0 引言

    航天器用應變片是某系列衛星上用于星箭解鎖裝置的重要力學測量元件，將應變片牢固粘貼于包帶上的測量部位，在包帶受力時利用敏感柵材料在應變作用下的電阻變化可測量被測包帶的受力狀態，其測量值的準確性直接影響到衛星星箭解鎖裝置預緊力測試的適用性，關系到星箭的成功分離，直接影響到衛星發射的成敗。依據星箭解鎖分離包帶應變片粘貼工藝規范，總裝檢驗人員需要在粘貼前對應變片進行檢查和篩選工作^[1-3]。

1 應變片工況分析

    該系列衛星需一次性對一批應變片進行驗收篩選，選取每20個為一組(含有4個備份)，用數字萬用表檢測每組內各個應變片的阻值，要求兩兩相差應≤0.2 Ω(最大值與最小值之差)，某些型號工藝甚至要求≤0.1 Ω。

    目前應變片驗收篩選有兩種方法，一是應變片在自然狀態下直接測量，二是用普通壓塊壓住應變片敏感柵測量。

    第一種方法在排除操作問題后，仔細觀察應變片的外觀，發現每片應變片在自然放置的情況下呈不同弧度的彎曲狀態，將不同彎曲弧度的應變片進行自然卷曲狀態和均勻受力壓平狀態下測試，阻值出現了±0.2 Ω的變化。試驗結果證明，該測試方法存在隨環境狀態不同、測試結果不穩定的問題^[4-5]。

    第二種方法是在應變片篩選過程采用任意普通壓塊壓住應變片，使用常用的FLUKE數字萬用表通過紅黑表筆（鱷魚夾）分別夾持應變片引線的兩端來測量應變片的阻值。這種測試方式存在如下一些弊端：

    (1)由于壓塊與下面基板的接觸面積很大，遠大于應變片本體面積，故無法保證壓塊的重量全部施加在應變片本體上，導致每次測量應變片所受壓力不一致。

    (2)由于測量讀數時需要手持接線夾，接線夾和應變片的引線必然處在一個不穩定的受力狀態，導致引線與接線夾之間的接觸電阻不穩定，影響測量。由于引線很細，在承受拉力時容易損壞應變片。

2 篩選測試方法優化

2.1 篩選測試設備設計研制

    (1)整機設計

    操縱機構由左右操縱桿、左側鎖定機構、軸承座、支承軸等部件組成，壓緊單元的壓杠與壓杠固定塊通過4個螺釘與支承軸抱緊，通過操縱機構帶動支承軸轉動實現10個壓緊單元的下壓與抬起動作，如圖1所示。

    操縱機構的設計使得使用者在抬起/壓下操作和鎖定/釋放操作中雙手始終位于左右操縱桿上，在鎖定壓杠位置后即可騰出雙手進行擺放應變片、切換應變片讀數等其他操作。人機工效高，使用方便。

    (2)壓緊單元設計

    通過應變片座上應變片放置槽的幾何形狀設計，保證了應變片能準確定位在應變片槽中，壓頭矩形部分能覆蓋應變片本體，壓力的傳遞準確可靠，且不會壓到應變片的引線和焊點部位；由于應變片引線形態不易控制，通過增大引線擺放空間和接觸片面積，應變片引線可以很容易地與接觸片接觸，方便了應變片的放置操作。彈性接觸片為金屬材料，導線壓塊、應變片座及導線約束塊均為塑料絕緣材料，壓杠下壓到位時接觸片因自身彈性發生小量變形，其彈性力保證應變片引線與接觸片的良好接觸。彈性接觸片后端的2個孔，一個用于機械固定，一個通過叉片端子實現電氣連接。

    為保證接觸片回彈力適中，對接觸片進行有限元分析。分析模型材料采用磷青銅，其彈性模量E=200 GPa，泊松比ρ=0.28。模型在連接部施加位移全約束，接觸部分施加載荷0.1 N，壓力分析圖如圖2所示。

    分析結果顯示在0.1 N壓力下接觸部分位移為0.11 mm，即此接觸片剛度K=0.1 N/0.11 mm=0.91 N/mm。根據結構參數可知實際下壓時接觸片的接觸部分位移為1.5 mm，則單個接觸片的回彈力為1.5 mm×0.91 N/mm=1.37 N?；貜椓θ≈颠m中，適宜于保證接觸片與應變片引線的接觸效果。

