应用于弱环境力可恢复式u型电磁驱动mems安全系统及方法
阅读说明：本技术 应用于弱环境力可恢复式u型电磁驱动mems安全系统及方法 (Force-recoverable U-shaped electromagnetic drive MEMS (micro-electromechanical systems) safety system and method applied to weak environment ) 是由 娄文忠 苏文亭 孙毅 何博 赵悦岑 吕斯宁 于 2021-09-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种应用于弱环境力可恢复式U型电磁驱动MEMS安全系统及方法。本发明包括基板、左U型电磁线圈安装槽、右U型电磁线圈安装槽、左U型电磁线圈、右U型电磁线圈、左控制开关、右控制开关、左供电单元、右供电单元、隔爆滑块孔、隔爆滑块、弹簧、磁体安装槽、左磁体、右磁体和传爆孔；本发明采用可恢复式U型电磁驱动的MEMS安全系统,从应用于无后座过载且无弹药旋转环境的弹药引信设计及加工角度来看,具有结构空间占用小、可靠性高、零部件加工工艺简单等优势；其次,完全利用电磁力保险,避免了在弱环境力条件下使用环境力驱动方式在某些情况下出现功能异常的发生,提高了系统工作安全性与可靠性。(The invention discloses a force-recoverable U-shaped electromagnetic drive MEMS safety system and method applied to a weak environment. The explosion-proof device comprises a substrate, a left U-shaped electromagnetic coil mounting groove, a right U-shaped electromagnetic coil mounting groove, a left U-shaped electromagnetic coil, a right U-shaped electromagnetic coil, a left control switch, a right control switch, a left power supply unit, a right power supply unit, an explosion-proof sliding block hole, an explosion-proof sliding block, a spring, a magnet mounting groove, a left magnet, a right magnet and an explosion transmission hole; the invention adopts the recoverable U-shaped electromagnetic driven MEMS safety system, and has the advantages of small structural space occupation, high reliability, simple part processing technology and the like from the aspects of ammunition fuse design and processing applied to the environment without backseat overload and ammunition rotation; secondly, the electromagnetic force insurance is completely utilized, the occurrence of function abnormity under certain conditions by using an environment force driving mode under the condition of weak environment force is avoided, and the working safety and reliability of the system are improved.)
技术领域
本发明涉及弱环境力弹药安全技术，具体涉及一种应用于弱环境力可恢复式U型电磁驱动MEMS安全系统及其控制方法。
