CN105277111A - 星箭锁紧装置应变监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明是星箭锁紧装置应变监测系统。包括：电源模块、调理模块、采集模块；电源模块为所述系统提供线性稳压电源；调理模块将被测应变测点组成测量电桥、为电桥提供稳定的激励电压、对电桥的差分输出进行滤波、放大并经多路开关输出供采集模块采集；采集模块采集测试数据；其中，调理模块包括：激励电源电路，应变测试电路，温度补偿电路，状态监测电路；温度补偿电路选用精密电阻与温度补偿测点组成温补半桥；应变测试电路选用精密电阻与被测应变测点组成测量半桥；并用仪表运放AD620和精密电阻组成的差分放大电路对测量半桥和温补半桥的不平衡电压进行差分放大。本发明在某个应变测点发生短路或开路故障时，对其它应变测点仍能准确测试。

Description

星箭锁紧装置应变监测系统

技术领域

本发明属于星箭对接过程中锁紧包带预紧力的精确测量与在线监测技术。

背景技术

在航天领域中，卫星与运载火箭之间通过连接与分离机构实现可靠连接和安全分离。由于连接承载力强、解锁可靠性高、分离冲击小等优点，当今世界各主要运载火箭的星箭连接和分离机构大多采用包带锁紧装置。基于包带锁紧装置的星箭连接与分离机构，需要在星箭对接时施加精准、合适的包带预紧力来实现星箭的可靠连接和安全分离。包带预紧力的精确测量与在线监测作为施加精准预紧力的前提，成为星箭连接与分离的一个关键环节。

星箭对接时，工程技术人员需要在包带锁紧预紧力的施加过程中，实时、准确的测得包带预紧力的大小和分布，这对测试设备的抗干扰能力、测试精度、温度漂移、时间漂移以及数据呈现形式均提出了很高要求。

在本发明之前，星箭对接过程中包带预紧力的测量采用了基于安捷伦通用应变采集模块集成的包带预紧力测试系统。集成的系统存在系统测试精度偏低，温度漂移较大，数据计算能力较弱等性能缺陷；并且系统的抗干扰能力很弱，当某一星箭锁紧包带上的某个应变测点发生短路或开路故障时，系统对整条包带上的所有应变测点均无法正常测试。

根据型号不同，星箭锁紧包带上一般环向均布4～17个应变测点；当某一应变测点发生开路或短路故障时，基于其余应变测点的测试数据仍能准确获得包带锁紧的预紧力。另外，粘贴特定应变测点并完成标定的包带在运往靶场的过程中，由于严酷的运输环境难免造成包带上某一应变测点的功能异常。因此，当某一星箭锁紧包带上的某个应变测点发生短路或开路故障时，对整条包带上的其它应变测点仍能准确测试并成功计算包带锁紧预紧力成为包带预紧力测试系统必须具有的抗干扰能力。这是以前采用的集成测试系统的功能缺陷，也正是本发明需要具备的技术特点。

此外，本发明具有测试精度高(±[0.1％读数])、温度漂移小(±[0.004％读数]/℃)以及测量重复性好(±4με)等特点。

本发明基于工业以太网架构实现数据测试，设备应用简便，组织形式灵活，软件界面友好，数据计算功能很强，能够依据应变测试数据在线、精确地计算出包带锁紧预紧力并提供多种数据呈现形式。

发明内容

发明目的

本发明的目的是实现包带预紧力的精确测量与在线监测。

技术方案

一种星箭锁紧装置应变监测系统，其中，包括：电源模块、调理模块、采集模块；

电源模块为所述系统提供线性稳压电源；调理模块将被测应变测点组成测量电桥、为电桥提供稳定的激励电压、对电桥的差分输出进行滤波、放大并经多路开关输出供采集模块采集；采集模块采集测试数据；

其中，调理模块包括：激励电源电路，应变测试电路，温度补偿电路，状态监测电路；

激励电源电路为应变测试电路的测量电桥提供1.25V的高稳定激励电压，激励电源电路包括：基准电压源AD780、精密电阻和运放AD8572；从基准电压源AD780输出的电压首先通过运放AD8572组成的电压保持电路，进行保持，然后经过精密电阻分压，得到1.25V的输出电压，最后，再次通过运放AD8572组成的电压保持电路，输出至测量电桥；

