某型過載傳感器數據采集失真故障原因研究

顏雄超

(海軍裝備部駐武漢地區軍事代表局駐武漢地區軍事代表室,湖北武漢,430000)

1 故障概述

在某次利用過載傳感器測試產品過載時，得到如圖1所示過載曲線，與產品實際試驗工況存在明顯差異，現對產生此現象的原因進行分析。

圖1 試驗曲線

2 傳感器工作原理

此過載傳感器（以下簡稱傳感器）為內裝信號調節器的壓阻式加速度傳感器。壓阻式加速度敏感元件設計為整體硅結構，由多根梁的硅框架支撐一塊經微細加工而成的硅質量塊【1】。當框架受到加速度作用，由于慣性力硅塊相對于框架運動時，造成梁內的應力變化，從而使梁內的敏感電阻阻值發生變化，通過電橋轉換為電壓輸出。由于半導體材料本身的特點，敏感元件本身的滿量程輸出信號只有幾到幾十毫伏，因此需要增加信號調理電路，主要起到為敏感元件供電、信號放大、溫度補償、增益調整、濾波、保護等作用，直接決定了傳感器的總體性能是否滿足各項指標要求。其結構簡圖如圖2所示。

圖2 壓阻式傳感器結構簡圖

3 傳感器的主要性能參數

傳感器的主要計量結果如表1所示。經過對不同頻率下的標定系數計算，發現傳感器在不同頻率下的標定系數發生一定的變化，且在50HZ至90HZ之間的標定系數未知，且偏差明顯的增大。

表1 傳感器的主要計量結果

4 阻尼對加速度傳感器幅頻特性的影響

對于加速度傳感器來說當其幾何結構參數一定時,其頻率響應特性直接受到內部阻尼參數的影響,尤其對固有頻率較低的傳感器來說,其阻尼類型及阻尼比的數值直接決定了傳感器的安全工作的頻率范圍以及傳感器的動態精度。

如果傳感器內部沒有阻尼,隨外界激勵信號頻率的增加,傳感器輸出幅值非線性將隨之增加。對于受沖擊力作用時,內部沒有阻尼的加速度傳感器,其內部敏感質量的位移是靜態下位移的兩倍【2】。對內部存在阻尼條件時,其幅頻響應取決于阻尼系數的大小。

壓阻式加速度計是利用單晶硅的壓阻效應和集成電路技術制成的傳感器。當單晶硅材料受到慣性力作用時，將會引起敏感元件的機械運動并轉化半導體力敏電阻的阻值變化，再通過惠斯通電橋轉化成電壓信號，從而獲得被測加速度和輸出電壓的關系式，測量加速度的變化。

不同阻尼比的傳感器在固有頻率相同的情況下，其響應曲線會得到失真，如圖3所示【3】。

圖3 傳感器固有頻率相同情況下不同阻尼比對傳感器的影響

5 沖擊試驗中的阻尼對傳感器的影響

對于壓阻式傳感器，其本身存在一定的固有頻率，當被試件的力學狀態存在一定的頻率劇變，而這種頻率與傳感器固有頻率相同時，會導致傳感器的數據采集失真，影響到傳感器的動態特性。

其機理原因是，在被試件的加速度沖擊載荷中含有豐富的頻率成分，一旦該載荷具有與傳感器系統的頻率值相等或相近的頻率成分時，若傳感器的阻尼系數過小，就會很容易引起系統的共振且衰減緩慢，甚至導致傳感器內部器件的運動幅度過大導致器件結構的損壞。

由圖4可見，阻尼較小的響應信號諧振情況嚴重，幅值誤差大，而阻尼合理的傳感器無明顯的諧振現象，說明傳感器的阻尼應匹配被試件實際工況所產生的阻尼需求，即由被試件的實際載荷劇變產生的振動頻率應與傳感器本身的固有頻率一致。

圖4 同一沖擊試驗下不同阻尼的傳感器測試結果

在過載急劇變化過程中，若被試件與傳感器的振動頻率相當，或者傳感器本身的阻尼系數小于載荷劇變引起的阻尼，外界的激勵信號會使系統產生共振，如圖4所示。

在某高過載沖擊試驗的末端，載荷突然消失，被試件在此工況下的阻尼大于傳感器自身阻尼，導致傳感器在載荷卸載的末端出現采集數據失真。

6 傳感器采集失真原因分析

本次傳感器數據采集失真，主要有以下幾點原因：

（1）傳感器的動態穩定性由傳感器的靈敏度、幅頻響應及阻尼特性決定，根據此傳感器的計量報告顯示，靈敏度在0Hz至50Hz的范圍內具有明顯的差異，而在試驗測試時，傳感器采集低于80Hz的采集信號，其在50Hz至80Hz的靈敏度變化未知。

（2）試驗中被試件的阻尼系數一般在0.7左右，但是實際工況是不斷變化的，被試件在試驗過程中由于結構剛度和外力作用，會發生阻尼的變化，若阻尼系數與傳感器自身的阻尼系數相比越大，則會引起傳感器與系統的共振效應，造成諧振，導致傳感器采集數據的失真，甚至造成內部結構的損壞。

（3）傳感器阻尼系數為0.7，能滿足一般情況下的測試匹配性，但在過載急劇變化或者系統本身發生振動的情況下，會出現阻尼系數過大的情況，因此出現傳感器采集信號失真的情況。

7 結論

通過此次試驗結果分析，可得到以下結論：（1）壓阻式傳感器在被試件的載荷急劇變化時會產生系統振動，若頻率達到傳感器的固有頻率，將會導致傳感器的數據采集失真，嚴重時會損害傳感器；（2）針對測試系統共振的不利情況，應對傳感器的阻尼系數和被試件實際工況下的阻尼變化進行控制，傳感器阻尼系數應適應系統試驗過程中由載荷變化引起的阻尼系數變化，可以保證傳感器的數據采集可靠性；（3）對于采用壓阻式的傳感器，在使用中應關注其阻尼動態特性，把傳感器的阻尼系數作為同幅頻特性、靈敏度一致的指標，采購、使用中進行控制和要求；（4）要加強對被試件的阻尼分析能力和振動頻響研究，為傳感器的選用和試驗結果分析，提供數據支撐。