一種導(dǎo)彈火工品測試儀設(shè)計

魏保華

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)， 石家莊 050003)

戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈火工品是其重要部件，對導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能的有效發(fā)揮及其安全性起著十分關(guān)鍵的作用。火工品測試通常是導(dǎo)彈定期測試維護的重要內(nèi)容，也是導(dǎo)彈發(fā)射前檢查的關(guān)鍵內(nèi)容，其測試結(jié)果決定了導(dǎo)彈能否安全使用。導(dǎo)彈火工品測試儀通常具有專用性，按照某一型號導(dǎo)彈火工品測試需求專門設(shè)計，廣泛采用電壓比較性歐姆轉(zhuǎn)換技術(shù)，利用兩線或四線測量法完成測試；為保證測試人員和裝備的安全，通常還遵循采用干電池電源、限制回路電流/電壓、加裝“啟測”裝置等原則[1]。目前的專用測試儀能夠滿足單一型號導(dǎo)彈火工品測試的需要，而對于需要完成多種型號導(dǎo)彈測試的中繼級以上修理機構(gòu)和后方倉庫來說，通用性差成為一個較為突出的問題。鑒于此，本文針對中繼級以上修理機構(gòu)和后方倉庫多種型號導(dǎo)彈火工品測試的需要，設(shè)計一種具有一定通用性的測試儀。

1 測試需求分析

戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈火工品測試參數(shù)主要指火工品電路一些部位上兩點間的電阻值[1]。實際測試在導(dǎo)彈不加電的非工作狀態(tài)下進行，對于絕緣電阻要求測試結(jié)果大于某一較大阻值，對于短路情況要求測試結(jié)果小于某一較小阻值，對于線路中具有特定阻值的電阻則要求測試結(jié)果處于一定的阻值范圍。綜合分析多種現(xiàn)役導(dǎo)彈火工品參數(shù)，可以將其按標稱阻值大致劃分為3組：① 0～xΩ(x>0)；②x～yΩ(y>x)；③ >yΩ。而為了確保導(dǎo)彈火工品測試過程中的“絕對”安全，要求測試時通過被測電阻的回路電流在任何情況下均小于安全值的下限，避免火工品意外啟動。

綜合上述情況，本文導(dǎo)彈火工品測試儀應(yīng)滿足如下需求：① 具備完成多種相關(guān)型號導(dǎo)彈所有火工品電阻的測試功能；② 滿足測試回路電流任何情況下均小于安全值下限。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 總體方案設(shè)計

出于安全性考慮，導(dǎo)彈火工品測試通常傾向于采用手動測試方式，本文測試儀沿襲這種方式，功能框圖如圖1。

其中1、2、3擋測試電路分別實現(xiàn)0～xΩ、x～yΩ、>yΩ三組火工品電阻的測試，利用其中的毫安表讀取測量值，擋位開關(guān)為多層波段開關(guān)，用于測試電路的選擇；各型號參數(shù)選擇開關(guān)均為波段開關(guān)，不同型號間能共用的盡量共用，以最大程度簡化電路設(shè)計；根據(jù)被測火工品電阻及彈上測試接口情況，為不同型號待測導(dǎo)彈設(shè)計專用的測試電纜，與測試儀連接的測試插座共用。

2.2 測試電路設(shè)計

按照可靠性理論，“簡單就是可靠”[2]，同等條件下系統(tǒng)越簡化，影響可靠性的因素通常就會越少。鑒于此，針對導(dǎo)彈火工品測試的高安全性、高可靠性要求，測試儀中設(shè)計注重貫徹簡約原則，在滿足技術(shù)要求情況下盡量簡化設(shè)計。測試電路的基本原理是將待測火工品電阻轉(zhuǎn)化為電流，由毫安表實現(xiàn)最終測試。測試擋位開關(guān)處于不同位置時，毫安表及部分元器件參與工作，形成相應(yīng)的測試回路。以下著重說明各擋測試電路。

