彈上電纜網電參量一體化檢測系統的設計

曹紅星，胡攀輝，趙尋珂，江 晨，楊 波，朱鯤捷，胡豐懷

（上海航天精密機械研究所，上海 201600）

0 引言

電纜網作為導彈的“神經系統”，其質量及系統的可靠性直接影響到導彈發射的成敗。隨著導彈武器裝備的快速發展，不同型號彈上電纜網具有多插頭、多線芯、規模大和內部結構復雜等特點，這對電纜的檢測方式、檢測速度、自動化程度及可靠性提出了更高的要求。

國外早在20世紀后期就開始研究電纜網導通與絕緣電阻的檢測方法，并設計出相應的檢測設備應用于各種領域。目前美國的雷神、通用動力、洛克希德馬丁，意大利的萊昂納多等國際知名的軍工企業均已經開始采用半自動化或自動化的檢測技術對導彈、飛機等軍用設備的電纜網進行導通電阻、絕緣電阻、絕緣耐壓等電參量的檢測，其研制的電纜網測試儀等設備已逐漸模塊化、小型化、智能化[1]。

隨著計算機自動化控制及電纜網檢測技術的不斷發展，近年來國內一些院校、企業和科研機構在電纜網電參量檢測方面也開展了大量的理論研究和工程實踐[2-4]：北京航天自動控制研究所的權赫、楊岫婷等人通過由杭州時代自動化有限公司研制的AgeCNet電纜網檢測軟件的基礎上設計了一套箭上電纜網自動導通絕緣測試儀；西北工業大學的宋志蛟、張安等人基于CAN總線、Access數據庫、工控機等系統研制出了飛機CAN總線線纜測試系統；裝甲兵工程學院的高玉水、李正優等人基于PC機、AT89C52單片機等電路集成技術設計了一套導彈電纜網絕緣電阻測試儀等。但經調研總結發現，目前國內研究生產的電纜網測試儀設備相對滯后，其性能較低、軟硬件可靠性差、針對性強、不易擴展，部分企業引進進口設備價格昂貴，資料及接口少難以二次開發，導致目前大部分企業、軍工單位仍然采用人工檢測的方式。傳統人工檢測電纜網的方法耗時費力、可靠性差，且非常容易造成漏檢和錯檢等其他一些人為造成的誤差問題，這樣的檢測方法已明顯不能滿足現代化高技術武器快速發展的需求[5-6]。

結合國內外電纜網檢測系統的優缺點，以提升彈上電纜網電參量的檢測效率、精度、可靠性為目標，提出了一種基于MK AutoMeg平臺的檢測系統的設計，不僅能夠完成對最多達1200芯彈上電纜網的導通、絕緣、耐壓等電參量數據的檢測，還可以保存和查詢檢測數據，打印檢測報表，便于后續故障排查及產品分析、改進等。

1 方案設計

1.1 功能需求

現有電纜網檢測系統存在可靠性差、針對性強、不易擴展等問題，使近年來研發生產的具有多插頭、多線芯、規模大、結構復雜等特點的導彈型號的電參量檢測仍舊采用傳統手工測量的方法，該方法耗時費力、易發生錯檢漏檢等現象。針對以上問題，結合實際科研生產，設計的一體化檢測系統具備以下特點：

（1）滿足多種大規模導彈型號電纜網的自動導通、絕緣和耐壓檢測；

（2）可以自學習、自檢和校驗，能自動生成詳細的數據報表并能查詢、存儲和打印；

（3）可以編輯技術參數，能夠導入和編輯導通、絕緣接線表。

1.2 原理分析

（1）導通電阻檢測

導通電阻檢測原理是根據歐姆定律求出電阻值的大小。由于彈上電纜網的電阻值要求很小，小于1～2 Ω，并且測試結果為實測值。常用的標準兩線接線方式會將所有轉接線、轉接頭、系統內阻等電阻帶入最后的檢測結果，極大地影響我們所要測量的電纜網的電阻值[6]，標準兩線檢測法電路如圖1所示。

