黨靜，余臻，劉宇

（1.空裝駐北京地區(qū)第四軍事代表室， 北京 100095；2.航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所， 北京 100095）

0 引言

懸絲支承結(jié)構(gòu)的單軸擺式加速度計(jì)，具有體積小、功耗低、靈敏度高、過(guò)載能力大、工作溫度范圍寬和抗振動(dòng)沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［1］，目前廣泛應(yīng)用在各類(lèi)慣導(dǎo)系統(tǒng)和飛控系統(tǒng)中，主要用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)載體坐標(biāo)系上的線加速度［2］，并通過(guò)慣導(dǎo)系統(tǒng)和飛控系統(tǒng)解算出運(yùn)動(dòng)載體的速度和位移等導(dǎo)航參數(shù)，實(shí)現(xiàn)精確制導(dǎo)和導(dǎo)航［3］。近幾年，隨著現(xiàn)代裝備可靠性水平的迅速提高，對(duì)加速度計(jì)在慣導(dǎo)系統(tǒng)和飛控系統(tǒng)的使用可靠性提出了更高要求［4］，因此，工程運(yùn)用中的加速度計(jì)故障問(wèn)題亟待解決。

不少學(xué)者針對(duì)加速度計(jì)的故障進(jìn)行分析研究，提出了相應(yīng)的解決方法。董浩森等人提出了對(duì)內(nèi)彈道加速度信號(hào)的誤差進(jìn)行優(yōu)化的方法［5］；張朋好等人針對(duì)懸絲支承擺式加速度計(jì)的輸出零位偏離問(wèn)題進(jìn)行研究，得出輸出零位偏離是由信號(hào)傳感器對(duì)稱(chēng)線圈發(fā)生形變導(dǎo)致的結(jié)論［6-7］；段然等人對(duì)單軸擺式加速度計(jì)懸絲斷裂進(jìn)行故障分析［8］。針對(duì)加速度計(jì)電壓輸出異常問(wèn)題，眾多學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)探究，但只停留在實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)上，未對(duì)相關(guān)故障分析進(jìn)行理論匯總。未見(jiàn)國(guó)內(nèi)對(duì)于這類(lèi)的輸出異常故障原因分析的報(bào)道。

在工程實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)某型單軸擺式加速度計(jì)電壓輸出異常情況。加速度計(jì)輸出電壓出現(xiàn)異常降低了加速度計(jì)在慣導(dǎo)系統(tǒng)和飛控系統(tǒng)的使用可靠性，對(duì)加速度計(jì)慣測(cè)可靠性造成了很大影響。本文對(duì)單軸擺式加速度計(jì)電壓輸出異常問(wèn)題研究，旨在提升加速度計(jì)在使用過(guò)程中的可靠性。

1 理論研究

加速度計(jì)是慣測(cè)組合中的重要元件之一，測(cè)量沿輸入軸向的線加速度，并輸出加速度信號(hào)，以用于慣導(dǎo)和飛控。某型加速度計(jì)的測(cè)量范圍為-50 g～+50 g，標(biāo)度因數(shù)為0.32 mA/g，輸出端外接500 Ω 的采樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，對(duì)應(yīng)的標(biāo)度因數(shù)為0.16 V/g。在某型單軸擺式加速度計(jì)進(jìn)行裝配試驗(yàn)時(shí)，發(fā)生一起電壓輸出異常的故障。通過(guò)表頭、電路互換分析，正常輸出電壓150～ 160 mV，異常輸出電壓小于5 mV。以下將通過(guò)相關(guān)理論分析，查找故障原因，進(jìn)而排除故障。

