一種炭柱調(diào)壓器低頻脈沖掃描檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

牛 武， 高 昆， 任延岫

（長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 400123）

0 引言

航空電氣設(shè)備中的炭柱調(diào)壓器在眾多飛機(jī)中廣泛使用，其故障率也較高，縱觀炭柱調(diào)壓器故障現(xiàn)象，尤以炭柱粘連故障多發(fā)，且難以判斷，這直接影響了飛機(jī)電源系統(tǒng)供電的質(zhì)量，影響了飛機(jī)的正常飛行。

目前， 我國(guó)針對(duì)炭柱粘連故障的檢測(cè)判斷技術(shù)局限于低阻測(cè)量的范圍內(nèi)，且因炭柱電阻本身阻值較低，接觸電阻[1]又難以避免，故該項(xiàng)檢測(cè)判斷技術(shù)的準(zhǔn)確度難以保證，其應(yīng)用的效果也打了折扣。 基于此種情況，我研究團(tuán)隊(duì)提出了 “低頻脈沖掃描電壓驅(qū)動(dòng)-大電流激勵(lì)炭柱-精準(zhǔn)捕捉炭柱故障響應(yīng)信號(hào)-與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)波形進(jìn)行比對(duì)-液晶顯示結(jié)果”的檢測(cè)技術(shù)研究新思路。 旨在通過(guò)“低頻掃描驅(qū)動(dòng)、 炭柱電壓生成及捕捉、 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與故障信號(hào)比較”等科學(xué)問(wèn)題的研究，開(kāi)發(fā)出一種“電信號(hào)驅(qū)動(dòng)、故障信號(hào)自動(dòng)捕捉、判斷結(jié)果自動(dòng)生成”的新型檢測(cè)炭柱粘連故障的技術(shù)，為我國(guó)形成一套快速、準(zhǔn)確、有效的“低頻脈沖掃描檢測(cè)炭柱”的關(guān)鍵技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

開(kāi)發(fā)“電信號(hào)驅(qū)動(dòng)、故障信號(hào)自動(dòng)捕捉、判斷結(jié)果自動(dòng)生成”的新型檢測(cè)炭柱粘連故障的技術(shù)，對(duì)滿足航空機(jī)務(wù)維修中調(diào)壓器機(jī)件即拆即檢、即檢即準(zhǔn)的修理要求，有著重要的意義，是保障飛機(jī)調(diào)壓器修理有效性的重要一環(huán)。

1 炭柱調(diào)壓器檢測(cè)方法上存在的問(wèn)題

1.1 低阻測(cè)量?jī)x檢測(cè)炭柱的困惑

調(diào)研國(guó)內(nèi)外關(guān)于航空調(diào)壓器炭柱粘連故障的檢測(cè)技術(shù)，大多停留在低阻測(cè)量?jī)x[2]測(cè)試炭柱低阻上，一些比較先進(jìn)的發(fā)達(dá)國(guó)家，也是沿著提高低阻測(cè)量?jī)x的測(cè)量精度來(lái)提高判斷粘連準(zhǔn)確度的思路來(lái)設(shè)計(jì)制作檢測(cè)設(shè)備的，例如，一些國(guó)家采用數(shù)字控制技術(shù)[3]研制的高精度低阻測(cè)量?jī)x，以及利用激光技術(shù)[4]設(shè)計(jì)制造的低阻測(cè)量?jī)x等等。 這種測(cè)量技術(shù)在應(yīng)用的過(guò)程中，都存在一個(gè)難以解決的問(wèn)題，那就是接觸電阻的不確定性[5]，如圖1 所示，這決定了低阻測(cè)量?jī)x再精確，也判斷不準(zhǔn)炭柱粘連與否的本質(zhì)。

圖1 低阻測(cè)量?jī)x測(cè)量炭柱電阻判斷炭柱粘連框圖

1.2 保底維修方法的困擾

國(guó)內(nèi)的一些航修廠為了保證炭柱維修[6]的完好性，放棄了低阻測(cè)量?jī)x測(cè)量炭柱電阻判斷炭柱粘連的方法，采取了“不檢測(cè)，直接對(duì)疑似粘連炭柱進(jìn)行全部拆解，不管好壞，都進(jìn)行打磨維修”的保底維修方法，這就導(dǎo)致大量的非粘連炭柱，被誤當(dāng)做粘連炭柱去對(duì)待，誤工誤時(shí)，降低了維修效率，如圖2 所示。

