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(zhǔn)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(yàn)人員需要在粘貼前對應(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)星需一次性對一批應(yīng)變片進(jìn)行驗(yàn)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(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(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)下測試,，阻值出現(xiàn)了±0.2 Ω的變化,。試驗(yàn)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(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(dǎo)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(xì)，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(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個螺釘與支承軸抱緊，通過操縱機(jī)構(gòu)帶動支承軸轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)10個壓緊單元的下壓與抬起動作,，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(jī)械固定,，一個通過叉片端子實(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,。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(kuò)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(kuò)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(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(jìn)而調(diào)節(jié)壓頭對應(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(biāo)卡尺測量壓縮長度L，若游標(biāo)卡尺測量誤差為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，保證測量結(jié)果有效性,。

    (2)對應(yīng)變片的保護(hù)

    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(shí)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(yùn)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(jìn)行校核,，確保其不會因?yàn)榇陝訐p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(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(fēng)險(xiǎn),。

    (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(dǎo)線連接測試系統(tǒng),，導(dǎo)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(kuò)展接口的導(dǎo)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(dǎo)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(bǔ)償。因?yàn)楦魍ǖ赖木€路電阻相等,，故對一個通道進(jìn)行線路電阻補(bǔ)償后萬用表可用于任意通道的測試,，線路電阻對測試的影響可以消除。

    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),，在自動測量程序中可獨(dú)立補(bǔ)償各個通道的線路電阻，已達(dá)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(dǎo)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(fù)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(dǎo)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(biāo)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(biāo)定萬用表電阻擋，標(biāo)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(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 各通道電阻測量一致性驗(yàn)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(shí)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(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(hù)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(kuò)展接口,，可進(jìn)行后續(xù)擴(kuò)展開發(fā)，實(shí)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(jìn)應(yīng)變片驗(yàn)收測量方法，對應(yīng)變片驗(yàn)收工裝進(jìn)行設(shè)計(jì),，經(jīng)過對工裝裝調(diào),、校準(zhǔn),、測試、比對的研究,，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、各通道電阻測量一致性兩項(xiàng)測試,，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)變片電阻測試，在測試可靠性,、測試效率,、對應(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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