石英加速度计贮存延寿试验薄弱环节的辨识 ①

张 阳，杜 剑

(中国航天科技集团第九研究院第十六研究所，西安 710100)

0 引言

武器装备贮存试验具有重大的战略意义，可以节省开支并延长武器型号的服役时间，但同时又是一项理论难度高、实践性很强的工作，俄、美等军事强国历经多年发展形成了具有特色的贮存延寿道路[1]。美国贮存延寿技术手段主要采取自然贮存试验，辅以加速贮存试验，在加速试验应用对象上，主要是元器件材料级和整机级，如美军加速试验曾应用在民兵导弹发动机的所有部件，红斑蛇导弹的元器件、零部件和设备，以及有关微机电产品，导弹推进剂等。俄罗斯贮存延寿技术处于世界先进水平，突出特点是可以做到整机级、分系统级和全弹级，见诸报道的应用就是C-300地空导弹[2]。国内也逐步形成了以试验技术为核心的装备贮存延寿方法，目前贮存延寿研究的重要内容包含贮存寿命表征参数体系、失效模式与机理、贮存延寿试验方法和贮存寿命预测方法，四者相互关联，相互验证，相互之间是闭环的逻辑关系[3]。

石英加速度计的贮存延寿是武器装备延寿工程的一项重要内容，相对于陀螺仪表，石英加速度计的结构较为简单，可靠性高，常规条件下加速老化效果不明显，因此，增加了加速度计贮存试验综合评判的难度，比如失效机理、失效判据以及影响因素的选定，特别是加速老化试验下加速度计失效薄弱环节的辨识，需要合理的退化模型与试验方法来验证，将自然失效与加速度计故障区分开来[4-6]。

1 加速贮存试验问题分析

某型号加速度计选用70℃、80℃、90℃、100℃作为加速计加速贮存试验温度，每个温度点加速度计子样为5块，总共20块加速度计。每个温度点贮存试验完成之后进行四位置测试。随着试验周期的推移，典型的加速度计输出参数变化曲线如图1与图2所示。

图1.1 100℃温度下1#加速度计偏值变化趋势

图1.2 100℃温度下1#加速度计标定因数变化趋势

图2.1 100℃温度下2#加速度计偏值变化趋势

图2.2 100℃温度下2#加速度计标定因数变化趋势

根据图1与图2所示，可以得到如下结论：

1)加速度计的偏值和标度因数在初始阶段，随着贮存周期的增加，两者趋于稳定的状态。这说明加速度计的结构、材料、装配应力在环境应力的作用下趋于稳定的状态，所以加速度计的输出更加稳定；

2)加速度计标度因数由刚开始的增大，到第5个周期之后的趋于平稳，这和实际加速度计自然贮存的加速计标度因数的变化趋势一致。这是因为磁钢磁值的衰减情况受环境影响较大，而磁钢磁值直接影响标度因数。

同时，加速度计的加速贮存试验，面临如下三个主要问题：

1)如何判断加速度计的贮存失效与自身功能异常，即加速度计在加速贮存试验之中，加速度计失效的模式与机理；

2)加速度计贮存试验偏值与标定因数趋于平稳，即加速度计处于稳定状态，是否意味着当前环境应力难以做出(或者在短时间内难以做出)加速度计的退化趋势；

3)加速度计功能退化的判据。

2 失效模式与失效机理分析

贮存延寿试验方法是串联贮存寿命表征参数体系、失效模式与机理、贮存延寿试验方法和贮存寿命预测方法的关键，它基于失效模式与机理分析，并以贮存寿命表征参数体系为观测、判别对象，通过试验获取数据，从而预测加速度计的贮存寿命。为了解决以上加速度计贮存试验面临的主要问题，首先要研究加速度计的失效模式与失效机理。

加速贮存寿命试验方法是指在不改变失效机理的前提下，通过加大应力的方式加快产品性能的退化与失效，进而计算得出正常应力水平下贮存寿命的一种试验方法。包括理论模型、加速环境(应力)模拟方法、检测鉴定方法。试验中的安全性、方法的验证等内容，是提前评估弹上产品贮存寿命的必经试验手段与技术途径[2]。

加速度计失效模式与机理，是指加速度计在正常和加速应力条件下如何失效(失效模式)以及为什么失效(失效机理)。加速度计失效分析是通过对每一失效模式、失效机理的分析，包括细观/微观结构、机械失效过程、化学失效过程、热退化过程等内在原因的分析，找出加速度计失效的内在原因。只有通过失效分析，建立加速度计加速贮存试验和自然贮存试验之间的相关性，才能保证寿命评估结果的可信度。通过加速度计失效模式与失效机理的研究，才能辨识出加速度计贮存延寿的薄弱环节。

