沈曉兵，王 勇，賈 乾，孫 亮，葉 宏，楊 進(jìn)

（1.空軍預(yù)警學(xué)院雷達(dá)士官學(xué)校，湖北 武漢 430019；2.93110部隊(duì)，北京 100843）

線加速度傳感器是飛行器上的重要元件，在對(duì)某飛行器進(jìn)行修理時(shí)，在故檢測(cè)試階段出現(xiàn)故障參數(shù)，對(duì)飛行器進(jìn)行排查，憑經(jīng)驗(yàn)逐步縮小排查范圍、逐個(gè)換件[1]，最終確定故障器件為線加速度傳感器。該線加速度傳感器為進(jìn)口型器件，價(jià)格貴，參考資料少，缺乏測(cè)試指標(biāo)，按照飛行器整體測(cè)試要求，判斷該傳感器故障的測(cè)試僅針對(duì)其在某個(gè)特定的輸入值（加速度值）下進(jìn)行，這對(duì)于具有較寬線性區(qū)間的加速度計(jì)的測(cè)試是不全面的[2]，有一定概率犯第二類錯(cuò)誤[3]（將故障傳感器判定為合格傳感器），因此需要對(duì)該傳感器進(jìn)行更全面的測(cè)試，以確定飛行器測(cè)試時(shí)出現(xiàn)故障參數(shù)是傳感器故障導(dǎo)致的。為解決傳感器故障判定問(wèn)題，首先對(duì)該傳感器進(jìn)行解剖和結(jié)構(gòu)研究，繪制內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖并分析其工作原理。在此基礎(chǔ)上研究該傳感器的測(cè)試電路和測(cè)試方法，然后采集、分析傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)，根據(jù)該傳感器工作原理確定測(cè)試數(shù)據(jù)線性化方法，從而判定出故障的傳感器。

1 線加速度傳感器工作原理分析

1.1 傳感器引腳定義

線加速度傳感器如圖1所示，其在飛行器中的主要作用為測(cè)量飛行器沿三個(gè)坐標(biāo)軸的線加速度，其測(cè)量的加速度方向已標(biāo)于傳感器上。

圖1 線加速度傳感器

其對(duì)外接口如圖2所示。

圖2 引腳標(biāo)號(hào)

接口定義見(jiàn)表1。表1中已知3、4、5、6引腳的定義和作用，1、2雖然已知為測(cè)試輸入，但輸入的測(cè)試信號(hào)的形式未知。

表1 引腳定義

1.2 傳感器結(jié)構(gòu)解剖及分析

對(duì)故障傳感器進(jìn)行分解，如圖3所示，傳感器由信號(hào)調(diào)理電路、感應(yīng)傳感器、力矩傳感器線圈、永久磁鐵、慣性質(zhì)量塊等組成。信號(hào)調(diào)理電路主要用于對(duì)傳感器從輸入量到輸出電信號(hào)的轉(zhuǎn)換、處理，輸出為適合傳輸、記錄或者能更好滿足后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備或裝置要求的信號(hào)[4]。慣性質(zhì)量塊感知其測(cè)量方向的線加速度，并轉(zhuǎn)換成與加速度相關(guān)的相對(duì)位移和力矩。感應(yīng)傳感器用來(lái)測(cè)量并轉(zhuǎn)換因加速度引起的慣性質(zhì)量塊和傳感器的相對(duì)位移。永久磁鐵和力矩傳感器線圈相互作用，平衡慣性質(zhì)量塊和傳感器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

圖3 線加速度傳感器分解圖

根據(jù)圖3繪制傳感器的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。各引腳的定義已在表1中給出。

圖4 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

假設(shè)飛行器沿Z軸做加速運(yùn)動(dòng)，加速度為a，則慣性質(zhì)量塊M沿Z軸有一個(gè)相對(duì)位移，并產(chǎn)生沿Y軸的慣性力矩MY，慣性質(zhì)量塊偏離原平衡位置。顯然MY與加速度a成正比，相對(duì)位移方向與加速度方向相反。這時(shí)：

式中KM為力矩MY相對(duì)加速度的傳遞系數(shù)。由于慣性質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)，感應(yīng)傳感器L5—L10中產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流輸出至放大器并轉(zhuǎn)換成直流電流，此電流與MY成正比。電流經(jīng)采樣電阻兩端(3，6)輸出電壓U。

式中K0為輸出電壓U相對(duì)力矩MY的傳遞系數(shù)，K為輸出電壓U相對(duì)加速度a的傳遞系數(shù)。同時(shí)，該電流輸出至力矩傳感器，在線圈L1、L2中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)與永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，使永久磁鐵沿與慣性質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)相反的方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)慣性質(zhì)量塊的位移反饋，使慣性質(zhì)量塊趨向于平衡位置。

