基于四線制的電阻自動測量研究與實現(xiàn)

張小輝 吳傳貴 王緯國 李珊珊/1 國營蕪湖機械廠 2 安徽省航空設(shè)備測控與逆向工程實驗室

彈射座椅是飛行員的“救生法寶”[1]。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，第3 代彈射座椅中含有電子設(shè)備[2]，這給彈射座椅的測試、維修和保障帶來新的問題。針對傳統(tǒng)維修測試方法人工檢測效率低、時間長、強度大且易出錯等難題，需要研制一臺飛機座椅自動綜合檢測設(shè)備，以實現(xiàn)對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檢測。其中，為滿足線路通斷性能測量要求，需要研究四線制電阻測量方法的應用，以實現(xiàn)不同組件導通性指標的精確測量。

1 需求和資源分析

座椅電氣附件自動綜合檢測設(shè)備主要針對國內(nèi)外多型彈射座椅的測試，涉及的電氣組件主要包括脫開式信號接頭、聯(lián)鎖轉(zhuǎn)換電門、轉(zhuǎn)換電門組件、座椅椅盆電路以及整個座椅的內(nèi)部電路等。座椅電氣附件自動綜合檢測設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)自動對電阻、絕緣、抗電和控制等多項性能的測試，其中電阻測試主要包括檢測觸點電阻，并判斷其是否滿足要求，具體要求是所有電門、開關(guān)等元件的觸點接觸電阻的正常值不大于0.3Ω（含各繼電器啟動前后的觸點接觸電阻）。通過對測試中的電阻測量要求進行分析，與電阻測量任務相關(guān)的功能包括：四線制電阻、二線制電阻及電壓測量；程控電源供電；自動測試，測試資源需求主要有工控機、程控可調(diào)電源、數(shù)字多用表、信號切換模塊及其他輔助設(shè)備。

2 四線制測量原理

圖1 四線制電阻測量原理圖

四線制電阻測量連接方式如圖1 所示。電源線（Source Hi-Ho）是電流供給回路，信號線（Sense Hi-Ho）是電壓測定回路，電流、電壓兩回路各自獨立。四線法測電阻主要使用一對電源線接電源，另一對信號線將被測電阻R 上的電壓降引入電壓表Vm測量其端電壓VR。由于電壓表的內(nèi)阻非常大，與待測電阻存在數(shù)量級的差別，使得流過信號線的電流I1極小，近似為零，此時電壓表的輸入壓降不包含電源線上的壓降，而且流過檢測線的電流近似為0，不會在信號線上產(chǎn)生壓降。因此，電壓表輸入的壓降Vm只反映被測電阻的壓降VR，故四線法測得的電阻值非常接近真實值。此外，采用四線法測量電阻時可排除引線電阻和探針以及測試點之間的接觸電阻Rs，使測量結(jié)果更精確[3]。

3 測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 電阻自動測試實現(xiàn)原理

系統(tǒng)電阻測試原理框圖如圖2 所示。為實現(xiàn)對不同組件導通電阻的自動測量，測試系統(tǒng)以信號切換模塊為中心，通過直連方式，將數(shù)字多用表/直流電源連接到資源信號切換模塊上；將通用連接器插座上的各引腳連接到通道信號切換模塊上。通過軟件調(diào)用數(shù)據(jù)庫測試接口定義表中的數(shù)據(jù)實現(xiàn)控制資源與通道的連接、通斷關(guān)系。針對不同的被測對象，根據(jù)測試項目和電纜連接關(guān)系，設(shè)計不同的接口定義表，固化系統(tǒng)測試對信號切換模塊的轉(zhuǎn)換要求。

3.2 系統(tǒng)硬件組成

對不同組件功能和性能及電阻測試需求進行分析。設(shè)備涉及的測試資源主要有工控機、數(shù)字多用表（提供程控可調(diào)電源和三用表）、信號切換模塊、通用連接器及各型測試電纜。工控機用于提供計算機環(huán)境，以及對儀器資源的程序控制。數(shù)字多用表的程控可調(diào)電源模塊主要提供可調(diào)直流工作電壓（0 ～27V）；數(shù)字多用表的三用表模塊主要實現(xiàn)觸點接觸電阻2 線/4 線制測量和電壓測量。通用連接器及各型測試電纜主要用于被測產(chǎn)品與設(shè)備的電氣連接。

數(shù)字多用表選用是德科技（原安捷倫測試測量部）的U3606B 三用表/直流電源混合儀器，一臺儀器可實現(xiàn)兩種功能，既可當5 位半三用表使用，又可作為30V/1A、8V/3A、30W 直流電源使用。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計及實現(xiàn)

1）系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

為了實現(xiàn)不同電阻的自動測量，測試軟件的主要任務包括：提供人機交互操作界面；實現(xiàn)對數(shù)字多用表的功能設(shè)置、測量及結(jié)果讀??；實現(xiàn)對信號切換模塊內(nèi)的所有繼電器的通斷控制；實現(xiàn)手動/自動測試流程控制、測量數(shù)據(jù)比較、結(jié)果顯示、打印等功能。

圖2 系統(tǒng)電阻測試原理框圖

根據(jù)測試系統(tǒng)的功能和性能特點及需要，重點圍繞自動測試進行分析設(shè)計，同時還需要實現(xiàn)數(shù)字多用表的操作控制。在自動測試過程中，由主程序直接對數(shù)字多用表進行設(shè)置、測量與數(shù)據(jù)讀??；在手動測試時，由數(shù)字多用表控制程序?qū)崿F(xiàn)對其操作。

