段然

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471000）

0 引言

单轴摆式伺服线加速度计是惯导系统中最重要的元件之一，用来测量沿其输入轴作用的常值和低频加速度，敏感导弹在飞行过程中3个弹体坐标轴方向的过载或加速度[1]。单轴摆式伺服线加速度计利用闭环系统的负反馈原理[2]把检测质量悬浮在其结构的某一固定位置上，用来支撑检测质量的是一根极细微的、穿过装有特制阻尼硅油玻璃管的铂银丝，俗称悬丝。悬丝作为敏感线圈的支撑，是加速度计的关键零件，同时也是最易失效的零件，一旦发生失效就将会造成加速度计无输出，因此，对加速度计的悬丝进行失效分析并采取预防措施具有十分重大的意义。

1 单轴摆式加速度计的基本工作原理

为了便于对单轴摆式加速度计故障进行具体的描述，将加速度计的工作原理，作一简单的介绍：当外加速度a时，悬丝2支撑的摆组件1发生偏移，从而使传感器线圈5电感发生变化，通过振荡器转变成直流电压信号，再通过力平衡回路的反馈激励使摆线圈1处于平衡位置，加速度计工作原理框图见图1。

图1 摆式力平衡加速度计结构原理示意图

2 初步故障定位

经加速度计解剖分析，悬丝断口送相关单位分析，结论大多为过载断裂。

从加速度计的工作原理上分析 （原理结构示意见图1），这种加速度计是一种力反馈式的加速度计，它从上电到稳定输出的工作状态可分为3种状态[1]：非工作自由状态、过渡过程状态和稳定输出状态。当加速度计未通电时，悬丝摆组件处于非工作自由状态；当加速度计处于上电瞬间时，悬丝摆组件及伺服电路都处于过渡过程状态；当加速度计经过过渡过程后，其内部处于伺服稳定输出状态。在自由状态和过渡过程状态，摆组件没有进入或没有完全达到伺服的平衡状态，所以容易受到外界大的碰撞、冲击、振动过载的影响或上电瞬间较大电流的冲击，而使支撑摆组件的悬丝受到损伤，甚至断裂。因此，加速度计在处于非工作自由状态、上电瞬间的过渡过程中，更容易发生故障；从以往发生故障的工位统计看，出现故障的概率在加计通电10 s开测时最高，这也恰好印证了以上的理论推测，上电过渡过程是分析的重点。因此本文从上电方式、 快速上电冲击以及加速度计动态特性这几个方面进行研究分析。

3 实验验证

3.1 测试设备上电方式对加速度计输出的影响

3.1.1 试验方法[3]

对三方加速度计测试设备上电方式及加速度计±15 V上电时间及加速度计输出波形进行监测，试验结果见表1。

图2 加速度计输出波形测试电气连接示意图

表1 XX所、XX厂、XX院加速度计测试设备上电及继电器上电方式对比

3.1.2 上电测试结论

不同的上电方式对同一个加速度计的瞬间冲击峰值的影响很大，给加速度计供电的±15 V上电时间越快，其输出过渡过程的冲击峰值也越大。

该型加速度计在1 g状态下，正常输出160 mV，满量程50 g输出为8.0 V。加速度计在我院测试设备快速上电瞬间冲击峰值为6.5 V左右，相当于上电瞬间加计的摆组件受到40～44 g左右的过载冲击。根据试验程序统计，在惯测标定过程中每只加速度计通电就有88次之多，上电过程中摆组件处于过渡过程状态，也就是加速度计最不稳定、最易受损的状态。在这种过渡过程状况下，加速度计摆组件受到88次40 g以上的反复大过载冲击，大大超过C组试验中冲击量级大小及次数多少的要求，在这种大过载的多次反复作用下，必将会对加速度计悬丝造成较大的内部损伤，甚至断裂。

这种分析及试验，进一步验证了这种快速上电造成的大过载冲击和输出振荡是悬丝产生过载断裂的主要原因之一。

3.2 不同带宽的加速度计在相同上电方式下的输出峰值比较

3.2.1 试验目的

在同一上电方式下，不同加速度计在过渡过程时的冲击峰值大小不同，这与每个加速度计自身的带宽有什么紧密的联系？针对这个问题，挑选出数只加速度计先进行了频带测试，按照图2所示的接线方式进行试验，对±15 V上电输出波形进行监测。

