一種炭柱調壓器低頻脈沖掃描檢測電路設計

牛 武， 高 昆， 任延岫

（長沙航空職業技術學院， 湖南 長沙 400123）

0 引言

航空電氣設備中的炭柱調壓器在眾多飛機中廣泛使用，其故障率也較高，縱觀炭柱調壓器故障現象，尤以炭柱粘連故障多發，且難以判斷，這直接影響了飛機電源系統供電的質量，影響了飛機的正常飛行。

目前， 我國針對炭柱粘連故障的檢測判斷技術局限于低阻測量的范圍內，且因炭柱電阻本身阻值較低，接觸電阻[1]又難以避免，故該項檢測判斷技術的準確度難以保證，其應用的效果也打了折扣。 基于此種情況，我研究團隊提出了 “低頻脈沖掃描電壓驅動-大電流激勵炭柱-精準捕捉炭柱故障響應信號-與標準信號波形進行比對-液晶顯示結果”的檢測技術研究新思路。 旨在通過“低頻掃描驅動、 炭柱電壓生成及捕捉、 標準信號與故障信號比較”等科學問題的研究，開發出一種“電信號驅動、故障信號自動捕捉、判斷結果自動生成”的新型檢測炭柱粘連故障的技術，為我國形成一套快速、準確、有效的“低頻脈沖掃描檢測炭柱”的關鍵技術奠定基礎。

開發“電信號驅動、故障信號自動捕捉、判斷結果自動生成”的新型檢測炭柱粘連故障的技術，對滿足航空機務維修中調壓器機件即拆即檢、即檢即準的修理要求，有著重要的意義，是保障飛機調壓器修理有效性的重要一環。

1 炭柱調壓器檢測方法上存在的問題

1.1 低阻測量儀檢測炭柱的困惑

調研國內外關于航空調壓器炭柱粘連故障的檢測技術，大多停留在低阻測量儀[2]測試炭柱低阻上，一些比較先進的發達國家，也是沿著提高低阻測量儀的測量精度來提高判斷粘連準確度的思路來設計制作檢測設備的，例如，一些國家采用數字控制技術[3]研制的高精度低阻測量儀，以及利用激光技術[4]設計制造的低阻測量儀等等。 這種測量技術在應用的過程中，都存在一個難以解決的問題，那就是接觸電阻的不確定性[5]，如圖1 所示，這決定了低阻測量儀再精確，也判斷不準炭柱粘連與否的本質。

圖1 低阻測量儀測量炭柱電阻判斷炭柱粘連框圖

1.2 保底維修方法的困擾

國內的一些航修廠為了保證炭柱維修[6]的完好性，放棄了低阻測量儀測量炭柱電阻判斷炭柱粘連的方法，采取了“不檢測，直接對疑似粘連炭柱進行全部拆解，不管好壞，都進行打磨維修”的保底維修方法，這就導致大量的非粘連炭柱，被誤當做粘連炭柱去對待，誤工誤時，降低了維修效率，如圖2 所示。

圖2 保底維修方法示意圖

為解決以上炭柱調壓器檢測上的困擾，本文設計了一種新型的測試電路：炭柱調壓器低頻脈沖掃描檢測電路。

2 炭柱調壓器低頻脈沖掃描檢測電路構成及工作原理

2.1 炭柱調壓器低頻脈沖掃描檢測電路構成

該檢測電路由低頻脈沖信號發生模塊、 低頻脈沖信號放大模塊、炭片柱電流激勵模塊、炭片柱電壓信號生成和接收模塊、炭片柱電阻信號電壓顯示模塊、電源模塊組成，其框圖如圖3 所示。

圖3 炭柱調壓器低頻脈沖掃描檢測電路組成框圖

低頻脈沖信號發生模塊產生鋸齒波信號，低頻脈沖信號放大模塊對鋸齒波信號實施放大，炭片柱電流激勵模塊將電流注入到炭柱，隨炭柱電阻變化生成變化的炭柱電壓信號，接收模塊將其放大，輸入的顯示模塊，顯示電壓變化情況，電源模塊負責給其他模塊供電。

