加速度計懸絲斷裂失效分析及工藝控制

劉愛國，張紅波，劉德林，毛玉鵬

(1.中國空空導彈研究院，河南洛陽471009;2.中國人民解放軍駐中航工業導彈院軍事代表室，河南洛陽471009;3.北京航空材料研究院中航工業失效分析中心，北京100095)

0 引言

慣性導航加速度計是慣導系統的關鍵元件之一，用來測量運載體的加速度值。以此為基礎，經過解算還可以得到運載體的速度與距離參數。加速度計被廣泛地用于火箭、導彈、飛機、空間飛行器、艦船等的慣導系統。擺式加速度計能夠承受較大的加速度，有較寬的量程和較高的精度;因此，該類型的加速度計一直在各國的彈道導彈中占據著重要位置［1］。

某型加速度計是某重點型號導彈的關鍵器件，在使用Fluke187型萬用表測試靜態電阻過程中，陸續出現4只加速度計懸絲斷裂故障，經失效分析確認為過載斷裂。故障定位過程中發現，使用Fluke187型萬用表測試加速度計擺線圈電阻時，加速度計發出“咔噠”聲。對加速度計的開蓋測試，發現使用Fluke187型萬用表測試加速度計擺線圈電阻時存在擺線圈滿偏、打擺現象。使用Fluke17B型萬用表測試加速度計擺線圈電阻時不存在擺線圈滿偏、打擺現象。本研究通過分析該型加速度計工作原理，理論計算、分析測試影響，定位懸絲斷裂失效原因，并制定相應的工藝控制措施。

1 加速度計組成及工作原理

加速度計組成如圖1所示。由慣性擺、懸絲、永磁鐵組成電磁力矩傳感器，慣性擺是加速度計的敏感元件，在慣性擺上剛性地固定著渦流片。由2個具有相同電感量的對稱的線圈組成角位置傳感器，按推挽差動線路連接在變換器上。渦流片剛性固定在慣性擺上，并且放置在線圈之間。

圖1 加速度計組成及工作原理Fig.1 Schematic diagram of accelerometer

在沒有加速度作用時，渦流片處于線圈的中間，在平衡狀態，線圈的對稱性不受破壞，變換器的輸出沒有直流電壓。

當線性加速度作用到慣性擺上時，使它離開平衡位置，產生力矩，即

式中:Mg為作用的慣性力矩;m為慣性擺的質量;a為作用的加速度;r為從懸絲到慣性擺質量中心的距離。

渦流片與慣性擺一起移動，這時線圈的對稱性被破壞，改變了它的電感量和Q值。在Mg力矩的作用下，慣性擺的偏轉變換成了(通過加速度計的角度傳感器)直流電信號。從變換器出來的信號加到放大器上，被放大的信號又以直流形式加到慣性擺。沿著慣性擺里的電流與永磁鐵的磁場相互作用，產生反作用力矩Mp，它阻礙擺錘相對平衡位置的偏離，即

式中:B為永磁鐵在空氣間隙中的磁感應強度;W為慣性擺線圈的圈數;Lp為慣性擺的平均長度;I為慣性擺線圈的電流;r'為電彈簧的作用力臂。

這個量值說明加速度計的電流特性，稱其為加速度計的刻度系數。將電阻與框架線圈串接時，得到與加速度成正比的直流電流信號［2］。

加電測試前應對2段懸絲之間的線圈電阻進行測試，應為185 ～235 Ω。

在平衡狀態(r=r')時，Mg=Mp，即

2 失效分析

加速計的懸絲材料為Pt－Ag合金(w(Pt)=75%、w(Ag)=25%)，橫截面為矩形:71 μm × (7～10)μm。

故障發生后，對故障加速度計懸絲進行了失效分析，確認均為過載斷裂。檢查4只故障加速度計的試驗履歷發現，該4只加速度計在靜態電阻測試之前未經任何測試，靜態電阻測試形成了懸絲斷裂的直接原因。分析測試用的Fluke187型萬用表發現:使用該型號的萬用表進行靜態電阻測試，加速度計存在慣性擺滿偏、線圈撞擊渦流片的現象，測試時發出的“咔噠”聲。

2.1 Fluke187型萬用表說明

加速度計靜態電阻測試采用了Fluke187型萬用表自動電阻檔測試，該表采用恒流模式測試。查看該表技術說明書，不同檔位典型電流見表1。

表1 Fluke187型萬用表參數Table 1 Parameters of Fluke187 multimeter

加速度計擺線圈之間電阻為200 Ω左右(要求值為185～235 Ω)，故測試時加在加速度計線圈上的電流為1 mA，線圈壓降為0.2 V左右。

2.2 擺線圈電應力分析

在Fluke187型萬用表自動電阻檔測試速度計(工藝件)擺線圈靜態電阻的過程中，用示波器觀察加速度計擺線圈在上電過程中的電壓變化。

電阻測試過程中加速度計擺線圈的電壓變化如圖2所示。

圖2 擺線圈的電壓變化Fig.2 Voltage of coil

Fluke187讀數為209.2 Ω，從圖2中可以看到:加速度計擺線圈在電阻測試時電壓為234 mV，約200 μs后幅度為0(應為 Fluke187更換檔位所致)，又約200 μs后穩定在234 mV(換算成電流約為1.12 mA)，遠小于16 mA的輸出量程，排除了懸絲因過流損傷造成斷裂失效的可能。