    (3)電氣設計

    電氣系統將10個應變片座的接觸片連接至測量輸出端，且應可方便地在10個應變片間切換，讀取各個應變片的電阻值。電氣系統對外包含一對測試接線柱、一個10位波段開關、一個DB15擴展接口，測試接線柱配合數字萬用表使用，通過波段開關可以選擇測試接線柱對應的應變片，快速完成10個應變片的切換和讀數；擴展接口可直接測量10個應變片的電阻值，用于系統以后可能的擴展。電氣系統連接圖如圖3所示。

2.2 關鍵技術點研究分析

    (1)壓力一致性

    工裝測量一組10個應變片，為保證測量結果的有效，應使得不同測量工位的應變片受到的壓力大小一致。

    在壓杠處于下壓位置時，壓頭上部脫離壓杠，壓緊彈簧的壓力通過壓頭全部傳遞到應變片本體上?？赏ㄟ^壓力調節螺母調節壓緊彈簧的壓縮長度，進而調節壓頭對應變片的壓力。

    壓緊彈簧設計參數如表1。

    彈簧的剛度計算為^[6]：

式中，F單位為N，L單位為mm。

    壓縮長度L可在9 mm～19 mm范圍調節，對應壓力調節范圍為0.48 N～5.28 N。調節壓力時可用游標卡尺測量壓縮長度L，若游標卡尺測量誤差為ΔL=0.1 mm，將導致的壓力一致性誤差為KΔL=0.048 N，可見采用各個彈簧獨立調節的方式可以達到較好的壓力一致性，保證測量結果有效性。

    (2)對應變片的保護

    應變片在測試過程中其本體應變敏感部分和引線部分均不應受到損傷。

    由于壓頭與應變片接觸部分粘貼有橡膠墊，使得壓力能夠均勻、柔和地傳遞到應變片上，不會因局部壓力過大壓壞應變片本體。由于下壓動作實際上是一個轉動，理論上壓頭端部在下壓過程中沿圓弧軌跡運動，有水平和垂直方向的位移分量，故需對下壓中的水平位移進行校核，確保其不會因為搓動損壞應變片。

    由圖4可知，在壓頭下壓到位時壓頭底部與壓杠旋轉軸線平齊，壓頭與旋轉軸線距離100 mm。根據機構設計參數，從壓頭開始接觸應變片到完全壓到位，壓頭抬升行程為3 mm。故根據三角關系，下壓過程中壓頭的理論水平位移為：

    考慮到壓頭與壓杠之間的配合公差，最小配合間隙為0.1 mm，已足夠吸收該水平位移而不致搓動應變片，且壓頭底部橡膠的柔性亦能吸收部分水平位移，故可確定下壓過程對應變片的安全性。由于在下壓過程中應變片引線未受拉伸，故應變片引線不存在被損壞的風險。

    (3)線路電阻對測試的影響

    由于各應變片的電氣接觸片必然要通過導線連接測試系統，導線電阻必然會對測試帶來一定影響。

    本工裝在接線工藝上保證每個應變片到測試接線柱/擴展接口的導線總長相等，則每一測試通道的附加電阻相等。指針式萬用表和高檔數字式萬用表歐姆檔均具有調零功能，將萬用表與接線柱連接，波段開關選通某一通道，并用短導線將對應通道的應變片接觸片短路，在此狀態下對歐姆檔調零即完成了對該通道的線路電阻補償。因為各通道的線路電阻相等，故對一個通道進行線路電阻補償后萬用表可用于任意通道的測試，線路電阻對測試的影響可以消除。