1) 斷開擋測試電路

當測試電路擋位開關(guān)處于斷開擋時，等效測試電路如圖2所示。此時，被測電阻Rx及毫安表并未接入測試回路，無電流流過。

2)1擋測試電路

當測試電路擋位開關(guān)選擇1擋時，等效電路如圖3所示，實現(xiàn)電橋法電阻測量。其中：電阻R3、Rc用于測試回路限流，實際應(yīng)用中還需通過調(diào)整可調(diào)電位計Rc實現(xiàn)測試儀校準；啟測開關(guān)平時保持閉合狀態(tài)，短路被測電阻Rx，只有測試時才斷開該開關(guān)，使Rx接入測試回路。顯然，在電源電壓和其他電阻阻值確定的情況下，流經(jīng)毫安表的電流IA與Rx有一的函數(shù)關(guān)系，這也是本文測試儀測試火工品電阻的理論依據(jù)。對毫安表表盤指示進行改造，將原電流值刻度按照IA與Rx的對應(yīng)關(guān)系改造成電阻值刻度，這樣便可在測試時直接讀取被測火工品電阻值，其他測試擋位按類似方法處理。

3) 2擋等效電路

當測試電路擋位開關(guān)選擇2擋時，等效電路如圖4所示，同樣實現(xiàn)電橋法電阻測量。其中：啟測開關(guān)處于閉合狀態(tài)時，分流電阻R1使得流經(jīng)被測電阻Rx的電流處于較低的數(shù)值；測試時斷開啟測開關(guān)。

4) 3擋等效電路

當測試電路擋位開關(guān)選擇3擋時，等效電路如圖5所示。其中：R7為限流電阻；啟測開關(guān)處于閉合狀態(tài)時，短路被測電阻Rx；測試時斷開啟測開關(guān)，Rx接入測試回路。

2.3 理論計算與仿真分析

1)1擋測試電路理論計算與仿真分析

如圖3所示，設(shè)流過R6的電流為I6、流過Rx的電流為Ix、毫安表內(nèi)阻為RA。測量時，即啟測開關(guān)斷開時，可采用矩陣方程描述IA、Ix與Rx的關(guān)系

(1)

其中，R2=R4，R3c=R3+Rc。由式(1)可以得出IA與Rx、Ix與Rx的關(guān)系，其中IA用于測量Rx，Ix用于分析流經(jīng)Rx的電流是否超出安全范圍。不難得出，IA、Ix均是Rx的遞減函數(shù)。Rx=R6時，電橋平衡，IA=0；Rx=0 Ω時，IA最大。

例如，假設(shè)毫安表內(nèi)阻RA=5 Ω、測量范圍0～1.9 mA，設(shè)定主要參數(shù)V=1.5 V、R6=8 Ω、流經(jīng)被測火工品電阻的安全電流值下限設(shè)為5 mA，其他電阻根據(jù)需要綜合確定。根據(jù)式(1)，仿真計算得到Ix、IA與Rx曲線如圖6所示。

圖6中結(jié)果驗證了式(1)理論計算與分析，而且Ix能夠保持小于5 mA。顯然，按照圖6結(jié)果，測試范圍應(yīng)為0～8 Ω，即測量上限x=R6，這也正是R6參數(shù)設(shè)計的依據(jù)。

2) 2擋測試電路理論計算與仿真分析

類似地，如圖4所示，設(shè)流過R5的電流為I5，可以利用矩陣方程描述測量時IA、Ix與Rx的關(guān)系

(2)

IA、Ix仍然是Rx的遞減函數(shù)。當Rx=R5時，電橋平衡，IA=0；當Rx=0 Ω時，IA最大。

例如，沿用圖6仿真用到的主要參數(shù)，并設(shè)定R5=8 Ω。根據(jù)式(2)，仿真計算得到曲線如圖7所示。

圖7中結(jié)果驗證了式(2)理論計算與分析，Ix也能夠保持小于5 mA。按照圖7結(jié)果，測試范圍上限應(yīng)為80 Ω，即y=R5；IA=1.9 mA時，Rx=8 Ω。顯然Rx<8 Ω時，IA值將超出毫安表的測量上限1.9 mA，因此測試范圍下限x可定為8 Ω。也就是說，2擋電路設(shè)計時，可設(shè)定R5=y，還可設(shè)定R1=x，用于實現(xiàn)校準。

3) 3擋測試電路理論計算與仿真分析

如圖5所示，可以利用矩陣方程描述測量狀態(tài)下IA、Ix與Rx的關(guān)系

(3)

理想情況下，當Rx為絕緣電阻時，阻值無窮大，IA=0；當Rx=0 Ω時，IA最大，綜合選擇測試電路中各電阻參數(shù)，可使得此時IA與毫安表最大量程相等。圖8給出了測量仿真示例。