1.1 加速度計(jì)組成及原理

如圖1所示，在被測(cè)加速度作用下，慣性質(zhì)量塊繞懸絲產(chǎn)生擺動(dòng)，使與擺框架固聯(lián)的渦流片產(chǎn)生位移［9］，渦流片與兩個(gè)線圈的距離一個(gè)變近，一個(gè)變遠(yuǎn)。振蕩器電路塊產(chǎn)生的正弦信號(hào)施加到兩個(gè)線圈上，由于距離的差動(dòng)變化使得振蕩器電路中檢波電路輸出小信號(hào)，提供給放大器電路小信號(hào)，放大后輸出電流信號(hào)。該電流信號(hào)有兩個(gè)作用：一是作為反饋的再平衡電流，流經(jīng)力矩器使得渦流片始終處于平衡位置；二是作為加速度計(jì)的輸出電流信號(hào)，表征了輸入加速度的大小。

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

1.2 加速度計(jì)故障機(jī)理分析

振蕩器電路由穩(wěn)幅電路、LC 諧振電路、檢波輸出電路組成［10］，主要用于產(chǎn)生高頻正弦波信號(hào)并檢波輸出，同時(shí)為放大器電路提供輸入信號(hào)。如圖2所示，紅叉為金絲斷開(kāi)的位置。

圖2 振蕩器部分電路圖Fig.2 Oscillator circuit diagram

1）穩(wěn)幅電路

電路內(nèi)有振幅控制電路，穩(wěn)壓輸出6.2 V 供給后級(jí)電路。振幅控制電路通過(guò)二極管和電容電阻組成的振幅峰值檢測(cè)電路，把檢測(cè)的峰值與參考電壓進(jìn)行比較［11］，將其誤差電壓放大，并進(jìn)行積分。振幅控制電路的輸出連接到振蕩電路中，用來(lái)控制振蕩幅度。

2）LC諧振電路

三極管和選頻網(wǎng)絡(luò)組成三點(diǎn)式LC 振蕩電路［12］，頻率f= 1/（2πLC）。LC振蕩電路輸出為正弦波信號(hào)，在全溫工作范圍（-55～125 ℃）輸出頻率穩(wěn)定，輸出幅度一致性好。

3）檢波輸出電路

前級(jí)正弦波信號(hào)由電容耦合并通過(guò)兩負(fù)載線圈（夾具內(nèi)）輸入到檢波電路，然后由檢波電路將諧振正弦波信號(hào)變成脈動(dòng)直流信號(hào)輸出。在負(fù)載線圈和4 個(gè)二極管完全對(duì)稱(chēng)的情況下，輸出應(yīng)為0V。二極管D4 位于電路中第一級(jí)穩(wěn)幅電路中，由于失效形式為斷路，穩(wěn)幅電路無(wú)輸出，導(dǎo)致振蕩電路無(wú)輸出，從而造成加速度計(jì)無(wú)輸出。

實(shí)際測(cè)量中該加速度計(jì)電壓為2～5 mV，這與振蕩器電路殘留的微小電壓（μV 級(jí)）經(jīng)過(guò)放大器電路被放大1 000 倍左右以及放大器電路本身的漂移有關(guān)。

2 故障定位與分析

2.1 故障樹(shù)分析

根據(jù)該型加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，結(jié)合該產(chǎn)品出現(xiàn)的輸出異常，對(duì)可能造成輸出異常的各種因素進(jìn)行綜合分析，建立了該型加速度計(jì)電壓輸出異常故障樹(shù)，見(jiàn)圖3。

根據(jù)圖3 可知，共有8 個(gè)相互獨(dú)立的可能出現(xiàn)的故障原因，如表1所示，逐一對(duì)其進(jìn)行分析、排查［13］，定位實(shí)際故障。

表1 加速度計(jì)故障信息原因事件分析表Tab.1 Cause and event analysis of accelerometer fault Information

根據(jù)表1故障樹(shù)分析和排查，不能排除放大器電路、振蕩器電路出現(xiàn)故障導(dǎo)致該加速度計(jì)出現(xiàn)輸出異常的原因［14］。

2.1.1 放大器電路故障

針對(duì)可能存在的放大器電路故障問(wèn)題，拆下該加速度計(jì)的電路組件，安裝到同型號(hào)的另一支輸出正常的加速度計(jì)的底座進(jìn)行試驗(yàn)；并采用同型號(hào)的輸出正常的電路組件，安裝到該故障加速度計(jì)底座上，通電進(jìn)行試驗(yàn)。