2.2 炭柱調壓器低頻脈沖掃描檢測電路工作原理

本文檢測電路，采用“電信號驅動[7]、故障信號自動捕捉[8]、判斷結果自動生成”的新型檢測方法，可滿足炭柱檢測“可靠、準確、快速”的要求，非常適合在航空機務維修[9]中應用、推廣。 該檢測電路工作原理如下：首先利用低頻脈沖信號發生模塊產生低頻鋸齒脈沖波， 經放大后形成低頻脈沖電壓，作用在調壓器電磁鐵上，產生炭柱振動，再利用阻壓轉換技術、電壓采集技術，形成炭柱上的電壓波形，與標準波形相比較，進而得到調壓器是否故障，給疑似故障炭柱調壓器一個快速、有效、準確的判斷，如圖4 所示。

圖4 檢測電路設想示意圖

該電路應用于炭柱調壓器炭柱粘連故障的判斷及炭柱的檢測具有以下獨特的優勢：

（1）檢測全程采用電信號驅動、捕捉、顯示，突出了檢測的快速性。

（2）該檢測技術未采用探針或表筆接觸炭柱，而是采用螺釘或焊接的固定連接方式， 有效避開了接觸電阻的影響。

（3）檢測采用的電信號比較技術具有很高的精準性，能有效地避免誤判。

（4）實時顯示判斷結果的功能降低了判斷時間，提高了判斷效率。

3 炭柱調壓器低頻脈沖掃描檢測電路實現

3.1 低頻脈沖驅動電路實現

圖5 中1 為鋸齒波振蕩電路， 主要由定時器555、2只電容、2 只9013 管、1 只9012 管、2 只穩壓二極管、2 只整流二極管、5 只固定電阻、1 只可調電阻組成，555 形成的矩形波，經電阻、電容、三極管作用后變為鋸齒波輸出。2 為差動放大電路， 對1 電路形成的鋸齒波信號實施放大，用于電磁鐵工作的低頻驅動。

圖5 低頻脈沖驅動電路設計圖

3.2 炭柱阻壓轉換實現

在電路中使用一個電流源為5A 的恒流源，將電流注入阻值最大為0.5Ω 的炭柱電阻時，根據歐姆定律U=I·R，當電阻最大為0.5Ω 時，根據歐姆定律U=I·R 得出電壓為2.5V，如圖6（a），當電阻為0.3Ω 時，根據歐姆定律U=I·R得出電壓為1.5V，如圖6（b），炭柱電阻RV1 隨擠壓力變化而變化，其上電壓也就跟隨變化，形成取樣電壓。

圖6 炭柱阻壓轉換電路示意圖

3.3 信號采集電路實現

本次設計電路中所需電壓取樣電路，如圖7 所示，此電路使用SF357 運放構成。 在測電壓時，需要將其輸入端接于被測電壓的兩端， 然后按下開關K1，此時被測電壓將在輸出端顯示出來，即使釋放K1 按鈕。此電路工作與反向放大狀態，閉環增益為2.5，因此輸出端電壓是輸入電壓2.5 倍，電容C1 與運算輸入阻抗構成被測瞬間電壓的釋放回路。 由于SF357 的輸入阻抗很高，所以可以使其保持時間較長，讀數也更為精準和方便。

圖7 設計的取樣電路圖

3.4 電壓顯示電路實現

在本電路中最終需要將測試結果顯示出來， 因此需要一個電壓顯示電路。 同時本設計電路主要是為了體現飛機炭柱調壓器阻壓變換的規律。 所以在設計以及檢測過程中使用的電壓顯示電路儀器為現有的儀器。

設計本電壓顯示電路，主要考慮使用電源驅動，接在所設計前置電路的最后一部分電路放大電路的后面，通過此電壓顯示儀器對本次飛機調壓器炭柱阻壓轉換設裝置電路中的測試結果能夠體現出來。

