航天器用应变片筛选测试方法优化

郭洺宇

（北京卫星环境工程研究所，北京100094）

    摘  要： 航天器用应变片是某系列卫星上用于星箭解锁装置的重要力学测量元件。依据星箭解锁分离包带应变片粘贴工艺规范，总装检验人员需要在粘贴前对应变片进行检查和筛选。鉴于原有筛选测试方法的缺陷，对应变片筛选测试设备进行设计研制。经过对研制设备装调、校准、测试、比对的研究，以及对其进行各通道线路附加电阻、各通道电阻测量一致性两项测试，消除了应变片受压状态不确定因素及手持接线夹连接引线测试状态不稳定的问题，最终在测试可靠性、测试效率、对应变片的保护等方面均优于原有筛选测试方法。

    关键词： 应变片；筛选；测试；方法优化

    中图分类号： TU317.3

    文献标识码： A

    DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.019

    中文引用格式： 郭洺宇. 航天器用应变片筛选测试方法优化[J].电子技术应用，2016，42(11)：74-76，79.

    英文引用格式： Guo Mingyu. Optimization of strain gauge screening test method for spacecraft[J].Application of Electronic Technique，2016，42(11)：74-76，79.

0 引言

    航天器用应变片是某系列卫星上用于星箭解锁装置的重要力学测量元件，将应变片牢固粘贴于包带上的测量部位，在包带受力时利用敏感栅材料在应变作用下的电阻变化可测量被测包带的受力状态，其测量值的准确性直接影响到卫星星箭解锁装置预紧力测试的适用性，关系到星箭的成功分离，直接影响到卫星发射的成败。依据星箭解锁分离包带应变片粘贴工艺规范，总装检验人员需要在粘贴前对应变片进行检查和筛选工作^[1-3]。

1 应变片工况分析

    该系列卫星需一次性对一批应变片进行验收筛选，选取每20个为一组(含有4个备份)，用数字万用表检测每组内各个应变片的阻值，要求两两相差应≤0.2 Ω(最大值与最小值之差)，某些型号工艺甚至要求≤0.1 Ω。

    目前应变片验收筛选有两种方法，一是应变片在自然状态下直接测量，二是用普通压块压住应变片敏感栅测量。

    第一种方法在排除操作问题后，仔细观察应变片的外观，发现每片应变片在自然放置的情况下呈不同弧度的弯曲状态，将不同弯曲弧度的应变片进行自然卷曲状态和均匀受力压平状态下测试，阻值出现了±0.2 Ω的变化。试验结果证明，该测试方法存在随环境状态不同、测试结果不稳定的问题^[4-5]。

    第二种方法是在应变片筛选过程采用任意普通压块压住应变片，使用常用的FLUKE数字万用表通过红黑表笔（鳄鱼夹）分别夹持应变片引线的两端来测量应变片的阻值。这种测试方式存在如下一些弊端：

    (1)由于压块与下面基板的接触面积很大，远大于应变片本体面积，故无法保证压块的重量全部施加在应变片本体上，导致每次测量应变片所受压力不一致。

    (2)由于测量读数时需要手持接线夹，接线夹和应变片的引线必然处在一个不稳定的受力状态，导致引线与接线夹之间的接触电阻不稳定，影响测量。由于引线很细，在承受拉力时容易损坏应变片。

2 筛选测试方法优化

2.1 筛选测试设备设计研制

    (1)整机设计

    操纵机构由左右操纵杆、左侧锁定机构、轴承座、支承轴等部件组成，压紧单元的压杠与压杠固定块通过4个螺钉与支承轴抱紧，通过操纵机构带动支承轴转动实现10个压紧单元的下压与抬起动作，如图1所示。

    操纵机构的设计使得使用者在抬起/压下操作和锁定/释放操作中双手始终位于左右操纵杆上，在锁定压杠位置后即可腾出双手进行摆放应变片、切换应变片读数等其他操作。人机工效高，使用方便。

