直升機(jī)槳葉加熱組件檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

石璐璐

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

直升機(jī)槳葉加熱組件是直升機(jī)旋翼防/除冰系統(tǒng)中的重要組成部分，是采用加熱元件形式的電加熱除冰系統(tǒng)。其在直升機(jī)上的應(yīng)用能夠適應(yīng)直升機(jī)的市場(chǎng)需求，滿足直升機(jī)在結(jié)冰氣象條件下飛行的使用要求，提高直升機(jī)生存能力及安全性能并利于戰(zhàn)術(shù)性能的發(fā)揮[1-2]。目前，直升機(jī)槳葉已經(jīng)開始配備加熱組件，但是，對(duì)其檢測(cè)仍處于多點(diǎn)人工檢測(cè)階段，其檢修能力距離高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)條件下快速機(jī)務(wù)保障的要求還有一定差距?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外關(guān)于此方面的研究較少。文獻(xiàn)[3]、[4]給出了飛機(jī)結(jié)冰探測(cè)技術(shù)及除冰方面的研究，可以為加熱組件檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)提供思路，但是沒(méi)有給出其設(shè)計(jì)的具體方法。文獻(xiàn)[5]給出了目前常用的加熱組件檢測(cè)方法：使用萬(wàn)用表依次檢測(cè)每個(gè)加熱元件的電阻通道，使用絕緣電阻檢測(cè)儀依次測(cè)量相鄰加熱元件之間、加熱組件與前緣包片之間、加熱元件與加熱組件內(nèi)表面的每處絕緣。然而，這種方法針對(duì)每個(gè)通道依次測(cè)量，既耗費(fèi)了大量的時(shí)間，又容易發(fā)生誤操作；同時(shí)，其測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度不能保證；而且，在實(shí)際保障過(guò)程中，槳葉加熱組件的接口處于高處，操作的難度較大。文獻(xiàn)[6]給出了一種防冰系統(tǒng)檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)，但是這種檢測(cè)儀只是針對(duì)固定翼機(jī)的防冰系統(tǒng)的信號(hào)器進(jìn)行檢測(cè)，具有一定的局限性。

本文針對(duì)直升機(jī)槳葉加熱組件的檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)裝置的硬件與軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出一種集成式的、高效的加熱組件檢測(cè)系統(tǒng)。首先，介紹加熱組件的結(jié)構(gòu)與檢測(cè)儀的工作原理；其次，提出檢測(cè)儀的硬件架構(gòu)；然后，基于Lab Windows/CVI軟件開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)；最后通過(guò)檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的可行性。

1 加熱組件結(jié)構(gòu)及檢測(cè)儀工作原理

1.1 加熱組件結(jié)構(gòu)

直升機(jī)槳葉除冰組件的結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]，由加熱元件、絕緣層、前緣包片、溫度傳感器、導(dǎo)線、電連接器及尾部附件等組成，絕緣層又分為導(dǎo)熱絕緣層和隔熱絕緣層。

按照文獻(xiàn)[1]、[2]給出的直升機(jī)槳葉加熱組件工作原理，直升機(jī)槳葉加熱組件是由多個(gè)加熱元件組成的電加熱除冰裝置。工作時(shí)，溫度傳感器將獲得的溫度信號(hào)傳到控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)發(fā)出加熱指令，接通電源，通過(guò)加熱元件對(duì)槳葉進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)槳葉除冰。為了實(shí)現(xiàn)良好的加熱效果，加熱元件、與外界環(huán)境隔離的隔熱絕緣層、與槳葉葉身結(jié)構(gòu)隔離的導(dǎo)熱絕緣層必須很好地粘接在一起，并保證導(dǎo)熱絕緣層上的電阻和隔熱絕緣層上的絕緣電阻處于正常狀態(tài)。

由此可見(jiàn)，檢測(cè)儀最主要的功能即是實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻和絕緣電阻的精準(zhǔn)測(cè)量。為了保證對(duì)直升機(jī)槳葉加熱組件的檢測(cè)精度，檢測(cè)儀應(yīng)滿足以下技術(shù)要求：

1)具備若干個(gè)電阻檢測(cè)通道，能夠檢測(cè)加熱組件中各組加熱元件的電阻值，測(cè)量誤差≤2%；

2)具備若干個(gè)絕緣電阻檢測(cè)通道，能夠檢測(cè)加熱組件中各加熱元件與前緣包鐵的電阻值，測(cè)量誤差≤2%，檢測(cè)電壓為500V DC。

圖1 直升機(jī)槳葉加熱組件結(jié)構(gòu)

此外，為了使檢測(cè)儀的使用更加方便，功能更加符合實(shí)際需求，檢測(cè)儀應(yīng)同時(shí)滿足以下要求：

1)數(shù)字顯示測(cè)量結(jié)果，若結(jié)果超出誤差范圍，則報(bào)警提醒；

2)能夠按既定程序進(jìn)行自動(dòng)巡檢或者手動(dòng)檢測(cè)；

3)可自動(dòng)生成檢測(cè)報(bào)告，歷史存儲(chǔ)的檢測(cè)報(bào)告可隨時(shí)讀取；

4)人機(jī)界面友好、簡(jiǎn)潔。

1.2 檢測(cè)儀工作原理

為了滿足上述要求，并解決文獻(xiàn)[5]提出的檢測(cè)方法所帶來(lái)的實(shí)際問(wèn)題，本文首先進(jìn)行檢測(cè)儀工作原理的設(shè)計(jì)。

