單軸擺式伺服線加速度計(jì)懸絲斷裂故障的分析

段然

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471000）

0 引言

單軸擺式伺服線加速度計(jì)是慣導(dǎo)系統(tǒng)中最重要的元件之一，用來測量沿其輸入軸作用的常值和低頻加速度，敏感導(dǎo)彈在飛行過程中3個(gè)彈體坐標(biāo)軸方向的過載或加速度[1]。單軸擺式伺服線加速度計(jì)利用閉環(huán)系統(tǒng)的負(fù)反饋原理[2]把檢測質(zhì)量懸浮在其結(jié)構(gòu)的某一固定位置上，用來支撐檢測質(zhì)量的是一根極細(xì)微的、穿過裝有特制阻尼硅油玻璃管的鉑銀絲，俗稱懸絲。懸絲作為敏感線圈的支撐，是加速度計(jì)的關(guān)鍵零件，同時(shí)也是最易失效的零件，一旦發(fā)生失效就將會造成加速度計(jì)無輸出，因此，對加速度計(jì)的懸絲進(jìn)行失效分析并采取預(yù)防措施具有十分重大的意義。

1 單軸擺式加速度計(jì)的基本工作原理

為了便于對單軸擺式加速度計(jì)故障進(jìn)行具體的描述，將加速度計(jì)的工作原理，作一簡單的介紹：當(dāng)外加速度a時(shí)，懸絲2支撐的擺組件1發(fā)生偏移，從而使傳感器線圈5電感發(fā)生變化，通過振蕩器轉(zhuǎn)變成直流電壓信號，再通過力平衡回路的反饋激勵(lì)使擺線圈1處于平衡位置，加速度計(jì)工作原理框圖見圖1。

圖1 擺式力平衡加速度計(jì)結(jié)構(gòu)原理示意圖

2 初步故障定位

經(jīng)加速度計(jì)解剖分析，懸絲斷口送相關(guān)單位分析，結(jié)論大多為過載斷裂。

從加速度計(jì)的工作原理上分析 （原理結(jié)構(gòu)示意見圖1），這種加速度計(jì)是一種力反饋式的加速度計(jì)，它從上電到穩(wěn)定輸出的工作狀態(tài)可分為3種狀態(tài)[1]：非工作自由狀態(tài)、過渡過程狀態(tài)和穩(wěn)定輸出狀態(tài)。當(dāng)加速度計(jì)未通電時(shí)，懸絲擺組件處于非工作自由狀態(tài)；當(dāng)加速度計(jì)處于上電瞬間時(shí)，懸絲擺組件及伺服電路都處于過渡過程狀態(tài)；當(dāng)加速度計(jì)經(jīng)過過渡過程后，其內(nèi)部處于伺服穩(wěn)定輸出狀態(tài)。在自由狀態(tài)和過渡過程狀態(tài)，擺組件沒有進(jìn)入或沒有完全達(dá)到伺服的平衡狀態(tài)，所以容易受到外界大的碰撞、沖擊、振動過載的影響或上電瞬間較大電流的沖擊，而使支撐擺組件的懸絲受到損傷，甚至斷裂。因此，加速度計(jì)在處于非工作自由狀態(tài)、上電瞬間的過渡過程中，更容易發(fā)生故障；從以往發(fā)生故障的工位統(tǒng)計(jì)看，出現(xiàn)故障的概率在加計(jì)通電10 s開測時(shí)最高，這也恰好印證了以上的理論推測，上電過渡過程是分析的重點(diǎn)。因此本文從上電方式、 快速上電沖擊以及加速度計(jì)動態(tài)特性這幾個(gè)方面進(jìn)行研究分析。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 測試設(shè)備上電方式對加速度計(jì)輸出的影響

3.1.1 試驗(yàn)方法[3]

對三方加速度計(jì)測試設(shè)備上電方式及加速度計(jì)±15 V上電時(shí)間及加速度計(jì)輸出波形進(jìn)行監(jiān)測，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖2 加速度計(jì)輸出波形測試電氣連接示意圖