2 線加速度傳感器測(cè)試

根據(jù)上文分析的線加速度傳感器的工作機(jī)理，選擇4個(gè)飛行器對(duì)其傳感器（編號(hào)aa、bb、cc、dd）進(jìn)行測(cè)試（其中一個(gè)為線加速度傳感器有故障的飛行器），將飛行器固定于轉(zhuǎn)臺(tái)上，并連接電路，如圖5所示，利用重力模擬傳感器感知加速度，對(duì)加速度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。在圖5用電壓表測(cè)量傳感器的輸出。隨著轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，電壓表測(cè)量的傳感器輸出也隨之變化，根據(jù)電壓表的測(cè)量電壓，可以采集到線加速度傳感器在過(guò)載為-g～+g時(shí)的對(duì)應(yīng)輸出電壓。

圖5 試驗(yàn)電路

將飛行器在轉(zhuǎn)臺(tái)上按照刻度指示，從-165°旋轉(zhuǎn)至180°，每旋轉(zhuǎn)15°記錄傳感器的輸出電壓測(cè)量值，將測(cè)量值進(jìn)行記錄，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)結(jié)果 單位：V

(續(xù)表)

3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

3.1 測(cè)試數(shù)據(jù)繪圖

在采集到傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)后，因?yàn)闆](méi)有參考資料和測(cè)試依據(jù)可以證明傳感器測(cè)試結(jié)果的合格范圍，且測(cè)試結(jié)果從圖表中看比較雜亂，無(wú)法直接看出傳感器是否發(fā)生故障，只能對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，繪制輸出電壓與輸入角度的關(guān)系曲線，X軸對(duì)應(yīng)輸入角度θ，Y軸對(duì)應(yīng)輸出電壓U。如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集結(jié)果

從圖6中可以看出：

（1）傳感器aa、bb、dd隨輸入角度增加，輸出電壓先減?。ㄝ斎虢嵌仍?165°～-150°時(shí)）再增加至最大值（輸入角度在-150°～45°時(shí)），然后再開(kāi)始減?。ㄝ斎虢嵌仍?5°～180°時(shí)）。

（2）傳感器aa、bb、dd的特性曲線比較平滑，沒(méi)有出現(xiàn)數(shù)據(jù)大幅度跳躍的情況。

（3）傳感器cc的特性曲線相對(duì)其他3個(gè)傳感器出現(xiàn)了較大的數(shù)據(jù)跳躍，明顯異常。

（4）傳感器aa、bb、dd的特性曲線與余弦特性曲線近似。

3.2 基于線性化處理傳感器故障判定

根據(jù)圖6初步猜測(cè)編號(hào)為cc的傳感器發(fā)生故障（在對(duì)飛行器總體進(jìn)行測(cè)試時(shí)，cc傳感器對(duì)應(yīng)的飛行器確實(shí)發(fā)生了故障）。根據(jù)上述第4條，對(duì)于正常的傳感器，根據(jù)圖7假設(shè)輸出電壓U與輸入角度θ存在余弦關(guān)系，即：

圖7 線加速度傳感器測(cè)量示意圖

為了進(jìn)一步對(duì)線加速度傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，按照公式(3)對(duì)傳感器的輸出電壓與輸入角度進(jìn)行線性化處理，并繪制曲線，如圖8所示。進(jìn)行線性化處理后aa、bb、dd三個(gè)傳感器的輸入與輸出都呈線性關(guān)系，且可以計(jì)算出k的范圍為0.160～0.167，b的范圍為0.109～0.180，只有cc傳感器不是線性關(guān)系，表明cc傳感器出現(xiàn)故障。

圖8 線性化處理

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某型線加速度傳感器進(jìn)行測(cè)試，得到了在過(guò)載為-g～+g范圍內(nèi)的輸出電壓與輸入加速度的關(guān)系。通過(guò)線性化處理，能夠直觀地判定并分離出故障的線加速度傳感器（編號(hào)為cc）。該方法可以將飛行器安裝在測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)上直接實(shí)現(xiàn)（實(shí)際測(cè)試時(shí)飛行器也安裝在測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)），無(wú)需外加復(fù)雜測(cè)試設(shè)備，方法簡(jiǎn)單，可以作為一種排故手段。該方法的測(cè)試數(shù)據(jù)是通過(guò)在轉(zhuǎn)臺(tái)上旋轉(zhuǎn)飛行器獲得的，由于傳感器的測(cè)量范圍顯然超過(guò)-g～+g，后續(xù)將研究采用更豐富的測(cè)試手段對(duì)傳感器在-g～+g范圍外的加速度進(jìn)行檢測(cè)，判斷傳感器是否出現(xiàn)故障。