圖1 兩線檢測法電路圖

圖中RS1和RS2為檢測儀表的系統內阻，RL1和RL2為轉接線的電阻，RC1和RC2為轉接頭的接觸電阻，R實際為實際要測試的彈上電纜網的電阻值。

從電路圖回路中分析得知檢測儀表測試的電阻值R檢測、R實際和檢測誤差系數K為：

由公式（1）-（3）分析得知，轉接頭與轉接線電阻及檢測儀表內阻之和與被測電阻的比值越大，測量誤差系數越大。如果檢測電阻值為2 kΩ，而其他的電阻之和為2 Ω，則誤差在0.1%左右，非常小可以忽略，如果檢測的電阻為1～2 Ω，誤差則高達50%～66.7%，嚴重影響了要檢測的彈上電纜網的阻值。為了滿足檢測小電阻的需求和同時消除轉接線及轉接插頭的電阻值，提高系統的測量精度，采用了Kelvin四線法進行小電阻的檢測。

四線法，又稱為四端點測量技術、開爾文測量法[7]，四線檢測電路原理圖如圖2所示。該方法關鍵優點是分離了電流和電壓的電極，消除了布線和轉接接觸電阻的阻抗，是一種電子線路中的阻抗測量法，主要用于電阻阻值的精確測量。

圖2 四線檢測法電路圖

電路圖中RL11和RL12表示轉接線電阻、RC11和RC12表示轉接頭電阻。由電路圖分析得知，測量回路是電壓表，阻抗很高可達兆歐甚至更高，此時回路電流I2基本為0，電流I恒幾乎沒有分流流過待測電阻R實際，即R檢測=R實際。

（2）絕緣電阻和耐壓檢測

絕緣電阻的檢測原理同樣是利用歐姆定律，不同點在于通過給被測試電纜網施加一定大小的高壓電源進行測試。通過檢測電纜網絕緣介質上的泄露電流可以得出相應的絕緣電阻值。

在恒定的電壓作用下一般絕緣介質內部主要由電容電流I1、吸收電流I2和泄漏電流I3組成，接線原理和電流吸收曲線[8]如圖3中a和b所示。

圖3 接線原理和電流吸收曲線

通過分析電流吸收曲線得知電容電流I1和吸收電流I2經過一段時間后會逐漸的接近為0，泄露電流I3基本沒有改變，因此絕緣電阻R=U/I3。

耐壓檢測又稱為高壓檢測或介電強度檢測，基本原理和絕緣電阻相同，把一個高于正常工作的高壓電源加載被測電纜網的絕緣體上，并持續一段規定的時間后檢測電纜網絕緣體上的漏電電流是否在規定的范圍內。

1.3 總體方案設計

彈上電纜網電參量一體化檢測系統具備導通電阻、絕緣電阻及耐壓絕緣檢測的功能。該系統由硬件和軟件系統組成，系統架構如圖4所示，主要包括系統控制柜、MK專用電纜連接測試機、電纜轉接插頭、控制電路板、顯示器和打印機、工控機及數據庫、通信與交互和MK軟件系統等幾部分。

圖4 電參量一體化檢測系統架構圖

1.3.1 硬件系統

結合實際科研情況從硬件的性能、測量精度、速度和可靠性等方面考慮，對主要硬件的選取和轉接關系進行設計。

（1）工控機

本系統選用的研華工控機，是專門為工業現場設計的結構緊湊、抗震、抗電磁干擾性強的計算機，該設備具有多種連接端口，擴展性強、穩定性高、可靠性大等優點。

（2）MK專用電纜連接測試機

采用由MK公司提供的專用電纜連接測試機，此硬件模塊是航空航天領域常用的進口電纜檢測機。根據目前航天武器產品的點位實際檢測需求，共選用了8個測試機，如圖5所示，每個測試機包括四個38芯的轉接插頭，最多可滿足同時檢測1216個電纜網點位。

圖5 MK專用電纜連接測試機

（3）控制電路板

控制電路板集成了PCI1780計數板卡、串行通信板卡、PCI8002數據采集板卡等模塊，主要用于測試機繼電器組的控制、數據采集、檢測頻率與響應速率及工控機數據通信與交互等功能。