2.2 擺線圈機械應力分析

加速度計擺線圈結構如圖3所示。

圖3 磁場中擺線圈受力示意Fig.3 Stress of coil in magnetic field

磁場中的通電導線所受到的力［4］為

力矩為

式中:N為線圈匝數，N=100;B為磁感應強度;I為電流;L1為導線長度，L1=10 mm;L2為力臂，L2=8 mm;θ為線圈法線與磁感應強度之間夾角(由于線圈擺動角度很小，計算時可以認為θ=90°)。

根據試驗，當輸入線圈的電流為0.345 mA時，線圈處于水平穩定狀態(擺狀態)。此時線圈重力力矩與安培力力矩大小相等，方向相反，即

式中:m為線圈質量，m=3.7×10－2g。計算得B=0.5255 T。

門狀態輸入線圈電流I與線圈瞬時加速度a關系為:

輸入電流 I=1 mA，a=33.34 m/s2(3.4 g)。

擺狀態輸入線圈電流I與線圈瞬時加速度a關系為:

輸入相同電流，擺狀態線圈加速度小于門狀態線圈加速度，故只分析門狀態。采用Fluke187型萬用表自動電阻檔測試加速度計靜態電阻時，線圈會以最大3.4 g的過載撞擊限位的渦流片，并發出因撞擊發出的“咔噠”聲。

綜上所述，使用Fluke187型萬用表測試加速度計擺線圈電阻時，由于安培力的作用，加速度計擺線圈發生滿偏打擺現象，懸絲在較大的沖擊載荷作用下發生過載斷裂。

3 工藝控制措施

為避免因電阻測試對該型加速度計的影響，應盡量減小電阻測試時的電流輸入，可以采用恒壓測試原理的萬用表。Fluke17B型萬用表采用恒壓原理測試電阻，通過測試被測電阻的電壓與恒壓源電壓比較，計算出被測電阻阻值。查看說明書，恒壓源電壓為0.35 V，輸出阻抗為5 kΩ。

測試加速度計擺線圈電阻時(典型電阻值為220 Ω)，線圈電壓約為14.7 mV，線圈電流約為67 μA。計算得出擺線圈受到0.21 g的電磁力作用，不能克服1 g的重力作用，擺線圈處于靜止狀態，不存在擺線圈滿偏、打擺現象。

測試擺線圈的萬用表由原來的Fluke187型改為恒壓測試原理的Fluke17B型，擺線圈滿偏、線圈撞擊渦流片現象消失，避免了測試電阻時對懸絲產生較大的沖擊載荷。經過近千只加速度計電阻測試的驗證，未發生懸絲斷裂故障。

4 結論

理論計算和測試結果表明:

1)采用恒流原理萬用表測試靜態電阻時，加速度計擺線圈發生滿偏打擺現象，導致懸絲承受較大的沖擊載荷是懸絲斷裂的原因。

2)通過采用恒壓原理萬用表測試靜態電阻，消除了線圈滿偏打擺現象，有效地避免了懸絲的過載沖擊。經過近千只加速度計電阻測試的驗證，未發生懸絲斷裂故障，驗證了該故障定位準確、工藝控制措施有效。

［1］崔奇，張均紅，劉德林.加速度計懸絲斷裂分析［J］.失效分析與預防，2010，5(1):52 －54.

［2］何海洋.擺式力平衡加速度計測試方法［J］.計測技術，2008，28(6):34 －35.

［3］孟芳.某型加速度計懸絲斷裂故障分析［J］.計測技術，2011，31(4):31 －32.

［4］程守洙，江之永.普通物理學［M］.北京:高等教育出版社，1997:217－225.

［5］GJB 1037A—2004單軸擺式伺服線加速度計試驗方法［S］.北京:中國標準出版社，2004.

［6］何鐵春，周世勤.慣性導航加速度計［M］.北京:國防工業出版社，1983:41－46.

［7］顧英.慣導加速度計技術綜述［J］.飛航導彈，2001(6):78－84.

［8］Fluke Corporation.FLUKE Model 187 ＆ 189 True RMS Multimeter Users Manual［M］.2000:91 －92.

［9］Fluke Corporation.FLUKE 15B ＆ 17B Multimeters用戶手冊［M］.2002:13－14.