根據(jù)加熱組件的結(jié)構(gòu)可知，檢測(cè)儀的檢測(cè)功能有兩個(gè)：電阻的檢測(cè)和絕緣電阻的檢測(cè)。為了使兩種模式互不干擾，同時(shí)使每個(gè)模式內(nèi)部檢測(cè)數(shù)據(jù)可靠，本設(shè)計(jì)為每個(gè)待檢測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)立單獨(dú)通道，通過(guò)單片機(jī)控制繼電器的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)通道數(shù)據(jù)的傳遞。其他的附加功能則直接通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。

電阻檢測(cè)的原理是：通過(guò)電阻檢測(cè)模塊中的恒流源電路給槳葉加熱組件中的加熱元件提供一個(gè)恒定的小電流，由差分放大電路對(duì)加熱元件兩端的電壓信號(hào)進(jìn)行放大后送入A/D轉(zhuǎn)換電路。FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)完成A/D轉(zhuǎn)換電路的控制及低壓繼電器陣列的切換，實(shí)現(xiàn)加熱元件的電阻值采集，最后由單片機(jī)讀取FPGA中的數(shù)據(jù)，通過(guò)RS232總線發(fā)送給檢測(cè)軟件進(jìn)行處理并顯示。其原理框圖見(jiàn)圖2。

圖2 電阻檢測(cè)模塊原理圖

絕緣電阻檢測(cè)采用市場(chǎng)上采購(gòu)的程控絕緣電阻檢測(cè)儀進(jìn)行，通過(guò)FPGA控制高壓繼電器陣列切換，實(shí)現(xiàn)絕緣電阻檢測(cè)，檢測(cè)軟件通過(guò)USB接口讀取絕緣電阻檢測(cè)儀測(cè)得的絕緣電阻值，將數(shù)值進(jìn)行處理后，顯示在軟件界面上。其原理框圖見(jiàn)圖3。

圖3 絕緣電阻檢測(cè)模塊原理圖

2 檢測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)工作原理分析，可進(jìn)行檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。檢測(cè)儀的硬件設(shè)計(jì)既要滿足功能需求，又要在一定范圍內(nèi)滿足性能指標(biāo)要求，因此，在考慮設(shè)計(jì)需求時(shí)，需要在保證設(shè)計(jì)指標(biāo)的前提下，同時(shí)也保證穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)硬件時(shí)，要保證性能則應(yīng)盡量全部用硬件實(shí)現(xiàn)；而從降低成本的角度來(lái)講，則應(yīng)盡量使用軟件完成。所以要在兩者之間做出平衡。經(jīng)過(guò)綜合考慮，本文選擇全部用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)儀的主要功能，軟件則僅僅用來(lái)通過(guò)設(shè)計(jì)軟件程序和界面來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的控制，通過(guò)輸入輸出設(shè)備下達(dá)操作指令，軟件程序讀取指令控制硬件完成任務(wù)。

通過(guò)對(duì)檢測(cè)儀主要功能進(jìn)行分析，可以對(duì)檢測(cè)儀的硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。考慮到現(xiàn)場(chǎng)保障的便捷性與檢測(cè)通道的選擇，本文采用工控機(jī)的模式來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)儀的各項(xiàng)功能。檢測(cè)儀硬件部分如圖4所示，主要由全橋整流堆、電源板、控制板、繼電器板、主板、絕緣電阻測(cè)試儀等組成。各部分實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

圖4 檢測(cè)儀硬件架構(gòu)

1)全橋整流堆

在檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)中，全橋整流堆的作用主要是防止直流電源反接造成檢測(cè)儀的損壞。因此，檢測(cè)儀接入的28V直流電必須先經(jīng)過(guò)全橋整流堆的處理，才能成為有效電源，輸入電源板中。

2)電源板

電源板是將全橋整流堆輸入的電源轉(zhuǎn)換成控制板、主板等所需的3.3V、5V、12V直流電源，為檢測(cè)儀提供穩(wěn)定的電壓。

3)控制板

控制板接收到主板發(fā)送的控制信號(hào)后，利用單片機(jī)和FPGA控制繼電器板上繼電器陣列的通斷，從而控制檢測(cè)通道的選擇。其核心是起控制作用的單片機(jī)和FPGA。

4)繼電器板

繼電器板由低壓繼電器陣列與高壓繼電器陣列集成組成。在檢測(cè)儀中，繼電器板起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用；同時(shí)還直接控制檢測(cè)通道的通斷，也使通道之間產(chǎn)生隔離，防止出現(xiàn)干擾影響測(cè)量結(jié)果。

5)主板

主板的主要作用是記錄絕緣電阻測(cè)試儀采集到的電阻值/絕緣電阻值數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)控制板發(fā)出控制信號(hào)。

