宋茹彬， 姚旭成， 涂建坤， 劉 杰， 趙永鵬， 劉長萍， 方武震

（1.上海航翼高新技術(shù)發(fā)展研究院， 上海 200433； 2.江蘇金陵機(jī)械制造總廠， 南京 211100；3.上海電纜研究所有限公司， 上海 200093）

0 引 言

電纜網(wǎng)絡(luò)是確保飛機(jī)、艦船、車輛等裝備系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的重要保障，是連接供配電、機(jī)電設(shè)備、電子設(shè)備和控制系統(tǒng)的重要能源和信息通道。 隨著現(xiàn)代裝備電子化、信息化的程度越來越高，電纜的使用量也越來越多，導(dǎo)致裝備電纜系統(tǒng)縱橫交錯，龐大繁雜。 電纜故障可導(dǎo)致能量傳輸或信息傳遞錯誤，致使相關(guān)系統(tǒng)無法正常工作，影響任務(wù)完成，甚至影響裝備及人員安全。 因此，電纜網(wǎng)絡(luò)的性能測試是非常重要的環(huán)節(jié)。

針對電纜網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測而言，目前已經(jīng)有部分自動檢測設(shè)備，但是普遍存在轉(zhuǎn)接電纜數(shù)量多、體積大、操作困難、測試不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)。 以航空系統(tǒng)為例，航空系統(tǒng)中有各種機(jī)型飛機(jī)，飛機(jī)上的電纜互連點(diǎn)從幾千到上萬個，例如一架大飛機(jī)有1 000 個以上的插頭，電纜連接點(diǎn)有10 000 ～20 000 個。 基于此現(xiàn)狀，根據(jù)測試點(diǎn)數(shù)量，主要采用集中式測量［1］和分布式測量［2］兩種解決方案。 在測試點(diǎn)數(shù)較多的情況下，多采用分布式測量方案，但仍需要配置多個大型電纜測試終端，所有終端要與測試主機(jī)相連，產(chǎn)生大量連接線和中轉(zhuǎn)線。 飛機(jī)現(xiàn)場空間有限，龐大的測試系統(tǒng)連接線纜極易造成系統(tǒng)故障。 測試人員排查測試系統(tǒng)故障需要花費(fèi)大量的精力，因此嚴(yán)重影響測試效率。

王巖等［3］采用無線通信的技術(shù)實(shí)現(xiàn)對電纜網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)通關(guān)系的測試。 目前市場上也有HT-128 手持式配線分析儀能夠采用無線實(shí)現(xiàn)電纜網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)通測試。 這類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)小巧，無須轉(zhuǎn)接電纜，但是缺點(diǎn)比較明顯，無法對電纜的絕緣性能這一重要指標(biāo)進(jìn)行檢測。 蘇建軍等［4］采用嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)，將硬件電路模塊化設(shè)計(jì)，研制了一款便攜、小巧的電纜測試設(shè)備，可以測量電纜網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)通電阻、電阻和絕緣電阻等。

針對上述情況，本工作設(shè)計(jì)了一套電纜自動化測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于無線通信，可采用高集成度測試模塊進(jìn)行測試。

1 技術(shù)方案

大容量電纜網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測主要包括纜芯通斷、導(dǎo)通電阻、絕緣電阻等測試。 通過測試可確保內(nèi)部電纜連接關(guān)系正確、絕緣性能合格。 針對當(dāng)前使用的電纜檢測設(shè)備轉(zhuǎn)接電纜數(shù)量多、體積龐大、操作不便、故障率高、使用環(huán)境受限等缺點(diǎn)。 本工作設(shè)計(jì)了一套電纜自動化測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)的組成見圖1。

圖1 電纜自動化測試系統(tǒng)組成框圖

由圖1 可知：測試設(shè)備主要由系統(tǒng)控制和測試模塊兩部分組成。

系統(tǒng)控制部分作為系統(tǒng)軟件的載體平臺，主要完成測試流程的開發(fā)導(dǎo)入、測點(diǎn)地址配置、測試執(zhí)行程序編寫、測量數(shù)據(jù)上傳管理等功能。

