某型惯性传感器启动电路故障的原因分析

刘祥水

（国营芜湖机械厂，安徽芜湖 241007）

0 引言

惯性传感器是某型飞机的重要传感器，其向飞机提供俯仰、倾斜、航向等姿态信息，是飞机导航系统中重要的组成部分。在某型飞机的导航系统修理过程中，统计发现该型惯性传感器的启动电路的故障率占到整个系统故障率的30%，启动电路是该型惯性传感器的主要故障源之一。通过对故障传感器进行内场检查发现其内场故障复现率只有60%，为了提高该型传感器的修理可靠性，需要对对启动电路进行分析，制定出维修方案。

1 故障现象

惯性传感器是某型飞机惯性导航系统的组成部分，其接通方式有两种：一是在座舱全系统接通（包含惯性导航系统、无线电近距导航系统、大气数据导航系统等），二是通过地勤维护操作台进行惯性导航系统单系统接通。两种接通方式在飞机上虽有不同，但到产品的接口均一致，所以不存在外部的干扰因素。

通过对该型产品履历本记录的现象进行统计，其故障现象主要是座舱内地平仪无指示，多功能显示器黑屏、系统自检信息良好灯不亮等。上述故障均是产品未接通的典型现象，产品在内场检查时，通过单部件设备检查时，产品接通正常，而通过系统联调设备接通，偶有接不通的现象。

2 原理分析

该型传感器的启动原理是机上主、备电源同时接入该型传感器的二次电源，二次电源接收启动电路的接通、断开指令向传感器输出各种工作电压，其原理框图如图1 所示。

图1 惯性传感器电源原理

从原理框图可知启动电路控制整个产品的电源系统，直接影响到产品内各惯性器件和电路板件的供电。经查阅产品图纸，该型产品的启动电路采用密封磁保持双稳态继电器、非固体电解质钽电容器、玻封硅高频整流二极管等组成。其原理如图2 所示。

图2 启动电路原理

从原理图可知导致+27 V 接通脉冲未能送至启动端口，原因可能是接通+27 V 电源时，P14 继电器未能正常工作，触点12-13 未闭合；P14 继电器工作正常，但是二极管Д6 断路；系统中线路故障未能形成回路等原因。

通过查阅图纸发现，在单部件设备中接通产品使用的是开关，将地面直流电源直接加在接通端，而在系统中是通过触发式的按钮对产品进行供电的。在此电路中能够影响系统接通效率的只有电容器，对多个故障电路进行故障排除证实电容器是引起该故障的原因。

电容器的作用是让继电器更容易启动，能降低继电器的吸合时间，还能降低继电器的发热。在启动瞬间电压可能会带有尖峰脉冲容易损坏继电器，电容的特性很好的解决了此问题，同时在充电结束电流下降后电容通过电流的慢慢减小到外面电阻维持稳定电流，吸合后的继电器维持继电器的吸合。电容损坏后电压直接加在继电器端，一是容易造成其损坏，二是脉冲电压无法保证继电器的吸合效率。

为了解决系统中产品的启动问题需要对故障电容进行原因分析以制定出有效措施来保证接通电路的接通效率。

3 失效分析

该电容器的型号为ОСК52-1БВ-50В-68МКФ±10%，为俄罗斯研制生产。为了检查其在安装、试验、使用等过程中引起的损坏，分别对电容进行了外观检查、X 射线检查、电特性检查、开封检查、金相切片检查，检查结果如下：

3.1 外观检查

利用显微镜对其进行外观检查。经观察，外壳表面的塑料套管有破损，阳极引脚根部与塑料之间有开裂，未见其他明显的异常，典型的外观形貌如图3 所示。

图3 外观形貌

3.2 X 射线检查

为了检查样品封装内的缺陷、损伤，利用X-ray 设备对其进行X 射线检查。经观察，未发现样品的内部结构有明显的异常。典型的X-ray 形貌如图4 所示。

图4 X-ray 形貌

3.3 电特性测试

为了确定失效样品的失效特性，鉴别失效模式，采用多频率LCR 测试仪和漏电流测试仪等设备对样品的电容量（C）、损耗角正切（DF）和漏电流（LC）等参数进行测试，结果见表1。

表1 样品的参数测试结果

根据表1 中数据可知，样品已短路失效。

3.4 开封、内部目检

为了检查样品内部是否存在有与失效模式相关的结构异常或缺陷，确定失效位置，采用机械的方法对样品进行开封，展现出内部全貌，并结合显微镜进行观察，结果如图5 所示。

观察发现：样品内部的钽芯表面氧化膜存在有明显的击穿烧毁（图6），未发现样品的钽芯氧化膜有明显的损伤。

图5 开封后的钽芯放大形貌（清洗后）

图6 钽芯的典型SEM 形貌及方框区域的放大形貌

3.5 金相切片检查

为了检查样品的密封结构是否存在异常，对样品的密封结构进行固封和研磨，制作金相切片进行观察（固封前对样品的密封结构进行了荧光染色试验），结果如图7 和图8 所示。经观察，样品为半密封结构，主要密封件为橡胶圈，橡胶圈位置未发现有明显的漏液情况。

图7 密封结构的金相切片全貌及框Ⅰ区域放大形貌（紫外光源下）

图8 框Ⅱ和框Ⅲ区域的放大形貌（紫外光源下）

3.6 分析与结论

经查产品文件和总结以上分析可知，该继电器的线圈额定电压为27 V，实际工作电压在（27±3）V 范围内，电容的额定电压为50 V，电容由于过高电压导致其击穿的可能性较低；切片检查结果表明，该电容器为半密封结构；通过电特性分析该电容的失效模式为短路；开封后检查电容器内部的钽芯表面的氧化膜有明显的击穿烧毁；该电容器于1992 年装机，2018 年发生失效，装机时间26 年，累计工作时间>3000 h。

通过查阅电容器相关工作原理可知在长期使用过程中，电容器工作电解液中的水分有可能会通过密封结构缓慢泄漏，引起工作电解液的逐渐消耗，而工作电解液在电容工作过程中，起到修补介质氧化膜的作用。由于电解液的消耗，使得介质氧化膜得不到有效的修补，引起电容器的漏电增大，导致电容器在漏电较大的位置发生击穿，烧毁氧化膜而短路的。

4 改进措施

该型电容器在引进的某型重要装备中使用数量非常之多，在该型惯性传感器中就有6 个，通过上述分析可知氧化膜长时间使用导致漏电流增大是该型电容器损坏的主要原因，该型电容属于基本原器件，已无修复价值，在修理过程中为保证修理后的产品性能，需将该型电容器进行全部更换。通过近一年的观察，换新后的产品未出现产品偶发的接不通现象。