石英加速度計(jì)故障機(jī)理研究與仿真建模驗(yàn)證

張 陽，何曉霞，黨建軍

(西安航天精密機(jī)電研究所，西安710100)

0 引言

石英加速度計(jì)是利用牛頓第二定律(慣性定律)測量加速度的慣性導(dǎo)航器件，可以應(yīng)用于武器以及太空微重力、重力梯度儀等重力測量[1]。國外對石英加速度計(jì)的研究較早，已經(jīng)形成較為完善的技術(shù)體系[2-3]。目前，國內(nèi)石英加速度計(jì)隨著武器型號環(huán)境試驗(yàn)的多樣性，加速度計(jì)故障問題出現(xiàn)的越來越多。目前對石英加速度計(jì)故障分析較為單一，故障模式與故障機(jī)理的研究不夠深入，相關(guān)文獻(xiàn)較少，沒有形成石英加速度計(jì)故障的系統(tǒng)理論，特別是缺乏故障與其現(xiàn)象的一一對應(yīng)關(guān)系[4-6]。已經(jīng)難以滿足武器型號對加速度計(jì)故障定位方法提出的要求，石英加速度計(jì)的故障理論體系的完善已經(jīng)迫在眉睫。

為建立石英加速度計(jì)的故障原理理論體系，本文從石英加速度計(jì)的原理上得出了加速計(jì)理論上可能出現(xiàn)的故障模式，并用對應(yīng)仿真模擬試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而識別加速度計(jì)每種故障下對應(yīng)的測試指標(biāo)數(shù)據(jù)。

1 故障理論分析

1.1 加速度計(jì)工作原理

加速度計(jì)擺片的擺舌和粘接在其上的一對力矩器線圈構(gòu)成了加速度計(jì)的檢測質(zhì)量擺，當(dāng)沿加速度計(jì)輸入軸方向有加速度傳入時(shí)，檢測質(zhì)量擺會在慣性作用下繞撓性樞軸做偏擺運(yùn)動偏離平衡位置。加速度計(jì)上的差動電容傳感器輸出一個(gè)差動電容，差動電容檢測器相應(yīng)的轉(zhuǎn)換為一定量電流值，再經(jīng)過積分放大電路形成平衡力矩電流。力矩器線圈處于磁鋼產(chǎn)生的穩(wěn)定磁場中，當(dāng)線圈中通過平衡力矩電流時(shí)會產(chǎn)生電磁力，作用于檢測質(zhì)量擺上形成平衡力矩，平衡力矩的大小與慣性力矩相等，方向相反，檢測質(zhì)量擺在平衡力矩的作用下回到平衡位置，完成檢測閉環(huán)[7]，具體原理如圖1所示。

圖1 加速度計(jì)工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of accelerometer

1.2 加速度計(jì)結(jié)構(gòu)原理

如圖2所示，加速度計(jì)由上下力矩器、擺組件、伺服電路等部件組成，其中，擺組件為關(guān)鍵部件。目前石英擺片有梁上鍍金以及梁上焊接金絲兩種方式來構(gòu)成傳感器回路與力矩器回路[8]，一般加速度計(jì)的電氣接口如圖3所示。

圖2 加速度計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of accelerometer

圖3 加速度計(jì)接線定義圖Fig.3 Accelerometer wiring definition diagram

1.3 數(shù)學(xué)模型建立

加速度計(jì)工作的系統(tǒng)方塊圖如圖4所示，首先計(jì)算傳感器運(yùn)動模型方程如下：

圖4 加速度計(jì)系統(tǒng)方塊圖Fig.4 Block diagram of accelerometer system

(1)

式中：ξ為電容極板之間介質(zhì)的介電常數(shù)；δ0為極板之間間距；S為極板面積。

當(dāng)加速度計(jì)感受到輸入加速度時(shí)，擺組件上下移動，上下電容變化為一個(gè)增大，一個(gè)減小。設(shè)石英擺組件向正方向移動時(shí)，此時(shí)電容變化量如下公式所示[9]：

(2)

(3)

若位移量Δδ很小，且Δδ≤δ0，上面兩式可按級數(shù)展開為：

(4)

(5)

差動電容位置信號傳感器的輸出為：

(6)

(7)

石英撓性加速度計(jì)的輸出模型為[10]：

(8)

式中，ΔC為電容的變化量；kC為電容靈敏度；δ0為電容極板的初始間距；C0為電容極板的初始電容量；LP為輸出軸至線圈中心軸的距離；P為擺組件擺性；Kl為擺組件剛度。

將式(7)帶入式(8)得加速度計(jì)輸出隨本體結(jié)構(gòu)參數(shù)與電氣參數(shù)變化的變化為：

(9)

