一种炭柱调压器低频脉冲扫描检测电路设计

牛 武， 高 昆， 任延岫

（长沙航空职业技术学院， 湖南 长沙 400123）

0 引言

航空电气设备中的炭柱调压器在众多飞机中广泛使用，其故障率也较高，纵观炭柱调压器故障现象，尤以炭柱粘连故障多发，且难以判断，这直接影响了飞机电源系统供电的质量，影响了飞机的正常飞行。

目前， 我国针对炭柱粘连故障的检测判断技术局限于低阻测量的范围内，且因炭柱电阻本身阻值较低，接触电阻[1]又难以避免，故该项检测判断技术的准确度难以保证，其应用的效果也打了折扣。 基于此种情况，我研究团队提出了 “低频脉冲扫描电压驱动-大电流激励炭柱-精准捕捉炭柱故障响应信号-与标准信号波形进行比对-液晶显示结果”的检测技术研究新思路。 旨在通过“低频扫描驱动、 炭柱电压生成及捕捉、 标准信号与故障信号比较”等科学问题的研究，开发出一种“电信号驱动、故障信号自动捕捉、判断结果自动生成”的新型检测炭柱粘连故障的技术，为我国形成一套快速、准确、有效的“低频脉冲扫描检测炭柱”的关键技术奠定基础。

开发“电信号驱动、故障信号自动捕捉、判断结果自动生成”的新型检测炭柱粘连故障的技术，对满足航空机务维修中调压器机件即拆即检、即检即准的修理要求，有着重要的意义，是保障飞机调压器修理有效性的重要一环。

1 炭柱调压器检测方法上存在的问题

1.1 低阻测量仪检测炭柱的困惑

调研国内外关于航空调压器炭柱粘连故障的检测技术，大多停留在低阻测量仪[2]测试炭柱低阻上，一些比较先进的发达国家，也是沿着提高低阻测量仪的测量精度来提高判断粘连准确度的思路来设计制作检测设备的，例如，一些国家采用数字控制技术[3]研制的高精度低阻测量仪，以及利用激光技术[4]设计制造的低阻测量仪等等。 这种测量技术在应用的过程中，都存在一个难以解决的问题，那就是接触电阻的不确定性[5]，如图1 所示，这决定了低阻测量仪再精确，也判断不准炭柱粘连与否的本质。

图1 低阻测量仪测量炭柱电阻判断炭柱粘连框图

1.2 保底维修方法的困扰

国内的一些航修厂为了保证炭柱维修[6]的完好性，放弃了低阻测量仪测量炭柱电阻判断炭柱粘连的方法，采取了“不检测，直接对疑似粘连炭柱进行全部拆解，不管好坏，都进行打磨维修”的保底维修方法，这就导致大量的非粘连炭柱，被误当做粘连炭柱去对待，误工误时，降低了维修效率，如图2 所示。

图2 保底维修方法示意图

为解决以上炭柱调压器检测上的困扰，本文设计了一种新型的测试电路：炭柱调压器低频脉冲扫描检测电路。

2 炭柱调压器低频脉冲扫描检测电路构成及工作原理

2.1 炭柱调压器低频脉冲扫描检测电路构成

该检测电路由低频脉冲信号发生模块、 低频脉冲信号放大模块、炭片柱电流激励模块、炭片柱电压信号生成和接收模块、炭片柱电阻信号电压显示模块、电源模块组成，其框图如图3 所示。

图3 炭柱调压器低频脉冲扫描检测电路组成框图

低频脉冲信号发生模块产生锯齿波信号，低频脉冲信号放大模块对锯齿波信号实施放大，炭片柱电流激励模块将电流注入到炭柱，随炭柱电阻变化生成变化的炭柱电压信号，接收模块将其放大，输入的显示模块，显示电压变化情况，电源模块负责给其他模块供电。

2.2 炭柱调压器低频脉冲扫描检测电路工作原理

本文检测电路，采用“电信号驱动[7]、故障信号自动捕捉[8]、判断结果自动生成”的新型检测方法，可满足炭柱检测“可靠、准确、快速”的要求，非常适合在航空机务维修[9]中应用、推广。 该检测电路工作原理如下：首先利用低频脉冲信号发生模块产生低频锯齿脉冲波， 经放大后形成低频脉冲电压，作用在调压器电磁铁上，产生炭柱振动，再利用阻压转换技术、电压采集技术，形成炭柱上的电压波形，与标准波形相比较，进而得到调压器是否故障，给疑似故障炭柱调压器一个快速、有效、准确的判断，如图4 所示。

图4 检测电路设想示意图

该电路应用于炭柱调压器炭柱粘连故障的判断及炭柱的检测具有以下独特的优势：

（1）检测全程采用电信号驱动、捕捉、显示，突出了检测的快速性。

（2）该检测技术未采用探针或表笔接触炭柱，而是采用螺钉或焊接的固定连接方式， 有效避开了接触电阻的影响。

（3）检测采用的电信号比较技术具有很高的精准性，能有效地避免误判。

（4）实时显示判断结果的功能降低了判断时间，提高了判断效率。

3 炭柱调压器低频脉冲扫描检测电路实现

3.1 低频脉冲驱动电路实现

图5 中1 为锯齿波振荡电路， 主要由定时器555、2只电容、2 只9013 管、1 只9012 管、2 只稳压二极管、2 只整流二极管、5 只固定电阻、1 只可调电阻组成，555 形成的矩形波，经电阻、电容、三极管作用后变为锯齿波输出。2 为差动放大电路， 对1 电路形成的锯齿波信号实施放大，用于电磁铁工作的低频驱动。