圖2 保底維修方法示意圖

為解決以上炭柱調(diào)壓器檢測(cè)上的困擾，本文設(shè)計(jì)了一種新型的測(cè)試電路：炭柱調(diào)壓器低頻脈沖掃描檢測(cè)電路。

2 炭柱調(diào)壓器低頻脈沖掃描檢測(cè)電路構(gòu)成及工作原理

2.1 炭柱調(diào)壓器低頻脈沖掃描檢測(cè)電路構(gòu)成

該檢測(cè)電路由低頻脈沖信號(hào)發(fā)生模塊、 低頻脈沖信號(hào)放大模塊、炭片柱電流激勵(lì)模塊、炭片柱電壓信號(hào)生成和接收模塊、炭片柱電阻信號(hào)電壓顯示模塊、電源模塊組成，其框圖如圖3 所示。

圖3 炭柱調(diào)壓器低頻脈沖掃描檢測(cè)電路組成框圖

低頻脈沖信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生鋸齒波信號(hào)，低頻脈沖信號(hào)放大模塊對(duì)鋸齒波信號(hào)實(shí)施放大，炭片柱電流激勵(lì)模塊將電流注入到炭柱，隨炭柱電阻變化生成變化的炭柱電壓信號(hào)，接收模塊將其放大，輸入的顯示模塊，顯示電壓變化情況，電源模塊負(fù)責(zé)給其他模塊供電。

2.2 炭柱調(diào)壓器低頻脈沖掃描檢測(cè)電路工作原理

本文檢測(cè)電路，采用“電信號(hào)驅(qū)動(dòng)[7]、故障信號(hào)自動(dòng)捕捉[8]、判斷結(jié)果自動(dòng)生成”的新型檢測(cè)方法，可滿足炭柱檢測(cè)“可靠、準(zhǔn)確、快速”的要求，非常適合在航空機(jī)務(wù)維修[9]中應(yīng)用、推廣。 該檢測(cè)電路工作原理如下：首先利用低頻脈沖信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生低頻鋸齒脈沖波， 經(jīng)放大后形成低頻脈沖電壓，作用在調(diào)壓器電磁鐵上，產(chǎn)生炭柱振動(dòng)，再利用阻壓轉(zhuǎn)換技術(shù)、電壓采集技術(shù)，形成炭柱上的電壓波形，與標(biāo)準(zhǔn)波形相比較，進(jìn)而得到調(diào)壓器是否故障，給疑似故障炭柱調(diào)壓器一個(gè)快速、有效、準(zhǔn)確的判斷，如圖4 所示。

圖4 檢測(cè)電路設(shè)想示意圖

該電路應(yīng)用于炭柱調(diào)壓器炭柱粘連故障的判斷及炭柱的檢測(cè)具有以下獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

（1）檢測(cè)全程采用電信號(hào)驅(qū)動(dòng)、捕捉、顯示，突出了檢測(cè)的快速性。

（2）該檢測(cè)技術(shù)未采用探針或表筆接觸炭柱，而是采用螺釘或焊接的固定連接方式， 有效避開(kāi)了接觸電阻的影響。

（3）檢測(cè)采用的電信號(hào)比較技術(shù)具有很高的精準(zhǔn)性，能有效地避免誤判。

（4）實(shí)時(shí)顯示判斷結(jié)果的功能降低了判斷時(shí)間，提高了判斷效率。

3 炭柱調(diào)壓器低頻脈沖掃描檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)

3.1 低頻脈沖驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)

圖5 中1 為鋸齒波振蕩電路， 主要由定時(shí)器555、2只電容、2 只9013 管、1 只9012 管、2 只穩(wěn)壓二極管、2 只整流二極管、5 只固定電阻、1 只可調(diào)電阻組成，555 形成的矩形波，經(jīng)電阻、電容、三極管作用后變?yōu)殇忼X波輸出。2 為差動(dòng)放大電路， 對(duì)1 電路形成的鋸齒波信號(hào)實(shí)施放大，用于電磁鐵工作的低頻驅(qū)動(dòng)。

