某型过载传感器数据采集失真故障原因研究

颜雄超

(海军装备部驻武汉地区军事代表局驻武汉地区军事代表室,湖北武汉,430000)

1 故障概述

在某次利用过载传感器测试产品过载时，得到如图1所示过载曲线，与产品实际试验工况存在明显差异，现对产生此现象的原因进行分析。

图1 试验曲线

2 传感器工作原理

此过载传感器（以下简称传感器）为内装信号调节器的压阻式加速度传感器。压阻式加速度敏感元件设计为整体硅结构，由多根梁的硅框架支撑一块经微细加工而成的硅质量块【1】。当框架受到加速度作用，由于惯性力硅块相对于框架运动时，造成梁内的应力变化，从而使梁内的敏感电阻阻值发生变化，通过电桥转换为电压输出。由于半导体材料本身的特点，敏感元件本身的满量程输出信号只有几到几十毫伏，因此需要增加信号调理电路，主要起到为敏感元件供电、信号放大、温度补偿、增益调整、滤波、保护等作用，直接决定了传感器的总体性能是否满足各项指标要求。其结构简图如图2所示。

图2 压阻式传感器结构简图

3 传感器的主要性能参数

传感器的主要计量结果如表1所示。经过对不同频率下的标定系数计算，发现传感器在不同频率下的标定系数发生一定的变化，且在50HZ至90HZ之间的标定系数未知，且偏差明显的增大。

表1 传感器的主要计量结果

4 阻尼对加速度传感器幅频特性的影响

对于加速度传感器来说当其几何结构参数一定时,其频率响应特性直接受到内部阻尼参数的影响,尤其对固有频率较低的传感器来说,其阻尼类型及阻尼比的数值直接决定了传感器的安全工作的频率范围以及传感器的动态精度。

如果传感器内部没有阻尼,随外界激励信号频率的增加,传感器输出幅值非线性将随之增加。对于受冲击力作用时,内部没有阻尼的加速度传感器,其内部敏感质量的位移是静态下位移的两倍【2】。对内部存在阻尼条件时,其幅频响应取决于阻尼系数的大小。

压阻式加速度计是利用单晶硅的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。当单晶硅材料受到惯性力作用时，将会引起敏感元件的机械运动并转化半导体力敏电阻的阻值变化，再通过惠斯通电桥转化成电压信号，从而获得被测加速度和输出电压的关系式，测量加速度的变化。

不同阻尼比的传感器在固有频率相同的情况下，其响应曲线会得到失真，如图3所示【3】。

图3 传感器固有频率相同情况下不同阻尼比对传感器的影响

5 冲击试验中的阻尼对传感器的影响

对于压阻式传感器，其本身存在一定的固有频率，当被试件的力学状态存在一定的频率剧变，而这种频率与传感器固有频率相同时，会导致传感器的数据采集失真，影响到传感器的动态特性。

其机理原因是，在被试件的加速度冲击载荷中含有丰富的频率成分，一旦该载荷具有与传感器系统的频率值相等或相近的频率成分时，若传感器的阻尼系数过小，就会很容易引起系统的共振且衰减缓慢，甚至导致传感器内部器件的运动幅度过大导致器件结构的损坏。

由图4可见，阻尼较小的响应信号谐振情况严重，幅值误差大，而阻尼合理的传感器无明显的谐振现象，说明传感器的阻尼应匹配被试件实际工况所产生的阻尼需求，即由被试件的实际载荷剧变产生的振动频率应与传感器本身的固有频率一致。

图4 同一冲击试验下不同阻尼的传感器测试结果

在过载急剧变化过程中，若被试件与传感器的振动频率相当，或者传感器本身的阻尼系数小于载荷剧变引起的阻尼，外界的激励信号会使系统产生共振，如图4所示。

在某高过载冲击试验的末端，载荷突然消失，被试件在此工况下的阻尼大于传感器自身阻尼，导致传感器在载荷卸载的末端出现采集数据失真。

6 传感器采集失真原因分析

本次传感器数据采集失真，主要有以下几点原因：

（1）传感器的动态稳定性由传感器的灵敏度、幅频响应及阻尼特性决定，根据此传感器的计量报告显示，灵敏度在0Hz至50Hz的范围内具有明显的差异，而在试验测试时，传感器采集低于80Hz的采集信号，其在50Hz至80Hz的灵敏度变化未知。

（2）试验中被试件的阻尼系数一般在0.7左右，但是实际工况是不断变化的，被试件在试验过程中由于结构刚度和外力作用，会发生阻尼的变化，若阻尼系数与传感器自身的阻尼系数相比越大，则会引起传感器与系统的共振效应，造成谐振，导致传感器采集数据的失真，甚至造成内部结构的损坏。

（3）传感器阻尼系数为0.7，能满足一般情况下的测试匹配性，但在过载急剧变化或者系统本身发生振动的情况下，会出现阻尼系数过大的情况，因此出现传感器采集信号失真的情况。

7 结论

通过此次试验结果分析，可得到以下结论：（1）压阻式传感器在被试件的载荷急剧变化时会产生系统振动，若频率达到传感器的固有频率，将会导致传感器的数据采集失真，严重时会损害传感器；（2）针对测试系统共振的不利情况，应对传感器的阻尼系数和被试件实际工况下的阻尼变化进行控制，传感器阻尼系数应适应系统试验过程中由载荷变化引起的阻尼系数变化，可以保证传感器的数据采集可靠性；（3）对于采用压阻式的传感器，在使用中应关注其阻尼动态特性，把传感器的阻尼系数作为同幅频特性、灵敏度一致的指标，采购、使用中进行控制和要求；（4）要加强对被试件的阻尼分析能力和振动频响研究，为传感器的选用和试验结果分析，提供数据支撑。