交換電路組件試驗(yàn)表明：裝配了故障加速度計(jì)的電路組件輸出在0 V 附近，輸出值異常；故障加速度計(jì)底座與輸出正常的電路組件裝配后+1 g輸出160 mV左右，輸出值正常。

通過(guò)交換電路組件試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加速度計(jì)輸出異常故障原因與該加速度計(jì)底座無(wú)關(guān)。因此確定故障原因?yàn)樵摷铀俣扔?jì)的放大器電路組件異常。

2.1.2 振蕩器電路故障

針對(duì)可能存在的振蕩器電路故障問(wèn)題，通過(guò)交換電路組件，確定加速度計(jì)輸出異常的原因在于該加速度計(jì)裝配的振蕩器電路組件異常。

將放大器電路故障問(wèn)題與振蕩器電路故障問(wèn)題進(jìn)行匯總，放大器及振蕩器電路組件返回廠家作進(jìn)一步排查，結(jié)果確定為振蕩器電路故障引發(fā)的加速度計(jì)輸出電壓出現(xiàn)異常。

2.2 電路故障分析

2.2.1 振蕩電路故障定位

根據(jù)振蕩器電路詳細(xì)規(guī)范電性能相關(guān)要求，對(duì)故障電路進(jìn)行常溫電性能測(cè)試，電路無(wú)輸出。

對(duì)故障電路進(jìn)行X射線檢查，發(fā)現(xiàn)振蕩電路內(nèi)部二極管D4（1N4148）上鍵合金絲第一鍵合點(diǎn)根部斷開(kāi)，如圖4所示。

圖4 振蕩電路X射線照片F(xiàn)ig.4 X-ray photographs of oscillating circuits

拆蓋后在顯微鏡下目檢，進(jìn)一步驗(yàn)證了X射線檢查結(jié)果并確定了此處不僅斷開(kāi)而且發(fā)生了偏移，如圖5所示。

圖5 振蕩電路內(nèi)部目檢金絲斷開(kāi)圖Fig.5 Internal visual inspection of gold wire disconnection diagram in oscillation circuit

從X射線檢查、電特性測(cè)試和內(nèi)部目檢結(jié)果均可知振蕩電路無(wú)輸出的原因?yàn)镈4 二極管芯片金絲斷開(kāi)。金絲斷開(kāi)導(dǎo)致該振蕩器電路塊功能失效（無(wú)輸出），從而導(dǎo)致加速度計(jì)輸出異常。

2.2.2 振蕩電路故障分析

經(jīng)過(guò)振蕩器電路排查分析，故障電路在封殼前的多余物清除過(guò)程中，使用鑷子夾出多余物時(shí)觸碰到內(nèi)部二極管D4 金絲，導(dǎo)致其倒伏。發(fā)現(xiàn)二極管D4 位置在目檢清除多余物時(shí)被觸碰倒伏，對(duì)倒伏的二極管D4 處金絲進(jìn)行了扶正，并進(jìn)行了非破壞性拉力試驗(yàn)（2.4 g ± 0.3 g）和外觀目檢。

金絲經(jīng)過(guò)第二次非破壞性鍵合拉力檢驗(yàn)和外觀目檢均合格，但可能根部有微損傷。分析發(fā)現(xiàn)在金絲扶正過(guò)程中，對(duì)金絲根部造成了輕微損傷，疑似損傷根部，見(jiàn)圖6（電鏡分析結(jié)果，紅色區(qū)域?yàn)楦渴軗p區(qū)）。進(jìn)一步對(duì)該電路進(jìn)行后續(xù)環(huán)境及機(jī)械應(yīng)力試驗(yàn)，金絲根部受損程度加深，使得金絲發(fā)生疲勞斷裂，導(dǎo)致該電路功能失效（無(wú)輸出），進(jìn)而導(dǎo)致加速度計(jì)輸出異常。