圖5 低頻脈沖驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖

3.2 炭柱阻壓轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)

在電路中使用一個(gè)電流源為5A 的恒流源，將電流注入阻值最大為0.5Ω 的炭柱電阻時(shí)，根據(jù)歐姆定律U=I·R，當(dāng)電阻最大為0.5Ω 時(shí)，根據(jù)歐姆定律U=I·R 得出電壓為2.5V，如圖6（a），當(dāng)電阻為0.3Ω 時(shí)，根據(jù)歐姆定律U=I·R得出電壓為1.5V，如圖6（b），炭柱電阻RV1 隨擠壓力變化而變化，其上電壓也就跟隨變化，形成取樣電壓。

圖6 炭柱阻壓轉(zhuǎn)換電路示意圖

3.3 信號(hào)采集電路實(shí)現(xiàn)

本次設(shè)計(jì)電路中所需電壓取樣電路，如圖7 所示，此電路使用SF357 運(yùn)放構(gòu)成。 在測(cè)電壓時(shí)，需要將其輸入端接于被測(cè)電壓的兩端， 然后按下開(kāi)關(guān)K1，此時(shí)被測(cè)電壓將在輸出端顯示出來(lái)，即使釋放K1 按鈕。此電路工作與反向放大狀態(tài)，閉環(huán)增益為2.5，因此輸出端電壓是輸入電壓2.5 倍，電容C1 與運(yùn)算輸入阻抗構(gòu)成被測(cè)瞬間電壓的釋放回路。 由于SF357 的輸入阻抗很高，所以可以使其保持時(shí)間較長(zhǎng)，讀數(shù)也更為精準(zhǔn)和方便。

圖7 設(shè)計(jì)的取樣電路圖

3.4 電壓顯示電路實(shí)現(xiàn)

在本電路中最終需要將測(cè)試結(jié)果顯示出來(lái)， 因此需要一個(gè)電壓顯示電路。 同時(shí)本設(shè)計(jì)電路主要是為了體現(xiàn)飛機(jī)炭柱調(diào)壓器阻壓變換的規(guī)律。 所以在設(shè)計(jì)以及檢測(cè)過(guò)程中使用的電壓顯示電路儀器為現(xiàn)有的儀器。

設(shè)計(jì)本電壓顯示電路，主要考慮使用電源驅(qū)動(dòng)，接在所設(shè)計(jì)前置電路的最后一部分電路放大電路的后面，通過(guò)此電壓顯示儀器對(duì)本次飛機(jī)調(diào)壓器炭柱阻壓轉(zhuǎn)換設(shè)裝置電路中的測(cè)試結(jié)果能夠體現(xiàn)出來(lái)。

3.5 總電路實(shí)現(xiàn)

將上述設(shè)計(jì)的各分電路綜合到一起， 設(shè)計(jì)出總電路圖，見(jiàn)圖8。第一部分為555 鋸齒波電路，能夠產(chǎn)生鋸齒波信號(hào)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁鐵。第二部分為放大電路，將鋸齒波信號(hào)進(jìn)行放大后，將放大的信號(hào)作用于電磁鐵上。 第三部分前段電路作用于電磁鐵上的信號(hào)，使得電磁鐵產(chǎn)生電磁吸力，吸動(dòng)銜鐵改變炭柱電阻阻值。 因炭柱電阻本身被恒流源激勵(lì)故炭柱電阻上就有了變化電壓信號(hào)。其后半段電路為采樣電路，采取電壓信號(hào)。第四部分放大電路，對(duì)采取電壓信號(hào)進(jìn)行放大，最終通過(guò)顯示電路進(jìn)行顯示。

圖8 設(shè)計(jì)的總電路圖

4 采用的主要技術(shù)

4.1 低頻脈沖掃描技術(shù)

擠壓條件是通過(guò)低頻脈沖掃描技術(shù)驅(qū)動(dòng)的電磁鐵+銜鐵彈簧組件裝置實(shí)現(xiàn)的，其電路組成框圖如圖9 所示。

圖9 低頻脈沖掃描技術(shù)下的擠壓裝置圖

圖中裝置由電源模塊負(fù)責(zé)供電， 電源為直流28V 電源； 激勵(lì)電磁鐵電壓信號(hào)發(fā)生模塊和信號(hào)放大模塊負(fù)責(zé)輸出能激勵(lì)電磁鐵的帶有鋸齒波波動(dòng)的28V 直流電壓（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：電磁鐵激勵(lì)電壓），用于驅(qū)動(dòng)電磁鐵工作。