3.2.2 测试结果

测试结果如表2、图3所示。

表2 加计过渡过程输出波形峰值对比表

图3 加速度计常温、高温下上电瞬间波形

3.2.3 带宽测试结论

试验中发现在相同的上电方式下，频带在150～190 Hz的加速度计，在快速上电的高温状态下振荡严重，一般都在7～20次之多，瞬间冲击峰值大部分在6.5～8 V，个别的高于8 V；而通频带在80～120 Hz的加速度计在快速上电的高温状态下则没有多次振荡现象，高低温与常温状态瞬态波形基本一致，振荡次数一般在2次，峰值都小于6.5 V。

通过以上事例和分析说明，通频带高的加速度计抗快速上电冲击、抗环境温度变化及抗其它干扰能力差，也就是说环境适应能力差，易产生加速度计损伤。

3.3 悬丝断裂故障的复现与验证

3.3.1 试验目的

为进一步验证快速上电冲击对加速度计输出的影响，抓住加速度计无输出故障前后的输出波形的变化，对多只加速度计进行反复通断电试验，对其输出波形进行实时监测记录。另外，通过对比高频带加速度计和低频带加速度计的继电器快速上电的波形来观察其抗干扰能力的强弱，可靠性的高低。如图4、5、6所示。

图4 加速度计在惯测标定设备多次通电试验后输出波形出现异常 （Y向06-3-036#、Z向06-2-159#）

图5 加速度计在惯测标定设备多次通电试验后输出波形，Z向加速度计输出出现等幅振荡，Y向加速度计输出波形振荡次数增多 （Y向06-3-036#、Z向06-2-159#）

图6 加速度计在惯测标定设备多次通电试验后输出波形，Z向加速度计出现无输出故障（Y向06-3-036#、 Z向 06-2-159#）

3.3.2 试验结果及分析

在惯测设备上试验时，发现一只编号为06-2-159#的加速度计 （频带为171 Hz）在通电30次后，首先出现振荡次数增多，随即出现等幅振荡，紧接着出现无输出故障，具体见图4～6；另有一只06-3-036#的加速度计 （频带为133 Hz）在通电300次后，也出现上电输出过渡过程中超调次数增多的现象，但并未出现无输出故障。

加速度计从上电瞬间到稳定输出是一个过渡过程。在其内部稳定回路还没有达到伺服状态的情况下，频带较宽的加速度计，容易受到外界干扰而混入新的极点，这个新极点将有可能破坏原来电路的相位裕度和幅值裕度[1]，从而影响负反馈放大电路的稳定裕度，使电路可能产生自激振荡，造成加速度计输出的超调次数增多，甚至出现发散振荡的现象，从而造成了加速度计悬丝的损伤甚至断裂。

4 理论分析

通过以上的各种试验，分析得知：

a)不同上电方式对同一个加速度计的瞬间冲击峰值的影响很大；给加速度计供电的±15 V上电时间越快，其输出过渡过程的冲击峰值越大，对加速度计的损伤也越大。

b)与加速度计相关的各种测试设备，在快速上电的多次大过载的反复冲击下，是造成加速度计悬丝断裂的重要原因之一。

c)由于各个加速度计的频带存在较大的差异，通频带高的加速度计，上电时过渡过程的振荡次数较多，超调量 （瞬态输出峰值）大，抗快速上电冲击、抗环境温度变化及抗其它干扰能力差，环境适应能力差，这也是造成加速度计悬丝断裂的原因之一；在文献[2]中的有关动态特性及稳定性分析的论述中，有一个原则，对于加速度计，上电时过渡过程的振荡次数越少、时间越短、超调量 （瞬态输出峰值）越小则越好，越不容易损坏加速度计或其它用电设备。因此，加严频带控制对于提高加速度计可靠性，降低悬丝断裂故障率，起着非常重要的作用。

对以上3个因素，至少有两个或两个以上因素同时存在的共同作用下，方可造成加速度计悬丝损伤甚至断裂。其中通频带偏高是造成悬丝断裂的根本原因，而快速上电冲击则是造成悬丝断裂的最直接原因，也就是导火索。可以通过在筛选中适当地增加上电冲击的方式来使个别悬丝存在缺陷的加速度计更早地暴露出来并将其剔除。

5 结束语

综上所述，通过增强伺服电路模块的频带筛选，统一上电方式以及增加上电筛选这些方式可有效地减少该类加速度计由悬丝断裂引起的无输出故障，可以大大降低悬丝断裂的故障率、返修率。

[1] 何铁春，周世勤.惯性导航加速度计 [M].北京：国防工业出版社，1983.

[2] 孟庆明.自动控制原理 [M].北京：高等教育出版社，2008.