一種航天線纜壓接電阻智能檢測系統(tǒng)設(shè)計

張自強(qiáng) 李根梓 陸曉濤 楊大兵 陳雨田

?

一種航天線纜壓接電阻智能檢測系統(tǒng)設(shè)計

張自強(qiáng) 李根梓 陸曉濤 楊大兵 陳雨田

（北京航天新風(fēng)機(jī)械設(shè)備有限責(zé)任公司，北京 100854）

針對傳統(tǒng)電筆式毫歐表檢測方法具有檢測覆蓋性差、數(shù)據(jù)不穩(wěn)定且不易存儲的缺點。提出一種航天線纜壓接電阻智能檢測方法，以高精度低電阻測量單元為數(shù)據(jù)采集內(nèi)核，下位機(jī)嵌入式處理器對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、最小二乘法處理，并將結(jié)果傳至上位機(jī)進(jìn)行合格性判定和人機(jī)交互，數(shù)據(jù)被實時存儲。線纜制作安全可靠，為我軍裝備提供有利保障。

壓接電阻；人機(jī)交互；實時存儲；安全可靠

1 引言

壓接是在自然環(huán)境中用機(jī)械方法將導(dǎo)線進(jìn)行冷壓接，該連接方式起源于美國40年代，為了解決海軍航空母艦上艦載飛機(jī)電連接器耐鹽霧腐蝕、壽命低的問題[1，2]。壓接連接器重量輕、耐腐蝕性好、壽命長、電磁兼容性好、操作簡單、質(zhì)量易控制，為美國軍方專用，廣泛應(yīng)用在航空、航天領(lǐng)域。國內(nèi)從70年代開始引進(jìn)，已成為軍品電纜連接技術(shù)中主流加工方法[3]。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我軍的軍事裝備也日益復(fù)雜，裝備綜合化程度越來越高，尤其在航空、航天等領(lǐng)域的各種作戰(zhàn)系統(tǒng)中，這種互聯(lián)關(guān)系更為突出。壓接電阻作為線纜壓接連接電氣性能的重要參數(shù)，在武器裝備線纜網(wǎng)的生產(chǎn)過程中至關(guān)重要。目前，國內(nèi)航天線纜制造廠商使用的線纜壓接電阻檢測設(shè)備主要是傳統(tǒng)的電筆式毫歐表，對完成壓接的導(dǎo)線采用手動破壞性抽檢方式進(jìn)行測量[4]。航天產(chǎn)品線纜的壓接電阻阻值范圍為mΩ級[5]，在測量中需要排除導(dǎo)線電阻和接觸點電阻，另外由于壓接插針體積較小，手工將毫歐表的電筆與被測點相連接較為費(fèi)時。因此，使用傳統(tǒng)的毫歐表進(jìn)行壓接電阻檢測存在覆蓋性差、數(shù)據(jù)不穩(wěn)定等問題，檢測數(shù)據(jù)精度低，也不利于電子數(shù)據(jù)記錄和上傳，為產(chǎn)品運(yùn)行留下隱患。

2 壓接電阻智能檢測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)概述

壓接電阻智能檢測系統(tǒng)由控制單元、測量工裝和上位機(jī)三部分組成[5]，控制單元通過測量工裝采集導(dǎo)線壓接電阻數(shù)據(jù)并進(jìn)行濾波、最小二乘法擬合處理，由通訊接口將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，在顯示器上顯示和人機(jī)交互，并在存儲器中實時存儲，便于問題追溯和生產(chǎn)過程的工藝優(yōu)化。系統(tǒng)功能框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

壓接電阻智能檢測系統(tǒng)以控制單元作為系統(tǒng)功能實現(xiàn)和數(shù)據(jù)處理、傳輸?shù)目刂浦袠?，其中高精度低電阻測量內(nèi)核為數(shù)據(jù)采集模塊，AC/DC開關(guān)電源器進(jìn)行電壓交直流轉(zhuǎn)換為嵌入式處理器和上位機(jī)系統(tǒng)供電，DC/DC變壓器獨(dú)立為高精度低電阻測量內(nèi)核供電，減少電磁干擾和供電紋波對低電阻測量的影響，溫濕度傳感器采集系統(tǒng)工作溫度和濕度數(shù)據(jù)并由嵌入式處理通過通訊接口傳輸至上位機(jī)，散熱風(fēng)扇實現(xiàn)系統(tǒng)散熱；測量工裝采用柔性夾持工具，實現(xiàn)被測導(dǎo)線快速裝卡、固定；上位機(jī)由智能化人機(jī)交互平臺進(jìn)行合格性判讀和人機(jī)交互，結(jié)果通過顯示器輸出并在存儲器中存儲。

2.2 測量原理

a 測量工裝 b 測量電路

航天產(chǎn)品線纜的壓接電阻阻值為0.6～5.0mΩ[6]，屬于低電阻檢測，測量探針與被測電阻之間的接觸電阻為10-2Ω數(shù)量級，傳統(tǒng)的二端法測量結(jié)果存在較大的誤差[7]。采用四端法測量，提出一種柔性夾持測量工裝，提高壓接電阻檢測阻值的精確度和準(zhǔn)確度，測量工裝和測量原理如圖2所示[8，9]。