3.5 總電路實現

將上述設計的各分電路綜合到一起， 設計出總電路圖，見圖8。第一部分為555 鋸齒波電路，能夠產生鋸齒波信號，用來驅動電磁鐵。第二部分為放大電路，將鋸齒波信號進行放大后，將放大的信號作用于電磁鐵上。 第三部分前段電路作用于電磁鐵上的信號，使得電磁鐵產生電磁吸力，吸動銜鐵改變炭柱電阻阻值。 因炭柱電阻本身被恒流源激勵故炭柱電阻上就有了變化電壓信號。其后半段電路為采樣電路，采取電壓信號。第四部分放大電路，對采取電壓信號進行放大，最終通過顯示電路進行顯示。

圖8 設計的總電路圖

4 采用的主要技術

4.1 低頻脈沖掃描技術

擠壓條件是通過低頻脈沖掃描技術驅動的電磁鐵+銜鐵彈簧組件裝置實現的，其電路組成框圖如圖9 所示。

圖9 低頻脈沖掃描技術下的擠壓裝置圖

圖中裝置由電源模塊負責供電， 電源為直流28V 電源； 激勵電磁鐵電壓信號發生模塊和信號放大模塊負責輸出能激勵電磁鐵的帶有鋸齒波波動的28V 直流電壓（以下簡稱：電磁鐵激勵電壓），用于驅動電磁鐵工作。

測試電路檢測的原理說明： 由直流電源給激勵電磁鐵電壓信號發生模塊提供直流電壓， 使得激勵電磁鐵電壓信號發生模塊生成低頻鋸齒波信號， 經信號放大模塊放大后，作用于電磁鐵上，使得電磁鐵形成有規律的磁場振動，進而作用于銜鐵彈簧，形成有規律的電磁吸力，使得銜鐵彈簧形成有規律的振動，進一步帶動炭片柱，使其亦形成有規律的伸縮運動，使得炭片柱電阻（正常的）產生有規律的周期變化。

4.2 阻壓轉換技術

阻壓數據顯現、捕捉裝置是通過大電流注入，大電壓信號顯現裝置實現的，其電路組成框圖如圖10 所示。

圖10 阻壓數據顯現、捕捉裝置圖

其中， 炭片柱電流激勵模塊負責激勵炭片柱生成電流信號； 炭片柱故障信號接收放大模塊負責將電流信號轉換成電壓信號，并放大；炭片柱電阻信號電壓顯示模塊則負責顯示炭片柱信號數據及波形規律。

依靠炭片柱電流激勵模塊和炭片柱電壓信號生成與接收放大模塊將炭片柱電阻的變化規律轉換成有規律變化的電壓信號，并進行放大，形成信號數據，供比較修正用。

4.3 數據模型修正偏差技術

建立數據分析模型， 利用數據分析模型修正數據偏差，設定合理的電路參數，確定測量裝置的參數、結構和運行方式，其模型組成框圖如圖11 所示。

圖11 數據模型構成圖

其中，炭片柱擠壓數據通過電磁鐵受力分析、銜鐵彈簧受力分析獲得； 炭片柱電流數據通過電流測量裝置獲得；炭片柱電壓信號數據通過電壓信號測量裝置獲得；系統數據修正處理通過誤差處理方法、偏差修正規律完成；電路參數確定則通過多次數據處理選定。

5 結束語

在該文中，進行了炭柱調壓器低頻脈沖掃描檢測電路實踐應用，應用結果顯示在多個型號的炭柱調壓器故障測試中，故障檢出率達85%，能夠有效的檢測出故障調壓器，基本實現了區分疑似故障調壓器的目標，在現實應用中取得了較好的效果。 但其測試結果，受到工作環境，測量狀態，溫度數據，檢測電磁性質的影響，導致了一些偏差。 測試電路具有簡單、交互、實用的特點，交付工廠使用，已解決其故障判斷不準確和測試低效率的問題。