測(cè)試電路檢測(cè)的原理說(shuō)明： 由直流電源給激勵(lì)電磁鐵電壓信號(hào)發(fā)生模塊提供直流電壓， 使得激勵(lì)電磁鐵電壓信號(hào)發(fā)生模塊生成低頻鋸齒波信號(hào)， 經(jīng)信號(hào)放大模塊放大后，作用于電磁鐵上，使得電磁鐵形成有規(guī)律的磁場(chǎng)振動(dòng)，進(jìn)而作用于銜鐵彈簧，形成有規(guī)律的電磁吸力，使得銜鐵彈簧形成有規(guī)律的振動(dòng)，進(jìn)一步帶動(dòng)炭片柱，使其亦形成有規(guī)律的伸縮運(yùn)動(dòng)，使得炭片柱電阻（正常的）產(chǎn)生有規(guī)律的周期變化。

4.2 阻壓轉(zhuǎn)換技術(shù)

阻壓數(shù)據(jù)顯現(xiàn)、捕捉裝置是通過(guò)大電流注入，大電壓信號(hào)顯現(xiàn)裝置實(shí)現(xiàn)的，其電路組成框圖如圖10 所示。

圖10 阻壓數(shù)據(jù)顯現(xiàn)、捕捉裝置圖

其中， 炭片柱電流激勵(lì)模塊負(fù)責(zé)激勵(lì)炭片柱生成電流信號(hào)； 炭片柱故障信號(hào)接收放大模塊負(fù)責(zé)將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并放大；炭片柱電阻信號(hào)電壓顯示模塊則負(fù)責(zé)顯示炭片柱信號(hào)數(shù)據(jù)及波形規(guī)律。

依靠炭片柱電流激勵(lì)模塊和炭片柱電壓信號(hào)生成與接收放大模塊將炭片柱電阻的變化規(guī)律轉(zhuǎn)換成有規(guī)律變化的電壓信號(hào)，并進(jìn)行放大，形成信號(hào)數(shù)據(jù)，供比較修正用。

4.3 數(shù)據(jù)模型修正偏差技術(shù)

建立數(shù)據(jù)分析模型， 利用數(shù)據(jù)分析模型修正數(shù)據(jù)偏差，設(shè)定合理的電路參數(shù)，確定測(cè)量裝置的參數(shù)、結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式，其模型組成框圖如圖11 所示。

圖11 數(shù)據(jù)模型構(gòu)成圖

其中，炭片柱擠壓數(shù)據(jù)通過(guò)電磁鐵受力分析、銜鐵彈簧受力分析獲得； 炭片柱電流數(shù)據(jù)通過(guò)電流測(cè)量裝置獲得；炭片柱電壓信號(hào)數(shù)據(jù)通過(guò)電壓信號(hào)測(cè)量裝置獲得；系統(tǒng)數(shù)據(jù)修正處理通過(guò)誤差處理方法、偏差修正規(guī)律完成；電路參數(shù)確定則通過(guò)多次數(shù)據(jù)處理選定。

5 結(jié)束語(yǔ)

在該文中，進(jìn)行了炭柱調(diào)壓器低頻脈沖掃描檢測(cè)電路實(shí)踐應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果顯示在多個(gè)型號(hào)的炭柱調(diào)壓器故障測(cè)試中，故障檢出率達(dá)85%，能夠有效的檢測(cè)出故障調(diào)壓器，基本實(shí)現(xiàn)了區(qū)分疑似故障調(diào)壓器的目標(biāo)，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中取得了較好的效果。 但其測(cè)試結(jié)果，受到工作環(huán)境，測(cè)量狀態(tài)，溫度數(shù)據(jù)，檢測(cè)電磁性質(zhì)的影響，導(dǎo)致了一些偏差。 測(cè)試電路具有簡(jiǎn)單、交互、實(shí)用的特點(diǎn)，交付工廠使用，已解決其故障判斷不準(zhǔn)確和測(cè)試低效率的問(wèn)題。