温度补偿电路选用精密电阻与温度补偿测点组成温补半桥；应变测试电路选用精密电阻与被测应变测点组成测量半桥；并用仪表运放AD620和精密电阻组成的差分放大电路对测量半桥和温补半桥的不平衡电压进行差分放大；

状态监测电路包括：激励电源监测电路、温度补偿通道中位电压监测电路、温度测量电路。

如上所述的一种星箭锁紧装置应变监测系统，其中，所述系统包含多路应变测试电路，并且还包括多路开关模块；多路开关模块选用CD4011和CD4051组成通道选择电路，使用通道选择信号Do1-Do4依次选择01-016通道的信号，以时分复用的机制对全部多路应变测试电路的输出和状态监测电路的输出进行数据采集；其中，Do4首先同时连接到CD4011与非门逻辑电路的两个输入端，然后此输出端再次同时连接至CD4011与非门逻辑电路的两个输入端；并且，第一个与非门的输出端连接至第一个CD4051的禁止端INH，第二个与非门的输出端连接至第二个CD4051的禁止端INH；并且，在第一个CD4051的8个输入端，连接09～016编号的8个测量信号，通过Do1-Do3进行编码，选择其中一路进行输出；在第二个CD4051的8个输入端，连接01～08编号的8个测量信号，通过Do1-Do3进行编码，选择其中一路进行输出。

有益效果

本发明具有如下效果：当星箭锁紧包带上的某个应变测点发生短路或开路故障时，对整条包带上的其它应变测点仍能准确测试并成功计算包带锁紧预紧力。

此外，本发明具有测试精度高(±[0.1％读数])、温度漂移小(±[0.004％读数]/℃)以及测量重复性好(±4με)等特点。

本发明基于工业以太网架构实现数据测试，设备应用简便，组织形式灵活，软件界面友好，数据计算功能很强，能够依据应变测试数据在线、精确地计算出包带锁紧预紧力并提供多种数据呈现形式。

附图说明

图1星箭锁紧装置应变监测系统结构示意图；

其中：1——笔记本电脑，2——网络电缆，3——应变监测系统主机，4——测量电缆；

图2应变监测系统主机结构示意图；

图3调理模块结构示意图；

图4激励电源电路；

图5温度补偿电路；

图6应变测试电路(CH0i，i＝1-10)；

图7正、负电源监测电路；

图8激励电压监测电路；

图9温补通道中位电压监测电路；

图10温度测量电路；

图11多路开关电路；

图12对外连接电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步描述。

基于包带锁紧装置的星箭连接与分离机构，需要在星箭对接时施加精准、合适的包带预紧力来实现星箭的可靠连接和安全分离。星箭锁紧装置包带预紧力的精确测量与在线监测作为施加精准预紧力的前提，对预紧力测试设备的测试精度、温度漂移、时间偏移以及测量重复性都提出了很高要求，这也是本发明解决的一个主要技术问题。

根据型号不同，星箭锁紧包带上一般环向均布4～17个应变测点；当某一/几个应变测点发生开路或短路故障时，基于其余应变测点的测试数据仍能比较准确得获得包带锁紧的预紧力。另外，粘贴特定应变测点并完成标定的包带在运往靶场的过程中，由于严酷的运输环境和复杂的操作过程，难免造成包带上某一/几个应变测点的功能异常。因此，当某一星箭锁紧包带上的某一/几个应变测点功能异常时，基于该包带上的其它应变测点准确地测试并成功计算包带锁紧预紧力成为包带锁紧预紧力测试设备必须具备的抗干扰能力。这种抗干扰能力是现有测试设备所不具备的，也是本发明解决的另一个主要技术问题。

如图1所示，本发明由笔记本电脑，网络电缆，应变监测系统主机和专用测试电缆组成。本发明基于工业以太网实现数据测试，笔记本电脑和应变监测系统主机之间只需一条网络电缆连接，系统结构灵活，使用方便。

如图2所示，本发明中的应变监测系统主机采用模块化设计，由电源模块、调理模块、采集模块和接线模块组成。电源模块为设备提供线性稳压电源。调理模块将被测应变测点组成测量电桥，为电桥提供稳定的激励电压，对电桥的差分输出进行滤波、放大并经多路开关输出供采集模块采集。采集模块采用时分复用的机制，借助调理模块内的多路开关依次采集各通道的测试数据，并将测得的数据送至配套的专用软件进行分析、运算进而反算包带预紧力。接线模块完成各模块间的电源与信号电路连接。

