基于四線制的電阻自動(dòng)測(cè)量研究與實(shí)現(xiàn)

朱維瑋，吳傳貴，2，李珊珊，2，王緯國(guó)，2

（1.國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠；2.安徽省航空設(shè)備測(cè)控與逆向工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241007）

彈射座椅是飛行員的“救生法寶”。航空技術(shù)的發(fā)展，第3 代彈射座椅里面含有電子設(shè)備，這給彈射座椅的測(cè)試、維修和保障帶來(lái)新的問(wèn)題。針對(duì)傳統(tǒng)的維修測(cè)試方法人工檢測(cè)效率低、時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度大且易出錯(cuò)的難題，需要研制一臺(tái)飛機(jī)座椅自動(dòng)綜合檢測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)多型座椅電氣附件內(nèi)各線路通斷、絕緣和抗電功能性能的自動(dòng)檢測(cè)，其中，為滿足線路通斷性能測(cè)量要求，需要研究四線制電阻測(cè)量方法的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)不同組件導(dǎo)通性指標(biāo)的精確測(cè)量。

1 需求和資源分析

座椅電氣附件自動(dòng)綜合檢測(cè)設(shè)備主要針對(duì)國(guó)內(nèi)、國(guó)外多型彈射座椅測(cè)試，涉及電氣組件主要有：脫開(kāi)式信號(hào)接頭、聯(lián)鎖轉(zhuǎn)換電門、轉(zhuǎn)換電門組件、座椅椅盆電路及整個(gè)座椅的內(nèi)部電路等。座椅電氣附件自動(dòng)綜合檢測(cè)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)對(duì)電阻、絕緣、抗電和控制等多個(gè)性能的測(cè)試，其中電阻主要包括有：檢測(cè)觸點(diǎn)電阻并判斷其是否滿足要求，具體指標(biāo)要求是：所有電門、開(kāi)關(guān)等元件的觸點(diǎn)接觸電阻，正常值不大于0.3Ω（含各繼電器啟動(dòng)前后的觸點(diǎn)接觸電阻）。通過(guò)對(duì)測(cè)試中的電阻測(cè)量要求分析，與電阻測(cè)量任務(wù)相關(guān)的功能有：一是四線制電阻、二線制電阻及電壓測(cè)量；二是程控電源供電；三是自動(dòng)測(cè)試，測(cè)試資源需求主要有工控機(jī)、程控可調(diào)電源、數(shù)字多用表、信號(hào)切換模塊及其他輔助設(shè)備。

2 四線制測(cè)量原理

四線制電阻測(cè)量連接方式如圖1 所示。電源線(Source Hi-Ho)即是電流供給回路，信號(hào)線(Sense Hi-Ho)即是電壓測(cè)定回路，電流、電壓兩回路各自獨(dú)立。四線法測(cè)電阻主要使用一對(duì)電源線接電流源，另一對(duì)信號(hào)線把被測(cè)電阻R 上的電壓降引入電壓表Vm 測(cè)量其端電壓VR。因?yàn)殡妷罕淼膬?nèi)阻非常大，與待測(cè)電阻存在數(shù)量級(jí)的差別，使得流過(guò)信號(hào)線的電流I1極小，近似為零,此時(shí)，電壓表的輸入壓降不包含電源線上的壓降，而且流過(guò)檢測(cè)線的電流近似為0，不會(huì)在信號(hào)線上產(chǎn)生壓降。為此，電壓表輸入壓降Vm 只反映被測(cè)電阻的壓降VR，故四線法測(cè)得的電阻值非常接近其真實(shí)值。另外，采用四線法測(cè)量電阻時(shí)可排除引線電阻和探針以及測(cè)試點(diǎn)之間的接觸電阻Rs，使測(cè)量結(jié)果更精確。

圖1 四線制電阻測(cè)量原理圖

3 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 電阻自動(dòng)測(cè)試實(shí)現(xiàn)原理