3 石英加速度计加速贮存薄弱环节分析

石英加速度计主要由伺服电路和表头组成，表头主要由外壳、上力矩器、摆组件、腹带、下力矩器、隔离环组成[7]。产品结构分解图如图3所示。

图3 加速度计结构分解图

加速贮存的环境应力有温度、湿度、烟雾、噪声、振动、冲击、压力、气溶胶浓度、电压、电流等。加速度计目前的密封是通过胶粘剂实现的，实际上胶是一种粘接材料，并不能作为密封材料使用，特别是加速老化试验中，胶的物理性能会严重退化，整表的密封性也随之下降，所以必须考虑湿度、烟雾、霉菌、微观颗粒对加速度计性能参数的影响。针对贮存延寿试验的特点，可以分为环境试验对力矩器、摆组件以及伺服电路参数性能的影响。

3.1 加速贮存试验对力矩器影响

贮存试验对力矩器的影响实质是温度、湿气、烟雾对磁钢气隙磁场强度的影响。力矩器由磁钢、磁极片、补偿环以及轭铁通过胶粘剂胶结在一起，所以需要研究气候试验对胶粘剂、磁钢材料物理性能的影响。惯性器件的精度很大程度上依赖于永磁体的稳定性，加速度计虽然在装调环节会采取温循与振动进行老化试验，使得永磁体磁性能趋于稳定状态，但是永磁体的磁场的稳定时间一般为半年到一年时间，如图4所示。而贮存延寿要求寿命一般在10年以上，时间跨度较大，需要考虑永磁磁性能退化情况，甚至材料的挥发情况。

图4 永磁体自然状态时间稳定性曲线

3.2 加速贮存试验对摆组件的影响

摆组件作为加速度计的核心部件，任何参数的变化将会影响加速度计整表输出。加速度计的输出模型如公式(1)。

(1)

式中：m为摆组件质量，αi为加速度计感受的加速度输入，l为摆组件质心到摆梁根部的距离(惯性力臂)，B为力矩器气隙磁场强度，I为反馈电流，n为线圈匝数，L为单位线圈的长度。

摆组件由摆片与上、下动圈组件通过胶粘剂粘接在一起，如图5所示。在进行贮存试验过程中，胶粘剂会随时间的推移而发生膨胀，一方面造成摆组件质心位移，影响加速度计偏值大小；另一方面造成胶的粘接强度下降，可以通过振动试验对此种情况下胶粘剂的粘接强度进行验证。

图5 摆组件粘接示意图

3.3 加速贮存试验对伺服电路的影响

伺服电路主要是由基准三角波发生器、电流积分器、差动电容检测器、电压调节器和跨导补偿放大器等部分组成。伺服电路零偏的产生是由于差动电容检测器和其后面的电流积分器的性能变化，幅度和频率的变化将使差动电容检测器的传递系数发生变化，而电流镜像电路的不平衡及其随温度的变化会造成检测器的零位漂移。

加速老化试验中的温度、盐雾、霉菌等环境应力会造成伺服电路中的电子元器件损伤，特别是电路之中的非金属材料，将会造成不同程度的老化，所以必须探究加速贮存试验对加速度计伺服电路的影响。

4 薄弱环节试验方法

在国内，整机加速贮存试验研究应用仍处于探索阶段，有多位可靠性方面的专家分析了发展方向和可能的方法，但对具体模型和方法缺少深入研究，李久祥等[8-9]，首先应从薄弱环节发生，只要确定了整机薄弱环节寿命，就确定了整机的寿命，并分析了整机加速贮存试验工作程序。

李祥臣等[10]基于薄弱环节失效机理分析，提出了材料、部件和整机层层递进的加速退化试验方案，以及基于物理化学老化和使用载荷验证的发动机加速试验一体化设计方法。张生鹏等[11]利用元器件材料级产品的加速退化经验，提出了电子整机产品的加速退化试验方法，并根据整机在自然贮存和加速应力两个条件下失效概率相等原则计算加速退化试验时间。伏洪勇等[12]以最薄弱环节选用合适的性能退化加速模型计算加速因子，分析失效机理，据此进行电子学整机设备加速退化试验。谭源源[13]研究了整机加速试验的机理模型、统计分析、一致性分析及融合评估、优化设计等问题，对装备贮存寿命评估的整机加速试验理论和方法进行了探索。

基于加速度计本体特征以及失效机理，可以对加速度计展开以下研究：

4.1 材料级参数退化模型

1)胶粘剂活性退化模型。加速度计是用胶“包裹”起来的，加速度计不同部位会用到不同的胶粘剂。在大量的湿气与温度的交变湿热中，胶的性能会迅速退化。一方面，胶粘剂发生蠕变，造成加速度计部件微观尺寸位移，特别是摆组件的质心偏移，直接影响加速度计的输出；另一方面，胶粘剂的胶结能力会下降，导致被粘部位脱落的风险。可以通过气候环境试验来施加应力，检测试验件的微观尺寸变化以及胶结强度，或者体积、胶结强度随气候环境变化(温度与湿度)的规律。

2)石英摆片弹性恢复力退化模型。石英玻璃虽然是无机非金属材料，在气候环境下，材料稳定性较好，但是基于石英摆片挠性梁的微观尺寸，必须探究在恶劣的气候环境下，石英摆平下垂量受气候环境影响的趋势关系，因为下垂量是摆片弹性恢复力的直接反应指标，而弹性恢复力是影响加速度计的偏值等指标的关键因素之一。