    (2)压紧单元设计

    通过应变片座上应变片放置槽的几何形状设计，保证了应变片能准确定位在应变片槽中，压头矩形部分能覆盖应变片本体，压力的传递准确可靠，且不会压到应变片的引线和焊点部位；由于应变片引线形态不易控制，通过增大引线摆放空间和接触片面积，应变片引线可以很容易地与接触片接触，方便了应变片的放置操作。弹性接触片为金属材料，导线压块、应变片座及导线约束块均为塑料绝缘材料，压杠下压到位时接触片因自身弹性发生小量变形，其弹性力保证应变片引线与接触片的良好接触。弹性接触片后端的2个孔，一个用于机械固定，一个通过叉片端子实现电气连接。

    为保证接触片回弹力适中，对接触片进行有限元分析。分析模型材料采用磷青铜，其弹性模量E=200 GPa，泊松比ρ=0.28。模型在连接部施加位移全约束，接触部分施加载荷0.1 N，压力分析图如图2所示。

    分析结果显示在0.1 N压力下接触部分位移为0.11 mm，即此接触片刚度K=0.1 N/0.11 mm=0.91 N/mm。根据结构参数可知实际下压时接触片的接触部分位移为1.5 mm，则单个接触片的回弹力为1.5 mm×0.91 N/mm=1.37 N。回弹力取值适中，适宜于保证接触片与应变片引线的接触效果。

    (3)电气设计

    电气系统将10个应变片座的接触片连接至测量输出端，且应可方便地在10个应变片间切换，读取各个应变片的电阻值。电气系统对外包含一对测试接线柱、一个10位波段开关、一个DB15扩展接口，测试接线柱配合数字万用表使用，通过波段开关可以选择测试接线柱对应的应变片，快速完成10个应变片的切换和读数；扩展接口可直接测量10个应变片的电阻值，用于系统以后可能的扩展。电气系统连接图如图3所示。

2.2 关键技术点研究分析

    (1)压力一致性

    工装测量一组10个应变片，为保证测量结果的有效，应使得不同测量工位的应变片受到的压力大小一致。

    在压杠处于下压位置时，压头上部脱离压杠，压紧弹簧的压力通过压头全部传递到应变片本体上。可通过压力调节螺母调节压紧弹簧的压缩长度，进而调节压头对应变片的压力。

    压紧弹簧设计参数如表1。

    弹簧的刚度计算为^[6]：

式中，F单位为N，L单位为mm。

    压缩长度L可在9 mm～19 mm范围调节，对应压力调节范围为0.48 N～5.28 N。调节压力时可用游标卡尺测量压缩长度L，若游标卡尺测量误差为ΔL=0.1 mm，将导致的压力一致性误差为KΔL=0.048 N，可见采用各个弹簧独立调节的方式可以达到较好的压力一致性，保证测量结果有效性。

    (2)对应变片的保护

    应变片在测试过程中其本体应变敏感部分和引线部分均不应受到损伤。

    由于压头与应变片接触部分粘贴有橡胶垫，使得压力能够均匀、柔和地传递到应变片上，不会因局部压力过大压坏应变片本体。由于下压动作实际上是一个转动，理论上压头端部在下压过程中沿圆弧轨迹运动，有水平和垂直方向的位移分量，故需对下压中的水平位移进行校核，确保其不会因为搓动损坏应变片。

    由图4可知，在压头下压到位时压头底部与压杠旋转轴线平齐，压头与旋转轴线距离100 mm。根据机构设计参数，从压头开始接触应变片到完全压到位，压头抬升行程为3 mm。故根据三角关系，下压过程中压头的理论水平位移为：

    考虑到压头与压杠之间的配合公差，最小配合间隙为0.1 mm，已足够吸收该水平位移而不致搓动应变片，且压头底部橡胶的柔性亦能吸收部分水平位移，故可确定下压过程对应变片的安全性。由于在下压过程中应变片引线未受拉伸，故应变片引线不存在被损坏的风险。

    (3)线路电阻对测试的影响

    由于各应变片的电气接触片必然要通过导线连接测试系统，导线电阻必然会对测试带来一定影响。

    本工装在接线工艺上保证每个应变片到测试接线柱/扩展接口的导线总长相等，则每一测试通道的附加电阻相等。指针式万用表和高档数字式万用表欧姆档均具有调零功能，将万用表与接线柱连接，波段开关选通某一通道，并用短导线将对应通道的应变片接触片短路，在此状态下对欧姆档调零即完成了对该通道的线路电阻补偿。因为各通道的线路电阻相等，故对一个通道进行线路电阻补偿后万用表可用于任意通道的测试，线路电阻对测试的影响可以消除。

