一种导弹火工品测试仪设计

2018-07-04魏保华

兵器装备工程学报 2018年6期

魏保华

(陆军工程大学石家庄校区，石家庄 050003)

战术导弹火工品是其重要部件，对导弹作战效能的有效发挥及其安全性起着十分关键的作用。火工品测试通常是导弹定期测试维护的重要内容，也是导弹发射前检查的关键内容，其测试结果决定了导弹能否安全使用。导弹火工品测试仪通常具有专用性，按照某一型号导弹火工品测试需求专门设计，广泛采用电压比较性欧姆转换技术，利用两线或四线测量法完成测试；为保证测试人员和装备的安全，通常还遵循采用干电池电源、限制回路电流/电压、加装“启测”装置等原则[1]。目前的专用测试仪能够满足单一型号导弹火工品测试的需要，而对于需要完成多种型号导弹测试的中继级以上修理机构和后方仓库来说，通用性差成为一个较为突出的问题。鉴于此，本文针对中继级以上修理机构和后方仓库多种型号导弹火工品测试的需要，设计一种具有一定通用性的测试仪。

1 测试需求分析

战术导弹火工品测试参数主要指火工品电路一些部位上两点间的电阻值[1]。实际测试在导弹不加电的非工作状态下进行，对于绝缘电阻要求测试结果大于某一较大阻值，对于短路情况要求测试结果小于某一较小阻值，对于线路中具有特定阻值的电阻则要求测试结果处于一定的阻值范围。综合分析多种现役导弹火工品参数，可以将其按标称阻值大致划分为3组：① 0～xΩ(x>0)；②x～yΩ(y>x)；③ >yΩ。而为了确保导弹火工品测试过程中的“绝对”安全，要求测试时通过被测电阻的回路电流在任何情况下均小于安全值的下限，避免火工品意外启动。

综合上述情况，本文导弹火工品测试仪应满足如下需求：① 具备完成多种相关型号导弹所有火工品电阻的测试功能；② 满足测试回路电流任何情况下均小于安全值下限。

2 系统方案设计

2.1 总体方案设计

出于安全性考虑，导弹火工品测试通常倾向于采用手动测试方式，本文测试仪沿袭这种方式，功能框图如图1。

其中1、2、3挡测试电路分别实现0～xΩ、x～yΩ、>yΩ三组火工品电阻的测试，利用其中的毫安表读取测量值，挡位开关为多层波段开关，用于测试电路的选择；各型号参数选择开关均为波段开关，不同型号间能共用的尽量共用，以最大程度简化电路设计；根据被测火工品电阻及弹上测试接口情况，为不同型号待测导弹设计专用的测试电缆，与测试仪连接的测试插座共用。

2.2 测试电路设计

按照可靠性理论，“简单就是可靠”[2]，同等条件下系统越简化，影响可靠性的因素通常就会越少。鉴于此，针对导弹火工品测试的高安全性、高可靠性要求，测试仪中设计注重贯彻简约原则，在满足技术要求情况下尽量简化设计。测试电路的基本原理是将待测火工品电阻转化为电流，由毫安表实现最终测试。测试挡位开关处于不同位置时，毫安表及部分元器件参与工作，形成相应的测试回路。以下着重说明各挡测试电路。

1) 断开挡测试电路

当测试电路挡位开关处于断开挡时，等效测试电路如图2所示。此时，被测电阻Rx及毫安表并未接入测试回路，无电流流过。

2)1挡测试电路

当测试电路挡位开关选择1挡时，等效电路如图3所示，实现电桥法电阻测量。其中：电阻R3、Rc用于测试回路限流，实际应用中还需通过调整可调电位计Rc实现测试仪校准；启测开关平时保持闭合状态，短路被测电阻Rx，只有测试时才断开该开关，使Rx接入测试回路。显然，在电源电压和其他电阻阻值确定的情况下，流经毫安表的电流IA与Rx有一的函数关系，这也是本文测试仪测试火工品电阻的理论依据。对毫安表表盘指示进行改造，将原电流值刻度按照IA与Rx的对应关系改造成电阻值刻度，这样便可在测试时直接读取被测火工品电阻值，其他测试挡位按类似方法处理。

3) 2挡等效电路

当测试电路挡位开关选择2挡时，等效电路如图4所示，同样实现电桥法电阻测量。其中：启测开关处于闭合状态时，分流电阻R1使得流经被测电阻Rx的电流处于较低的数值；测试时断开启测开关。

