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(xué)測(cè)量元件，將應(yīng)變片牢固粘貼于包帶上的測(cè)量部位，在包帶受力時(shí)利用敏感柵材料在應(yīng)變作用下的電阻變化可測(cè)量被測(cè)包帶的受力狀態(tài)，其測(cè)量值的準(zhǔn)確性直接影響到衛(wèi)星星箭解鎖裝置預(yù)緊力測(cè)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(yàn)人員需要在粘貼前對(duì)應(yīng)變片進(jìn)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(duì)一批應(yīng)變片進(jìn)行驗(yàn)收篩選，選取每20個(gè)為一組(含有4個(gè)備份)，用數(shù)字萬用表檢測(cè)每組內(nèi)各個(gè)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(hào)工藝甚至要求≤0.1 Ω。

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

    第一種方法在排除操作問題后，仔細(xì)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(jìn)行自然卷曲狀態(tài)和均勻受力壓平狀態(tài)下測(cè)試，阻值出現(xiàn)了±0.2 Ω的變化。試驗(yàn)結(jié)果證明，該測(cè)試方法存在隨環(huán)境狀態(tài)不同、測(cè)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(cè)量應(yīng)變片的阻值。這種測(cè)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(yuǎn)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(dǎo)致每次測(cè)量應(yīng)變片所受壓力不一致。

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

2 篩選測(cè)試方法優(yōu)化

2.1 篩選測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)研制

    (1)整機(jī)設(shè)計(jì)

    操縱機(jī)構(gòu)由左右操縱桿、左側(cè)鎖定機(jī)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(gè)螺釘與支承軸抱緊，通過操縱機(jī)構(gòu)帶動(dòng)支承軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)10個(gè)壓緊單元的下壓與抬起動(dòng)作，如圖1所示。

    操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jìn)行擺放應(yīng)變片、切換應(yīng)變片讀數(shù)等其他操作。人機(jī)工效高，使用方便。

    (2)壓緊單元設(shè)計(jì)

    通過應(yīng)變片座上應(yīng)變片放置槽的幾何形狀設(shè)計(jì)，保證了應(yīng)變片能準(zhǔn)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(zhǔn)確可靠，且不會(huì)壓到應(yīng)變片的引線和焊點(diǎn)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(dǎo)線壓塊、應(yīng)變片座及導(dǎo)線約束塊均為塑料絕緣材料，壓杠下壓到位時(shí)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(gè)孔，一個(gè)用于機(jī)械固定，一個(gè)通過叉片端子實(shí)現(xiàn)電氣連接。

    為保證接觸片回彈力適中，對(duì)接觸片進(jìn)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(shí)際下壓時(shí)接觸片的接觸部分位移為1.5 mm，則單個(gè)接觸片的回彈力為1.5 mm×0.91 N/mm=1.37 N。回彈力取值適中，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(jì)

    電氣系統(tǒng)將10個(gè)應(yīng)變片座的接觸片連接至測(cè)量輸出端，且應(yīng)可方便地在10個(gè)應(yīng)變片間切換，讀取各個(gè)應(yīng)變片的電阻值。電氣系統(tǒng)對(duì)外包含一對(duì)測(cè)試接線柱、一個(gè)10位波段開關(guān)、一個(gè)DB15擴(kuò)展接口，測(cè)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(cè)試接線柱對(duì)應(yīng)的應(yīng)變片，快速完成10個(gè)應(yīng)變片的切換和讀數(shù)；擴(kuò)展接口可直接測(cè)量10個(gè)應(yīng)變片的電阻值，用于系統(tǒng)以后可能的擴(kuò)展。電氣系統(tǒng)連接圖如圖3所示。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)研究分析

    (1)壓力一致性

    工裝測(cè)量一組10個(gè)應(yīng)變片，為保證測(cè)量結(jié)果的有效，應(yīng)使得不同測(cè)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(shí)，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?？赏ㄟ^壓力調(diào)節(jié)螺母調(diào)節(jié)壓緊彈簧的壓縮長(zhǎng)度，進(jìn)而調(diào)節(jié)壓頭對(duì)應(yīng)變片的壓力。

    壓緊彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。

    彈簧的剛度計(jì)算為^[6]：

式中，F(xiàn)單位為N，L單位為mm。

    壓縮長(zhǎng)度L可在9 mm～19 mm范圍調(diào)節(jié)，對(duì)應(yīng)壓力調(diào)節(jié)范圍為0.48 N～5.28 N。調(diào)節(jié)壓力時(shí)可用游標(biāo)卡尺測(cè)量壓縮長(zhǎng)度L，若游標(biāo)卡尺測(cè)量誤差為ΔL=0.1 mm，將導(dǎo)致的壓力一致性誤差為KΔL=0.048 N，可見采用各個(gè)彈簧獨(dú)立調(diào)節(jié)的方式可以達(dá)到較好的壓力一致性，保證測(cè)量結(jié)果有效性。

