雷峰成，程鵬，邵云峰

(北京電子工程總體研究所，北京，100854)

可配置高精度火工裝置測試儀的設(shè)計與實現(xiàn)*

雷峰成，程鵬，邵云峰

(北京電子工程總體研究所，北京，100854)

為提高型號火工裝置阻值測量設(shè)備的通用性和測量的自動化程度，提出了一種基于四線制測量方法的測試方案，通過開關(guān)矩陣的切換配置不同測量通道，對不同測量通道被測電阻上產(chǎn)生的mV級電壓值進行差分運算放大，對放大后的電壓值進行A/D轉(zhuǎn)換得到電壓的數(shù)字量，通過微處理器進行數(shù)字濾波處理，將最終的電阻值進行顯示、存儲和傳輸處理。相對于目前使用的火工裝置阻值測量設(shè)備極大的提高了測量通用性和測量自動化程度。

火工裝置；小電阻測量；可配置通道；自動測試；四線制測量；導(dǎo)彈測試

0 引言

導(dǎo)彈火工裝置阻值測量是導(dǎo)彈綜合測試的重要步驟，是關(guān)系到導(dǎo)彈是否能正常發(fā)射及飛行的重要參數(shù)。一般而言，彈上火工裝置的阻值比較小，一般單橋電火工裝置阻值在(1±0.1) Ω左右[1]，并聯(lián)橋路的阻值在(0.5±0.05) Ω左右，對測試精度要求較高。此外，從測試安全性角度出發(fā)，要求采用長電纜遠距離測試，對測試電壓和電流也有嚴格規(guī)定。多年來，各個型號導(dǎo)彈火工裝置測試中，大多采用手動方式進行火工裝置阻值測量。一般采用專用電纜網(wǎng)及開關(guān)切換的方式，將彈上的對應(yīng)火工裝置兩端引入專業(yè)測試儀表進行阻值測量，這些傳統(tǒng)的火工測量裝置存在通用性、兼容性差，測量誤差較大，測試自動化程度低；體積大，質(zhì)量大[2-5]。

針對現(xiàn)有火工裝置阻值測量設(shè)備存在的局限性。本文提出了具有遠程控制功能的小型化自動化通用火工裝置阻值測量方案，在安全測試的條件下大大提高了測試的自動化程度。

1 測量設(shè)備需求分析

針對現(xiàn)有火工裝置測量設(shè)備存在的局限性，從以下幾個方面進行需求分析：

(1) 通用性、兼容性需求：目前各個型號使用的火工品阻值測量設(shè)備，是根據(jù)本型號彈上火工品的特性和電氣接口特性量身定制的設(shè)備，測量通道數(shù)量和測量精度各不相同，也不利于不同型號之間的通用，增加了型號應(yīng)用的研制周期和研制成本；需要研制測量通道可以根據(jù)不同型號的需求，進行靈活配置，并且預(yù)留擴展空間和能力。

(2) 測量精度需求：目前的測量裝置多是采用內(nèi)嵌三用表的兩線制測量方法，引入了測試回路線纜阻值，影響測量精度和測量效率。

(3) 測量自動化需求：目前的火工品阻值測量設(shè)備多是人工讀取、記錄測量數(shù)據(jù)，且采用手動方式切換測試通道和測量量程，自動化程度低，隨著武器裝備的批量生產(chǎn)，對自動化測試的需求非常迫切。

上述局限性嚴重阻礙了導(dǎo)彈火工裝置測量的自動化程度，不能適應(yīng)導(dǎo)彈測試的快速化要求。

2 四線制測量小電阻原理

在傳統(tǒng)的小電阻阻值測量方法中普遍使用二線制的測量方法，當被測電阻的阻值與測量導(dǎo)線的阻值相近時，測量導(dǎo)線引入的測量誤差將大大增加測量誤差。

四線制測量[6]原理如圖1所示，在待測火工裝置的兩端分別引出測量導(dǎo)線，將待測火工裝置上產(chǎn)生的電壓值引到電壓采集模塊。其中R1，R2為供電回路線阻，R3，R4為測量回路線阻。測量回路中電壓采集模塊的內(nèi)阻很大，則在R3，R4電阻上不產(chǎn)生電壓，電壓采集獲得的數(shù)值即為待測火工裝置上產(chǎn)生的電壓值。采用四線制的小電阻測量方法有效的消除了測量導(dǎo)線引入的測量誤差[7]。

基于上述分析在本文的設(shè)計中對小電阻的測量采用四線制的測量方法，以消除測量電纜帶來的測量誤差。

3 系統(tǒng)方案設(shè)計

3.1 總體方案

本文提出的火工裝置測量設(shè)備如圖 2所示。為了滿足上述可配置高精度火工裝置測試儀的研制需求，將復(fù)雜的電路控制功能集中在測量通道配置模塊和測量控制模塊功能模塊上。