3)永磁体磁性能退化模型。加速度计磁钢材料为永磁体，其变化直接影响加速度计标定因数的大小。而永磁体的贮存过程中，应该避远离热源，避免日光暴晒，存放处保持干燥，无腐蚀性气体[14]。Dan Xu等[15]研究了 Alnico5 分别在 70℃、80℃、90℃下加速老化的磁性能的变化，实验表明，随着保温时间的延长，各个温度下的试样的零偏差因子均呈上升趋势，比例系数呈现下降趋势，且上升和下降的趋势逐渐变缓。磁钢在使用时需要满足一定的要求，当比例系数下降到一定程度时，其性能将不再满足使用要求，即随着使用时间的增加，磁钢失效。

当周围温度升高或降低到一定温度后重新返回到原始温度时，其测量值与原始温度下测量的磁性值不同，我们把这种变化称为温度的不可逆变化。廖雅琴[16]根据Arrhenius模型，建立了铝镍钴磁不可逆损失率随时间以及温度的变化规律。具体如公式(2)。

η=exp(p*(x,y))=736.35e-3995.13/T×t-1.0661+496.63/T

(2)

式中：η为永磁体的磁不可逆损失率，p*(x,y)为老化模型的拟合参数曲面。

4)电容检测性能退化模型。加速度计的静态输出变化量由差动电容检测的灵敏度决定，加速度计的轭铁上下极板、镀膜摆片上下摆舌面构成了差动电容原理的基本机械结构，具体如图6所示。电容检查的灵敏度如公式(3)。

(3)

式中：ΔC为电容的变化量，kC为电容灵敏度，δ0为电容极板的初始间距，ω0为组件的固有频率，C0为电容极板的初始电容量，LP为输出轴至线圈中心轴的距离，p为摆组件摆性，Kl为摆组件刚度。

在气候环境试验中，轭铁“C型”镜面可能会发生锈蚀、老化、材料晶体微观特征变化而造成镜面物理性能退化，进而影响检测电容的灵敏度。

4.2 部件级试验参数退化模型

加速度计老化试验的判据为加速度计输出变化量，为了分离触发这种变化的本质来源，首先需要将加速度计分离为表头以及伺服电路，分别进行研究。将若干试验加速度计分离为A与B两组，将A组加速度计的表头与B组加速度计的伺服电路做环境老化试验。定期的将A组与B组加速度计恢复之后进行参数性能测试。除了对比加速度计静态环境下输出值，还应关注加速度计超调量、谐振峰值、谐振频率等动态系统参量，以及加速度计在随机与定频振动下加速度计输出的前后变化量[17]。

4.3 整机级参数退化模型

加速度计材料级与部件级老化试验参数退化的研究是为加速度计整机参数退化模型作为参考，整表参数退化是加速度计老化试验的真实反映，更加接近于加速度计自然贮存下的状态，同时，可以反映加速度计退化情况的参数也最多[18-21]。在研究整机参数退化模型时，可以通过控制整表的密封状态，设置零密封到全密封状态下的加速度计整表子样，研究不同密封性的加速度计的参数退化情况。加速退化试验可以进行到加速度计功能失效，然后对加速度计解剖分析，进行故障定位，最后对故障对应下的环境应力应用控制变量以及正交试验等方法进行验证。

加速度计退化薄弱环节分析试验评价方法见如下表1所示。

表1 加速度计贮存延寿试验薄弱环节分析情况

5 失效判据

通过本节内容的分析，可以区分加速度计贮存失效与自身故障的本质来源，以及加速度计输出参数退化的趋势，在加速贮存试验中，输出参数的退化实质来源于构成加速度计的材料的物理与电气性能的退化，而材料参数的退化一般为初始的线性退化，在到中间的收敛(稳定)，再到最后的不收敛(曲线崩塌)的大体趋势。至于中间的收敛项时间，需要各个材料退化曲线加权预估。加速度计退化判据根据加速计退化曲线而来，即加速度计退化曲线开始崩塌的驻点，具体如图6所示。

图6 加速度贮存试验输出曲线示意图

图6中由稳定阶段到离散阶段的转折点称为“驻点”。贮存试验关键是要观测到驻点，说明加速度计开始出现退化或者失效的趋势，对于驻点的判断可以用加速度计输出二阶求导的微分方式计算，如下

(4)

6 结论

石英加速度计贮存延寿的核心是获取加速因子，前提是获得性能参数退化的趋势。通过材料级、部件级以及整机级的试验分离与试验验证，可以获取加速贮存失效的薄弱环节，将加速度计贮存延寿试验引起的性能退化与随机故障区分。针对加速度计失效的判据问题，应根据每个加速度计的个体差异问题，对薄弱环节引起的敏感参量进行二阶驻点分析，才能从本质上判定加速度计是否出现失效，避免因人为设置判据而引起的“伪失效”。