航天電子設備多余物自動檢測系統的研制

陳可

摘要：本文就航天電子設備多余物自動化檢測系統的研制做了充分的探討，重點介紹了自動檢測系統中的硬件設計以及軟件設計。其中硬件部分由機械裝置、驅動控制裝置以及加速器反饋裝置組成，而軟件設計部分主要介紹了該自動檢測系統具體功能及算法實現。

關鍵詞：航天電子設備；多余物；自動檢測系統研制

中圖分類號：V443 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）01-0180-02

0 引言

電子設備在航天領域應用廣泛，其可靠性直接影響航空器是否能實現設計目的。在設備生產過程中，受生產環境的影響，可能存在摻雜微粒等多余物遺留在設備密封殼內，當處于太空失重環境時，其內部可移動微粒可能會使電子設備短路，嚴重時造成電子設備被燒毀，引起嚴重的航天事故。因此，航天設備在其出廠時都必須經過嚴格的多余物檢測，對內部含有多余物的航天電子設備進行識別并剔除。如何設計出可以準確、迅速檢測出設備內多余物的航天專用多余物自動檢測設備，成了當前制約航天事業發展的一項亟待解決的問題。

1 系統總體設計

本航天電子設備多余物自動檢測系統由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括工控機、控制電路、控制器、減速電機、制動單元、傳動機構、轉臺、隔音器、被測試件、加速傳感器、聲音傳感器、加速反饋電路、聲音信號調理電路、多通道同步實時數據采集卡。其中工控機主要控制信號的發送；啟動制動單元通過迅速制動轉臺，激活航天電子設備之中的多余物；控制器控制減速機運轉；而加速度、聲音傳感器用于設備內部的加速度和聲音信號的檢測；采集卡用于調理后的加速度信號，聲音信號采集；工控機用于采集到的信號的計算和分析，同時控制輸入輸出設備。軟件部分則主要通過專用算法對設備內是否存在多余物作出判斷，并可以進一步進行多余物性質識別檢測，見圖1。

2 系統各部分的設計

機械裝置主要由減速電機、皮帶輪、皮帶、傳動軸、軸承、連桿、平板、工作臺、隔音器、圓盤、傳感器組成。

機械裝置的傳動機構中有兩個皮帶輪和連桿構成了曲柄搖桿機構，工作時驅動電機單向轉動，主要靠傳動機制來帶動工作平臺進行來回擺動，使放置在平臺上的被測設備產生加速度。減速比較大的皮帶輪將會產生裝置運行不穩，易對檢測結果產生沖擊性干擾，故減速電機通常使用減速比較小的皮帶輪進行傳動，使裝置運行更加平穩，提高檢測精度。減速電機以及機械裝置在進行運轉時通常會產生劇烈的機械噪聲，嚴重影響到檢測的精度，對此可以采用在轉臺以及被測試件中間加入由橡膠制作而成的隔音器阻隔機械噪音傳輸，從而減小噪音對于測試精度帶來的影響。對于航天電子設備而言，通常存在體積較大、內部結構較為復雜的問題，而多余物微粒在設備內部的分布存在隨機性，僅靠單一傳感器收集信息無法達到最佳檢測效果，我們采用增加傳感器的數量收集多路信號，并輔以算法配合，從整體上有效提升系統檢測的精度[5]。

驅動控制主要包含控制電路、控制器、濾波單元、制動單元幾個部分。控制電路采用C8051F020作為主控芯片，通過總線與工控機通信，接收上位機的信號，輸出電壓控制信號。電壓控制信號采取光耦達隔離后至分壓電路中，防止環境等因素的干擾。控制器接收分壓信號，通過控制電阻變化調節減速機運轉的轉速。因控制器及電機在其工作過程中會產生大量的高次諧波[6]，這些高頻干擾會反饋到電網，進而影響后期的信號采集，為此需要設計專門的三級濾波單元，抑制高頻干擾，提高檢測精度。

