段然

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471000）

0 引言

單軸擺式伺服線加速度計是慣導系統(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，敏感導彈在飛行過程中3個彈體坐標軸方向的過載或加速度[1]。單軸擺式伺服線加速度計利用閉環(huán)系統(tǒng)的負反饋原理[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，是加速度計的關(guān)鍵零件，同時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無輸出，因此，對加速度計的懸絲進行失效分析并采取預防措施具有十分重大的意義。

1 單軸擺式加速度計的基本工作原理

為了便于對單軸擺式加速度計故障進行具體的描述，將加速度計的工作原理，作一簡單的介紹：當外加速度a時，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使擺線圈1處于平衡位置，加速度計工作原理框圖見圖1。

圖1 擺式力平衡加速度計結(jié)構(gòu)原理示意圖

2 初步故障定位

經(jīng)加速度計解剖分析，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），這種加速度計是一種力反饋式的加速度計，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)。當加速度計未通電時，懸絲擺組件處于非工作自由狀態(tài)；當加速度計處于上電瞬間時，懸絲擺組件及伺服電路都處于過渡過程狀態(tài)；當加速度計經(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)，擺組件沒有進入或沒有完全達到伺服的平衡狀態(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)計看，出現(xiàn)故障的概率在加計通電10 s開測時最高，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。因此本文從上電方式、 快速上電沖擊以及加速度計動態(tài)特性這幾個方面進行研究分析。

3 實驗驗證

3.1 測試設備上電方式對加速度計輸出的影響

3.1.1 試驗方法[3]

對三方加速度計測試設備上電方式及加速度計±15 V上電時間及加速度計輸出波形進行監(jiān)測，試驗結(jié)果見表1。

圖2 加速度計輸出波形測試電氣連接示意圖

表1 XX所、XX廠、XX院加速度計測試設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加速度計的瞬間沖擊峰值的影響很大，給加速度計供電的±15 V上電時間越快，其輸出過渡過程的沖擊峰值也越大。

該型加速度計在1 g狀態(tài)下，正常輸出160 mV，滿量程50 g輸出為8.0 V。加速度計在我院測試設備快速上電瞬間沖擊峰值為6.5 V左右，相當于上電瞬間加計的擺組件受到40～44 g左右的過載沖擊。根據(jù)試驗程序統(tǒng)計，在慣測標定過程中每只加速度計通電就有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，加速度計擺組件受到88次40 g以上的反復大過載沖擊，大大超過C組試驗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作用下，必將會對加速度計懸絲造成較大的內(nèi)部損傷，甚至斷裂。

這種分析及試驗，進一步驗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在相同上電方式下的輸出峰值比較

3.2.1 試驗目的

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

3.2.2 測試結(jié)果

測試結(jié)果如表2、圖3所示。

表2 加計過渡過程輸出波形峰值對比表

圖3 加速度計常溫、高溫下上電瞬間波形

3.2.3 帶寬測試結(jié)論

試驗中發(fā)現(xiàn)在相同的上電方式下，頻帶在150～190 Hz的加速度計，在快速上電的高溫狀態(tài)下振蕩嚴重，一般都在7～20次之多，瞬間沖擊峰值大部分在6.5～8 V，個別的高于8 V；而通頻帶在80～120 Hz的加速度計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)境適應能力差，易產(chǎn)生加速度計損傷。

3.3 懸絲斷裂故障的復現(xiàn)與驗證

3.3.1 試驗目的

為進一步驗證快速上電沖擊對加速度計輸出的影響，抓住加速度計無輸出故障前后的輸出波形的變化，對多只加速度計進行反復通斷電試驗，對其輸出波形進行實時監(jiān)測記錄。另外，通過對比高頻帶加速度計和低頻帶加速度計的繼電器快速上電的波形來觀察其抗干擾能力的強弱，可靠性的高低。如圖4、5、6所示。

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

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

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

3.3.2 試驗結(jié)果及分析

在慣測設備上試驗時，發(fā)現(xiàn)一只編號為06-2-159#的加速度計 （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 （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。

加速度計從上電瞬間到穩(wěn)定輸出是一個過渡過程。在其內(nèi)部穩(wěn)定回路還沒有達到伺服狀態(tài)的情況下，頻帶較寬的加速度計，容易受到外界干擾而混入新的極點，這個新極點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懸絲的損傷甚至斷裂。

4 理論分析

通過以上的各種試驗，分析得知：

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

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

c)由于各個加速度計的頻帶存在較大的差異，通頻帶高的加速度計，上電時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)境適應能力差，這也是造成加速度計懸絲斷裂的原因之一；在文獻[2]中的有關(guān)動態(tài)特性及穩(wěn)定性分析的論述中，有一個原則，對于加速度計，上電時過渡過程的振蕩次數(shù)越少、時間越短、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或其它用電設備。因此，加嚴頻帶控制對于提高加速度計可靠性，降低懸絲斷裂故障率，起著非常重要的作用。

對以上3個因素，至少有兩個或兩個以上因素同時存在的共同作用下，方可造成加速度計懸絲損傷甚至斷裂。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，也就是導火索?？梢酝ㄟ^在篩選中適當?shù)卦黾由想姏_擊的方式來使個別懸絲存在缺陷的加速度計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.慣性導航加速度計 [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.