某型慣性傳感器啟動(dòng)電路故障的原因分析

劉祥水

（國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽蕪湖 241007）

0 引言

慣性傳感器是某型飛機(jī)的重要傳感器，其向飛機(jī)提供俯仰、傾斜、航向等姿態(tài)信息，是飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)中重要的組成部分。在某型飛機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)修理過程中，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)該型慣性傳感器的啟動(dòng)電路的故障率占到整個(gè)系統(tǒng)故障率的30%，啟動(dòng)電路是該型慣性傳感器的主要故障源之一。通過對(duì)故障傳感器進(jìn)行內(nèi)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)其內(nèi)場(chǎng)故障復(fù)現(xiàn)率只有60%，為了提高該型傳感器的修理可靠性，需要對(duì)對(duì)啟動(dòng)電路進(jìn)行分析，制定出維修方案。

1 故障現(xiàn)象

慣性傳感器是某型飛機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的組成部分，其接通方式有兩種：一是在座艙全系統(tǒng)接通（包含慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、無線電近距導(dǎo)航系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)等），二是通過地勤維護(hù)操作臺(tái)進(jìn)行慣性導(dǎo)航系統(tǒng)單系統(tǒng)接通。兩種接通方式在飛機(jī)上雖有不同，但到產(chǎn)品的接口均一致，所以不存在外部的干擾因素。

通過對(duì)該型產(chǎn)品履歷本記錄的現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其故障現(xiàn)象主要是座艙內(nèi)地平儀無指示，多功能顯示器黑屏、系統(tǒng)自檢信息良好燈不亮等。上述故障均是產(chǎn)品未接通的典型現(xiàn)象，產(chǎn)品在內(nèi)場(chǎng)檢查時(shí)，通過單部件設(shè)備檢查時(shí)，產(chǎn)品接通正常，而通過系統(tǒng)聯(lián)調(diào)設(shè)備接通，偶有接不通的現(xiàn)象。

2 原理分析

該型傳感器的啟動(dòng)原理是機(jī)上主、備電源同時(shí)接入該型傳感器的二次電源，二次電源接收啟動(dòng)電路的接通、斷開指令向傳感器輸出各種工作電壓，其原理框圖如圖1 所示。

圖1 慣性傳感器電源原理

從原理框圖可知啟動(dòng)電路控制整個(gè)產(chǎn)品的電源系統(tǒng)，直接影響到產(chǎn)品內(nèi)各慣性器件和電路板件的供電。經(jīng)查閱產(chǎn)品圖紙，該型產(chǎn)品的啟動(dòng)電路采用密封磁保持雙穩(wěn)態(tài)繼電器、非固體電解質(zhì)鉭電容器、玻封硅高頻整流二極管等組成。其原理如圖2 所示。

圖2 啟動(dòng)電路原理

從原理圖可知導(dǎo)致+27 V 接通脈沖未能送至啟動(dòng)端口，原因可能是接通+27 V 電源時(shí)，P14 繼電器未能正常工作，觸點(diǎn)12-13 未閉合；P14 繼電器工作正常，但是二極管Д6 斷路；系統(tǒng)中線路故障未能形成回路等原因。

通過查閱圖紙發(fā)現(xiàn)，在單部件設(shè)備中接通產(chǎn)品使用的是開關(guān)，將地面直流電源直接加在接通端，而在系統(tǒng)中是通過觸發(fā)式的按鈕對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行供電的。在此電路中能夠影響系統(tǒng)接通效率的只有電容器，對(duì)多個(gè)故障電路進(jìn)行故障排除證實(shí)電容器是引起該故障的原因。

電容器的作用是讓繼電器更容易啟動(dòng)，能降低繼電器的吸合時(shí)間，還能降低繼電器的發(fā)熱。在啟動(dòng)瞬間電壓可能會(huì)帶有尖峰脈沖容易損壞繼電器，電容的特性很好的解決了此問題，同時(shí)在充電結(jié)束電流下降后電容通過電流的慢慢減小到外面電阻維持穩(wěn)定電流，吸合后的繼電器維持繼電器的吸合。電容損壞后電壓直接加在繼電器端，一是容易造成其損壞，二是脈沖電壓無法保證繼電器的吸合效率。

為了解決系統(tǒng)中產(chǎn)品的啟動(dòng)問題需要對(duì)故障電容進(jìn)行原因分析以制定出有效措施來保證接通電路的接通效率。

3 失效分析

該電容器的型號(hào)為ОСК52-1БВ-50В-68МКФ±10%，為俄羅斯研制生產(chǎn)。為了檢查其在安裝、試驗(yàn)、使用等過程中引起的損壞，分別對(duì)電容進(jìn)行了外觀檢查、X 射線檢查、電特性檢查、開封檢查、金相切片檢查，檢查結(jié)果如下：