1.4 典型故障理論研究

根據(jù)加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)原理以及工作原理，加速度計(jì)的故障主要來源于加速度計(jì)內(nèi)部傳感器回路的開路與短路、力矩器回路的開路與短路、外部測試通道的開路與短路，具體故障模式可達(dá)20多種。

外部故障較易排除，現(xiàn)在對內(nèi)部典型故障分析如下：

1)傳感器正端開路故障機(jī)理

傳感器正端對應(yīng)金層脫落、金絲開路、表芯接線開路等情況，都會造成傳感器正端回路開路，根據(jù)電容計(jì)算式(1)可得傳感器正負(fù)向變化情況為：

(10)

當(dāng)傳感器正端斷開，相當(dāng)于δ+逼近+∞，帶入式(10)，可得正端電容變化量為：

C+∈0

(11)

將式(11)帶入式(10)得傳感器差動電容為：

(12)

由式(12)得，傳感器正端開路時(shí)，伺服電路電容檢測器檢測到恒定值的負(fù)向電容信號，正向電容的缺失造成反饋系統(tǒng)“失調(diào)”而造成負(fù)向反饋達(dá)到系統(tǒng)輸出的最大值，即伺服回路反饋電流i-最大，輸出負(fù)飽和。

2)傳感器負(fù)端開路故障機(jī)理

傳感器負(fù)端對應(yīng)金層脫落、金絲開路、表芯接線開路等情況，會造成傳感器負(fù)端回路開路.

由式(12)類推，傳感器負(fù)端開路時(shí)，伺服電路電容檢測器檢測到恒定值的正向電容信號，負(fù)向電容的缺失造成反饋系統(tǒng)“失調(diào)”而造成正向反饋達(dá)到系統(tǒng)輸出的最大值，即伺服回路反饋電流i+最大，輸出正飽和。

3)傳感器正端與地導(dǎo)通故障機(jī)理

存在金屬多余物、表芯接線柱變形等原因可能造成傳感器與地導(dǎo)通。

當(dāng)傳感器正端與地短路時(shí)，即δ+∈0，帶入式(10)得

(13)

由式(13)可得，此時(shí)差動電容為正無窮大，伺服電路電容檢測器檢測到正向無窮大電容，故伺服回路反饋電流i+正無窮大，輸出正飽和。靜態(tài)消耗電流I+輸出為極大值。

4)傳感器負(fù)端與地導(dǎo)通故障機(jī)理

存在金屬多余物、表芯接線柱變形等原因，可能造成傳感器與地導(dǎo)通[12]。

當(dāng)傳感器負(fù)端與地短路時(shí)，即δ-∈0，帶入式(10)得

(14)

由式(14)可得，此時(shí)差動電容為負(fù)無窮大，伺服電路電容檢測器檢測到負(fù)向無窮大電容，伺服回路反饋電流i-正無窮大，輸出負(fù)飽和。靜態(tài)消耗電流i-輸出為極大值。

5)力矩器正端開路故障機(jī)理

當(dāng)加速度計(jì)力矩器正端開路時(shí)，加速度系統(tǒng)處于開路狀態(tài)，±1g下加速計(jì)輸出基本為零。

6)力矩器負(fù)端開路故障機(jī)理

當(dāng)加速度計(jì)力矩器負(fù)端開路時(shí)，加速度系統(tǒng)處于開路狀態(tài)，故±1g下加速計(jì)輸出基本為零。

7)力矩器負(fù)端與地短路故障機(jī)理

如圖5所示，當(dāng)力-與地短路時(shí)，實(shí)際上，加速度計(jì)回路功能是正常狀態(tài)，即輸出應(yīng)該是正常值。但是由于采樣電阻被短路，表觀上沒有輸出，所以數(shù)字表顯示為零。

圖5 采樣電阻短路示意圖Fig.5 Short circuit diagram of sampling resistance

8)力矩器正端與地短路故障機(jī)理

當(dāng)力矩器高端與地短路時(shí)，力矩器繞組也被短路，如圖6所示，反饋電路不經(jīng)過力矩器，所以力矩器失去電彈簧的作用，擺片敏感重力處于“一邊倒”的狀態(tài)，即+1g輸出為正飽和，同時(shí)靜態(tài)電流I+為極大值；-1g輸出為負(fù)飽和，同時(shí)靜態(tài)電流I-為極大值。但是由于采樣電阻也被短路，所以表觀上，數(shù)字表無輸出，只是+1g或者-1g下靜態(tài)電流I+≥100 mA或者I-≥100 mA。