圖8中結(jié)果驗證了式(3)理論計算與分析，Ix同樣能夠保持小于5 mA?？梢姡瑴y試3擋理論上可以滿足阻值范圍(0，+∞)電阻的測量，不過由于IA與Rx與為非線性關(guān)系，使得Rx較小的相對測量誤差較大。因此實際應(yīng)用中，可著重利用3擋測試絕緣電阻或阻值較大(Rx>yΩ)的火工品電阻，較小阻值則盡量利用相對誤差更小的1擋、2擋進行測試。例如，與圖6、圖7仿真結(jié)果銜接，圖8仿真實例可確定y=80。

3) 仿真結(jié)果綜合分析

綜合分析圖6、圖7、圖8仿真實例可以發(fā)現(xiàn)：① 各擋測試電路中Ix、IA均與Rx呈單調(diào)遞減關(guān)系；②IA與Rx存在一一對應(yīng)的映射關(guān)系；③ 測試1擋可完成0～8 Ω、2擋可完成8～80 Ω、3擋可完成>80 Ω火工品電阻的測試；④ 各擋Ix最大值均小于安全電流值下限5 mA。以上情況說明，按照本文電路設(shè)計的測試儀，可以實現(xiàn)量程相互銜接的3組火工品電阻的測試，且能夠滿足給定的安全性要求。

2.4 測試流程

測試儀完成某型號一枚導(dǎo)彈火工品測試的流程如圖9所示。

初始檢查主要檢查測試擋位開關(guān)、各型號參數(shù)選擇開關(guān)是否處于斷開擋，以及啟測開關(guān)是否保持默認的閉合狀態(tài)等；初始檢查無誤后，連接待測導(dǎo)彈對應(yīng)的測試電纜，開始逐項完成各參數(shù)的測試；各參數(shù)測試的基本過程是，根據(jù)待測電阻標稱值范圍選擇相應(yīng)的測試電路擋位，通過調(diào)整Rc使毫安表指針指向最右側(cè)(電流最大值處)完成校準，利用參數(shù)選擇開關(guān)選擇待測電阻，斷開啟測開關(guān)啟動對該參數(shù)的測試，讀取毫安表對應(yīng)測試擋位的讀數(shù)，閉合啟測開關(guān)斷開測試；繼續(xù)進行下一項參數(shù)測試時，如需更換測試擋位，還需重新進行校準，待所有參數(shù)測試完畢后，結(jié)束測試，卸下測試電纜，所有開關(guān)恢復(fù)初始位置。

3 測試安全性分析

導(dǎo)彈火工品測試安全性是其最基本最關(guān)鍵的要求，本文測試儀設(shè)計時也將安全性作為最基本、最關(guān)鍵的內(nèi)容，采取多種措施，實現(xiàn)多重安全保護，確保任何情況下流過被測火工品電阻的電流均小于安全值下限，最大限度地確保測試儀使用過程中的安全性。

1) 測試儀電源采用干電池，各測試擋位均設(shè)有限流電阻，可將回路整體電流限制在滿足要求的較低水平；

2) 測試擋位開關(guān)、各型號參數(shù)選擇開關(guān)均設(shè)有斷開擋，啟測開關(guān)默認為閉合狀態(tài)，確保測試未啟動時被測火工品電阻Rx不被接入測試回路，只有測試擋位開關(guān)與參數(shù)選擇開關(guān)處于相應(yīng)位置、啟測開關(guān)斷開啟動測試時Rx才接入測試回路，最大限度地減少對Rx施加電流的時間；

3) 根據(jù)式(1)、式(2)、式(3)關(guān)系，合理確定測試儀電路各電阻阻值，可以確保正常測試情況下流過Rx的電流小于安全值，并留有余量；

4) 各測試擋位全量程范圍內(nèi)流經(jīng)Rx的電流均能確保小于安全值，因此即便出現(xiàn)誤操作，諸如擋位選擇錯誤、參數(shù)開關(guān)選擇錯誤等情況，也能確保測試安全；

5) 電路故障情況下，主要是某些電阻斷路或短路，將使得校準難以完成，能夠從操作流程上避免使用故障測試儀繼續(xù)測試帶來的安全隱患。

4 結(jié)論

該測試儀能夠?qū)崿F(xiàn)多種型號導(dǎo)彈火工品的便捷、安全測試，較好地滿足了設(shè)計需要，具有較高的應(yīng)用價值，給解決此類問題提供了借鑒。

[1] 崔少輝，姜會霞.導(dǎo)彈測試技術(shù)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2016：171-174.

[2] 許達哲.航天型號可靠性守則[M].北京：中國宇航出版社，2013：27-28.