加速度计悬丝断裂失效分析及工艺控制

刘爱国，张红波，刘德林，毛玉鹏

(1.中国空空导弹研究院，河南洛阳471009;2.中国人民解放军驻中航工业导弹院军事代表室，河南洛阳471009;3.北京航空材料研究院中航工业失效分析中心，北京100095)

0 引言

惯性导航加速度计是惯导系统的关键元件之一，用来测量运载体的加速度值。以此为基础，经过解算还可以得到运载体的速度与距离参数。加速度计被广泛地用于火箭、导弹、飞机、空间飞行器、舰船等的惯导系统。摆式加速度计能够承受较大的加速度，有较宽的量程和较高的精度;因此，该类型的加速度计一直在各国的弹道导弹中占据着重要位置［1］。

某型加速度计是某重点型号导弹的关键器件，在使用Fluke187型万用表测试静态电阻过程中，陆续出现4只加速度计悬丝断裂故障，经失效分析确认为过载断裂。故障定位过程中发现，使用Fluke187型万用表测试加速度计摆线圈电阻时，加速度计发出“咔哒”声。对加速度计的开盖测试，发现使用Fluke187型万用表测试加速度计摆线圈电阻时存在摆线圈满偏、打摆现象。使用Fluke17B型万用表测试加速度计摆线圈电阻时不存在摆线圈满偏、打摆现象。本研究通过分析该型加速度计工作原理，理论计算、分析测试影响，定位悬丝断裂失效原因，并制定相应的工艺控制措施。

1 加速度计组成及工作原理

加速度计组成如图1所示。由惯性摆、悬丝、永磁铁组成电磁力矩传感器，惯性摆是加速度计的敏感元件，在惯性摆上刚性地固定着涡流片。由2个具有相同电感量的对称的线圈组成角位置传感器，按推挽差动线路连接在变换器上。涡流片刚性固定在惯性摆上，并且放置在线圈之间。

图1 加速度计组成及工作原理Fig.1 Schematic diagram of accelerometer

在没有加速度作用时，涡流片处于线圈的中间，在平衡状态，线圈的对称性不受破坏，变换器的输出没有直流电压。

当线性加速度作用到惯性摆上时，使它离开平衡位置，产生力矩，即

式中:Mg为作用的惯性力矩;m为惯性摆的质量;a为作用的加速度;r为从悬丝到惯性摆质量中心的距离。

涡流片与惯性摆一起移动，这时线圈的对称性被破坏，改变了它的电感量和Q值。在Mg力矩的作用下，惯性摆的偏转变换成了(通过加速度计的角度传感器)直流电信号。从变换器出来的信号加到放大器上，被放大的信号又以直流形式加到惯性摆。沿着惯性摆里的电流与永磁铁的磁场相互作用，产生反作用力矩Mp，它阻碍摆锤相对平衡位置的偏离，即

式中:B为永磁铁在空气间隙中的磁感应强度;W为惯性摆线圈的圈数;Lp为惯性摆的平均长度;I为惯性摆线圈的电流;r'为电弹簧的作用力臂。

这个量值说明加速度计的电流特性，称其为加速度计的刻度系数。将电阻与框架线圈串接时，得到与加速度成正比的直流电流信号［2］。

加电测试前应对2段悬丝之间的线圈电阻进行测试，应为185 ～235 Ω。

在平衡状态(r=r')时，Mg=Mp，即

2 失效分析

加速计的悬丝材料为Pt－Ag合金(w(Pt)=75%、w(Ag)=25%)，横截面为矩形:71 μm × (7～10)μm。

故障发生后，对故障加速度计悬丝进行了失效分析，确认均为过载断裂。检查4只故障加速度计的试验履历发现，该4只加速度计在静态电阻测试之前未经任何测试，静态电阻测试形成了悬丝断裂的直接原因。分析测试用的Fluke187型万用表发现:使用该型号的万用表进行静态电阻测试，加速度计存在惯性摆满偏、线圈撞击涡流片的现象，测试时发出的“咔哒”声。