2）自動測試流程設(shè)計

自動測試流程圖如圖3 所示。自動測試模塊主要完成產(chǎn)品的測試項目選擇及測試，主要解決系統(tǒng)的自動化測試要求，根據(jù)測試過程需求，設(shè)計了單次測試和自動測試兩個控制流程。自動測試流程包括：初始化自動測試界面的控件狀態(tài)和測試項目數(shù)據(jù)；根據(jù)被測對象產(chǎn)品型號，在測試模塊選擇控件中選定對應的模塊名稱，系統(tǒng)可自動顯示當前模塊對應的測試項目；輸入產(chǎn)品和操作/檢驗者信息后，選擇單次/自動測試方式進行測量；根據(jù)測試結(jié)果可選擇繼續(xù)測試或退出。

3）數(shù)字多用表控制流程設(shè)計

通過數(shù)字多用表控制虛擬面板完成對數(shù)字多用表的控制和數(shù)據(jù)顯示，主要功能包括：復位數(shù)字多用表；直流電壓電流的測量設(shè)置；交流電壓電流的測量設(shè)置；二線制電阻的測量設(shè)置；四線制電阻的測量設(shè)置；電壓電流電阻實時測量及結(jié)果顯示。數(shù)字多用表控制流程圖如圖4 所示。

打開數(shù)字多用表控制程序，首先，串口連接并顯示虛擬操作界面；其次，根據(jù)操作需要，選定直流/交流電壓電流、二線制電阻、四線制電阻測量項目，當選擇某一項目后，按項目要求對其設(shè)置；再次，設(shè)置后進行實時測量；最后，根據(jù)測量情況，可選擇復位儀器及關(guān)閉程序。

4）數(shù)字多用表控制程序代碼實現(xiàn)

在四線制電阻測量程序?qū)崿F(xiàn)過程中，基于Vi 儀器基礎(chǔ)函數(shù)開發(fā)設(shè)計的主要功能函數(shù)有：

a.打開儀器OpenDevice（），實現(xiàn)Vi 儀器打開和基本參數(shù)設(shè)置。

圖3 自動測試流程圖

圖4 數(shù)字多用表控制流程圖

圖5 自動測試界面

b.設(shè)置四線制測量參數(shù)函數(shù)Res_4_Configure（float Range，float Resolution），該函數(shù)帶兩個輸入?yún)?shù)，可實現(xiàn)電阻測量的范圍和精度。

c.測量函數(shù) MeasureValue（double *Value），該函數(shù)為帶輸出參數(shù)，實現(xiàn)測量結(jié)果數(shù)據(jù)的讀取。

d. 關(guān)閉儀器和復位儀器函數(shù)CloseDevice（）、ResetDevice（），實現(xiàn)儀器的關(guān)閉和復位。

4 試驗測試

本系統(tǒng)實現(xiàn)了自動化測試和數(shù)字多用表程序控制。系統(tǒng)硬件功能齊全、可靠，各部分之間電氣接口關(guān)系清晰，與被測組件連接方便可靠。軟件設(shè)計做到了功能劃分合理，人機交互操作友好，輸入輸出控件清晰。測試軟件運行后，經(jīng)初始化系統(tǒng)正常，進入主程序界面，自動測試界面如圖5 所示，數(shù)字多用表控制程序操作界面如圖6 所示。通過自動測試模塊測試，實現(xiàn)了對被測產(chǎn)品的單次和自動測試。通過數(shù)字多用表控制程序測試，實現(xiàn)了對被測對象不同測量項目的設(shè)置與測量。

某型座椅轉(zhuǎn)換電門組件的部分測試項目及結(jié)果見表1。為防止因被測對象和連接轉(zhuǎn)接電纜較多而出現(xiàn)人為差錯，在項目測試之前進行了電纜識別。利用二線制電阻測量法讀取識別電阻值，判斷后確定電纜正確后再進行其他項目測試，如表1 中的第1 條記錄。第2 條至第21 條是對轉(zhuǎn)換電門組件導通電阻的測量，其實測值反映了組件內(nèi)部的真實連接關(guān)系，通過對比數(shù)值，均能體現(xiàn)內(nèi)部電纜的長度關(guān)系。為了完善測試系統(tǒng)，除了測量電阻外，還需要進行絕緣抗電等其他測試功能的設(shè)計，并通過測試類型、方法和策略執(zhí)行不同的測試任務，例如，四線制電阻測量所對應的類型、方法、策略的數(shù)值分別為1、2 和2；二線制電阻測量所對應的數(shù)值分別為1、1和2。

圖6 數(shù)字多用表控制操作界面

表1 轉(zhuǎn)換電門組件部分測試項目及結(jié)果

5 總結(jié)

通過分析座椅電氣自動綜合檢測設(shè)備的電阻自動測量任務，提出了一種基于四線制的電阻測量方法，以及利用數(shù)字多用表、信號切換模塊和通用連接模塊的測試方案。綜合運用虛擬儀器和數(shù)據(jù)庫技術(shù)設(shè)計開發(fā)了測試程序。對轉(zhuǎn)換電門組件的測試驗證結(jié)果表明，四線制電阻測量方法滿足檢測設(shè)備的測試要求，實現(xiàn)了對座椅電氣組件電阻快速準確的自動測量。通過更換轉(zhuǎn)接電纜及軟件測試項目表，還可實現(xiàn)對不同被測對象的測試，為檢測設(shè)備的研制提供了技術(shù)保障。