單軸擺式加速度計輸出異常的故障分析

黨靜，余臻，劉宇

（1.空裝駐北京地區(qū)第四軍事代表室， 北京 100095；2.航空工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所， 北京 100095）

0 引言

懸絲支承結(jié)構(gòu)的單軸擺式加速度計，具有體積小、功耗低、靈敏度高、過載能力大、工作溫度范圍寬和抗振動沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［1］，目前廣泛應(yīng)用在各類慣導(dǎo)系統(tǒng)和飛控系統(tǒng)中，主要用于測量運(yùn)動載體坐標(biāo)系上的線加速度［2］，并通過慣導(dǎo)系統(tǒng)和飛控系統(tǒng)解算出運(yùn)動載體的速度和位移等導(dǎo)航參數(shù)，實(shí)現(xiàn)精確制導(dǎo)和導(dǎo)航［3］。近幾年，隨著現(xiàn)代裝備可靠性水平的迅速提高，對加速度計在慣導(dǎo)系統(tǒng)和飛控系統(tǒng)的使用可靠性提出了更高要求［4］，因此，工程運(yùn)用中的加速度計故障問題亟待解決。

不少學(xué)者針對加速度計的故障進(jìn)行分析研究，提出了相應(yīng)的解決方法。董浩森等人提出了對內(nèi)彈道加速度信號的誤差進(jìn)行優(yōu)化的方法［5］；張朋好等人針對懸絲支承擺式加速度計的輸出零位偏離問題進(jìn)行研究，得出輸出零位偏離是由信號傳感器對稱線圈發(fā)生形變導(dǎo)致的結(jié)論［6-7］；段然等人對單軸擺式加速度計懸絲斷裂進(jìn)行故障分析［8］。針對加速度計電壓輸出異常問題，眾多學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)探究，但只停留在實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)上，未對相關(guān)故障分析進(jìn)行理論匯總。未見國內(nèi)對于這類的輸出異常故障原因分析的報道。

在工程實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)某型單軸擺式加速度計電壓輸出異常情況。加速度計輸出電壓出現(xiàn)異常降低了加速度計在慣導(dǎo)系統(tǒng)和飛控系統(tǒng)的使用可靠性，對加速度計慣測可靠性造成了很大影響。本文對單軸擺式加速度計電壓輸出異常問題研究，旨在提升加速度計在使用過程中的可靠性。

1 理論研究

加速度計是慣測組合中的重要元件之一，測量沿輸入軸向的線加速度，并輸出加速度信號，以用于慣導(dǎo)和飛控。某型加速度計的測量范圍為-50 g～+50 g，標(biāo)度因數(shù)為0.32 mA/g，輸出端外接500 Ω 的采樣電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，對應(yīng)的標(biāo)度因數(shù)為0.16 V/g。在某型單軸擺式加速度計進(jìn)行裝配試驗(yàn)時，發(fā)生一起電壓輸出異常的故障。通過表頭、電路互換分析，正常輸出電壓150～ 160 mV，異常輸出電壓小于5 mV。以下將通過相關(guān)理論分析，查找故障原因，進(jìn)而排除故障。

1.1 加速度計組成及原理

如圖1所示，在被測加速度作用下，慣性質(zhì)量塊繞懸絲產(chǎn)生擺動，使與擺框架固聯(lián)的渦流片產(chǎn)生位移［9］，渦流片與兩個線圈的距離一個變近，一個變遠(yuǎn)。振蕩器電路塊產(chǎn)生的正弦信號施加到兩個線圈上，由于距離的差動變化使得振蕩器電路中檢波電路輸出小信號，提供給放大器電路小信號，放大后輸出電流信號。該電流信號有兩個作用：一是作為反饋的再平衡電流，流經(jīng)力矩器使得渦流片始終處于平衡位置；二是作為加速度計的輸出電流信號，表征了輸入加速度的大小。

圖1 加速度計工作原理Fig.1 Working principle of accelerometer

1.2 加速度計故障機(jī)理分析

振蕩器電路由穩(wěn)幅電路、LC 諧振電路、檢波輸出電路組成［10］，主要用于產(chǎn)生高頻正弦波信號并檢波輸出，同時為放大器電路提供輸入信號。如圖2所示，紅叉為金絲斷開的位置。

圖2 振蕩器部分電路圖Fig.2 Oscillator circuit diagram

1）穩(wěn)幅電路

電路內(nèi)有振幅控制電路，穩(wěn)壓輸出6.2 V 供給后級電路。振幅控制電路通過二極管和電容電阻組成的振幅峰值檢測電路，把檢測的峰值與參考電壓進(jìn)行比較［11］，將其誤差電壓放大，并進(jìn)行積分。振幅控制電路的輸出連接到振蕩電路中，用來控制振蕩幅度。