（4）電纜轉接插頭

為了滿足不同型號航天武器導彈產品電纜網檢測及實現接口的統一、準確、快速插拔等特點，該系統選用了10個由杭州航天電子有限公司生產的120芯型號為Y2-120ZJLM的插座，主要用于和MK專用測試單元轉接電纜的連接，實現1200個點位的轉接測試口，同時選用120芯型號為Y2-120TK的插頭作為工藝電纜的轉接插頭用來與檢測系統的對接插座對接，可以滿足不同武器的彈上電纜網電參量檢測的需求[9]。

彈上電纜網電參量一體化檢測系統硬件之間的轉接關系流程示意圖如圖6所示。

圖6 硬件轉接關系流程示意圖

1.3.2 軟件系統

軟件系統是由數據庫、數據通信與交互和MKAu-toMeg軟件系統等部分組成，主要用于人機交互、硬件數據采集、發送控制指令、評定檢測結果、查詢保存及打印測試報表等功能。

（1）數據庫

Microsoft Office Access 2007是由微軟發布的關聯式數據庫管理系統，該數據庫提供了表生成器、查詢生成器、報表設計器等多種可視化的操作工具，以及數據庫向導、表向導、查詢向導、報表向導等多種向導，可以使用戶無需具有深厚的數據庫知識即可使用的交互式設計，并具有界面友好、接口靈活、易學易用、開發簡單等特點，是典型的桌面數據庫管理系統[10]。

（2）通信與交互

系統采用了RS232及USB通信模塊進行數據通信，通過設置工控機特有的串口屬性，如端口號、數據位、波特率等參數，匹配對應的MK控制板電路串口模塊屬性，實現上位機與硬件之間數據通信與交互的功能。

（3）MKAutoMeg軟件系統

MK AutoMeg軟件系統集成了簡單的流程圖工具來編輯、修改檢測程序，具有圖形化、模塊化、方便操作等優點，能夠實現系統自學習、自檢、自校驗的功能，可以編輯技術參數，能夠導入和編輯導通、絕緣接線表，可以自動生成評定檢測結果、查詢及打印等。

2 工藝試驗與結果分析

彈上電纜網電參量一體化檢測系統研制完成后進行了系統的硬件安裝和軟件調試，并通過某型號電纜網部分插頭進行了系統的驗證及工藝試驗工作。彈上電纜網電參量一體化檢測系統如圖7所示。

圖7 彈上電纜網電參量一體化檢測系統

（1）參數設置

打開MK AutoMeg檢測程序主菜單，新建測試程序，根據彈上電纜網電參量的技術要求，導通電阻小于2 Ω，絕緣電阻不應小于20 M，漏電流不大于500 μA并按表1電參量檢測參數進行設置。

表1 電參量檢測參數設置

（2）工藝試驗

通過對某型號彈上電纜網1XS10、1XP23的插頭作為工藝試驗對象與工藝電纜以及系統的轉接插頭對接，編輯測試程序對試驗電纜的導通、絕緣、耐壓檢測數據進行了試驗驗證。其中一部分工藝試驗數據檢測結果如圖8所示。

（3）結果分析

由圖8工藝試驗檢測結果分析可以看出導通、絕緣、耐壓實測值數據均滿足電纜網電參量的技術參數要求，隨著航天產品電纜網檢測任務不斷加重，相比傳統手工檢測，速度更快、準確率與自動化程度更高，滿足了目前彈上電纜網電參量的檢測需求。

圖8 工藝試驗檢測結果

3 結語

通過研究總結國內外電纜網檢測系統的發展，結合目前實際科研生產中電纜網檢測的現狀和存在的問題，提出了一種基于MK AutoMeg平臺的電纜網電參量一體化檢測系統的設計方法，講述了系統的檢測原理以及主要硬件、軟件的選取和轉接關系，并開展了工藝試驗驗證和結果分析，取得了良好的工藝效果，大大提高了彈上電纜網電參量檢測的效率和質量，目前該系統已投入生產使用中，運行良好。