0 引言

    航天器用應(yīng)變片是某系列衛(wèi)星上用于星箭解鎖裝置的重要力學測量元件，將應(yīng)變片牢固粘貼于包帶上的測量部位，在包帶受力時利用敏感柵材料在應(yīng)變作用下的電阻變化可測量被測包帶的受力狀態(tài)，其測量值的準確性直接影響到衛(wèi)星星箭解鎖裝置預(yù)緊力測試的適用性，關(guān)系到星箭的成功分離，直接影響到衛(wèi)星發(fā)射的成敗。依據(jù)星箭解鎖分離包帶應(yīng)變片粘貼工藝規(guī)范，總裝檢驗人員需要在粘貼前對應(yīng)變片進行檢查和篩選工作^[1-3]。

1 應(yīng)變片工況分析

    該系列衛(wèi)星需一次性對一批應(yīng)變片進行驗收篩選，選取每20個為一組(含有4個備份)，用數(shù)字萬用表檢測每組內(nèi)各個應(yīng)變片的阻值，要求兩兩相差應(yīng)≤0.2 Ω(最大值與最小值之差)，某些型號工藝甚至要求≤0.1 Ω。

    目前應(yīng)變片驗收篩選有兩種方法，一是應(yīng)變片在自然狀態(tài)下直接測量，二是用普通壓塊壓住應(yīng)變片敏感柵測量。

    第一種方法在排除操作問題后，仔細觀察應(yīng)變片的外觀，發(fā)現(xiàn)每片應(yīng)變片在自然放置的情況下呈不同弧度的彎曲狀態(tài)，將不同彎曲弧度的應(yīng)變片進行自然卷曲狀態(tài)和均勻受力壓平狀態(tài)下測試，阻值出現(xiàn)了±0.2 Ω的變化。試驗結(jié)果證明，該測試方法存在隨環(huán)境狀態(tài)不同、測試結(jié)果不穩(wěn)定的問題^[4-5]。

    第二種方法是在應(yīng)變片篩選過程采用任意普通壓塊壓住應(yīng)變片，使用常用的FLUKE數(shù)字萬用表通過紅黑表筆（鱷魚夾）分別夾持應(yīng)變片引線的兩端來測量應(yīng)變片的阻值。這種測試方式存在如下一些弊端：

    (1)由于壓塊與下面基板的接觸面積很大，遠大于應(yīng)變片本體面積，故無法保證壓塊的重量全部施加在應(yīng)變片本體上，導致每次測量應(yīng)變片所受壓力不一致。

    (2)由于測量讀數(shù)時需要手持接線夾，接線夾和應(yīng)變片的引線必然處在一個不穩(wěn)定的受力狀態(tài)，導致引線與接線夾之間的接觸電阻不穩(wěn)定，影響測量。由于引線很細，在承受拉力時容易損壞應(yīng)變片。

2 篩選測試方法優(yōu)化

2.1 篩選測試設(shè)備設(shè)計研制

    (1)整機設(shè)計

    操縱機構(gòu)由左右操縱桿、左側(cè)鎖定機構(gòu)、軸承座、支承軸等部件組成，壓緊單元的壓杠與壓杠固定塊通過4個螺釘與支承軸抱緊，通過操縱機構(gòu)帶動支承軸轉(zhuǎn)動實現(xiàn)10個壓緊單元的下壓與抬起動作，如圖1所示。

    操縱機構(gòu)的設(shè)計使得使用者在抬起/壓下操作和鎖定/釋放操作中雙手始終位于左右操縱桿上，在鎖定壓杠位置后即可騰出雙手進行擺放應(yīng)變片、切換應(yīng)變片讀數(shù)等其他操作。人機工效高，使用方便。

    (2)壓緊單元設(shè)計

    通過應(yīng)變片座上應(yīng)變片放置槽的幾何形狀設(shè)計，保證了應(yīng)變片能準確定位在應(yīng)變片槽中，壓頭矩形部分能覆蓋應(yīng)變片本體，壓力的傳遞準確可靠，且不會壓到應(yīng)變片的引線和焊點部位；由于應(yīng)變片引線形態(tài)不易控制，通過增大引線擺放空間和接觸片面積，應(yīng)變片引線可以很容易地與接觸片接觸，方便了應(yīng)變片的放置操作。彈性接觸片為金屬材料，導線壓塊、應(yīng)變片座及導線約束塊均為塑料絕緣材料，壓杠下壓到位時接觸片因自身彈性發(fā)生小量變形，其彈性力保證應(yīng)變片引線與接觸片的良好接觸。彈性接觸片后端的2個孔，一個用于機械固定，一個通過叉片端子實現(xiàn)電氣連接。

    為保證接觸片回彈力適中，對接觸片進行有限元分析。分析模型材料采用磷青銅，其彈性模量E=200 GPa，泊松比ρ=0.28。模型在連接部施加位移全約束，接觸部分施加載荷0.1 N，壓力分析圖如圖2所示。