2）LC諧振電路

三極管和選頻網(wǎng)絡(luò)組成三點(diǎn)式LC 振蕩電路［12］，頻率f= 1/（2πLC）。LC振蕩電路輸出為正弦波信號，在全溫工作范圍（-55～125 ℃）輸出頻率穩(wěn)定，輸出幅度一致性好。

3）檢波輸出電路

前級正弦波信號由電容耦合并通過兩負(fù)載線圈（夾具內(nèi)）輸入到檢波電路，然后由檢波電路將諧振正弦波信號變成脈動直流信號輸出。在負(fù)載線圈和4 個二極管完全對稱的情況下，輸出應(yīng)為0V。二極管D4 位于電路中第一級穩(wěn)幅電路中，由于失效形式為斷路，穩(wěn)幅電路無輸出，導(dǎo)致振蕩電路無輸出，從而造成加速度計無輸出。

實(shí)際測量中該加速度計電壓為2～5 mV，這與振蕩器電路殘留的微小電壓（μV 級）經(jīng)過放大器電路被放大1 000 倍左右以及放大器電路本身的漂移有關(guān)。

2 故障定位與分析

2.1 故障樹分析

根據(jù)該型加速度計的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，結(jié)合該產(chǎn)品出現(xiàn)的輸出異常，對可能造成輸出異常的各種因素進(jìn)行綜合分析，建立了該型加速度計電壓輸出異常故障樹，見圖3。

根據(jù)圖3 可知，共有8 個相互獨(dú)立的可能出現(xiàn)的故障原因，如表1所示，逐一對其進(jìn)行分析、排查［13］，定位實(shí)際故障。

表1 加速度計故障信息原因事件分析表Tab.1 Cause and event analysis of accelerometer fault Information

根據(jù)表1故障樹分析和排查，不能排除放大器電路、振蕩器電路出現(xiàn)故障導(dǎo)致該加速度計出現(xiàn)輸出異常的原因［14］。

2.1.1 放大器電路故障

針對可能存在的放大器電路故障問題，拆下該加速度計的電路組件，安裝到同型號的另一支輸出正常的加速度計的底座進(jìn)行試驗(yàn)；并采用同型號的輸出正常的電路組件，安裝到該故障加速度計底座上，通電進(jìn)行試驗(yàn)。

交換電路組件試驗(yàn)表明：裝配了故障加速度計的電路組件輸出在0 V 附近，輸出值異常；故障加速度計底座與輸出正常的電路組件裝配后+1 g輸出160 mV左右，輸出值正常。

通過交換電路組件試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加速度計輸出異常故障原因與該加速度計底座無關(guān)。因此確定故障原因?yàn)樵摷铀俣扔嫷姆糯笃麟娐方M件異常。

2.1.2 振蕩器電路故障

針對可能存在的振蕩器電路故障問題，通過交換電路組件，確定加速度計輸出異常的原因在于該加速度計裝配的振蕩器電路組件異常。

將放大器電路故障問題與振蕩器電路故障問題進(jìn)行匯總，放大器及振蕩器電路組件返回廠家作進(jìn)一步排查，結(jié)果確定為振蕩器電路故障引發(fā)的加速度計輸出電壓出現(xiàn)異常。

2.2 電路故障分析

2.2.1 振蕩電路故障定位

根據(jù)振蕩器電路詳細(xì)規(guī)范電性能相關(guān)要求，對故障電路進(jìn)行常溫電性能測試，電路無輸出。

對故障電路進(jìn)行X射線檢查，發(fā)現(xiàn)振蕩電路內(nèi)部二極管D4（1N4148）上鍵合金絲第一鍵合點(diǎn)根部斷開，如圖4所示。

圖4 振蕩電路X射線照片F(xiàn)ig.4 X-ray photographs of oscillating circuits

拆蓋后在顯微鏡下目檢，進(jìn)一步驗(yàn)證了X射線檢查結(jié)果并確定了此處不僅斷開而且發(fā)生了偏移，如圖5所示。

圖5 振蕩電路內(nèi)部目檢金絲斷開圖Fig.5 Internal visual inspection of gold wire disconnection diagram in oscillation circuit

從X射線檢查、電特性測試和內(nèi)部目檢結(jié)果均可知振蕩電路無輸出的原因?yàn)镈4 二極管芯片金絲斷開。金絲斷開導(dǎo)致該振蕩器電路塊功能失效（無輸出），從而導(dǎo)致加速度計輸出異常。

