加速度計(jì)懸絲斷裂失效分析及工藝控制

劉愛國(guó)，張紅波，劉德林，毛玉鵬

(1.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽(yáng)471009;2.中國(guó)人民解放軍駐中航工業(yè)導(dǎo)彈院軍事代表室，河南洛陽(yáng)471009;3.北京航空材料研究院中航工業(yè)失效分析中心，北京100095)

0 引言

慣性導(dǎo)航加速度計(jì)是慣導(dǎo)系統(tǒng)的關(guān)鍵元件之一，用來(lái)測(cè)量運(yùn)載體的加速度值。以此為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)解算還可以得到運(yùn)載體的速度與距離參數(shù)。加速度計(jì)被廣泛地用于火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)、空間飛行器、艦船等的慣導(dǎo)系統(tǒng)。擺式加速度計(jì)能夠承受較大的加速度，有較寬的量程和較高的精度;因此，該類型的加速度計(jì)一直在各國(guó)的彈道導(dǎo)彈中占據(jù)著重要位置［1］。

某型加速度計(jì)是某重點(diǎn)型號(hào)導(dǎo)彈的關(guān)鍵器件，在使用Fluke187型萬(wàn)用表測(cè)試靜態(tài)電阻過(guò)程中，陸續(xù)出現(xiàn)4只加速度計(jì)懸絲斷裂故障，經(jīng)失效分析確認(rèn)為過(guò)載斷裂。故障定位過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，使用Fluke187型萬(wàn)用表測(cè)試加速度計(jì)擺線圈電阻時(shí)，加速度計(jì)發(fā)出“咔噠”聲。對(duì)加速度計(jì)的開蓋測(cè)試，發(fā)現(xiàn)使用Fluke187型萬(wàn)用表測(cè)試加速度計(jì)擺線圈電阻時(shí)存在擺線圈滿偏、打擺現(xiàn)象。使用Fluke17B型萬(wàn)用表測(cè)試加速度計(jì)擺線圈電阻時(shí)不存在擺線圈滿偏、打擺現(xiàn)象。本研究通過(guò)分析該型加速度計(jì)工作原理，理論計(jì)算、分析測(cè)試影響，定位懸絲斷裂失效原因，并制定相應(yīng)的工藝控制措施。

1 加速度計(jì)組成及工作原理

加速度計(jì)組成如圖1所示。由慣性擺、懸絲、永磁鐵組成電磁力矩傳感器，慣性擺是加速度計(jì)的敏感元件，在慣性擺上剛性地固定著渦流片。由2個(gè)具有相同電感量的對(duì)稱的線圈組成角位置傳感器，按推挽差動(dòng)線路連接在變換器上。渦流片剛性固定在慣性擺上，并且放置在線圈之間。

圖1 加速度計(jì)組成及工作原理Fig.1 Schematic diagram of accelerometer

在沒有加速度作用時(shí)，渦流片處于線圈的中間，在平衡狀態(tài)，線圈的對(duì)稱性不受破壞，變換器的輸出沒有直流電壓。

當(dāng)線性加速度作用到慣性擺上時(shí)，使它離開平衡位置，產(chǎn)生力矩，即

式中:Mg為作用的慣性力矩;m為慣性擺的質(zhì)量;a為作用的加速度;r為從懸絲到慣性擺質(zhì)量中心的距離。

渦流片與慣性擺一起移動(dòng)，這時(shí)線圈的對(duì)稱性被破壞，改變了它的電感量和Q值。在Mg力矩的作用下，慣性擺的偏轉(zhuǎn)變換成了(通過(guò)加速度計(jì)的角度傳感器)直流電信號(hào)。從變換器出來(lái)的信號(hào)加到放大器上，被放大的信號(hào)又以直流形式加到慣性擺。沿著慣性擺里的電流與永磁鐵的磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生反作用力矩Mp，它阻礙擺錘相對(duì)平衡位置的偏離，即