國內外基于轉臺航天電子設備普遍采用機械撞擊的方式來激活多余物，但這種方式存在明顯缺點，會使電機以及機械裝置的使用壽命大大降低，還會帶來巨大的安全隱患。因此采用電控制動單元，方便更加精確的對制動過程進行控制，通過選取合適的制動參數，在滿足最小加速度閾值以保證多余物激活的同時，滿足系統安全這個大前提，并有效提高系統使用壽命[4]。

在多余物的檢測整個過程中[3]，機械裝置要給負載提供的一定加速度，才能達到最優的效果，如果在加速度過低，就無法激活多余物進行檢測。以往的檢測裝置通常采用的是電機轉速閉環控制，在實踐中發現，依靠轉速閉環控制并不能精準的控制被測試件中的加速度，因此本系統通過加速度閉環來精準控制轉臺。加速度反饋電路用以實現機械裝置的加速度閉環控制。首先加速度傳感器會采集機械裝置加速度，并通過反饋電路上傳至上位機，上位機經過算法處理，實現轉臺加速度的閉環效果，見圖2。

3 上位機軟件設計

上位機軟件主要是對于數據進行分析，在算法上進行合理的優化，通過多線程的方法實時采集數據并實時顯示系統狀態，保證各部分可靠通信，以減小運作時間開銷，根據數據分析處理的結果實時繪制動態曲線[2]。

上位機接收并處理到多余物信號、組件信號、傳感器背景噪音、環境噪聲以及傳導干擾五種信號。為保證檢測準確度，可采用脈沖提取與傅里葉分析相結合的復合算法加以判斷。由于多余物的信號存在一定特征，其脈沖類似于一種震蕩信號，往往從信號的起始點迅速震蕩當信號的最高點，接著再緩慢的衰竭到終止點，因此可采用脈沖提取算法進行小波消噪，通過提取脈沖能量并比較，剔除干擾信號。但脈沖提取算法并不能對于剔除其中疊加的組件脈沖信號，為此還需信號進行短時傅里葉分析，通過二者在時域、頻域上所呈現的不同特征建立二維識別特征，然后再進行比對，最后通過對于脈沖數量的統計判斷多余物是否存在[1]。

4 結語

本文主要針對航天電子設備多余物自動檢測系統進行了充分的探討，分別從系統總體設計，系統工作過程，各部分的設計原理、軟件設計全方位的介紹了新型航天電子設備多余物自動檢測系統的設計與實現。與以往的多余物檢測系統相比，通過硬件機械部分、電控部分的改進和軟件部分復合算法的創新，系統檢測的準確率有了大幅提高，數據分析更為簡便、直觀，可以有效提高航天電子設備可靠性。

參考文獻

[1] 張坤，戚樂，陳金豹，et al.航天電子設備多余物自動檢測系統的研制[J].電子測量技術，2012，35（3）：82-86.

[2] 徐冰，王世成，翟國富.航天電子裝置多余物自動檢測系統的研究[J].機電元件，2008， 28（2）：6-11.

[3] 陳蕊.航天電子裝置多余物檢測與材質識別方法研究[D].哈爾濱工業大學，2014.

[4] 徐冰，王世成，翟國富.航天電子裝置多余物自動檢測系統的研究[J].機電元件，2008， 28（2）：6-11.

[5] 張坤，戚樂，陳金豹，et al.航天電子設備多余物自動檢測系統的研制[J].電子測量技術，2012，35（3）：82-86.

[6] 陳金豹，翟國富，王淑娟， et al.航天電子設備多余物檢測信號特性的影響因素分析[J]. 系統工程與電子技術，2013，35（4）：42-46.

Abstract：This paper makes a full discussion on the development of the automatic detection system for the redundancy of aerospace electronic equipment， focusing on the hardware design and software design of the automatic detection system. The hardware part is composed of mechanical device， drive control device and accelerator feedback device， while the software design part mainly introduces the specific functions and algorithm realization of the automatic detection system.

Key words：development of aerospace electronic equipment， redundancy and automatic detection system