3.1 外觀檢查

利用顯微鏡對(duì)其進(jìn)行外觀檢查。經(jīng)觀察，外殼表面的塑料套管有破損，陽(yáng)極引腳根部與塑料之間有開裂，未見其他明顯的異常，典型的外觀形貌如圖3 所示。

圖3 外觀形貌

3.2 X 射線檢查

為了檢查樣品封裝內(nèi)的缺陷、損傷，利用X-ray 設(shè)備對(duì)其進(jìn)行X 射線檢查。經(jīng)觀察，未發(fā)現(xiàn)樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有明顯的異常。典型的X-ray 形貌如圖4 所示。

圖4 X-ray 形貌

3.3 電特性測(cè)試

為了確定失效樣品的失效特性，鑒別失效模式，采用多頻率LCR 測(cè)試儀和漏電流測(cè)試儀等設(shè)備對(duì)樣品的電容量（C）、損耗角正切（DF）和漏電流（LC）等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表1。

表1 樣品的參數(shù)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表1 中數(shù)據(jù)可知，樣品已短路失效。

3.4 開封、內(nèi)部目檢

為了檢查樣品內(nèi)部是否存在有與失效模式相關(guān)的結(jié)構(gòu)異常或缺陷，確定失效位置，采用機(jī)械的方法對(duì)樣品進(jìn)行開封，展現(xiàn)出內(nèi)部全貌，并結(jié)合顯微鏡進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5 所示。

觀察發(fā)現(xiàn)：樣品內(nèi)部的鉭芯表面氧化膜存在有明顯的擊穿燒毀（圖6），未發(fā)現(xiàn)樣品的鉭芯氧化膜有明顯的損傷。

圖5 開封后的鉭芯放大形貌（清洗后）

圖6 鉭芯的典型SEM 形貌及方框區(qū)域的放大形貌

3.5 金相切片檢查

為了檢查樣品的密封結(jié)構(gòu)是否存在異常，對(duì)樣品的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行固封和研磨，制作金相切片進(jìn)行觀察（固封前對(duì)樣品的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熒光染色試驗(yàn)），結(jié)果如圖7 和圖8 所示。經(jīng)觀察，樣品為半密封結(jié)構(gòu)，主要密封件為橡膠圈，橡膠圈位置未發(fā)現(xiàn)有明顯的漏液情況。

圖7 密封結(jié)構(gòu)的金相切片全貌及框Ⅰ區(qū)域放大形貌（紫外光源下）

圖8 框Ⅱ和框Ⅲ區(qū)域的放大形貌（紫外光源下）

3.6 分析與結(jié)論

經(jīng)查產(chǎn)品文件和總結(jié)以上分析可知，該繼電器的線圈額定電壓為27 V，實(shí)際工作電壓在（27±3）V 范圍內(nèi)，電容的額定電壓為50 V，電容由于過高電壓導(dǎo)致其擊穿的可能性較低；切片檢查結(jié)果表明，該電容器為半密封結(jié)構(gòu)；通過電特性分析該電容的失效模式為短路；開封后檢查電容器內(nèi)部的鉭芯表面的氧化膜有明顯的擊穿燒毀；該電容器于1992 年裝機(jī)，2018 年發(fā)生失效，裝機(jī)時(shí)間26 年，累計(jì)工作時(shí)間>3000 h。

通過查閱電容器相關(guān)工作原理可知在長(zhǎng)期使用過程中，電容器工作電解液中的水分有可能會(huì)通過密封結(jié)構(gòu)緩慢泄漏，引起工作電解液的逐漸消耗，而工作電解液在電容工作過程中，起到修補(bǔ)介質(zhì)氧化膜的作用。由于電解液的消耗，使得介質(zhì)氧化膜得不到有效的修補(bǔ)，引起電容器的漏電增大，導(dǎo)致電容器在漏電較大的位置發(fā)生擊穿，燒毀氧化膜而短路的。

4 改進(jìn)措施

該型電容器在引進(jìn)的某型重要裝備中使用數(shù)量非常之多，在該型慣性傳感器中就有6 個(gè)，通過上述分析可知氧化膜長(zhǎng)時(shí)間使用導(dǎo)致漏電流增大是該型電容器損壞的主要原因，該型電容屬于基本原器件，已無修復(fù)價(jià)值，在修理過程中為保證修理后的產(chǎn)品性能，需將該型電容器進(jìn)行全部更換。通過近一年的觀察，換新后的產(chǎn)品未出現(xiàn)產(chǎn)品偶發(fā)的接不通現(xiàn)象。