圖2a中，探針接口分別與驅(qū)動探針、檢測探針、校準(zhǔn)探針連接；被測導(dǎo)線一端已壓接完成，一端裸露線芯，通過夾持旋鈕固定在測量工裝上；夾持旋鈕下面是柔性固定凹槽，壓接端子和線芯固定在凹槽中，被測點與探頭為面接觸。圖2b中，四端法測量等效為由額定電流源輸出驅(qū)動電流，電壓表測量被測電阻的阻值。1、2為檢測探針與被測電阻之間的接觸電阻；3、4為驅(qū)動探針與被測電阻之間的接觸電阻。

額定電流源輸出電流通過驅(qū)動探針加載到被測電阻上，電壓關(guān)系滿足[10]：

其中，為電壓表檢測探針測得上的電壓；x為兩端實際電壓；y、z分別為接觸電阻1、2兩端電壓。

電壓表的輸入阻抗為108Ω數(shù)量級，流過檢測探針的電流很小可忽略不計，即：

由此可知，被測電阻可以表示為：

四端法測量電阻，由電壓表顯示電壓與輸出電流的比值即可得出。避免了探針接觸電阻的影響，提高線纜壓接電阻測量的精確度和準(zhǔn)確度。

2.2.1 壓接電阻測量

被測導(dǎo)線一端已經(jīng)壓接完成，另一端為裸線端，導(dǎo)線通過柔性夾持旋鈕固定在測量工裝上，檢測探針與被測導(dǎo)線面接觸。被測導(dǎo)線示意如圖3所示。

圖3 被測導(dǎo)線示意圖

圖3中，為壓接端尾部至裸線端尾部導(dǎo)線長度，在導(dǎo)線裝入測量工裝前經(jīng)測量得知，單位為m；導(dǎo)線的電阻率為，單位為Ω·m；橫截面積為，單位為m2；高精度低電阻測量內(nèi)核四端法測量導(dǎo)線的阻值為D。壓接電阻YJ可以表示為[11]：

式（4）中，參數(shù)在被測導(dǎo)線的技術(shù)手冊中可以查詢，D由實際測量和測量內(nèi)核數(shù)據(jù)得知，從而可以得到線纜壓接電阻YJ的阻值。

2.3 控制單元

控制單元是系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸以及功能實現(xiàn)的控制中樞。高精度低電阻測量內(nèi)核完成數(shù)據(jù)采集，采用精密直流低電阻測試儀的處理內(nèi)核，測量電阻分辨率0.1μΩ，測量精度0.05%，測量速度30次/s，通過與嵌入式處理器通訊，將測量數(shù)據(jù)處理和傳輸。嵌入式處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、傳輸及功能實現(xiàn)，以恩智浦LPC2368作為核心CPU，搭配復(fù)位電路、電源穩(wěn)壓電路、晶振電路及數(shù)據(jù)串行通訊電路構(gòu)成。嵌入式處理器接收高精度低電阻測量內(nèi)核的實時測量值，并通過內(nèi)部嵌入式軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)濾波、最小二乘法擬合處理，通過RS232串行總線與上位機(jī)工業(yè)平板電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，反饋測量結(jié)果和接收人機(jī)交互指令。嵌入式處理電路原理如圖4所示。

圖4 嵌入式處理電路原理圖

圖4中，+5V的直流電壓經(jīng)電源穩(wěn)壓電路濾波、降壓處理后輸出+3.3V直流電壓為嵌入式處理器供電。高精度低電阻測量內(nèi)核通過隔離通訊芯片RSM232D與嵌入式處理器RS232通訊，將壓接電阻測量數(shù)據(jù)實時傳入處理器中進(jìn)行濾波、最小二乘法處理。上位機(jī)通過收發(fā)器MAX3232E與處理器RS232通訊，將處理后的數(shù)據(jù)信息實時在上位機(jī)人機(jī)交互界面上顯示及合格性判定，同時接受用戶交互信號，通過嵌入式處理器控制高精度低電阻測量內(nèi)核進(jìn)行壓接電阻檢測。采用MAX708電壓監(jiān)控芯片和74HC125D總線緩沖器搭建復(fù)位電路，當(dāng)開關(guān)鍵S1按下后，處理器停止工作，系統(tǒng)復(fù)位。

2.4 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計應(yīng)用架構(gòu)包含應(yīng)用層、應(yīng)用邏輯層、核心應(yīng)用服務(wù)層及基礎(chǔ)軟件層四個子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)邏輯上互相獨(dú)立，數(shù)據(jù)交換采用統(tǒng)一的平臺。軟件工作流程如圖5所示。