    DB15擴展接口的1～10引腳直接與各應變片相連，若進行上位系統擴展開發，在自動測量程序中可獨立補償各個通道的線路電阻，已達到更高的測量精度。

2.3 優化后測試方法    

    （1）將萬用表設置為電阻測量模式，用橡膠插頭導線連接萬用表和測試工裝。

    其中萬用表的“COM”接線柱與應變片測試工裝的黑色接線柱“COM”相連，萬用表的“Ω”接線柱與應變片測試工裝的紅色接線柱相連。

    （2）向右扳動左操縱桿，壓杠解鎖后抬起左右操縱桿約45°，釋放左操縱桿使壓杠鎖定在抬起位置。

    （3）將各待測量應變片放置在對應應變片座中。

    （4）放置好各應變片后向右扳動左操縱桿，壓杠解鎖后雙手同時施力，壓下左右操縱桿至水平位置，釋放左操縱桿使壓杠鎖定在壓緊位置。

    （5）轉動工裝上的旋轉波段開關，從萬用表上讀取各應變片阻值(開關箭頭所指號碼對應各應變片座號碼)。

    （6）重復第（2）步操作，取下各應變片，完成測試。

2.4 通道電阻性能測試

    由于儀器內部測試線路會在待測應變片上附加一串連電阻，需測試各路附加電阻的一致性，以評估附加電阻對測試產生的影響。測試中用一段短導線分別短接各個工位的2個接觸片，并撥動選通開關至短接的通道，將數字萬用表調至電阻檔，將萬用表表筆的橡膠插頭連接至工裝面板上的接線柱上，通過旋轉面板上的波段開關1～10，依次讀取各應變片的阻值，作為各通道的附加電阻。

    測試結果如表2所示。

    通過測試結果可知，附加電阻平均值為0.48 Ω，各通道相對平均值附加電阻變化不超過0.02 Ω，則測試中在萬用表電阻檔未標定的情況下，可將讀數減去0.48 Ω作為測量值；也可將最接近附加電阻平均值的4通道短接，然后通過面板接線柱標定萬用表電阻擋，標定后可將讀數直接作為測量值，由各通道附加電阻撥動帶來的誤差較小，不會對應變片的篩選產生實質性影響，符合每組引線回路電阻小于0.5 Ω，10組引線回路之間的電阻誤差小于0.03 Ω，且重復誤差小于0.03 Ω。

2.5 各通道電阻測量一致性驗證

    將各工位的彈簧壓縮長度調節一致，采用同一應變片分別放置在各個工位上，壓緊后用萬用表通過面板接線柱測量電阻，結果如表3所示。

    通過測試結果可知，同一應變片在壓力基本相同的條件下，在各個工位上分別測量得到的測量值波動量不大，可見測量一致性較好，不會對應變片的篩選產生實質性影響。

3 結束語

    本工裝的應用在以下方面對原有測試工藝進行了改進：

    (1)消除了應變片受壓狀態不確定因素，壓力穩定、一致，應變片受壓均勻，測試可靠性得到提高，應變片保護效果得到改善；

    (2)消除了手持接線夾連接引線的測試狀態，接觸條件穩定，測試可靠性得到提高，應變片保護效果得到改善；

    (3)可一次測量1組10片應變片，操作方便，工作效率得到提高；

    (4)提供擴展接口，可進行后續擴展開發，實現自動記錄數據、自動分組篩選等功能。

    本文鑒于改進應變片驗收測量方法，對應變片驗收工裝進行設計，經過對工裝裝調、校準、測試、比對的研究，完成了一套新型應變片驗收工裝。工裝經過各通道線路附加電阻、各通道電阻測量一致性兩項測試，符合工裝的設計技術指標及設計要求。使用本工裝進行應變片電阻測試，在測試可靠性、測試效率、對應變片的保護等方面均優于原有工藝方法。本工裝克服現有驗收方法的缺陷，達到了預期研發目標，可以有效提高驗收工作質量和效率。

參考文獻

[1] 夏祁寒.應變片測試原理及在實際工程中的應用[J].山西建筑，2008，34(28)：99-100.

[2] 馬良珵.應變電測與傳感技術[M].北京：中國計量出版社，1993.

[3] GB/T 13992-1992.電阻應變計[S].

[4] 祁樹勝.應變片測量的誤差分析[J].西安航空技術高等?？茖W校學報，2003，21(3)：6-7.

[5] 耿皓，李建華.應力應變電測技術中影響測量誤差的主要因素分析[J].物流科技，2005，28(117)：98-100.

[6] 尹福炎.金屬箔式應變片制作工藝原理[M].北京：國防工業出版社，2011.