表1 XX所、XX廠、XX院加速度計(jì)測試設(shè)備上電及繼電器上電方式對比

3.1.2 上電測試結(jié)論

不同的上電方式對同一個(gè)加速度計(jì)的瞬間沖擊峰值的影響很大，給加速度計(jì)供電的±15 V上電時(shí)間越快，其輸出過渡過程的沖擊峰值也越大。

該型加速度計(jì)在1 g狀態(tài)下，正常輸出160 mV，滿量程50 g輸出為8.0 V。加速度計(jì)在我院測試設(shè)備快速上電瞬間沖擊峰值為6.5 V左右，相當(dāng)于上電瞬間加計(jì)的擺組件受到40～44 g左右的過載沖擊。根據(jù)試驗(yàn)程序統(tǒng)計(jì)，在慣測標(biāo)定過程中每只加速度計(jì)通電就有88次之多，上電過程中擺組件處于過渡過程狀態(tài)，也就是加速度計(jì)最不穩(wěn)定、最易受損的狀態(tài)。在這種過渡過程狀況下，加速度計(jì)擺組件受到88次40 g以上的反復(fù)大過載沖擊，大大超過C組試驗(yàn)中沖擊量級大小及次數(shù)多少的要求，在這種大過載的多次反復(fù)作用下，必將會對加速度計(jì)懸絲造成較大的內(nèi)部損傷，甚至斷裂。

這種分析及試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了這種快速上電造成的大過載沖擊和輸出振蕩是懸絲產(chǎn)生過載斷裂的主要原因之一。

3.2 不同帶寬的加速度計(jì)在相同上電方式下的輸出峰值比較

3.2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

在同一上電方式下，不同加速度計(jì)在過渡過程時(shí)的沖擊峰值大小不同，這與每個(gè)加速度計(jì)自身的帶寬有什么緊密的聯(lián)系？針對這個(gè)問題，挑選出數(shù)只加速度計(jì)先進(jìn)行了頻帶測試，按照圖2所示的接線方式進(jìn)行試驗(yàn)，對±15 V上電輸出波形進(jìn)行監(jiān)測。

3.2.2 測試結(jié)果

測試結(jié)果如表2、圖3所示。

表2 加計(jì)過渡過程輸出波形峰值對比表

圖3 加速度計(jì)常溫、高溫下上電瞬間波形

3.2.3 帶寬測試結(jié)論

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在相同的上電方式下，頻帶在150～190 Hz的加速度計(jì)，在快速上電的高溫狀態(tài)下振蕩嚴(yán)重，一般都在7～20次之多，瞬間沖擊峰值大部分在6.5～8 V，個(gè)別的高于8 V；而通頻帶在80～120 Hz的加速度計(jì)在快速上電的高溫狀態(tài)下則沒有多次振蕩現(xiàn)象，高低溫與常溫狀態(tài)瞬態(tài)波形基本一致，振蕩次數(shù)一般在2次，峰值都小于6.5 V。

通過以上事例和分析說明，通頻帶高的加速度計(jì)抗快速上電沖擊、抗環(huán)境溫度變化及抗其它干擾能力差，也就是說環(huán)境適應(yīng)能力差，易產(chǎn)生加速度計(jì)損傷。

3.3 懸絲斷裂故障的復(fù)現(xiàn)與驗(yàn)證

3.3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

為進(jìn)一步驗(yàn)證快速上電沖擊對加速度計(jì)輸出的影響，抓住加速度計(jì)無輸出故障前后的輸出波形的變化，對多只加速度計(jì)進(jìn)行反復(fù)通斷電試驗(yàn)，對其輸出波形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測記錄。另外，通過對比高頻帶加速度計(jì)和低頻帶加速度計(jì)的繼電器快速上電的波形來觀察其抗干擾能力的強(qiáng)弱，可靠性的高低。如圖4、5、6所示。

圖4 加速度計(jì)在慣測標(biāo)定設(shè)備多次通電試驗(yàn)后輸出波形出現(xiàn)異常 （Y向06-3-036#、Z向06-2-159#）

圖5 加速度計(jì)在慣測標(biāo)定設(shè)備多次通電試驗(yàn)后輸出波形，Z向加速度計(jì)輸出出現(xiàn)等幅振蕩，Y向加速度計(jì)輸出波形振蕩次數(shù)增多 （Y向06-3-036#、Z向06-2-159#）