圖6 故障金絲斷開(kāi)處斷面圖Fig.6 Cross section diagram of the broken gold wire

3 電路金絲斷裂機(jī)理分析

對(duì)金絲進(jìn)行失效分析發(fā)現(xiàn)，鍵合絲斷裂原因是由于受到交變應(yīng)力作用產(chǎn)生疲勞斷裂。

故障電路二極管D4 使用的是直徑25 μm 的金絲鍵合，鍵合時(shí)，劈刀端頭的金絲在高電流作用下形成金球，金球在鍵合過(guò)程中，會(huì)隨著劈刀壓到芯片焊盤(pán)上。根據(jù)圖7所示，劈刀內(nèi)部形狀會(huì)導(dǎo)致壓到焊盤(pán)上的金球呈現(xiàn)臺(tái)階狀態(tài)。若金絲受損，金絲會(huì)在最薄弱位置先縮頸，即圖7（b）中的A位置。受損的金絲重新進(jìn)行非破壞性拉力試驗(yàn)后，受到二次應(yīng)力作用，受損程度加深，此現(xiàn)象和斷面分析結(jié)果一致。

圖7 劈刀內(nèi)部與金球臺(tái)階狀態(tài)圖Fig.7 Diagram of the interior of cleaver and the golden ball step state

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與措施

將故障電路的斷裂金絲去除后，重新鍵合1根新金絲，該振蕩器電路塊功能正常。將重新鍵合好金絲的振蕩電路，以及與之配套的放大器電路，重新裝回該加速度計(jì)底座，上電測(cè)得+1 g 輸出為159.76 mV，-1 g 輸出為-159.73 mV，輸出值正常。在觀測(cè)的時(shí)間期限內(nèi)，電路和加速度計(jì)均未再出現(xiàn)類(lèi)似的故障。

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，振蕩器電路中的D4 二極管正極金絲斷裂為電路故障的原因，也是加速度計(jì)輸出異常（輸出為0V）的原因。

改進(jìn)措施：對(duì)于所有變形的金絲，均不允許采取任何方式進(jìn)行修正，需將金絲拔除后重新進(jìn)行復(fù)合鍵合返工。

5 結(jié)論

單軸擺式加速度計(jì)輸出異常的故障分析是一個(gè)切實(shí)解決工程運(yùn)用問(wèn)題的方法，對(duì)其進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。文章提出了新的觀點(diǎn)：振蕩器電路中D4 二極管正極金絲斷裂為電路故障的原因。對(duì)單軸擺式加速度計(jì)輸出異常進(jìn)行故障分析，目的在于及時(shí)針對(duì)性采取糾正措施，對(duì)提升加速度計(jì)在慣導(dǎo)系統(tǒng)和飛控系統(tǒng)的使用可靠性具有重要意義。

本研究歸納出可能出現(xiàn)的故障原因，進(jìn)行故障樹(shù)分析，理清故障原因，更加快速準(zhǔn)確地找到故障點(diǎn)，對(duì)故障電路故障原因進(jìn)行定位。在理論研究中，融入加速度計(jì)組成及原理與加速度計(jì)故障機(jī)理分析，有效結(jié)合電路金絲斷裂機(jī)理分析方法，進(jìn)行試驗(yàn)和改進(jìn)措施驗(yàn)證，可得出如下層層遞進(jìn)的結(jié)論：

1） 振蕩器電路中的D4 二極管正極金絲斷裂為電路故障的原因，也是加速度計(jì)輸出異常的故障原因。

2） 振蕩器電路二極管D4 金絲斷開(kāi)的原因：先是多余物清理過(guò)程中，造成二極管D4 金絲倒伏；接著金絲扶正時(shí)，對(duì)金絲根部造成輕微損傷；之后在電路試驗(yàn)和裝機(jī)過(guò)程中，在交變應(yīng)力的作用下，金絲根部損傷不斷加??；最終金絲發(fā)生疲勞斷裂。

3） 針對(duì)變形的金絲，將金絲拔除后重新進(jìn)行復(fù)合鍵合返工，可從根本上提升加速度計(jì)輸出可靠性。