張 陽，何曉霞，黨建軍

(西安航天精密機電研究所，西安710100)

0 引言

石英加速度計是利用牛頓第二定律(慣性定律)測量加速度的慣性導航器件，可以應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的研究較早，已經(jīng)形成較為完善的技術體系[2-3]。目前，國內(nèi)石英加速度計隨著武器型號環(huán)境試驗的多樣性，加速度計故障問題出現(xiàn)的越來越多。目前對石英加速度計故障分析較為單一，故障模式與故障機理的研究不夠深入，相關文獻較少，沒有形成石英加速度計故障的系統(tǒng)理論，特別是缺乏故障與其現(xiàn)象的一一對應關系[4-6]。已經(jīng)難以滿足武器型號對加速度計故障定位方法提出的要求，石英加速度計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的故障原理理論體系，本文從石英加速度計的原理上得出了加速計理論上可能出現(xiàn)的故障模式，并用對應仿真模擬試驗進行驗證，進而識別加速度計每種故障下對應的測試指標數(shù)據(jù)。

1 故障理論分析

1.1 加速度計工作原理

加速度計擺片的擺舌和粘接在其上的一對力矩器線圈構成了加速度計的檢測質量擺，當沿加速度計輸入軸方向有加速度傳入時，檢測質量擺會在慣性作用下繞撓性樞軸做偏擺運動偏離平衡位置。加速度計上的差動電容傳感器輸出一個差動電容，差動電容檢測器相應的轉換為一定量電流值，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，當線圈中通過平衡力矩電流時會產(chǎn)生電磁力，作用于檢測質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 加速度計工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of accelerometer

1.2 加速度計結構原理

如圖2所示，加速度計由上下力矩器、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成傳感器回路與力矩器回路[8]，一般加速度計的電氣接口如圖3所示。

圖2 加速度計結構圖Fig.2 Structure diagram of accelerometer

圖3 加速度計接線定義圖Fig.3 Accelerometer wiring definition diagram

1.3 數(shù)學模型建立

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

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

(1)

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

當加速度計感受到輸入加速度時，擺組件上下移動，上下電容變化為一個增大，一個減小。設石英擺組件向正方向移動時，此時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)得加速度計輸出隨本體結構參數(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)加速度計的結構原理以及工作原理，加速度計的故障主要來源于加速度計內(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理

傳感器正端對應金層脫落、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)電容計算式(1)可得傳感器正負向變化情況為：

(10)

當傳感器正端斷開，相當于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，伺服電路電容檢測器檢測到恒定值的負向電容信號，正向電容的缺失造成反饋系統(tǒng)“失調”而造成負向反饋達到系統(tǒng)輸出的最大值，即伺服回路反饋電流i-最大，輸出負飽和。

2)傳感器負端開路故障機理

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

由式(12)類推，傳感器負端開路時，伺服電路電容檢測器檢測到恒定值的正向電容信號，負向電容的缺失造成反饋系統(tǒng)“失調”而造成正向反饋達到系統(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)傳感器正端與地導通故障機理

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通。

當傳感器正端與地短路時，即δ+∈0，帶入式(10)得

(13)

由式(13)可得，此時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)傳感器負端與地導通故障機理

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通[12]。

當傳感器負端與地短路時，即δ-∈0，帶入式(10)得

(14)

由式(14)可得，此時差動電容為負無窮大，伺服電路電容檢測器檢測到負向無窮大電容，伺服回路反饋電流i-正無窮大，輸出負飽和。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理

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

6)力矩器負端開路故障機理

當加速度計力矩器負端開路時，加速度系統(tǒng)處于開路狀態(tài)，故±1g下加速計輸出基本為零。

7)力矩器負端與地短路故障機理

如圖5所示，當力-與地短路時，實際上，加速度計回路功能是正常狀態(tài)，即輸出應該是正常值。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理

當力矩器高端與地短路時，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，同時靜態(tài)電流I+為極大值；-1g輸出為負飽和，同時靜態(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理

如圖7所示，當力+與力-短路時，力矩器被短路，電流沒有經(jīng)過力矩器線圈[11]。此時沒有洛倫茲力，即“電彈簧”作用消失，擺片無反饋而“一邊倒”。當加速度計處于+1g時，擺片倒向上力矩器而輸出最大正飽和，同時靜態(tài)電流I+為極大值。當加速度計處于-1g時，擺片倒向下力矩器而輸出最大負飽和，同時靜態(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 加速度計故障仿真模擬試驗

為了進行加速度計故障仿真驗證試驗，根據(jù)加速度計的工作原理、結構原理以及電氣特性，改裝待試驗加速度計的本體特性以及電氣特性。具體如圖8所示，首先改裝待試驗加速度計如圖8的“output”部分，引出5根信號轉接電纜；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的全故障模式。

每一步故障模擬試驗完成后，恢復正確的接線模式，檢測加速度計功能，需正常，再進行下一步的故障模式驗證模擬。

3 加速度計故障樹狀圖

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

圖9列舉了加速度計的主要的內(nèi)部故障，根據(jù)加速度計在+1g與-1g下的輸出值可以首先對加速度計進行歸類，定位屬于傳感器故障或者力矩器故障，再結合表1中的靜態(tài)電流特征情況，進一步對故障定位。

表1 加速度計故障仿真模擬試驗結果

圖9 加速度計故障樹狀圖Fig.9 Accelerometer fault tree

4 加速度計故障快速定位

step1. 傳橋與力橋回路檢測

對于輸出異常的加速度計，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+與地導通C85、傳-與地絕緣性C75∞以及-1g下傳-與地導通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加速度計輸出

然后通電測試±1g加速度計輸出以及靜態(tài)電流I+或者I-，參考附表的故障模擬試驗結果進一步確認故障位置。

step3. 表芯與伺服功能檢測

可以用短接伺服的方法進一步確定表芯功能；通過±9 V檢測、傳感器激勵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項檢測非包絡檢測)。

5 結論

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

加速度計的每種故障模式都與±1g輸出、I+、I-建立的映射關系，通過故障表現(xiàn)指標可以迅速定位故障原因，進而快速消除故障，改善整機的生存適應性以及機動性。