图5 低频脉冲驱动电路设计图

3.2 炭柱阻压转换实现

在电路中使用一个电流源为5A 的恒流源，将电流注入阻值最大为0.5Ω 的炭柱电阻时，根据欧姆定律U=I·R，当电阻最大为0.5Ω 时，根据欧姆定律U=I·R 得出电压为2.5V，如图6（a），当电阻为0.3Ω 时，根据欧姆定律U=I·R得出电压为1.5V，如图6（b），炭柱电阻RV1 随挤压力变化而变化，其上电压也就跟随变化，形成取样电压。

图6 炭柱阻压转换电路示意图

3.3 信号采集电路实现

本次设计电路中所需电压取样电路，如图7 所示，此电路使用SF357 运放构成。 在测电压时，需要将其输入端接于被测电压的两端， 然后按下开关K1，此时被测电压将在输出端显示出来，即使释放K1 按钮。此电路工作与反向放大状态，闭环增益为2.5，因此输出端电压是输入电压2.5 倍，电容C1 与运算输入阻抗构成被测瞬间电压的释放回路。 由于SF357 的输入阻抗很高，所以可以使其保持时间较长，读数也更为精准和方便。

图7 设计的取样电路图

3.4 电压显示电路实现

在本电路中最终需要将测试结果显示出来， 因此需要一个电压显示电路。 同时本设计电路主要是为了体现飞机炭柱调压器阻压变换的规律。 所以在设计以及检测过程中使用的电压显示电路仪器为现有的仪器。

设计本电压显示电路，主要考虑使用电源驱动，接在所设计前置电路的最后一部分电路放大电路的后面，通过此电压显示仪器对本次飞机调压器炭柱阻压转换设装置电路中的测试结果能够体现出来。

3.5 总电路实现

将上述设计的各分电路综合到一起， 设计出总电路图，见图8。第一部分为555 锯齿波电路，能够产生锯齿波信号，用来驱动电磁铁。第二部分为放大电路，将锯齿波信号进行放大后，将放大的信号作用于电磁铁上。 第三部分前段电路作用于电磁铁上的信号，使得电磁铁产生电磁吸力，吸动衔铁改变炭柱电阻阻值。 因炭柱电阻本身被恒流源激励故炭柱电阻上就有了变化电压信号。其后半段电路为采样电路，采取电压信号。第四部分放大电路，对采取电压信号进行放大，最终通过显示电路进行显示。

图8 设计的总电路图

4 采用的主要技术

4.1 低频脉冲扫描技术

挤压条件是通过低频脉冲扫描技术驱动的电磁铁+衔铁弹簧组件装置实现的，其电路组成框图如图9 所示。

图9 低频脉冲扫描技术下的挤压装置图

图中装置由电源模块负责供电， 电源为直流28V 电源； 激励电磁铁电压信号发生模块和信号放大模块负责输出能激励电磁铁的带有锯齿波波动的28V 直流电压（以下简称：电磁铁激励电压），用于驱动电磁铁工作。

测试电路检测的原理说明： 由直流电源给激励电磁铁电压信号发生模块提供直流电压， 使得激励电磁铁电压信号发生模块生成低频锯齿波信号， 经信号放大模块放大后，作用于电磁铁上，使得电磁铁形成有规律的磁场振动，进而作用于衔铁弹簧，形成有规律的电磁吸力，使得衔铁弹簧形成有规律的振动，进一步带动炭片柱，使其亦形成有规律的伸缩运动，使得炭片柱电阻（正常的）产生有规律的周期变化。

4.2 阻压转换技术

阻压数据显现、捕捉装置是通过大电流注入，大电压信号显现装置实现的，其电路组成框图如图10 所示。

图10 阻压数据显现、捕捉装置图

其中， 炭片柱电流激励模块负责激励炭片柱生成电流信号； 炭片柱故障信号接收放大模块负责将电流信号转换成电压信号，并放大；炭片柱电阻信号电压显示模块则负责显示炭片柱信号数据及波形规律。

依靠炭片柱电流激励模块和炭片柱电压信号生成与接收放大模块将炭片柱电阻的变化规律转换成有规律变化的电压信号，并进行放大，形成信号数据，供比较修正用。

4.3 数据模型修正偏差技术

建立数据分析模型， 利用数据分析模型修正数据偏差，设定合理的电路参数，确定测量装置的参数、结构和运行方式，其模型组成框图如图11 所示。

图11 数据模型构成图

其中，炭片柱挤压数据通过电磁铁受力分析、衔铁弹簧受力分析获得； 炭片柱电流数据通过电流测量装置获得；炭片柱电压信号数据通过电压信号测量装置获得；系统数据修正处理通过误差处理方法、偏差修正规律完成；电路参数确定则通过多次数据处理选定。

5 结束语

在该文中，进行了炭柱调压器低频脉冲扫描检测电路实践应用，应用结果显示在多个型号的炭柱调压器故障测试中，故障检出率达85%，能够有效的检测出故障调压器，基本实现了区分疑似故障调压器的目标，在现实应用中取得了较好的效果。 但其测试结果，受到工作环境，测量状态，温度数据，检测电磁性质的影响，导致了一些偏差。 测试电路具有简单、交互、实用的特点，交付工厂使用，已解决其故障判断不准确和测试低效率的问题。