3.2 測量通道配置模塊設(shè)計

基于A/D轉(zhuǎn)換電路和恒流源電路的分時復(fù)用設(shè)計原理，測量通道配置模塊接收來自測量控制模塊發(fā)出的I/O控制信號，控制對應(yīng)測量通道繼電器的通/斷，完成待測火工品與采集模塊和恒流源模塊的連接，構(gòu)成對外部被測火工品的閉合回路，如圖 3所示。

測量通道配置模塊通過微處理的配置文件對測量通道的測量順序進行可控性配置管理，進而滿足不同型號測量要求。

3.3 測量控制模塊設(shè)計

被測火工裝置上產(chǎn)生的毫伏級電壓值[8]作為運算放大電路的輸入模擬量[9]。經(jīng)過運算放大電路將輸入的電壓模擬量按照一定的比例進行放大，放大后的電壓值通過A/D轉(zhuǎn)換處理為數(shù)字量，微處理器對數(shù)字量電壓值進行算術(shù)濾波處理，即得到測量值。A/D轉(zhuǎn)換采用16位/輸入范圍-5 V～+5 V的轉(zhuǎn)換器。

圖2 系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Block diagram of system composition

圖3 測量通道配置模塊示意圖Fig.3 Schematic diagram of measurement channel configuration module

為了降低小電阻上毫伏級電壓值的變動對測量精度的影響，采用N倍的放大系數(shù)。原理如圖4所示。

由低功耗、低噪聲的運算放大器和電阻共同組成差分輸入運算放大電路，作為測量信號差分輸入放大電路。通過電阻的匹配實現(xiàn)不同放大倍數(shù)，提高A/D的采樣精度，減小了地環(huán)流對測量精度的影響，提高了測量精度[10-12]。

3.4 軟件設(shè)計

火工測試軟件控制火工裝置測量設(shè)備完成各種火工裝置阻值的測試。采用WINCE操作系統(tǒng)，實現(xiàn)測試儀的人機交互功能、測量方案配置功能、結(jié)果顯示功能、遠程控制功能和文件存儲功能。如圖5所示。

4 測量精確度優(yōu)化

圖4 差分運算放大電路圖Fig.4 Differential operational amplifier circuit

圖5 軟件流程圖Fig.5 Flow chart of software

圖6 差分運算放大器Fig.6 Differential operational amplifier

基于上述分析，對上述4個電阻進行精確篩選，選用R1=1.986 kΩ，R2=1.982 kΩ，R3=3.975 kΩ，R4=3.971 kΩ，R3/R1=2.001確保阻值精確相等和放大倍數(shù)無限接近于2。同時修改處理器中運算放大倍數(shù)參數(shù)數(shù)值為2.001。有效地提高了測量精度。如表1所示為實際測量數(shù)據(jù)。

表1 小電阻測量結(jié)果對比表Table 1 Comparison of results of small resistance testing

5 本方案特點

本文設(shè)計的可配置高精度火工裝置測量設(shè)備具有以下特點：

(1) 較高通用性、可擴展性。具有15通道小電阻測量能力，通道配置可以根據(jù)不同型號的需求，進行靈活配置，能夠滿足不同型號的測試需求，并且預(yù)留擴展空間和能力。

(2) 高精度小電阻測量。使用電阻四線制測量方法，使得測量回路線纜電阻與測量對象無關(guān)，減少誤差；同時，裝置內(nèi)部采用16位高精度AD轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)分辨率高，加上成熟的軟件算法，有效提高火工品小電阻測量精度。

(3) 全自動化測試。配套友好的人機交互界面和型號配置文件，一鍵式操作實現(xiàn)自檢、測試、校準，根據(jù)配置文件自動進行測量通道切換和測量結(jié)果記錄、存儲和上傳遠端操作。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計的可配置高精度火工裝置阻值測量設(shè)備方案合理可行，并進行了小批量生產(chǎn)。在相關(guān)型號的研制、批產(chǎn)過程中進行測試、使用。能夠滿足型號研制生產(chǎn)需求。經(jīng)過實際使用，比對測量時間成倍縮減，測量精度大幅提高。有效地提高了導(dǎo)彈火工裝置測量的自動化程度。

[1] 王凱民，王文玷，張玲香.90年代美國火工品技術(shù)發(fā)展規(guī)劃及研究進展[J].火工品，2000(4)：37-42. WANG Kai-min，WANG Wen-dian，ZHANG Ling-xiang.Developmenton American Techenical Advances of Initiating Explosive Devices in 1990s[J].Initiating Explosive Devices，2000(4)：37-42.

[2] 葉迎華.火工品技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2007：8-12. YE Ying-hua.Technology of Initiating Devices[M].Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2007：8-12.

[3] 夏建才，劉麗梅.火工品制造[M]，北京：北京理工大學(xué)出版社，2009：15-18. XIA Jian-cai，LIU Li-mei.Engineer of Initiating Devices[M].Beijing：Institute of Technology Press，2009：15-18.