測試模塊完成測試激勵和測量功能，處理操作人員或測試程序的指令，根據(jù)測試指令來控制、設(shè)定激勵和測量參數(shù)，及開關(guān)單元的切換次序，實(shí)現(xiàn)高精度自動化測試。 每一個測試模塊均可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)測試，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行模塊拓展，實(shí)現(xiàn)多通道、多功能并行測試。 系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）測試模塊體積小，可以就近連接測試電纜，避免增加額外連接引線；

（2）測試模塊間、模塊與測試主機(jī)間采用無線通信方式，避免了大量連接線與中轉(zhuǎn)線；

（3）測試模塊可以根據(jù)需要，任意添加或刪除，滿足大容量測試需求。

2 測試模塊設(shè)計(jì)說明

2.1 導(dǎo)通電阻測量原理

導(dǎo)通電阻采用恒流源法進(jìn)行測量［5］。 通過在被測電阻兩端加入恒流源，采集被測電阻兩端的電壓，電壓高精度放大后，自動實(shí)現(xiàn)高精度的電阻測試。 恒流源法測量電阻原理圖見圖2。

圖2 恒流源法測量電阻原理圖

由圖2 可知：恒流源I 的兩端E、F 分別接被測電阻Rx的兩端A、B，電壓表的兩端分別接被測電阻Rx的兩端A、B，恒流源I 施加恒定電流到Rx，電壓表直接測量被測電阻Rx兩端A、B 的電壓，根據(jù)公式Rx＝U／I，就可以得到被測電阻Rx的測量值，消除了引線誤差，提高了小電阻的測量精度。

2.2 絕緣測量原理

在進(jìn)行電纜絕緣測試時，需要在被測電纜上施加高壓。 本工作設(shè)計(jì)了50，250，500 V 直流高壓模塊用于測量絕緣電阻，程控信號由絕緣控制電路來完成。 采用漏電流法測量絕緣電阻［6］。 外加直流電壓至被測通道，如果該通道與其他芯線、電纜殼體或地絕緣較大，則其余芯線對地就不會有漏電壓，否則，就會檢測到漏電流。

絕緣電阻測量原理如圖3 所示，UH為施加的高壓，R1為取樣電阻，R2為分壓電阻，Rx為待測絕緣電阻，當(dāng)絕緣電壓為UH時，加在絕緣測試電路后，根據(jù)全電路歐姆定律可知：

A／D 轉(zhuǎn)換電路在測量出采集的兩個電壓值后，便可根據(jù)上式計(jì)算出絕緣電阻Rx。

圖3 絕緣電阻測量原理圖

由圖3 可知：不同電路參數(shù)具有不同的測試范圍。 為保證絕緣電阻采樣電壓的動態(tài)范圍在A／D測量范圍內(nèi)，根據(jù)施加絕緣激勵電壓的不同，采取電阻分檔控制方式，保證在全量程范圍內(nèi)絕緣電阻的測量精度。

2.3 線束纜芯通斷快速測試

線束纜芯通斷測試原理見圖4。

圖4 線束纜芯通斷測試原理

由圖4 可以看出：模塊1、模塊2 為結(jié)構(gòu)完全相同的測試模塊。 測試電纜通斷時，主模塊（模塊1）驅(qū)動線芯的1a、1f 繼電器導(dǎo)通，副模塊（模塊2）測試線芯的1d、1f 繼電器導(dǎo)通，通過查詢模塊2 測試線芯的AD1 電壓狀態(tài)，即可確認(rèn)相應(yīng)纜芯的通斷。此外，系統(tǒng)可通過同時查詢所有模塊所有測試線芯的AD1 狀態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)n 根線芯通斷的同步測試，以提高測試效率。