背景技术
现代武器弹药向着灵巧、智能的方向发展，引信的微型化、智能化也已经成为众多研究机构的主要研究方案。弹药打击目标的全过程为发射阶段、勤务处理阶段、发现目标并打击目标，传统的引信安全系统不具备可恢复功能，当弹药取消攻击指令时，弹药仍然会起爆，因此设计具有可恢复功能的安全系统具有重要意义。其中，弹簧—质量块作为较成熟的技术方法在MEMS(微机电系统)安全系统中得到大量应用。
目前，MEMS微型驱动主要包括：静电驱动、热电驱动和电磁驱动。由于MEMS结构不能承受高电压，并且微型传爆药温度敏感度高，高温下可能会发生误起爆，造成引信安全系统可靠性和安全性降低的问题。因此，电磁驱动以其低电压驱动，驱动过程中产生温度低、功耗小的特点，相比于其他类型的微型驱动的优势明显。传统的电磁驱动主要是采用通电电磁圈实现，但是，通电电磁线圈由于尺寸过大，通常放置在安全系统的边框外侧，降低了引信的安全与解保控制系统的作用可靠性。现有的MEMS安全系统存在驱动力小，驱动方式功耗过高，产生的热量过大，造成弹药的安全性与可靠性降低；此外驱动隔爆滑块运动的执行机构体积过大，使得安全系统整体尺寸过大，占用了弹药过多的空间，同时也加大了后期封装的困难。
为了不影响引信的安全与解保控制系统的作用可靠性，本发明设计了一种可恢复式U型电磁线圈电磁驱动MEMS安全系统，可以满足敏感元件在无后座过载、无弹药旋转环境下隔爆可靠性及解保稳定性。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种应用于弱环境力可恢复式U型电磁驱动MEMS安全系统及其控制方法，不仅满足了MEMS引信在打击目标前可靠解除保险的功能，同时也满足了引信小型化的需求，缩小了引信安全系统空间占用，提高了系统作用可靠性。
本发明应用于弱环境力下弹药的安全控制，弱环境力是指无后座过载且无离心力的环境；在弹药中，沿发射方向依次为始发火工品换能元、微型起爆药和下一级装药，且始发火工品换能元和微型起爆药与下一级装药位置对正，始发火工品换能元通过导线连接至弹药的微控制芯片；本发明的应用于弱环境力可恢复式U型电磁驱动MEMS安全系统安装在弹药的微型起爆药与下一级装药之间，其表面垂直于发射方向。
本发明的一个目的在于提出一种应用于弱环境力可恢复式U型电磁驱动MEMS安全系统。
本发明的应用于弱环境力可恢复式U型电磁驱动MEMS安全系统包括：基板、左U型电磁线圈安装槽、右U型电磁线圈安装槽、左U型电磁线圈、右U型电磁线圈、左控制开关、右控制开关、左供电单元、右供电单元、隔爆滑块孔、隔爆滑块、弹簧、磁体安装槽、左磁体、右磁体和传爆孔；其中，基板为平板状；在基板的上表面左右两侧分别对称开设有相同的左U型电磁线圈安装槽和右U型电磁线圈安装槽；在左U型电磁线圈安装槽和右U型电磁线圈安装槽中分别设置有相同的左U型电磁线圈和右U型电磁线圈；左U型电磁线圈通过左控制开关连接至左供电单元，左控制开关在低电平下断开且在高电平下闭合；右U型电磁线圈通过右控制开关连接至右供电单元，右控制开关在高电平下断开且在低电平下闭合；左供电单元和右供电单元分别连接至弹药的微控制单元的两个信号控制引脚；在基板的上表面中心且位于左U型电磁线圈安装槽与右U型电磁线圈安装槽之间开设有隔爆滑块孔；在隔爆滑块孔中设置隔爆滑块，隔爆滑块的外边缘小于隔爆滑块孔的内边缘，并且隔爆滑块的上表面低于基板的上表面且隔爆滑块的下表面低于基板的下表面；隔爆滑块的前端和后端分别设置有弹簧安装块，隔爆滑块通过两个弹簧安装块分别安装弹簧连接至隔爆滑块孔的右侧壁；隔爆滑块的上表面的左边缘和右边缘分别开设有相同的磁体安装槽，在左边缘和右边缘的磁体安装槽内分别设置有相同的左磁体和右磁体；左U型电磁线圈和右U型电磁线圈必有且仅有一个处于通电状态，从而吸引同侧的磁体将隔爆滑块固定在隔爆滑块孔的次侧的侧壁上；隔爆滑块上开设有传爆孔；应用于弱环境力可恢复式U型电磁驱动MEMS安全系统具有安全状态和攻击状态：在安全状态下，连接隔爆滑块的弹簧水平方向处于原长；微控制芯片通过两个信号控制引脚发出低电平，右控制开关闭合且左控制开关断开，右侧U型电磁线圈通电且左U型电磁线圈断电，右磁体向右与右侧U型电磁线圈吸合，将隔爆滑块固定在隔爆滑块孔的右侧壁上，传爆孔与微型起爆药之间错位；在攻击状态下，微控制芯片通过两个信号控制引脚发出高电平，右控制开关断开并且左控制开关闭合，右侧U型电磁线圈断电且左U型电磁线圈通电，左磁体向左与左侧U型电磁线圈吸合，将隔爆滑块固定在隔爆滑块孔的左侧壁上，传爆孔与微型起爆药对正，应用于弱环境力可恢复式U型电磁驱动MEMS安全系统处于攻击状态，实现引战系统安全解保，此时弹簧伸长；当外部的远端操作系统取消攻击状态进入安全状态时，微控制芯片通过两个信号控制引脚发出低电平，右控制开关闭合并且左控制开关断开，右侧U型电磁线圈通电且左U型电磁线圈断电，左磁体与左侧U型电磁线圈断开，并且在弹簧的拉力作用下向右运动，右磁体向右与右侧U型电磁线圈吸合，将隔爆滑块固定在隔爆滑块孔的右侧壁上，弹簧恢复原长，传爆孔与微型起爆药之间错位，重新进入安全状态，实现应用于弱环境力可恢复式U型电磁驱动MEMS安全系统的可恢复功能。