[4] 楊志群.導(dǎo)彈火工品通用防爆測試儀的設(shè)計與應(yīng)用[J].兵工自動化，2014，33(6)：80-82. YANG Zhi-qun.Design and Application of General Tester for Missile Initiating Explosive Devices[J].Ordnance Industry Automation，2014，33(6)：80-82.

[5] 尹波，張奇峰，李衛(wèi)軍，等.火工品電阻測量儀器的發(fā)展趨勢[J].兵工自動化，2009，28(4)：88-90. YIN Bo，ZHANG Qi-feng，LI Wei-jun，et al.Future Development of Measurement Instrument for Resistance of Initiating Explosive Device[J].Ordnance Industry Automation，2009，28(4)：88-90.

[6] 王志明，張洪欣.四線制測量在單體太陽電池測試系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子測量技術(shù)，2006，29(6)：12-13. WANG Zhi-ming，ZHANG Hong-xin.Application of Four-line Measurement to Solar Cell Tester[J].Electronic Measurement Technology，2006，29(6)：12-13.

[7] 楊雷，康麗，陳少佳，等.多通道熱電阻精密測量的設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化與儀表，2010(5)：52-55. YANG Lei，KANG Li，CHEN Shao-jia，et al.Design and Implementation of Multi-Channel Thermal Resistance Precision Measurement[J].Automation & Instrumentation，2010(5)：52-55.

[8] 鈍感電起爆器通用規(guī)范[S].GJB344-2005. General Specification for Insensitive Electric-Initiators[S].GJB344-2005.

[9] 王建宇.微弱信號高精度線性放大電路的設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2014，22(22)：94-96. WANG Jian-yu.The Design of Weak Signal High-Precision Linear Amplifier Circuit[J].Electronic Design Engineering，2014，22(22)：94-96.

[10] 來新泉，劉鴻雁，劉維京.一種新型CMOS誤差放大電路的設(shè)計[J].微電子學(xué)，2006，36(3)：377-380. LAI Xin-quan，LIU Hong-yan，LIU Wei-jing.A Novel CMOS Error-Amplifier for LDO Regulator[J].Microelectronics，2006，36(3)：377-380.

[11] 黎嘉明，張林.差分放大電路輸入電阻的合理計算[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2011，33(3)：45-48. LI Jia-ming，ZHANG Lin.The Calculation of Input Resistance in the Differential Amplifier[J].Journal of EEE，2011，33(3)：45-48.

[12] 朱士龍，朱嘉林，陳福彬.一種用于抑制共模信號的差分放大電路的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38(18)：110-112. ZHU Shi-long，ZHU Jia-lin，CHEN Fu-bin.Research on Differential Amplification Circuit to Restrain Common-mode Signal[J].Modern Electronics Technique，2015，38(18)：110-112.

[13] 金代中.新編電工常用查算手冊[M].北京：中國標準出版社，2005：333-338. JIN Dai-zhong.Electrical Phrase Book[M].Beijing：Standard Publishing Company of China，2005：333-338.

[14] 耿輝，李大鵬，顏廷貴.運載火箭火工品阻值測試數(shù)據(jù)分析方法探討[J].導(dǎo)彈與航天運載技術(shù)，2013(4)：69-73. GENG Hui，LI Da-peng，YAN Ting-gui.Study on The Test Data Analysis Method of Explosive Initiator Resistance of Launch Vehicle[J].Missiles and Space Vehicles，2013(4)：69-73.

[15] 張雪瑞，周霞勤.高精密小電阻測量方法及測量結(jié)果的不確定度評定[J].誤差與不確定度，2008，28(4)：44-46，52. ZHANG Xue-rui，ZHOU Xia-qin.Method of Measurement of High-Precision Low Resistance，Analysis and Evaluation for the Uncertainty of Measurement[J].Error and Uncertainty，2008，28(4)：44-46，52.

Design and Implementation of Configurable High Precision Tester for Initiating Device

LEI Feng-cheng，CHENG Peng，SHAO Yun-feng

(Beijing Institute of Electronic System Engineering，Beijing 100854，China)

In order to improve the generality of the initiating device tester and the automation of the measurement, a test scheme based on a four-line small resistance measurement method is presented. The measure channels can be configured through the switch.The voltage(mV) is amplified, A/D translated and processed in MCU. The small value of resistance is displayed,stored and transmitted. This test scheme greatly improves the automation and precision of the tester.

initiating device；small resistance testing；configurable channel；automatic testing；four-line small resistance measurement；missile testing

2016-06-20；

2016-11-18

有

雷峰成(1979-)，男，北京人。高工，碩士，研究方向為導(dǎo)彈發(fā)射控制技術(shù)

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.03.026

TJ768.2；TP273

A

1009-086X(2017)-03-0167-05

通信地址：100854 北京市142信箱30分箱