文獻(xiàn)[4]-[8]主要是關(guān)于彈射座椅的仿真設(shè)計(jì)研制等研究?jī)?nèi)容，涉及座椅電氣附件測(cè)試的研究借鑒較少，僅有文獻(xiàn)[2]介紹了一種多態(tài)程序控制彈射座椅ATE 的設(shè)計(jì)，用于座椅電子設(shè)備的故障檢測(cè)和定位。為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同組件的導(dǎo)通電阻自動(dòng)測(cè)量，測(cè)試系統(tǒng)以信號(hào)切換模塊為中心，通過(guò)直連方式，將數(shù)字多用表/直流電源連接到資源信號(hào)切換模塊上；將通用連接器插座上的各引腳連接到通道信號(hào)切換模塊上。通過(guò)軟件調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中測(cè)試接口定義表中的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)控制資源與通道的連接、通斷關(guān)系。針對(duì)不同的被測(cè)對(duì)象，根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目和電纜連接關(guān)系，設(shè)計(jì)不同的接口定義表，固化系統(tǒng)測(cè)試對(duì)信號(hào)切換模塊的轉(zhuǎn)換要求。

3.2 系統(tǒng)硬件組成

通過(guò)對(duì)不同組件功能和性能及電阻測(cè)試需求的分析，設(shè)備涉及的測(cè)試資源主要有工控機(jī)、數(shù)字多用表（提供程控可調(diào)電源和三用表）、信號(hào)切換模塊、通用連接器及各型測(cè)試電纜。工控機(jī)用于提供計(jì)算機(jī)環(huán)境，以及對(duì)儀器資源的程序控制。數(shù)字多用表的程控可調(diào)電源模塊主要實(shí)現(xiàn)提供可調(diào)直流工作電壓0～27V 功能；數(shù)字多用表的三用表模塊主要實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)接觸電阻2 線/4 線制測(cè)量和電壓測(cè)量。通用連接器及各型測(cè)試電纜主要用于被測(cè)產(chǎn)品與設(shè)備的電氣連接。

數(shù)字多用表是U3606B 三用表/直流電源混合儀器，該臺(tái)儀器可以實(shí)現(xiàn)兩種功能，既可當(dāng)5 位半三用表使用，又有30V/1A、8V/3A、30W 直流電源使用。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

（1）系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的被測(cè)對(duì)象電阻自動(dòng)測(cè)量，測(cè)試軟件的主要任務(wù)是：一是提供人機(jī)交互操作界面；二是實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字多用表的功能設(shè)置、測(cè)量及結(jié)果讀?。蝗菍?shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)切換模塊內(nèi)的所有繼電器的通斷控制；四是實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)測(cè)試流程控制、測(cè)量數(shù)據(jù)比較、結(jié)果顯示、打印等功能。根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的功能和性能特點(diǎn)及需要，重點(diǎn)圍繞自動(dòng)測(cè)試進(jìn)行分析設(shè)計(jì)外，還需要對(duì)數(shù)字多用表的操作控制實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)測(cè)試由主程序直接對(duì)數(shù)字多用表進(jìn)行設(shè)置、測(cè)量與數(shù)據(jù)讀?。皇謩?dòng)測(cè)試由數(shù)字多用表控制程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)其操作。

（2）自動(dòng)測(cè)試流程設(shè)計(jì)。自動(dòng)測(cè)試流程圖如圖2 所示。自動(dòng)測(cè)試模塊主要完成產(chǎn)品測(cè)試項(xiàng)目選擇及測(cè)試，設(shè)計(jì)有單次測(cè)試和自動(dòng)測(cè)試兩個(gè)控制流程。首先，初始化自動(dòng)測(cè)試界面；其次，選定對(duì)應(yīng)的模塊名稱；再次，輸入產(chǎn)品和操作/檢驗(yàn)者的信息后，選擇單次/自動(dòng)測(cè)試方式進(jìn)行測(cè)量；最后，選擇繼續(xù)測(cè)試或退出。

