過載傳感器隨機(jī)振動試驗數(shù)據(jù)分析

楊經(jīng)宇 李瑞

中國電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所 黑龍江哈爾濱 150001

1 過載傳感器簡介

技術(shù)指標(biāo)[1]：量程：±8g；靈敏度：（0.522±0.02）V/g；零點輸出：（0.722±0.05）V；限幅電壓：±5V；頻率響應(yīng)為（0-10）Hz，20Hz衰減50dB。

組成單元：傳感器的敏感芯體為電容式加速度計[2]，量程為±10g，供電電壓為+5V，零位輸出為2.5V，靈敏度為0.2V/g；AD620儀表放大電路，供電電壓為±10V；濾波電路[3]由5個二階巴特沃茲濾波器組成。

工作原理：傳感器選用的加速度計用于感受加速度信號（包括振動和過載），通過儀表放大器（AD620）放大處理并調(diào)零，使輸出滿足零點輸出及靈敏度要求，再將信號接入濾波器進(jìn)行濾波，輸出（0-10）Hz的過載信號。

2 故障描述

高頻隨機(jī)振動試驗條件如下：頻率范圍：（20-2000）Hz；總均方根值：21g。傳感器處于+1g狀態(tài)（平行于重力加速度方向）安裝。

傳感器試驗前與試驗中輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，出現(xiàn)明顯的負(fù)向偏移，并且輸出變化幅度可達(dá)0.5V。

3 故障分析

3.1 故障定位

濾波器為電路的最終組件單元，濾波器輸出信號異常（有負(fù)向偏移），則表示濾波器輸入信號中有大于10Hz且正向限幅的信號。若出現(xiàn)此情況，則有以下兩種事件的可能性：

事件a：加速度計輸出正向限幅。因加速度計可感受振動信號，測試環(huán)境存在頻率大于10Hz的振動信號，且信號較大時，可能導(dǎo)致加速度計輸出限幅。此信號通過放大后輸入濾波器，可導(dǎo)致濾波器直流輸出偏移。加速度計輸出的正向限幅信號經(jīng)過后續(xù)濾波則可能導(dǎo)致最終輸出向負(fù)向偏移。

事件b：放大器AD620輸出正向限幅。放大電路AD620供電電壓為±10V，傳感器為+1g工作狀態(tài)。如加速度計輸出信號足夠大，可導(dǎo)致AD620正向限幅，而經(jīng)過后續(xù)濾波則可能導(dǎo)致最終輸出向負(fù)向偏移。

3.2 機(jī)理分析

3.2.1 加速度計輸出正向限幅故障機(jī)理

因傳感器使用的加速度計量程為±10g，供電電源為+5V，加速度計零位輸出為2.5V，靈敏度為0.2V/g，傳感器為+1g的安裝狀態(tài)，直流輸出值為2.7V。此時信號正向工作范圍為5V-2.7V=2.3V；負(fù)向工作范圍為2.7V；即此時加速度計正向輸出信號達(dá)到5V時輸出位（5-2.7）/0.2=11.5g，負(fù)向輸出0V時加速度計輸出值為（0-2.7）/0.2=-13.5g。當(dāng)施加信號大于±11.5g時，加速度計輸出正向限幅。此時經(jīng)過AD620，信號經(jīng)等比放大后，波形保持不變（因為放大器設(shè)計余量16.85g大于加速度計設(shè)計余量11.5g），再經(jīng)低通濾波器，會將大于20Hz的信號濾除。但因信號正向限幅削波，濾波器在濾波過程中會將信號的平均值疊加入直流輸出中，從而導(dǎo)致傳感器直流輸出發(fā)生負(fù)向偏移。

3.2.2 放大器AD620輸出正向限幅故障機(jī)理

假如加速度計輸出正常對稱波形，在放大器AD620中，+1g時直流輸出為1.244V，靈敏度為0.522V/g，供電電壓為±10V。此時AD620輸出10V時輸出信號加速度值為（10-1.244）/0.522=16.77g，輸出為-10V時加速度值為（-10-1.244）/0.522=-21.54g，即當(dāng)AD620中振動信號大于16.77g時輸出正向限幅?？偩礁鶠?1g的高頻隨機(jī)振動試驗中極可能包絡(luò)16.77g及以上的低頻振動信號[4]，所以放大器AD620輸出限幅導(dǎo)致傳感器最終輸出異常的可能性不可排除。

4 改進(jìn)方案

（1）更換加速度計量程。選用量程為±30g的加速度計，以保證傳感器在其工作、振動環(huán)境內(nèi)不發(fā)生限幅。

（2）調(diào)整電路順序，使加速度計輸出先通過低通濾波器進(jìn)行濾波，然后再通過AD620放大，以防止放大器輸入信號限幅。

（3）改進(jìn)方案的試驗驗證。經(jīng)改進(jìn)后，過載傳感器重新進(jìn)行隨機(jī)振動試驗，改進(jìn)前失效數(shù)據(jù)與改進(jìn)后采集數(shù)據(jù)結(jié)果見圖1。

圖1 改進(jìn)前后高頻隨機(jī)振動中傳感器輸出電壓

改進(jìn)后高頻振動試驗中過載傳感器輸出不存在明顯偏移現(xiàn)象，試驗前與試驗中數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，輸出變化范圍不大于40mV。過載傳感器滿足了設(shè)計指標(biāo)的要求。

5 結(jié)語

在過載傳感器設(shè)計階段，應(yīng)重點關(guān)注加速度計（敏感芯體）的量程選取，不僅要滿足產(chǎn)品的設(shè)計指標(biāo)，還應(yīng)考慮產(chǎn)品的工作、試驗環(huán)境是否存在高于設(shè)計指標(biāo)的可能性，比如隨機(jī)振動試驗條件中是否包絡(luò)高于工作指標(biāo)的低頻正弦信號。應(yīng)考慮采用先濾波、后放大的電路功能順序，以免因敏感芯體的輸出異常先經(jīng)過放大發(fā)生限幅，而后濾波器無法完全濾除限幅信號，最終導(dǎo)致傳感器輸出異常的現(xiàn)象。