基板的厚度为450～550μm，隔爆滑块的厚度为380～420μm，弹簧采用MEMS平面弹簧，厚度为380～420μm。左U型电磁线圈安装槽和右U型电磁线圈长度为5.6～6.6mm，宽度为4.2～5.2mm，高度为1.6～2.6mm；左磁体和右磁体的长度为3.8～4.2mm，宽度为0.8～1.2mm，高度为0.8～1.2mm。
基板、弹簧和隔爆滑块均采用硅基材料。
左U型电磁线圈和右U型电磁线圈的结构相同，包括外壳、磁芯和线圈；其中，在磁芯外缠绕线圈，磁芯和线圈放置在外壳中；磁芯采用部铁钴合金，线圈采用锌铝合金，外壳采用硅模具。
本发明的另一个目的在于提出一种应用于弱环境力可恢复式U型电磁驱动MEMS安全系统的控制方法。
本发明的应用于弱环境力可恢复式U型电磁驱动MEMS安全系统的控制方法，包括以下步骤：
1)在弹药的微控制芯片未收到外部的远端控制系统发出攻击状态命令前，连接隔爆滑块的弹簧水平方向处于原长；微控制芯片通过两个信号控制引脚发出低电平，右控制开关闭合并且左控制开关断开，右侧U型电磁线圈通电且左U型电磁线圈断电，右磁体向右与右侧U型电磁线圈吸合，将隔爆滑块固定在隔爆滑块孔的右侧壁上，传爆孔与微型起爆药之间错位，应用于弱环境力可恢复式U型电磁驱动MEMS安全系统此时处于安全状态下；
2)当弹药的微控制芯片收到外部的远端控制系统发出攻击状态命令时，微控制芯片通过两个信号控制引脚发出高电平，右控制开关断开并且左控制开关闭合，右侧U型电磁线圈断电且左U型电磁线圈通电，左磁体向左与左侧U型电磁线圈吸合，将隔爆滑块固定在隔爆滑块孔的左侧壁上，传爆孔与微型起爆药对正，应用于弱环境力可恢复式U型电磁驱动MEMS安全系统处于攻击状态，实现引战系统安全解保，此时弹簧伸长；
3)根据实际需要引爆或重新回到安全状态：
a)当外部的远端操作系统确认攻击目标时，远端操作系统向微控制芯片发出攻击命令，状态进入安全状态时，微控制芯片给始发火工品换能元上电并发生电爆效应，起爆微型起爆药，并通过传爆药引爆下一级装药，弹药爆炸；
b)当外部的远端操作系统确定取消攻击状态进入安全状态时，远端操作系统向微控制芯片发出取消攻击命令，微控制芯片通过两个信号控制引脚发出低电平，右控制开关闭合并且左控制开关断开，右侧U型电磁线圈通电且左U型电磁线圈断电，左磁体与左侧U型电磁线圈断开，并且在弹簧的拉力作用下向右运动，右磁体向右与右侧U型电磁线圈吸合，将隔爆滑块固定在隔爆滑块孔的右侧壁上，弹簧恢复原长，传爆孔与微型起爆药之间错位，重新进入安全状态，实现应用于弱环境力可恢复式U型电磁驱动MEMS安全系统的可恢复功能。
本发明的优点：
本发明采用可恢复式U型电磁驱动的MEMS安全系统，从应用于无后座过载且无弹药旋转环境的弹药引信设计及加工角度来看，具有结构空间占用小、可靠性高、零部件加工工艺简单等优势；其次，完全利用电磁力保险，避免了在弱环境力条件下使用环境力驱动方式在某些情况下出现功能异常的发生，提高了系统工作安全性与可靠性。
附图说明
图1为本发明的应用于弱环境力可恢复式U型电磁驱动MEMS安全系统的一个实施例在安全状态下的示意图；
图2为本发明的应用于弱环境力可恢复式U型电磁驱动MEMS安全系统的一个实施例在攻击状态下的俯视图；
图3为本发明的应用于弱环境力可恢复式U型电磁驱动MEMS安全系统的一个实施例的U型电磁线圈的示意图；