    分析結(jié)果顯示在0.1 N壓力下接觸部分位移為0.11 mm，即此接觸片剛度K=0.1 N/0.11 mm=0.91 N/mm。根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)可知實際下壓時接觸片的接觸部分位移為1.5 mm，則單個接觸片的回彈力為1.5 mm×0.91 N/mm=1.37 N?；貜椓θ≈颠m中，適宜于保證接觸片與應(yīng)變片引線的接觸效果。

    (3)電氣設(shè)計

    電氣系統(tǒng)將10個應(yīng)變片座的接觸片連接至測量輸出端，且應(yīng)可方便地在10個應(yīng)變片間切換，讀取各個應(yīng)變片的電阻值。電氣系統(tǒng)對外包含一對測試接線柱、一個10位波段開關(guān)、一個DB15擴展接口，測試接線柱配合數(shù)字萬用表使用，通過波段開關(guān)可以選擇測試接線柱對應(yīng)的應(yīng)變片，快速完成10個應(yīng)變片的切換和讀數(shù)；擴展接口可直接測量10個應(yīng)變片的電阻值，用于系統(tǒng)以后可能的擴展。電氣系統(tǒng)連接圖如圖3所示。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)點研究分析

    (1)壓力一致性

    工裝測量一組10個應(yīng)變片，為保證測量結(jié)果的有效，應(yīng)使得不同測量工位的應(yīng)變片受到的壓力大小一致。

    在壓杠處于下壓位置時，壓頭上部脫離壓杠，壓緊彈簧的壓力通過壓頭全部傳遞到應(yīng)變片本體上。可通過壓力調(diào)節(jié)螺母調(diào)節(jié)壓緊彈簧的壓縮長度，進而調(diào)節(jié)壓頭對應(yīng)變片的壓力。

    壓緊彈簧設(shè)計參數(shù)如表1。

    彈簧的剛度計算為^[6]：

式中，F(xiàn)單位為N，L單位為mm。

    壓縮長度L可在9 mm～19 mm范圍調(diào)節(jié)，對應(yīng)壓力調(diào)節(jié)范圍為0.48 N～5.28 N。調(diào)節(jié)壓力時可用游標卡尺測量壓縮長度L，若游標卡尺測量誤差為ΔL=0.1 mm，將導致的壓力一致性誤差為KΔL=0.048 N，可見采用各個彈簧獨立調(diào)節(jié)的方式可以達到較好的壓力一致性，保證測量結(jié)果有效性。

    (2)對應(yīng)變片的保護

    應(yīng)變片在測試過程中其本體應(yīng)變敏感部分和引線部分均不應(yīng)受到損傷。

    由于壓頭與應(yīng)變片接觸部分粘貼有橡膠墊，使得壓力能夠均勻、柔和地傳遞到應(yīng)變片上，不會因局部壓力過大壓壞應(yīng)變片本體。由于下壓動作實際上是一個轉(zhuǎn)動，理論上壓頭端部在下壓過程中沿圓弧軌跡運動，有水平和垂直方向的位移分量，故需對下壓中的水平位移進行校核，確保其不會因為搓動損壞應(yīng)變片。

    由圖4可知，在壓頭下壓到位時壓頭底部與壓杠旋轉(zhuǎn)軸線平齊，壓頭與旋轉(zhuǎn)軸線距離100 mm。根據(jù)機構(gòu)設(shè)計參數(shù)，從壓頭開始接觸應(yīng)變片到完全壓到位，壓頭抬升行程為3 mm。故根據(jù)三角關(guān)系，下壓過程中壓頭的理論水平位移為：

    考慮到壓頭與壓杠之間的配合公差，最小配合間隙為0.1 mm，已足夠吸收該水平位移而不致搓動應(yīng)變片，且壓頭底部橡膠的柔性亦能吸收部分水平位移，故可確定下壓過程對應(yīng)變片的安全性。由于在下壓過程中應(yīng)變片引線未受拉伸，故應(yīng)變片引線不存在被損壞的風險。

    (3)線路電阻對測試的影響

    由于各應(yīng)變片的電氣接觸片必然要通過導線連接測試系統(tǒng)，導線電阻必然會對測試帶來一定影響。

    本工裝在接線工藝上保證每個應(yīng)變片到測試接線柱/擴展接口的導線總長相等，則每一測試通道的附加電阻相等。指針式萬用表和高檔數(shù)字式萬用表歐姆檔均具有調(diào)零功能，將萬用表與接線柱連接，波段開關(guān)選通某一通道，并用短導線將對應(yīng)通道的應(yīng)變片接觸片短路，在此狀態(tài)下對歐姆檔調(diào)零即完成了對該通道的線路電阻補償。因為各通道的線路電阻相等，故對一個通道進行線路電阻補償后萬用表可用于任意通道的測試，線路電阻對測試的影響可以消除。