4) 3挡等效电路

当测试电路挡位开关选择3挡时，等效电路如图5所示。其中：R7为限流电阻；启测开关处于闭合状态时，短路被测电阻Rx；测试时断开启测开关，Rx接入测试回路。

2.3 理论计算与仿真分析

1)1挡测试电路理论计算与仿真分析

如图3所示，设流过R6的电流为I6、流过Rx的电流为Ix、毫安表内阻为RA。测量时，即启测开关断开时，可采用矩阵方程描述IA、Ix与Rx的关系

(1)

其中，R2=R4，R3c=R3+Rc。由式(1)可以得出IA与Rx、Ix与Rx的关系，其中IA用于测量Rx，Ix用于分析流经Rx的电流是否超出安全范围。不难得出，IA、Ix均是Rx的递减函数。Rx=R6时，电桥平衡，IA=0；Rx=0 Ω时，IA最大。

例如，假设毫安表内阻RA=5 Ω、测量范围0～1.9 mA，设定主要参数V=1.5 V、R6=8 Ω、流经被测火工品电阻的安全电流值下限设为5 mA，其他电阻根据需要综合确定。根据式(1)，仿真计算得到Ix、IA与Rx曲线如图6所示。

图6中结果验证了式(1)理论计算与分析，而且Ix能够保持小于5 mA。显然，按照图6结果，测试范围应为0～8 Ω，即测量上限x=R6，这也正是R6参数设计的依据。

2) 2挡测试电路理论计算与仿真分析

类似地，如图4所示，设流过R5的电流为I5，可以利用矩阵方程描述测量时IA、Ix与Rx的关系

(2)

IA、Ix仍然是Rx的递减函数。当Rx=R5时，电桥平衡，IA=0；当Rx=0 Ω时，IA最大。

例如，沿用图6仿真用到的主要参数，并设定R5=8 Ω。根据式(2)，仿真计算得到曲线如图7所示。

图7中结果验证了式(2)理论计算与分析，Ix也能够保持小于5 mA。按照图7结果，测试范围上限应为80 Ω，即y=R5；IA=1.9 mA时，Rx=8 Ω。显然Rx<8 Ω时，IA值将超出毫安表的测量上限1.9 mA，因此测试范围下限x可定为8 Ω。也就是说，2挡电路设计时，可设定R5=y，还可设定R1=x，用于实现校准。

3) 3挡测试电路理论计算与仿真分析

如图5所示，可以利用矩阵方程描述测量状态下IA、Ix与Rx的关系

(3)

理想情况下，当Rx为绝缘电阻时，阻值无穷大，IA=0；当Rx=0 Ω时，IA最大，综合选择测试电路中各电阻参数，可使得此时IA与毫安表最大量程相等。图8给出了测量仿真示例。

图8中结果验证了式(3)理论计算与分析，Ix同样能够保持小于5 mA。可见，测试3挡理论上可以满足阻值范围(0，+∞)电阻的测量，不过由于IA与Rx与为非线性关系，使得Rx较小的相对测量误差较大。因此实际应用中，可着重利用3挡测试绝缘电阻或阻值较大(Rx>yΩ)的火工品电阻，较小阻值则尽量利用相对误差更小的1挡、2挡进行测试。例如，与图6、图7仿真结果衔接，图8仿真实例可确定y=80。

3) 仿真结果综合分析

综合分析图6、图7、图8仿真实例可以发现：① 各挡测试电路中Ix、IA均与Rx呈单调递减关系；②IA与Rx存在一一对应的映射关系；③ 测试1挡可完成0～8 Ω、2挡可完成8～80 Ω、3挡可完成>80 Ω火工品电阻的测试；④ 各挡Ix最大值均小于安全电流值下限5 mA。以上情况说明，按照本文电路设计的测试仪，可以实现量程相互衔接的3组火工品电阻的测试，且能够满足给定的安全性要求。

2.4 测试流程

测试仪完成某型号一枚导弹火工品测试的流程如图9所示。

初始检查主要检查测试挡位开关、各型号参数选择开关是否处于断开挡，以及启测开关是否保持默认的闭合状态等；初始检查无误后，连接待测导弹对应的测试电缆，开始逐项完成各参数的测试；各参数测试的基本过程是，根据待测电阻标称值范围选择相应的测试电路挡位，通过调整Rc使毫安表指针指向最右侧(电流最大值处)完成校准，利用参数选择开关选择待测电阻，断开启测开关启动对该参数的测试，读取毫安表对应测试挡位的读数，闭合启测开关断开测试；继续进行下一项参数测试时，如需更换测试挡位，还需重新进行校准，待所有参数测试完毕后，结束测试，卸下测试电缆，所有开关恢复初始位置。