图4为本发明的应用于弱环境力可恢复式U型电磁驱动MEMS安全系统的一个实施例的基板的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1、2和4所示，本实施例的本发明的应用于弱环境力可恢复式U型电磁驱动MEMS安全系统包括：基板1、左U型电磁线圈安装槽21、右U型电磁线圈安装槽22、左U型电磁线圈31、右U型电磁线圈32、左控制开关、右控制开关、左供电单元、右供电单元、隔爆滑块孔4、隔爆滑块5、弹簧6、磁体安装槽9、左磁体71、右磁体72和传爆孔8；其中，基板1为平板状；在基板1的上表面左右两侧分别对称开设有相同的左U型电磁线圈安装槽21和右U型电磁线圈安装槽22；在左U型电磁线圈安装槽21和右U型电磁线圈安装槽22分别设置有相同的左U型电磁线圈31和右U型电磁线圈32；左U型电磁线圈31通过左控制开关连接至左供电单元，左控制开关在低电平下断开且在高电平下闭合；右U型电磁线圈32通过右控制开关连接至右供电单元，右控制开关在高电平下断开且在低电平下闭合；左供电单元和右供电单元分别连接至弹药的微控制单元的两个信号控制引脚；在基板1的上表面中心且位于左U型电磁线圈安装槽21与右U型电磁线圈安装槽22之间开设有隔爆滑块孔4；在隔爆滑块孔4中设置隔爆滑块5，隔爆滑块5的外边缘小于隔爆滑块孔4的内边缘，并且隔爆滑块5的上表面低于基板1的上表面且隔爆滑块5的下表面均低于基板1的下表面；隔爆滑块5前端和后端分别设置有弹簧6安装块，隔爆滑块5通过两个弹簧6安装块分别安装两个弹簧6连接至隔爆滑块孔4的右侧壁；隔爆滑块5的上表面的左边缘和右边缘分别开设有相同的磁体安装槽9，在左边缘和右边缘的磁体安装槽9内分别设置有相同的左磁体71和右磁体72；左U型电磁线圈31和右U型电磁线圈32必有且仅一个处于通电状态，从而吸引此侧的磁体将隔爆滑块5固定在隔爆滑块孔4的一个内侧壁上，弹簧6的向下的轻微弹性形变和隔爆滑块5与隔爆滑块孔4的内侧壁之间的摩擦力共同为隔爆滑块5提供向上的支撑力；隔爆滑块5上开设有传爆孔8；应用于弱环境力可恢复式U型电磁驱动MEMS安全系统具有安全状态和攻击状态：在安全状态下，传爆孔8与微型起爆药之间错位。
基板1的厚度为500μm，隔爆滑块5的厚度为400μm，弹簧6的厚度为400μm，左U型电磁线圈安装槽21和右U型电磁线圈32的长度为5.1mm，宽度为4.7mm，高度为2.1mm，左磁体71和右磁体72的长度为4mm，宽度为1mm，高度为1mm。
基板1、弹簧6、隔爆滑块5均采用硅基材料。
如图3所示，左U型电磁线圈31和右U型电磁线圈32的结构相同，包括外壳73、磁芯74和线圈75；其中，在磁芯外缠绕线圈，磁芯和线圈放置在外壳中；磁芯采用部铁钴合金，线圈采用锌铝合金，外壳采用硅模具。
本实施例的本发明的应用于弱环境力可恢复式U型电磁驱动MEMS安全系统的控制方法，包括以下步骤：
1)在弹药的微控制芯片未收到外部的远端控制系统发出攻击状态命令前，连接隔爆滑块5的弹簧6水平方向处于原长，弹簧6的向下的轻微弹性形变对弹簧6水平方向的长度影响忽略不计；微控制芯片通过两个信号控制引脚发出低电平，右控制开关闭合并且左控制开关断开，右侧U型电磁线圈通电且左U型电磁线圈31断电，右磁体72向右与右侧U型电磁线圈吸合，将隔爆滑块5固定在隔爆滑块孔4的右侧壁上，传爆孔8与微型起爆药之间错位，应用于弱环境力可恢复式U型电磁驱动MEMS安全系统此时处于安全状态下；
2)当弹药的微控制芯片收到外部的远端控制系统发出攻击状态命令时，微控制芯片通过两个信号控制引脚发出高电平，右控制开关断开并且左控制开关闭合，右侧U型电磁线圈断电且左U型电磁线圈31通电，左磁体71向左与左侧U型电磁线圈吸合，将隔爆滑块5固定在隔爆滑块孔4的左侧壁上，传爆孔8与微型起爆药对正，应用于弱环境力可恢复式U型电磁驱动MEMS安全系统处于攻击状态，实现引战系统安全解保，此时弹簧6伸长；
3)根据实际需要引爆或重新回到安全状态：
a)当外部的远端操作系统确认攻击目标时，远端操作系统向微控制芯片发出攻击命令，状态进入安全状态时，微控制芯片给始发火工品换能元上电并发生电爆效应，起爆微型起爆药，并通过传爆药引爆下一级装药，弹药爆炸；
b)当外部的远端操作系统确定取消攻击状态进入安全状态时，远端操作系统向微控制芯片发出取消攻击命令，微控制芯片通过两个信号控制引脚发出低电平，右控制开关闭合并且左控制开关断开，右侧U型电磁线圈通电且左U型电磁线圈31断电，左磁体71与左侧U型电磁线圈断开，并且在弹簧6的拉力作用下向右运动，右磁体72向右与右侧U型电磁线圈吸合，将隔爆滑块5固定在隔爆滑块孔4的右侧壁上，弹簧6恢复原长，传爆孔8与微型起爆药之间错位，重新进入安全状态，实现应用于弱环境力可恢复式U型电磁驱动MEMS安全系统的可恢复功能。
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。
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