    DB15擴展接口的1～10引腳直接與各應(yīng)變片相連，若進行上位系統(tǒng)擴展開發(fā)，在自動測量程序中可獨立補償各個通道的線路電阻，已達到更高的測量精度。

2.3 優(yōu)化后測試方法    

    （1）將萬用表設(shè)置為電阻測量模式，用橡膠插頭導線連接萬用表和測試工裝。

    其中萬用表的“COM”接線柱與應(yīng)變片測試工裝的黑色接線柱“COM”相連，萬用表的“Ω”接線柱與應(yīng)變片測試工裝的紅色接線柱相連。

    （2）向右扳動左操縱桿，壓杠解鎖后抬起左右操縱桿約45°，釋放左操縱桿使壓杠鎖定在抬起位置。

    （3）將各待測量應(yīng)變片放置在對應(yīng)應(yīng)變片座中。

    （4）放置好各應(yīng)變片后向右扳動左操縱桿，壓杠解鎖后雙手同時施力，壓下左右操縱桿至水平位置，釋放左操縱桿使壓杠鎖定在壓緊位置。

    （5）轉(zhuǎn)動工裝上的旋轉(zhuǎn)波段開關(guān)，從萬用表上讀取各應(yīng)變片阻值(開關(guān)箭頭所指號碼對應(yīng)各應(yīng)變片座號碼)。

    （6）重復第（2）步操作，取下各應(yīng)變片，完成測試。

2.4 通道電阻性能測試

    由于儀器內(nèi)部測試線路會在待測應(yīng)變片上附加一串連電阻，需測試各路附加電阻的一致性，以評估附加電阻對測試產(chǎn)生的影響。測試中用一段短導線分別短接各個工位的2個接觸片，并撥動選通開關(guān)至短接的通道，將數(shù)字萬用表調(diào)至電阻檔，將萬用表表筆的橡膠插頭連接至工裝面板上的接線柱上，通過旋轉(zhuǎn)面板上的波段開關(guān)1～10，依次讀取各應(yīng)變片的阻值，作為各通道的附加電阻。

    測試結(jié)果如表2所示。

    通過測試結(jié)果可知，附加電阻平均值為0.48 Ω，各通道相對平均值附加電阻變化不超過0.02 Ω，則測試中在萬用表電阻檔未標定的情況下，可將讀數(shù)減去0.48 Ω作為測量值；也可將最接近附加電阻平均值的4通道短接，然后通過面板接線柱標定萬用表電阻擋，標定后可將讀數(shù)直接作為測量值，由各通道附加電阻撥動帶來的誤差較小，不會對應(yīng)變片的篩選產(chǎn)生實質(zhì)性影響，符合每組引線回路電阻小于0.5 Ω，10組引線回路之間的電阻誤差小于0.03 Ω，且重復誤差小于0.03 Ω。

2.5 各通道電阻測量一致性驗證

    將各工位的彈簧壓縮長度調(diào)節(jié)一致，采用同一應(yīng)變片分別放置在各個工位上，壓緊后用萬用表通過面板接線柱測量電阻，結(jié)果如表3所示。

    通過測試結(jié)果可知，同一應(yīng)變片在壓力基本相同的條件下，在各個工位上分別測量得到的測量值波動量不大，可見測量一致性較好，不會對應(yīng)變片的篩選產(chǎn)生實質(zhì)性影響。

3 結(jié)束語

    本工裝的應(yīng)用在以下方面對原有測試工藝進行了改進：

    (1)消除了應(yīng)變片受壓狀態(tài)不確定因素，壓力穩(wěn)定、一致，應(yīng)變片受壓均勻，測試可靠性得到提高，應(yīng)變片保護效果得到改善；

    (2)消除了手持接線夾連接引線的測試狀態(tài)，接觸條件穩(wěn)定，測試可靠性得到提高，應(yīng)變片保護效果得到改善；

    (3)可一次測量1組10片應(yīng)變片，操作方便，工作效率得到提高；

    (4)提供擴展接口，可進行后續(xù)擴展開發(fā)，實現(xiàn)自動記錄數(shù)據(jù)、自動分組篩選等功能。

    本文鑒于改進應(yīng)變片驗收測量方法，對應(yīng)變片驗收工裝進行設(shè)計，經(jīng)過對工裝裝調(diào)、校準、測試、比對的研究，完成了一套新型應(yīng)變片驗收工裝。工裝經(jīng)過各通道線路附加電阻、各通道電阻測量一致性兩項測試，符合工裝的設(shè)計技術(shù)指標及設(shè)計要求。使用本工裝進行應(yīng)變片電阻測試，在測試可靠性、測試效率、對應(yīng)變片的保護等方面均優(yōu)于原有工藝方法。本工裝克服現(xiàn)有驗收方法的缺陷，達到了預(yù)期研發(fā)目標，可以有效提高驗收工作質(zhì)量和效率。

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