式中:B為永磁鐵在空氣間隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度;W為慣性擺線圈的圈數(shù);Lp為慣性擺的平均長(zhǎng)度;I為慣性擺線圈的電流;r'為電彈簧的作用力臂。

這個(gè)量值說(shuō)明加速度計(jì)的電流特性，稱其為加速度計(jì)的刻度系數(shù)。將電阻與框架線圈串接時(shí)，得到與加速度成正比的直流電流信號(hào)［2］。

加電測(cè)試前應(yīng)對(duì)2段懸絲之間的線圈電阻進(jìn)行測(cè)試，應(yīng)為185 ～235 Ω。

在平衡狀態(tài)(r=r')時(shí)，Mg=Mp，即

2 失效分析

加速計(jì)的懸絲材料為Pt－Ag合金(w(Pt)=75%、w(Ag)=25%)，橫截面為矩形:71 μm × (7～10)μm。

故障發(fā)生后，對(duì)故障加速度計(jì)懸絲進(jìn)行了失效分析，確認(rèn)均為過(guò)載斷裂。檢查4只故障加速度計(jì)的試驗(yàn)履歷發(fā)現(xiàn)，該4只加速度計(jì)在靜態(tài)電阻測(cè)試之前未經(jīng)任何測(cè)試，靜態(tài)電阻測(cè)試形成了懸絲斷裂的直接原因。分析測(cè)試用的Fluke187型萬(wàn)用表發(fā)現(xiàn):使用該型號(hào)的萬(wàn)用表進(jìn)行靜態(tài)電阻測(cè)試，加速度計(jì)存在慣性擺滿偏、線圈撞擊渦流片的現(xiàn)象，測(cè)試時(shí)發(fā)出的“咔噠”聲。

2.1 Fluke187型萬(wàn)用表說(shuō)明

加速度計(jì)靜態(tài)電阻測(cè)試采用了Fluke187型萬(wàn)用表自動(dòng)電阻檔測(cè)試，該表采用恒流模式測(cè)試。查看該表技術(shù)說(shuō)明書，不同檔位典型電流見表1。

表1 Fluke187型萬(wàn)用表參數(shù)Table 1 Parameters of Fluke187 multimeter

加速度計(jì)擺線圈之間電阻為200 Ω左右(要求值為185～235 Ω)，故測(cè)試時(shí)加在加速度計(jì)線圈上的電流為1 mA，線圈壓降為0.2 V左右。

2.2 擺線圈電應(yīng)力分析

在Fluke187型萬(wàn)用表自動(dòng)電阻檔測(cè)試速度計(jì)(工藝件)擺線圈靜態(tài)電阻的過(guò)程中，用示波器觀察加速度計(jì)擺線圈在上電過(guò)程中的電壓變化。

電阻測(cè)試過(guò)程中加速度計(jì)擺線圈的電壓變化如圖2所示。

圖2 擺線圈的電壓變化Fig.2 Voltage of coil

Fluke187讀數(shù)為209.2 Ω，從圖2中可以看到:加速度計(jì)擺線圈在電阻測(cè)試時(shí)電壓為234 mV，約200 μs后幅度為0(應(yīng)為 Fluke187更換檔位所致)，又約200 μs后穩(wěn)定在234 mV(換算成電流約為1.12 mA)，遠(yuǎn)小于16 mA的輸出量程，排除了懸絲因過(guò)流損傷造成斷裂失效的可能。

2.2 擺線圈機(jī)械應(yīng)力分析

加速度計(jì)擺線圈結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 磁場(chǎng)中擺線圈受力示意Fig.3 Stress of coil in magnetic field

磁場(chǎng)中的通電導(dǎo)線所受到的力［4］為

力矩為

式中:N為線圈匝數(shù)，N=100;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;I為電流;L1為導(dǎo)線長(zhǎng)度，L1=10 mm;L2為力臂，L2=8 mm;θ為線圈法線與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間夾角(由于線圈擺動(dòng)角度很小，計(jì)算時(shí)可以認(rèn)為θ=90°)。