2.4 測試模塊的小型化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用結(jié)構(gòu)、功能一致的高度集成化便攜式測試模塊，應(yīng)用無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)電纜網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的快速測試，是本系統(tǒng)的主要優(yōu)勢。 測試模塊采用小體積設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電纜狀態(tài)檢測的高度集成化，滿足便攜性需求。 系統(tǒng)根據(jù)模塊功能，采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用高質(zhì)量ABS 阻燃絕緣塑膠機(jī)殼。 同時，通過無線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)通信“無連線”測試。 模塊結(jié)構(gòu)示意圖見圖5。

圖5 測試模塊結(jié)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)測試流程

結(jié)合實(shí)際測試需求，一套整機(jī)系統(tǒng)可以根據(jù)測試需要配置n 個相同的測試模塊。 系統(tǒng)測試流程如下：

（1）將n 個模塊依據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系劃分為若干個組，如圖6 所示。 用于區(qū)分完全無關(guān)的電纜系統(tǒng)，后續(xù)測試過程中只測試組內(nèi)模塊，提高測試速率；

圖6 測試模塊電纜測試結(jié)構(gòu)示意圖

（2）配置每個組內(nèi)每個模塊結(jié)構(gòu)，確認(rèn)每個模塊的子單位。 針對部分測試點(diǎn)數(shù)少的電纜插頭，為減少模塊數(shù)量，可將就近的插頭作為一個模塊內(nèi)的子單位，也就是多個插頭共用一個測試模塊；

（3）完成組內(nèi)所有待測點(diǎn)的導(dǎo)通全掃描，生成組內(nèi)各測試點(diǎn)的連接關(guān)系；

（4）完成所有連通電纜的電阻測試；

（5）完成非相連通道的絕緣電阻測試。 測量任意不通兩線間的絕緣電阻值，任意線與殼體（或屏蔽層）的絕緣電阻值。

4 測試分析

在測試的基礎(chǔ)上，對測量數(shù)據(jù)加以記錄和分析總結(jié)，既包括對測試樣品質(zhì)量和測試過程的評價，也包括對發(fā)現(xiàn)的問題、缺陷、隱患進(jìn)行分析，方便發(fā)現(xiàn)早期故障，從根本上避免過剩維修和失修，提高設(shè)備的保障能力。 系統(tǒng)的主要分析功能包括：

（1） 根據(jù)線束連接狀態(tài)，自動完成測試，形成測試報告明細(xì)結(jié)果表，見圖7。

（2） 根據(jù)連接狀態(tài)及測試結(jié)果，系統(tǒng)對未知網(wǎng)絡(luò)自動生成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表格，用戶可以保存、編輯、刪除、調(diào)用。

圖7 測試報告明細(xì)結(jié)果

（3） 系統(tǒng)根據(jù)調(diào)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表，自動判斷拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確程度及導(dǎo)通電阻、絕緣電阻值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差。

（4） 系統(tǒng)具備完善的報表管理功能，用表格的形式列出每一項(xiàng)測試的標(biāo)識符及其測試內(nèi)容，并提供匯總報告。

（5） 系統(tǒng)可提供指定電纜的歷次測試結(jié)果，技術(shù)人員根據(jù)測試結(jié)果可分析其變化軌跡，便于發(fā)現(xiàn)早期故障。

（6） 測試結(jié)果有全部狀態(tài)、導(dǎo)通狀態(tài)、斷開狀態(tài)等多種查詢方式，測試結(jié)果查詢功能見圖8。

圖8 測試結(jié)果查詢功能

5 結(jié)束語

電纜網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)是確保飛機(jī)、艦船、車輛等裝備系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的重要保障，電纜網(wǎng)絡(luò)性能檢測是系統(tǒng)維修中重要的一環(huán)。 本工作通過結(jié)構(gòu)、功能一致的高度集成化便攜式測試模塊，應(yīng)用無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)電纜網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的快速測試；通過任意添加測試模塊、分組測試及多組同步測試的方法，實(shí)現(xiàn)了大容量電纜網(wǎng)絡(luò)的測試。 該系統(tǒng)解決了測試設(shè)備操作不便、故障率高、使用環(huán)境受限等缺點(diǎn)，便攜式測試模塊具有廣泛的推廣價值與實(shí)用意義。