2.1 Fluke187型万用表说明

加速度计静态电阻测试采用了Fluke187型万用表自动电阻档测试，该表采用恒流模式测试。查看该表技术说明书，不同档位典型电流见表1。

表1 Fluke187型万用表参数Table 1 Parameters of Fluke187 multimeter

加速度计摆线圈之间电阻为200 Ω左右(要求值为185～235 Ω)，故测试时加在加速度计线圈上的电流为1 mA，线圈压降为0.2 V左右。

2.2 摆线圈电应力分析

在Fluke187型万用表自动电阻档测试速度计(工艺件)摆线圈静态电阻的过程中，用示波器观察加速度计摆线圈在上电过程中的电压变化。

电阻测试过程中加速度计摆线圈的电压变化如图2所示。

图2 摆线圈的电压变化Fig.2 Voltage of coil

Fluke187读数为209.2 Ω，从图2中可以看到:加速度计摆线圈在电阻测试时电压为234 mV，约200 μs后幅度为0(应为 Fluke187更换档位所致)，又约200 μs后稳定在234 mV(换算成电流约为1.12 mA)，远小于16 mA的输出量程，排除了悬丝因过流损伤造成断裂失效的可能。

2.2 摆线圈机械应力分析

加速度计摆线圈结构如图3所示。

图3 磁场中摆线圈受力示意Fig.3 Stress of coil in magnetic field

磁场中的通电导线所受到的力［4］为

力矩为

式中:N为线圈匝数，N=100;B为磁感应强度;I为电流;L1为导线长度，L1=10 mm;L2为力臂，L2=8 mm;θ为线圈法线与磁感应强度之间夹角(由于线圈摆动角度很小，计算时可以认为θ=90°)。

根据试验，当输入线圈的电流为0.345 mA时，线圈处于水平稳定状态(摆状态)。此时线圈重力力矩与安培力力矩大小相等，方向相反，即

式中:m为线圈质量，m=3.7×10－2g。计算得B=0.5255 T。

门状态输入线圈电流I与线圈瞬时加速度a关系为:

输入电流 I=1 mA，a=33.34 m/s2(3.4 g)。

摆状态输入线圈电流I与线圈瞬时加速度a关系为:

输入相同电流，摆状态线圈加速度小于门状态线圈加速度，故只分析门状态。采用Fluke187型万用表自动电阻档测试加速度计静态电阻时，线圈会以最大3.4 g的过载撞击限位的涡流片，并发出因撞击发出的“咔哒”声。

综上所述，使用Fluke187型万用表测试加速度计摆线圈电阻时，由于安培力的作用，加速度计摆线圈发生满偏打摆现象，悬丝在较大的冲击载荷作用下发生过载断裂。

3 工艺控制措施

为避免因电阻测试对该型加速度计的影响，应尽量减小电阻测试时的电流输入，可以采用恒压测试原理的万用表。Fluke17B型万用表采用恒压原理测试电阻，通过测试被测电阻的电压与恒压源电压比较，计算出被测电阻阻值。查看说明书，恒压源电压为0.35 V，输出阻抗为5 kΩ。

测试加速度计摆线圈电阻时(典型电阻值为220 Ω)，线圈电压约为14.7 mV，线圈电流约为67 μA。计算得出摆线圈受到0.21 g的电磁力作用，不能克服1 g的重力作用，摆线圈处于静止状态，不存在摆线圈满偏、打摆现象。

测试摆线圈的万用表由原来的Fluke187型改为恒压测试原理的Fluke17B型，摆线圈满偏、线圈撞击涡流片现象消失，避免了测试电阻时对悬丝产生较大的冲击载荷。经过近千只加速度计电阻测试的验证，未发生悬丝断裂故障。

4 结论

理论计算和测试结果表明:

1)采用恒流原理万用表测试静态电阻时，加速度计摆线圈发生满偏打摆现象，导致悬丝承受较大的冲击载荷是悬丝断裂的原因。

2)通过采用恒压原理万用表测试静态电阻，消除了线圈满偏打摆现象，有效地避免了悬丝的过载冲击。经过近千只加速度计电阻测试的验证，未发生悬丝断裂故障，验证了该故障定位准确、工艺控制措施有效。

［1］崔奇，张均红，刘德林.加速度计悬丝断裂分析［J］.失效分析与预防，2010，5(1):52 －54.

［2］何海洋.摆式力平衡加速度计测试方法［J］.计测技术，2008，28(6):34 －35.

［3］孟芳.某型加速度计悬丝断裂故障分析［J］.计测技术，2011，31(4):31 －32.

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

［5］GJB 1037A—2004单轴摆式伺服线加速度计试验方法［S］.北京:中国标准出版社，2004.

［6］何铁春，周世勤.惯性导航加速度计［M］.北京:国防工业出版社，1983:41－46.

［7］顾英.惯导加速度计技术综述［J］.飞航导弹，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用户手册［M］.2002:13－14.