于安全状态；
54.在输入光纤2-3输出端在错开位的情况下，若激光源误开启，激光能量将从反馈光纤输出端射出至光功率计，若在非测试状态下光功率计测得激光能量，光功率计将关闭信号反馈至激光源使激光源关闭，避免激光对装置造成损伤；
55.如图7和图11所示，在t1时刻，moems引信安解装置识别到第一种环境信息，驱动器锁止机构3-2加载电压v4，左驱动器锁止机构3-2向-y方向运动，右驱动器锁止机构向 y方向运动，进而解除对光纤驱动器3-4的锁定，驱动器锁止机构3-2与驱动器锁止状态反馈单元3-1接触，驱动器锁止状态反馈单元3-1输出电信号v1，监测为驱动器锁止机构3-2处于解锁状态；
56.如图8和图11所示，在t2时刻，moems引信安解装置识别到第二种环境信息，反向锁止机构3-5加载电压v5，反向锁止机构3-5向 x方向运动，进而解除对输入光纤2-3输出端的锁定，反向锁止机构3-5与反向锁止状态反馈单元3-6接触，反向锁止状态反馈单元3-6输出电信号v2，监测为反向锁止机构3-5处于解锁状态；
57.如图9和图11所示，在t3时刻，光纤驱动器3-4加载电压v6，驱动输入光纤2-3输出端向 x方向运动到对齐位，光纤驱动器3-4与光路通断状态反馈单元3-3接触，光路通断状态反馈单元3-3输出电信号v3，监测为光路处于导通状态；
58.如图11所示，在t4时刻，驱动器锁止机构3-2断电，左驱动器锁止机构向 y方向运动，右驱动器锁止机构向-y方向运动，进而完成对光纤驱动器3-4的锁定，驱动器锁止机构3-2与驱动器锁止状态反馈单元3-1分离，驱动器锁止状态反馈单元3-1无电信号输出，监测为驱动器锁止机构3-2处于锁定状态；
59.如图11所示，在t5时刻，光纤驱动器3-4断电，驱动器锁止机构3-2保持对光纤驱动
器3-4的锁定，光路通断状态反馈单元3-3保持输出电信号v0，监测为光路保持导通状态；
60.如图11所示，在t6时刻，反向锁止机构3-5断电，反向锁止机构3-5向-x方向运动，完成对输入光纤2-3输出端的锁定，反向锁止机构3-5与反向锁止状态反馈单元3-6分离，反向锁止状态反馈单元3-6无电信号输出，监测为反向锁止机构3-5处于锁定状态；
61.如图10和图11所示，此时moems引信安解装置各部件处于断电状态，输入光纤2-3输出端在对齐位，反向锁止状态反馈单元3-6、驱动器锁止状态反馈单元3-1无电信号输出，由于光路通断状态反馈单元与光纤驱动器之间保持接触并产生通路，光路通断状态反馈单元3-3有电信号v0输出，监测为引信安解装置处于解保状态。
62.如图12所示，moems引信安解装置由解保状态恢复至安全状态同样需要正确的时序信号，并也可输出响应的电信号，在此不再赘述。