圖6 采樣電阻與力矩器短路示意圖Fig.6 Short circuit diagram of sampling resistor and torquer

9)力矩器高端與低端短路故障機(jī)理

如圖7所示，當(dāng)力+與力-短路時(shí)，力矩器被短路，電流沒有經(jīng)過力矩器線圈[11]。此時(shí)沒有洛倫茲力，即“電彈簧”作用消失，擺片無反饋而“一邊倒”。當(dāng)加速度計(jì)處于+1g時(shí)，擺片倒向上力矩器而輸出最大正飽和，同時(shí)靜態(tài)電流I+為極大值。當(dāng)加速度計(jì)處于-1g時(shí)，擺片倒向下力矩器而輸出最大負(fù)飽和，同時(shí)靜態(tài)電流I-為極大值[12-16]。

圖7 力矩器線圈短路示意圖Fig.7 short circuit diagram of torquer coil

2 加速度計(jì)故障仿真模擬試驗(yàn)

為了進(jìn)行加速度計(jì)故障仿真驗(yàn)證試驗(yàn)，根據(jù)加速度計(jì)的工作原理、結(jié)構(gòu)原理以及電氣特性，改裝待試驗(yàn)加速度計(jì)的本體特性以及電氣特性。具體如圖8所示，首先改裝待試驗(yàn)加速度計(jì)如圖8的“output”部分，引出5根信號轉(zhuǎn)接電纜；然后改裝HB309電路如圖8的“input”部分，用于輸出信號的測試。

圖8 加速度計(jì)故障模擬系統(tǒng)線路圖Fig.8 Circuit diagram of accelerometer fault simulation system

通過圖8所示的“output”部分的5根輸入信號以及“input”部分的5根輸出信號，可用于模擬仿真加速度計(jì)的全故障模式。

每一步故障模擬試驗(yàn)完成后，恢復(fù)正確的接線模式，檢測加速度計(jì)功能，需正常，再進(jìn)行下一步的故障模式驗(yàn)證模擬。

3 加速度計(jì)故障樹狀圖

根據(jù)前面的故障原理分析以及仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，形成如圖9所示的加速度計(jì)故障樹狀圖。

圖9列舉了加速度計(jì)的主要的內(nèi)部故障，根據(jù)加速度計(jì)在+1g與-1g下的輸出值可以首先對加速度計(jì)進(jìn)行歸類，定位屬于傳感器故障或者力矩器故障，再結(jié)合表1中的靜態(tài)電流特征情況，進(jìn)一步對故障定位。

表1 加速度計(jì)故障仿真模擬試驗(yàn)結(jié)果

圖9 加速度計(jì)故障樹狀圖Fig.9 Accelerometer fault tree

4 加速度計(jì)故障快速定位

step1. 傳橋與力橋回路檢測

對于輸出異常的加速度計(jì)，可以在不通電的情況下，用歐姆表測試力+與力-電阻R12、+1g下傳+與地導(dǎo)通C85、傳-與地絕緣性C75∞以及-1g下傳-與地導(dǎo)通C75與傳-與地絕緣性C85∞，用于確定傳橋與力橋的回路性能，確定開路或者短路。

step2. ±1g加速度計(jì)輸出

然后通電測試±1g加速度計(jì)輸出以及靜態(tài)電流I+或者I-，參考附表的故障模擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步確認(rèn)故障位置。

step3. 表芯與伺服功能檢測

可以用短接伺服的方法進(jìn)一步確定表芯功能；通過±9 V檢測、傳感器激勵(lì)波檢測以及后級放大器波形檢測判斷伺服故障位置[17](此3項(xiàng)檢測非包絡(luò)檢測)。

5 結(jié)論

通過分析加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)與工作原理，總結(jié)出加速度計(jì)理論上的故障模式以及對應(yīng)的故障現(xiàn)象。加速度計(jì)的故障現(xiàn)象有如下特點(diǎn)：1)傳+與地的短路、傳-的開路都會引起正方向電容無窮大，由于正負(fù)方向“差動電容”原理，會使得正反饋無窮大，進(jìn)而輸出正飽和；2)傳-與地的短路、傳+的開路都會引起負(fù)方向電容無窮大，由于正負(fù)方向“差動電容”原理，會使得負(fù)反饋無窮大，進(jìn)而輸出負(fù)飽和；3)力矩器回路的開路，加速度計(jì)在+1g輸出為負(fù)極小值，I+輸出偏大；-1g輸出為正極小值，靜態(tài)電流I-偏大；4)加速度計(jì)輸出正飽和，對應(yīng)I+也會輸出極大值；加速度計(jì)輸出負(fù)飽和，對應(yīng)I-也會輸出極大值，即正負(fù)飽和與靜態(tài)電流(I+、I-)有對應(yīng)關(guān)系。

加速度計(jì)的每種故障模式都與±1g輸出、I+、I-建立的映射關(guān)系，通過故障表現(xiàn)指標(biāo)可以迅速定位故障原因，進(jìn)而快速消除故障，改善整機(jī)的生存適應(yīng)性以及機(jī)動性。