    (2)對(duì)應(yīng)變片的保護(hù)

    應(yīng)變片在測(cè)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(huì)因局部壓力過大壓壞應(yīng)變片本體。由于下壓動(dòng)作實(shí)際上是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，理論上壓頭端部在下壓過程中沿圓弧軌跡運(yùn)動(dòng)，有水平和垂直方向的位移分量，故需對(duì)下壓中的水平位移進(jìn)行校核，確保其不會(huì)因?yàn)榇陝?dòng)損壞應(yīng)變片。

    由圖4可知，在壓頭下壓到位時(shí)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)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(duì)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(fēng)險(xiǎn)。

    (3)線路電阻對(duì)測(cè)試的影響

    由于各應(yīng)變片的電氣接觸片必然要通過導(dǎo)線連接測(cè)試系統(tǒng)，導(dǎo)線電阻必然會(huì)對(duì)測(cè)試帶來一定影響。

    本工裝在接線工藝上保證每個(gè)應(yīng)變片到測(cè)試接線柱/擴(kuò)展接口的導(dǎo)線總長(zhǎng)相等，則每一測(cè)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(dǎo)線將對(duì)應(yīng)通道的應(yīng)變片接觸片短路，在此狀態(tài)下對(duì)歐姆檔調(diào)零即完成了對(duì)該通道的線路電阻補(bǔ)償。因?yàn)楦魍ǖ赖木€路電阻相等，故對(duì)一個(gè)通道進(jìn)行線路電阻補(bǔ)償后萬用表可用于任意通道的測(cè)試，線路電阻對(duì)測(cè)試的影響可以消除。

    DB15擴(kuò)展接口的1～10引腳直接與各應(yīng)變片相連，若進(jìn)行上位系統(tǒng)擴(kuò)展開發(fā)，在自動(dòng)測(cè)量程序中可獨(dú)立補(bǔ)償各個(gè)通道的線路電阻，已達(dá)到更高的測(cè)量精度。

2.3 優(yōu)化后測(cè)試方法    

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

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

    （2）向右扳動(dòng)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(cè)量應(yīng)變片放置在對(duì)應(yīng)應(yīng)變片座中。

    （4）放置好各應(yīng)變片后向右扳動(dòng)左操縱桿，壓杠解鎖后雙手同時(shí)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(dòng)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(hào)碼對(duì)應(yīng)各應(yīng)變片座號(hào)碼)。

    （6）重復(fù)第（2）步操作，取下各應(yīng)變片，完成測(cè)試。

2.4 通道電阻性能測(cè)試

    由于儀器內(nèi)部測(cè)試線路會(huì)在待測(cè)應(yīng)變片上附加一串連電阻，需測(cè)試各路附加電阻的一致性，以評(píng)估附加電阻對(duì)測(cè)試產(chǎn)生的影響。測(cè)試中用一段短導(dǎo)線分別短接各個(gè)工位的2個(gè)接觸片，并撥動(dòng)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(cè)試結(jié)果如表2所示。

    通過測(cè)試結(jié)果可知，附加電阻平均值為0.48 Ω，各通道相對(duì)平均值附加電阻變化不超過0.02 Ω，則測(cè)試中在萬用表電阻檔未標(biāo)定的情況下，可將讀數(shù)減去0.48 Ω作為測(cè)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(biāo)定萬用表電阻擋，標(biāo)定后可將讀數(shù)直接作為測(cè)量值，由各通道附加電阻撥動(dòng)帶來的誤差較小，不會(huì)對(duì)應(yīng)變片的篩選產(chǎn)生實(shí)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(fù)誤差小于0.03 Ω。

2.5 各通道電阻測(cè)量一致性驗(yàn)證

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

    通過測(cè)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(gè)工位上分別測(cè)量得到的測(cè)量值波動(dòng)量不大，可見測(cè)量一致性較好，不會(huì)對(duì)應(yīng)變片的篩選產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。

3 結(jié)束語

    本工裝的應(yīng)用在以下方面對(duì)原有測(cè)試工藝進(jìn)行了改進(jìn)：

    (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(cè)試可靠性得到提高，應(yīng)變片保護(hù)效果得到改善；

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

    (3)可一次測(cè)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(kuò)展接口，可進(jìn)行后續(xù)擴(kuò)展開發(fā)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)、自動(dòng)分組篩選等功能。

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

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