    DB15扩展接口的1～10引脚直接与各应变片相连，若进行上位系统扩展开发，在自动测量程序中可独立补偿各个通道的线路电阻，已达到更高的测量精度。

2.3 优化后测试方法    

    （1）将万用表设置为电阻测量模式，用橡胶插头导线连接万用表和测试工装。

    其中万用表的“COM”接线柱与应变片测试工装的黑色接线柱“COM”相连，万用表的“Ω”接线柱与应变片测试工装的红色接线柱相连。

    （2）向右扳动左操纵杆，压杠解锁后抬起左右操纵杆约45°，释放左操纵杆使压杠锁定在抬起位置。

    （3）将各待测量应变片放置在对应应变片座中。

    （4）放置好各应变片后向右扳动左操纵杆，压杠解锁后双手同时施力，压下左右操纵杆至水平位置，释放左操纵杆使压杠锁定在压紧位置。

    （5）转动工装上的旋转波段开关，从万用表上读取各应变片阻值(开关箭头所指号码对应各应变片座号码)。

    （6）重复第（2）步操作，取下各应变片，完成测试。

2.4 通道电阻性能测试

    由于仪器内部测试线路会在待测应变片上附加一串连电阻，需测试各路附加电阻的一致性，以评估附加电阻对测试产生的影响。测试中用一段短导线分别短接各个工位的2个接触片，并拨动选通开关至短接的通道，将数字万用表调至电阻档，将万用表表笔的橡胶插头连接至工装面板上的接线柱上，通过旋转面板上的波段开关1～10，依次读取各应变片的阻值，作为各通道的附加电阻。

    测试结果如表2所示。

    通过测试结果可知，附加电阻平均值为0.48 Ω，各通道相对平均值附加电阻变化不超过0.02 Ω，则测试中在万用表电阻档未标定的情况下，可将读数减去0.48 Ω作为测量值；也可将最接近附加电阻平均值的4通道短接，然后通过面板接线柱标定万用表电阻挡，标定后可将读数直接作为测量值，由各通道附加电阻拨动带来的误差较小，不会对应变片的筛选产生实质性影响，符合每组引线回路电阻小于0.5 Ω，10组引线回路之间的电阻误差小于0.03 Ω，且重复误差小于0.03 Ω。

2.5 各通道电阻测量一致性验证

    将各工位的弹簧压缩长度调节一致，采用同一应变片分别放置在各个工位上，压紧后用万用表通过面板接线柱测量电阻，结果如表3所示。

    通过测试结果可知，同一应变片在压力基本相同的条件下，在各个工位上分别测量得到的测量值波动量不大，可见测量一致性较好，不会对应变片的筛选产生实质性影响。

3 结束语

    本工装的应用在以下方面对原有测试工艺进行了改进：

    (1)消除了应变片受压状态不确定因素，压力稳定、一致，应变片受压均匀，测试可靠性得到提高，应变片保护效果得到改善；

    (2)消除了手持接线夹连接引线的测试状态，接触条件稳定，测试可靠性得到提高，应变片保护效果得到改善；

    (3)可一次测量1组10片应变片，操作方便，工作效率得到提高；

    (4)提供扩展接口，可进行后续扩展开发，实现自动记录数据、自动分组筛选等功能。

    本文鉴于改进应变片验收测量方法，对应变片验收工装进行设计，经过对工装装调、校准、测试、比对的研究，完成了一套新型应变片验收工装。工装经过各通道线路附加电阻、各通道电阻测量一致性两项测试，符合工装的设计技术指标及设计要求。使用本工装进行应变片电阻测试，在测试可靠性、测试效率、对应变片的保护等方面均优于原有工艺方法。本工装克服现有验收方法的缺陷，达到了预期研发目标，可以有效提高验收工作质量和效率。

参考文献

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