6)絕緣電阻測(cè)試儀

絕緣電阻測(cè)試儀用來(lái)采集加熱組件的電阻值/絕緣電阻值數(shù)據(jù)，并把它傳遞給主板。

3 檢測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)儀是通過(guò)軟件對(duì)各個(gè)部分的檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行控制的，并通過(guò)軟件進(jìn)行人機(jī)交互操作。考慮到工作效率與實(shí)際工況，本文通過(guò)Lab Windows/CVI軟件開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)[7-9]，可對(duì)相應(yīng)的加熱組件進(jìn)行電阻值或絕緣電阻值測(cè)試。

在軟件設(shè)計(jì)方面，參考當(dāng)今軟件的先進(jìn)設(shè)計(jì)思想，采用“自頂向下 逐層分解”的方式，軟件設(shè)計(jì)成模塊化結(jié)構(gòu)，并將參數(shù)和代碼分離，提高了檢測(cè)儀軟件的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

檢測(cè)儀軟件工作流程如下：在開機(jī)后，首先由主程序?qū)ζ骷M(jìn)行初始化，測(cè)試軟件檢測(cè)到相應(yīng)觸發(fā)事件發(fā)生時(shí)，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的事件，當(dāng)自動(dòng)巡檢事件被觸發(fā)時(shí)，測(cè)試軟件向下位機(jī)依次發(fā)送開通相應(yīng)檢測(cè)通道的指令，并接收上傳的電阻值/絕緣電阻值，處理后進(jìn)行數(shù)字顯示。當(dāng)相應(yīng)通道手動(dòng)測(cè)試事件被觸發(fā)時(shí)，測(cè)試軟件向下位機(jī)發(fā)送開通該檢測(cè)通道的指令，并接收上傳的電阻值/絕緣電阻值，處理后進(jìn)行數(shù)字顯示。

檢測(cè)儀軟件框圖如圖5所示。

圖5 檢測(cè)儀軟件框圖

根據(jù)檢測(cè)儀功能要求，檢測(cè)儀應(yīng)包含主槳葉檢測(cè)面板、尾槳葉檢測(cè)面板、計(jì)量面板三個(gè)界面。主槳葉檢測(cè)面板、尾槳葉檢測(cè)面板具有電阻和絕緣電阻的自動(dòng)巡檢功能和手動(dòng)檢測(cè)功能；計(jì)量面板完成電阻和絕緣電阻的計(jì)量功能。除了檢測(cè)按鈕，主、尾槳葉檢測(cè)面板上還有溫度選擇控件，根據(jù)環(huán)境溫度選擇參數(shù)選項(xiàng)，用來(lái)為絕緣電阻檢測(cè)的故障判斷選擇合適的判據(jù)。測(cè)試完成后，測(cè)試數(shù)據(jù)會(huì)顯示在相應(yīng)通道的顯示框內(nèi)，數(shù)據(jù)正常時(shí)顯示綠色，若該通道發(fā)生故障，則數(shù)據(jù)顯示為紅色。每個(gè)面板的右上方的都有“數(shù)據(jù)存儲(chǔ)”控件，用來(lái)自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告并存儲(chǔ)于相應(yīng)位置。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的可行性，根據(jù)本文的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行具體測(cè)試驗(yàn)證。

硬件設(shè)計(jì)中，根據(jù)需求選用瑞帆RG3502便攜式計(jì)算機(jī)、JRW-110MA和JRC-023M兩種繼電器、研華PCM9389寬溫嵌入式主板、U1461A絕緣電阻測(cè)試儀、朝陽(yáng)電源4NIC-K233電源模塊，實(shí)現(xiàn)其主要功能。

軟件設(shè)計(jì)中，選用Lab Windows/CVI提供的timer定時(shí)器控件。timer定時(shí)器能夠按照設(shè)置的時(shí)間間隔完成連續(xù)的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)在數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用中，線程池結(jié)合timer定時(shí)器的方法能使CPU處理數(shù)據(jù)采集工作的效率得到提高。

使用通過(guò)上述方法設(shè)計(jì)出的檢測(cè)儀，對(duì)某型直升機(jī)槳葉加熱組件的電阻及絕緣電阻進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，上述測(cè)試結(jié)果皆在維護(hù)規(guī)程的范圍內(nèi)，滿足各部件性能測(cè)試及測(cè)量精度要求，證明本文的設(shè)計(jì)方法可行。

5 結(jié)論

1) 本文針對(duì)槳葉加熱組件地面保障時(shí)發(fā)現(xiàn)的各種問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種集成式的槳葉加熱組件檢測(cè)儀，大大降低了操作難度，簡(jiǎn)化了操作流程，提高了檢測(cè)的效率，解決了人工檢測(cè)時(shí)過(guò)程繁瑣、效率低下、容易漏檢等問(wèn)題，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

2) 基于本文提到的設(shè)計(jì)方法，在下一步工作中，可以不斷優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)，集成更多的檢測(cè)功能，并提高檢測(cè)儀的人機(jī)交互與智能化水平。

(3) 本文檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)方法可作為直升機(jī)其他保障檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)工作的參考。