圖2 自動(dòng)測(cè)試流程圖

（3）數(shù)字多用表控制流程設(shè)計(jì)。通過(guò)數(shù)字多用表控制虛擬面板，可以控制數(shù)字多用表和數(shù)據(jù)顯示：復(fù)位、直流/交流設(shè)置；二/四線制電阻設(shè)置、實(shí)時(shí)測(cè)量及結(jié)果顯示。數(shù)字多用表控制流程圖如圖3 所示。程序運(yùn)行后，首先，串口連接并顯示虛擬操作界面；其次，選定直流/交流電壓電流、二線制電阻、四線制電阻測(cè)量項(xiàng)目，當(dāng)選擇某一項(xiàng)目后，按項(xiàng)目要求對(duì)其設(shè)置；再次，實(shí)時(shí)測(cè)量、數(shù)據(jù)讀取及結(jié)果顯示；最后，選擇復(fù)位儀器及關(guān)閉程序。

（4）數(shù)字多用表控制程序代碼實(shí)現(xiàn)。在四線制電阻測(cè)量程序?qū)崿F(xiàn)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的主要功能函數(shù)有：一是打開(kāi)儀器OpenDevice()，打開(kāi)和基本參數(shù)設(shè)置；二是設(shè)置四線制測(cè)量參數(shù)函數(shù)Res_4_Configure(float Range,float Resolution)，電阻測(cè)量的范圍和精度；三是測(cè)量函數(shù) MeasureValue(double *Value)，測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)的讀取；四是關(guān)閉儀器和復(fù)位儀器函數(shù)CloseDevice()、ResetDevice()，儀器的關(guān)閉和復(fù)位。

圖3 數(shù)字多用表控制流程圖

4 試驗(yàn)測(cè)試

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了數(shù)字多用表控制程序和自動(dòng)化測(cè)試。硬件功能齊全、接口正確可靠，軟件功能劃分合理、人機(jī)交互操作友好。數(shù)字多用表控制程序測(cè)試運(yùn)行正常有效。自動(dòng)化測(cè)試軟件運(yùn)行后，能正常運(yùn)行進(jìn)入主界面，如圖4 所示，實(shí)現(xiàn)了以單次和自動(dòng)測(cè)試為主的所有功能。

圖4 自動(dòng)測(cè)試界面

轉(zhuǎn)換電門組件的部分測(cè)試項(xiàng)目及結(jié)果見(jiàn)表1。為防止出現(xiàn)人為差錯(cuò)導(dǎo)致測(cè)試電纜接錯(cuò)，利用二線制電阻測(cè)量法讀取電纜識(shí)別電阻值，確定電纜正確后進(jìn)行項(xiàng)目測(cè)試，如表1 中的第1 條記錄。第2 條至21 條，是對(duì)產(chǎn)品的導(dǎo)通電阻測(cè)量，通過(guò)對(duì)比數(shù)值，均能體現(xiàn)內(nèi)部電纜的連接關(guān)系及長(zhǎng)度差異。通過(guò)方法類型值1 和2 分別代表二線制還是四線制。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)座椅電氣自動(dòng)綜合檢測(cè)設(shè)備的電阻自動(dòng)測(cè)量任務(wù)分析，提出了一種基于四線制電阻測(cè)量方法，制定了利用數(shù)字多用表、信號(hào)切換模塊和通用連接模塊的測(cè)試方案。綜合運(yùn)用虛擬儀器和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了測(cè)試程序。測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果表明，四線制電阻測(cè)量方法滿足檢測(cè)設(shè)備的測(cè)試要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電阻快速準(zhǔn)確的自動(dòng)測(cè)量，通過(guò)更換轉(zhuǎn)接電纜及軟件測(cè)試項(xiàng)目表，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同被測(cè)對(duì)象的測(cè)試，為同類檢測(cè)設(shè)備的研制提供了借鑒。

表1 轉(zhuǎn)換電門組件部分測(cè)試項(xiàng)目及結(jié)果