過(guò)載傳感器隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

楊經(jīng)宇 李瑞

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所 黑龍江哈爾濱 150001

1 過(guò)載傳感器簡(jiǎn)介

技術(shù)指標(biāo)[1]：量程：±8g；靈敏度：（0.522±0.02）V/g；零點(diǎn)輸出：（0.722±0.05）V；限幅電壓：±5V；頻率響應(yīng)為（0-10）Hz，20Hz衰減50dB。

組成單元：傳感器的敏感芯體為電容式加速度計(jì)[2]，量程為±10g，供電電壓為+5V，零位輸出為2.5V，靈敏度為0.2V/g；AD620儀表放大電路，供電電壓為±10V；濾波電路[3]由5個(gè)二階巴特沃茲濾波器組成。

工作原理：傳感器選用的加速度計(jì)用于感受加速度信號(hào)（包括振動(dòng)和過(guò)載），通過(guò)儀表放大器（AD620）放大處理并調(diào)零，使輸出滿足零點(diǎn)輸出及靈敏度要求，再將信號(hào)接入濾波器進(jìn)行濾波，輸出（0-10）Hz的過(guò)載信號(hào)。

2 故障描述

高頻隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件如下：頻率范圍：（20-2000）Hz；總均方根值：21g。傳感器處于+1g狀態(tài)（平行于重力加速度方向）安裝。

傳感器試驗(yàn)前與試驗(yàn)中輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，出現(xiàn)明顯的負(fù)向偏移，并且輸出變化幅度可達(dá)0.5V。

3 故障分析

3.1 故障定位

濾波器為電路的最終組件單元，濾波器輸出信號(hào)異常（有負(fù)向偏移），則表示濾波器輸入信號(hào)中有大于10Hz且正向限幅的信號(hào)。若出現(xiàn)此情況，則有以下兩種事件的可能性：

事件a：加速度計(jì)輸出正向限幅。因加速度計(jì)可感受振動(dòng)信號(hào)，測(cè)試環(huán)境存在頻率大于10Hz的振動(dòng)信號(hào)，且信號(hào)較大時(shí)，可能導(dǎo)致加速度計(jì)輸出限幅。此信號(hào)通過(guò)放大后輸入濾波器，可導(dǎo)致濾波器直流輸出偏移。加速度計(jì)輸出的正向限幅信號(hào)經(jīng)過(guò)后續(xù)濾波則可能導(dǎo)致最終輸出向負(fù)向偏移。

事件b：放大器AD620輸出正向限幅。放大電路AD620供電電壓為±10V，傳感器為+1g工作狀態(tài)。如加速度計(jì)輸出信號(hào)足夠大，可導(dǎo)致AD620正向限幅，而經(jīng)過(guò)后續(xù)濾波則可能導(dǎo)致最終輸出向負(fù)向偏移。

3.2 機(jī)理分析

3.2.1 加速度計(jì)輸出正向限幅故障機(jī)理

因傳感器使用的加速度計(jì)量程為±10g，供電電源為+5V，加速度計(jì)零位輸出為2.5V，靈敏度為0.2V/g，傳感器為+1g的安裝狀態(tài)，直流輸出值為2.7V。此時(shí)信號(hào)正向工作范圍為5V-2.7V=2.3V；負(fù)向工作范圍為2.7V；即此時(shí)加速度計(jì)正向輸出信號(hào)達(dá)到5V時(shí)輸出位（5-2.7）/0.2=11.5g，負(fù)向輸出0V時(shí)加速度計(jì)輸出值為（0-2.7）/0.2=-13.5g。當(dāng)施加信號(hào)大于±11.5g時(shí)，加速度計(jì)輸出正向限幅。此時(shí)經(jīng)過(guò)AD620，信號(hào)經(jīng)等比放大后，波形保持不變（因?yàn)榉糯笃髟O(shè)計(jì)余量16.85g大于加速度計(jì)設(shè)計(jì)余量11.5g），再經(jīng)低通濾波器，會(huì)將大于20Hz的信號(hào)濾除。但因信號(hào)正向限幅削波，濾波器在濾波過(guò)程中會(huì)將信號(hào)的平均值疊加入直流輸出中，從而導(dǎo)致傳感器直流輸出發(fā)生負(fù)向偏移。

3.2.2 放大器AD620輸出正向限幅故障機(jī)理

假如加速度計(jì)輸出正常對(duì)稱(chēng)波形，在放大器AD620中，+1g時(shí)直流輸出為1.244V，靈敏度為0.522V/g，供電電壓為±10V。此時(shí)AD620輸出10V時(shí)輸出信號(hào)加速度值為（10-1.244）/0.522=16.77g，輸出為-10V時(shí)加速度值為（-10-1.244）/0.522=-21.54g，即當(dāng)AD620中振動(dòng)信號(hào)大于16.77g時(shí)輸出正向限幅。總均方根為21g的高頻隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中極可能包絡(luò)16.77g及以上的低頻振動(dòng)信號(hào)[4]，所以放大器AD620輸出限幅導(dǎo)致傳感器最終輸出異常的可能性不可排除。

4 改進(jìn)方案

（1）更換加速度計(jì)量程。選用量程為±30g的加速度計(jì)，以保證傳感器在其工作、振動(dòng)環(huán)境內(nèi)不發(fā)生限幅。

（2）調(diào)整電路順序，使加速度計(jì)輸出先通過(guò)低通濾波器進(jìn)行濾波，然后再通過(guò)AD620放大，以防止放大器輸入信號(hào)限幅。

（3）改進(jìn)方案的試驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)改進(jìn)后，過(guò)載傳感器重新進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，改進(jìn)前失效數(shù)據(jù)與改進(jìn)后采集數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 改進(jìn)前后高頻隨機(jī)振動(dòng)中傳感器輸出電壓

改進(jìn)后高頻振動(dòng)試驗(yàn)中過(guò)載傳感器輸出不存在明顯偏移現(xiàn)象，試驗(yàn)前與試驗(yàn)中數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，輸出變化范圍不大于40mV。過(guò)載傳感器滿足了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

在過(guò)載傳感器設(shè)計(jì)階段，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注加速度計(jì)（敏感芯體）的量程選取，不僅要滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)指標(biāo)，還應(yīng)考慮產(chǎn)品的工作、試驗(yàn)環(huán)境是否存在高于設(shè)計(jì)指標(biāo)的可能性，比如隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件中是否包絡(luò)高于工作指標(biāo)的低頻正弦信號(hào)。應(yīng)考慮采用先濾波、后放大的電路功能順序，以免因敏感芯體的輸出異常先經(jīng)過(guò)放大發(fā)生限幅，而后濾波器無(wú)法完全濾除限幅信號(hào)，最終導(dǎo)致傳感器輸出異常的現(xiàn)象。