根據(jù)試驗(yàn)，當(dāng)輸入線圈的電流為0.345 mA時(shí)，線圈處于水平穩(wěn)定狀態(tài)(擺狀態(tài))。此時(shí)線圈重力力矩與安培力力矩大小相等，方向相反，即

式中:m為線圈質(zhì)量，m=3.7×10－2g。計(jì)算得B=0.5255 T。

門狀態(tài)輸入線圈電流I與線圈瞬時(shí)加速度a關(guān)系為:

輸入電流 I=1 mA，a=33.34 m/s2(3.4 g)。

擺狀態(tài)輸入線圈電流I與線圈瞬時(shí)加速度a關(guān)系為:

輸入相同電流，擺狀態(tài)線圈加速度小于門狀態(tài)線圈加速度，故只分析門狀態(tài)。采用Fluke187型萬(wàn)用表自動(dòng)電阻檔測(cè)試加速度計(jì)靜態(tài)電阻時(shí)，線圈會(huì)以最大3.4 g的過(guò)載撞擊限位的渦流片，并發(fā)出因撞擊發(fā)出的“咔噠”聲。

綜上所述，使用Fluke187型萬(wàn)用表測(cè)試加速度計(jì)擺線圈電阻時(shí)，由于安培力的作用，加速度計(jì)擺線圈發(fā)生滿偏打擺現(xiàn)象，懸絲在較大的沖擊載荷作用下發(fā)生過(guò)載斷裂。

3 工藝控制措施

為避免因電阻測(cè)試對(duì)該型加速度計(jì)的影響，應(yīng)盡量減小電阻測(cè)試時(shí)的電流輸入，可以采用恒壓測(cè)試原理的萬(wàn)用表。Fluke17B型萬(wàn)用表采用恒壓原理測(cè)試電阻，通過(guò)測(cè)試被測(cè)電阻的電壓與恒壓源電壓比較，計(jì)算出被測(cè)電阻阻值。查看說(shuō)明書，恒壓源電壓為0.35 V，輸出阻抗為5 kΩ。

測(cè)試加速度計(jì)擺線圈電阻時(shí)(典型電阻值為220 Ω)，線圈電壓約為14.7 mV，線圈電流約為67 μA。計(jì)算得出擺線圈受到0.21 g的電磁力作用，不能克服1 g的重力作用，擺線圈處于靜止?fàn)顟B(tài)，不存在擺線圈滿偏、打擺現(xiàn)象。

測(cè)試擺線圈的萬(wàn)用表由原來(lái)的Fluke187型改為恒壓測(cè)試原理的Fluke17B型，擺線圈滿偏、線圈撞擊渦流片現(xiàn)象消失，避免了測(cè)試電阻時(shí)對(duì)懸絲產(chǎn)生較大的沖擊載荷。經(jīng)過(guò)近千只加速度計(jì)電阻測(cè)試的驗(yàn)證，未發(fā)生懸絲斷裂故障。

4 結(jié)論

理論計(jì)算和測(cè)試結(jié)果表明:

1)采用恒流原理萬(wàn)用表測(cè)試靜態(tài)電阻時(shí)，加速度計(jì)擺線圈發(fā)生滿偏打擺現(xiàn)象，導(dǎo)致懸絲承受較大的沖擊載荷是懸絲斷裂的原因。

2)通過(guò)采用恒壓原理萬(wàn)用表測(cè)試靜態(tài)電阻，消除了線圈滿偏打擺現(xiàn)象，有效地避免了懸絲的過(guò)載沖擊。經(jīng)過(guò)近千只加速度計(jì)電阻測(cè)試的驗(yàn)證，未發(fā)生懸絲斷裂故障，驗(yàn)證了該故障定位準(zhǔn)確、工藝控制措施有效。

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