圖6 加速度計(jì)在慣測標(biāo)定設(shè)備多次通電試驗(yàn)后輸出波形，Z向加速度計(jì)出現(xiàn)無輸出故障（Y向06-3-036#、 Z向 06-2-159#）

3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在慣測設(shè)備上試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)一只編號為06-2-159#的加速度計(jì) （頻帶為171 Hz）在通電30次后，首先出現(xiàn)振蕩次數(shù)增多，隨即出現(xiàn)等幅振蕩，緊接著出現(xiàn)無輸出故障，具體見圖4～6；另有一只06-3-036#的加速度計(jì) （頻帶為133 Hz）在通電300次后，也出現(xiàn)上電輸出過渡過程中超調(diào)次數(shù)增多的現(xiàn)象，但并未出現(xiàn)無輸出故障。

加速度計(jì)從上電瞬間到穩(wěn)定輸出是一個(gè)過渡過程。在其內(nèi)部穩(wěn)定回路還沒有達(dá)到伺服狀態(tài)的情況下，頻帶較寬的加速度計(jì)，容易受到外界干擾而混入新的極點(diǎn)，這個(gè)新極點(diǎn)將有可能破壞原來電路的相位裕度和幅值裕度[1]，從而影響負(fù)反饋放大電路的穩(wěn)定裕度，使電路可能產(chǎn)生自激振蕩，造成加速度計(jì)輸出的超調(diào)次數(shù)增多，甚至出現(xiàn)發(fā)散振蕩的現(xiàn)象，從而造成了加速度計(jì)懸絲的損傷甚至斷裂。

4 理論分析

通過以上的各種試驗(yàn)，分析得知：

a)不同上電方式對同一個(gè)加速度計(jì)的瞬間沖擊峰值的影響很大；給加速度計(jì)供電的±15 V上電時(shí)間越快，其輸出過渡過程的沖擊峰值越大，對加速度計(jì)的損傷也越大。

b)與加速度計(jì)相關(guān)的各種測試設(shè)備，在快速上電的多次大過載的反復(fù)沖擊下，是造成加速度計(jì)懸絲斷裂的重要原因之一。

c)由于各個(gè)加速度計(jì)的頻帶存在較大的差異，通頻帶高的加速度計(jì)，上電時(shí)過渡過程的振蕩次數(shù)較多，超調(diào)量 （瞬態(tài)輸出峰值）大，抗快速上電沖擊、抗環(huán)境溫度變化及抗其它干擾能力差，環(huán)境適應(yīng)能力差，這也是造成加速度計(jì)懸絲斷裂的原因之一；在文獻(xiàn)[2]中的有關(guān)動態(tài)特性及穩(wěn)定性分析的論述中，有一個(gè)原則，對于加速度計(jì)，上電時(shí)過渡過程的振蕩次數(shù)越少、時(shí)間越短、超調(diào)量 （瞬態(tài)輸出峰值）越小則越好，越不容易損壞加速度計(jì)或其它用電設(shè)備。因此，加嚴(yán)頻帶控制對于提高加速度計(jì)可靠性，降低懸絲斷裂故障率，起著非常重要的作用。

對以上3個(gè)因素，至少有兩個(gè)或兩個(gè)以上因素同時(shí)存在的共同作用下，方可造成加速度計(jì)懸絲損傷甚至斷裂。其中通頻帶偏高是造成懸絲斷裂的根本原因，而快速上電沖擊則是造成懸絲斷裂的最直接原因，也就是導(dǎo)火索?？梢酝ㄟ^在篩選中適當(dāng)?shù)卦黾由想姏_擊的方式來使個(gè)別懸絲存在缺陷的加速度計(jì)更早地暴露出來并將其剔除。

5 結(jié)束語

綜上所述，通過增強(qiáng)伺服電路模塊的頻帶篩選，統(tǒng)一上電方式以及增加上電篩選這些方式可有效地減少該類加速度計(jì)由懸絲斷裂引起的無輸出故障，可以大大降低懸絲斷裂的故障率、返修率。

[1] 何鐵春，周世勤.慣性導(dǎo)航加速度計(jì) [M].北京：國防工業(yè)出版社，1983.

[2] 孟慶明.自動控制原理 [M].北京：高等教育出版社，2008.