圖5中，不同權(quán)限的用戶通過獨(dú)有的密碼登錄。操作人員通過人機(jī)交互界面進(jìn)行壓接電阻檢測，并將數(shù)據(jù)實時存儲在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中；開發(fā)人員登陸后可以查看系統(tǒng)配置并進(jìn)行功能維護(hù)；管理人員可以對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，便于線纜生產(chǎn)過程中壓接環(huán)節(jié)的工藝優(yōu)化和問題追溯。

圖5 軟件工作流程圖

3 實驗與驗證

3.1 校準(zhǔn)實驗

表1 校準(zhǔn)結(jié)果

對壓接電阻智能檢測系統(tǒng)進(jìn)行了校準(zhǔn)實驗。采用ZGD直流過渡電阻器、BZ3標(biāo)準(zhǔn)電阻，參照J(rèn)JG827—2001《直流低電阻表檢定規(guī)程》，電阻標(biāo)準(zhǔn)值選取從0.10～10.0 mΩ進(jìn)行校準(zhǔn)實驗。壓接電阻智能檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，壓接電阻智能檢測系統(tǒng)檢測精度為0.01 mΩ，測量不確定度為1′10-3～1′10-2。檢測精度滿足線纜壓接電阻要求，結(jié)果真實有效。

3.2 壓接電阻檢測

選用上海線纜廠生產(chǎn)的FF46-2Q型19芯鍍銀導(dǎo)線，線芯截面積=0.03mm2，長度=20cm，線纜手冊上查到該導(dǎo)線的電阻率=1.275′10-3mΩ·cm。壓接端子選取CDb-0.3孔型，進(jìn)行了50次檢測，在壓接電阻智能檢測系統(tǒng)人機(jī)交互界面上顯示的壓接電阻阻值如圖6所示。

由圖6可以看出，實驗結(jié)果具有較高的一致性和可重復(fù)性，數(shù)據(jù)有效，可以對線纜壓接電阻進(jìn)行判定。

圖6 壓接電阻檢測實驗結(jié)果

4 結(jié)束語

航天線纜壓接電阻智能檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了壓接電阻高精度檢測、合格性判定和數(shù)據(jù)記錄上傳，解決了傳統(tǒng)的毫歐表檢測方法數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和一致性差、記錄繁瑣的問題。壓接電阻檢測精度達(dá)0.01mΩ，測量不確定度1′10-3～1′10-2，檢測數(shù)據(jù)真實有效，具有一致性，提高線纜制作的可靠性，為我軍裝備提供有利保障。

1 史建麗，張立軍. 壓接電纜制作工藝研究[J]. 火箭推進(jìn)，2005，31(1)：39～43

2 何曉宇，曾翔君，楊旭，等. 電力電子集成模塊中壓接結(jié)構(gòu)及其電接觸特性[J]. 中國機(jī)電工程學(xué)報，2008，3(25)：50～54

3 李能貴. 電子元器件的可靠性[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，1990

4 徐林，邱凱，李瑛，等. 航天壓接型電纜組件失效模式分析[J]. 航天制造技術(shù)，2014(4)：28～31

5 張自強(qiáng)，張偉. 一種線纜壓接電阻無損測量系統(tǒng)[P]. 中國：CN106771613A，2017-05-31

6 徐英. 壓接連接工藝技術(shù)研究[J]. 電子工藝技術(shù)，2005，26(1)：21～23

7 顧卓璟，張興敢，唐嵐，等. 一種高精度電阻測量儀系統(tǒng)設(shè)計[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35(3)：184～187

8 陸曉濤. 一種壓接電阻無損測量工裝[P]. 中國專利CN106526325.A，2017-03-22

9 周守昌. 電路原理[M]. 第2版. 北京：高等教育出版社，1999

10 呂泉. 低電阻測量方法分析[J]. 貴州教育學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)）[J]. 2005，16(2)：30～32

11 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M]. 第4版. 北京：高等教育出版社，1998

Deisgn on An Intelligent Measurement System for Pressure Resistance of Space Cable

Zhang Ziqiang Li Genzi Lu Xiaotao Yang Dabing Chen Yutian

(Beijing Aerospace Xinfeng Mechanical Equipment Co., Ltd, Beijing 100854)

Traditional pressure resistance of space cable is achieved by using an electric-pen-type milliohm-meter. The milliohm-meter shows drawbacks as poor measurement coverage, low operating efficiency, lack of data stability and difficult to store. An intelligent measurement system for pressure resistance of space cable is proposed. A high precision ohm unit is used as the kernel measurement, and measurement data from the ohm unit are filtered and least squares fitted by an embedded processor. The processed data are transmitted into the upper computer to conduct conformity determination and man-machine interaction, and measurement data are being real-time storage. Experimental results reveal thathigh safe and reliability has been achieved by using the proposed system, which providing a favorable guarantee for our military equipment.

pressure resistance；man-machine interaction；real-time storage；safe and reliability

張自強(qiáng)（1988），工程師，儀器科學(xué)與技術(shù)專業(yè)；研究方向：航天器電氣系統(tǒng)理論研究與相關(guān)設(shè)計。

2017-10-17