2.2.2 振蕩電路故障分析

經(jīng)過振蕩器電路排查分析，故障電路在封殼前的多余物清除過程中，使用鑷子夾出多余物時觸碰到內(nèi)部二極管D4 金絲，導(dǎo)致其倒伏。發(fā)現(xiàn)二極管D4 位置在目檢清除多余物時被觸碰倒伏，對倒伏的二極管D4 處金絲進(jìn)行了扶正，并進(jìn)行了非破壞性拉力試驗(yàn)（2.4 g ± 0.3 g）和外觀目檢。

金絲經(jīng)過第二次非破壞性鍵合拉力檢驗(yàn)和外觀目檢均合格，但可能根部有微損傷。分析發(fā)現(xiàn)在金絲扶正過程中，對金絲根部造成了輕微損傷，疑似損傷根部，見圖6（電鏡分析結(jié)果，紅色區(qū)域?yàn)楦渴軗p區(qū)）。進(jìn)一步對該電路進(jìn)行后續(xù)環(huán)境及機(jī)械應(yīng)力試驗(yàn)，金絲根部受損程度加深，使得金絲發(fā)生疲勞斷裂，導(dǎo)致該電路功能失效（無輸出），進(jìn)而導(dǎo)致加速度計輸出異常。

圖6 故障金絲斷開處斷面圖Fig.6 Cross section diagram of the broken gold wire

3 電路金絲斷裂機(jī)理分析

對金絲進(jìn)行失效分析發(fā)現(xiàn)，鍵合絲斷裂原因是由于受到交變應(yīng)力作用產(chǎn)生疲勞斷裂。

故障電路二極管D4 使用的是直徑25 μm 的金絲鍵合，鍵合時，劈刀端頭的金絲在高電流作用下形成金球，金球在鍵合過程中，會隨著劈刀壓到芯片焊盤上。根據(jù)圖7所示，劈刀內(nèi)部形狀會導(dǎo)致壓到焊盤上的金球呈現(xiàn)臺階狀態(tài)。若金絲受損，金絲會在最薄弱位置先縮頸，即圖7（b）中的A位置。受損的金絲重新進(jìn)行非破壞性拉力試驗(yàn)后，受到二次應(yīng)力作用，受損程度加深，此現(xiàn)象和斷面分析結(jié)果一致。

圖7 劈刀內(nèi)部與金球臺階狀態(tài)圖Fig.7 Diagram of the interior of cleaver and the golden ball step state

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與措施

將故障電路的斷裂金絲去除后，重新鍵合1根新金絲，該振蕩器電路塊功能正常。將重新鍵合好金絲的振蕩電路，以及與之配套的放大器電路，重新裝回該加速度計底座，上電測得+1 g 輸出為159.76 mV，-1 g 輸出為-159.73 mV，輸出值正常。在觀測的時間期限內(nèi)，電路和加速度計均未再出現(xiàn)類似的故障。

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，振蕩器電路中的D4 二極管正極金絲斷裂為電路故障的原因，也是加速度計輸出異常（輸出為0V）的原因。

改進(jìn)措施：對于所有變形的金絲，均不允許采取任何方式進(jìn)行修正，需將金絲拔除后重新進(jìn)行復(fù)合鍵合返工。

5 結(jié)論

單軸擺式加速度計輸出異常的故障分析是一個切實(shí)解決工程運(yùn)用問題的方法，對其進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。文章提出了新的觀點(diǎn)：振蕩器電路中D4 二極管正極金絲斷裂為電路故障的原因。對單軸擺式加速度計輸出異常進(jìn)行故障分析，目的在于及時針對性采取糾正措施，對提升加速度計在慣導(dǎo)系統(tǒng)和飛控系統(tǒng)的使用可靠性具有重要意義。

本研究歸納出可能出現(xiàn)的故障原因，進(jìn)行故障樹分析，理清故障原因，更加快速準(zhǔn)確地找到故障點(diǎn)，對故障電路故障原因進(jìn)行定位。在理論研究中，融入加速度計組成及原理與加速度計故障機(jī)理分析，有效結(jié)合電路金絲斷裂機(jī)理分析方法，進(jìn)行試驗(yàn)和改進(jìn)措施驗(yàn)證，可得出如下層層遞進(jìn)的結(jié)論：

1） 振蕩器電路中的D4 二極管正極金絲斷裂為電路故障的原因，也是加速度計輸出異常的故障原因。

2） 振蕩器電路二極管D4 金絲斷開的原因：先是多余物清理過程中，造成二極管D4 金絲倒伏；接著金絲扶正時，對金絲根部造成輕微損傷；之后在電路試驗(yàn)和裝機(jī)過程中，在交變應(yīng)力的作用下，金絲根部損傷不斷加??；最終金絲發(fā)生疲勞斷裂。

3） 針對變形的金絲，將金絲拔除后重新進(jìn)行復(fù)合鍵合返工，可從根本上提升加速度計輸出可靠性。