粘贴在星箭锁紧包带上的应变测点，通过专用的测量电缆接入应变监测系统主机内的调理模块，与调理模块内置的350欧精密电阻组成测量半桥；粘贴在温度补偿试片上的应变测点，通过测量电缆的温度补偿通道接入调理模块，与调理模块内置的350欧精密电阻组成温补半桥。调理模块采用公共补偿的方案实现温度补偿，各测量半桥(CH01-CH10)与温补半桥的不平衡输出电压经滤波、放大后送采集模块采集，即获得各应变测点在载荷作用下的净应变输出。借助包带标定时获取的应变-载荷曲线，即可由应变在线地反算出包带预紧力的大小及分布。

调理模块采用两级跟随器实现各测试通道的激励电源隔离，并为每通道独立配备了滤波、放大电路，这从根本上保证了系统很好的抗干扰能力，即当某一通道发生开路或短路故障时，不影响其它通道的正常测试。此外，调理模块中对各通道测试性能有直接影响的元器件(AD620、AD8572、AD822和RJ711-350)，在装机前逐一对各元件在整个测试电路的温度影响系数进行了测试，并依据测试数据按电路逻辑关系进行了元器件匹配。这保证了系统具有低温漂、低时漂和测量重复性好的特点。

与现有技术相比，本发明选用了高稳定度基准电压源AD780，高精度放大倍数仪表运放AD620，低零偏、低温漂运放AD8572，轨对轨输出运放AD822和精密电阻RJ711-350；装机前均逐一对各元件在整个测试电路的温度影响系数进行了测试，并依据测试数据按电路逻辑关系进行了元器件匹配；各测试通道采用激励电源隔离机制，配备独立的滤波和放大电路；采用了1.25V低激励电压以降低功耗并减少应变片热效应。这使得本发明具备了测试精度高、温度漂移小、时间漂移小、测量重复性好等突出特点。此外，由于各测试通道采用激励电源隔离机制并配备独立的滤波和放大电路，本发明具备了很强的抗干扰能力，即当某一通道发生开路或短路故障时，不影响其它通道的正常测试。

更具体的，参照附图，本发明的实现做进一步的说明。

如图1所示，本发明由笔记本电脑，网络电缆，应变监测系统主机和专用测试电缆组成。本发明基于工业以太网实现数据测试，笔记本电脑和应变监测系统主机之间只需一条网络电缆连接，系统结构灵活，使用方便。

如图2所示，本发明中的应变监测系统主机采用模块化设计，由电源模块、调理模块、采集模块和接线模块组成。电源模块为设备提供线性稳压电源。调理模块将被测应变测点组成测量电桥，为电桥提供稳定的激励电压，对电桥的差分输出进行滤波、放大并经多路开关输出供采集模块采集。采集模块采用时分复用的机制，借助调理模块内的多路开关依次采集各通道的测试数据，并将测得的数据进行分析、运算进而反算包带预紧力，具体的计算分析过程和方法为公知技术，通过本发明所述装置得到准确测试数据后，本领域技术人员必然能够计算得到准确的包带预紧力，所以，计算过程在此不做详细描述。接线模块完成各模块间的电源与信号电路连接。

如图3所示，调理模块主要由激励电源电路，应变测试电路，温度补偿电路，状态监测电路和多路开关模块组成。

如图4所示，激励电源电路选用高稳定度基准电压源AD780、精密分压电阻和低零偏、低温漂运放AD8572为测量电桥提供1.25V的高稳定激励电压。

从基准电压源AD780输出的电压首先通过运放AD8572组成的电压保持电路，进行保持，然后经过精密电阻分压，得到1.25V的输出电压，最后，再次通过运放AD8572组成的电压保持电路，最后输出至测量电桥。

本实施例中，以10个测量点为例进行说明。

如图5所示，温度补偿电路选用低零偏、低温漂运放AD8572和滤波电路为温补半桥提供独立的激励电源(EX11)；选用精密电阻(RR11)与温度补偿测点组成温补半桥，其中，T1通过专用测试电缆经温度补偿测点的应变片后接GND，并用AD8572组成的跟随器对温补半桥的中位输出电压(T1点电压)进行隔离，供应变测试电路用作差分电压的一极InT。图中VCC、Vs为AD8572供电，其中VCC＝+5V，Vs＝0V，没有直接接GND是为了与信号地区分。。

如图6所示，应变测试电路选用低零偏、低温漂运放AD8572和滤波电路为测量半桥提供独立的激励电源EXi(i＝1-10)；选用精密电阻(RRi)与被测应变测点i(Ini经被测应变测点应变片i接GND)组成测量半桥，并用仪表运放AD620和精密电阻Ri组成的差分放大电路对测量半桥和温补半桥的不平衡电压进行差分放大；最后选用轨对轨运放AD822组成的低通滤波器对信号滤波处理后经多路开关模块送采集模块采集。

图7所示为正、负电源监测电路，在线监测电源模块的正、负电源工作状态；

图8为激励电源监测电路，在线监测激励电源的输出状态；

图9为温度补偿通道中位电压监测电路，在线监测温补通道的中位电压；

图10为温度测量电路，在线监测设备的工作温度和环境状态。

使用温度传感器AD590测量温度。

如图11所示，多路开关模块选用CD4011和CD4051组成通道选择电路，借助采集模块的通道选择信号Do1-Do4依次选择01-016通道的信号，以时分复用的机制实现对全部测试通道的数据采集。

通道选择信号Do1-Do4，Do4首先同时连接到与非门逻辑电路的两个输入端，然后此输出端再次同时连接至与非门逻辑电路的两个输入端；并且，第一个与非门的输出端连接至第一个CD4051的禁止端INH，第二个与非门的输出端连接至第二个CD4051的禁止端INH，如此，Do4就可以控制两个CD4051的工作与禁止，当Do4为0时，第一个CD4051禁止，当Do4为1时，第二个CD4051禁止。

在第一个CD4051的8个输入端，连接09～016编号的8个测量信号，通过Do1-Do3进行编码，选择其中一路进行输出；同理，在第二个CD4051的8个输入端，连接01～08编号的8个测量信号，通过Do1-Do3进行编码，选择其中一路进行输出。

编号01～016的测试信号涵盖了上述应变的信号和状态监测的信号。

如图12所示，这是用于连接应变片的外部接线示意图。lni(i＝1-10)、T1分别与电连接器BR1的指定引脚相连接；电连接器BR2的全部引脚均接地。BR1与BR2的指定引脚之间借助专用的测试电缆分别与被测测点i(i＝1-10)和补偿测点T相连，形成完整的测量和补偿回路。

并且，为了保证最终系统的良好工作状态，在装配时，还可以进行如下选择和搭配的过程：

调理模块中对各通道测试性能有关键影响的四种元器件(AD620、AD8572、AD822和精密电阻RJ711-350)，在装机前均分别逐一编号。在调试电路版上，先将AD620的安装位置引出至变温区，其余全部元器件置于恒温区；记录编号为01#的AD620在变温区从“室温-70℃-室温”整个温变历程的应变输出。找出编号为01#的AD620在整个温变历程的最大应变(绝对值)输出，并依据[最大应变(绝对值)/(70℃-室温)]计算该元件的温度系数。

按照同样的方式，依次计算各AD620、RJ711-350、AD822和AD8572元件的温度系数并记录，对于每个通道的上述关键器件制定权值。最后，依据电路逻辑关系，按照全部测试通道的加权温度影响系数最大偏差最小的原则匹配每一通道的四种元器件编号，并生成元器件匹配表。

设备生产时，元器件匹配表随图纸一并交电装车间，并要求严格按照元器件匹配表焊接相关元器件。

上面对本发明的实施例作了详细说明，上述实施方式仅为本发明的最优实施例，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (2)

1.一种星箭锁紧装置应变监测系统，其特征在于，包括：电源模块、调理模块、采集模块；

电源模块为所述系统提供线性稳压电源；调理模块将被测应变测点组成测量电桥、为电桥提供稳定的激励电压、对电桥的差分输出进行滤波、放大并经多路开关输出供采集模块采集；采集模块采集测试数据；

其中，调理模块包括：激励电源电路，应变测试电路，温度补偿电路，状态监测电路；

激励电源电路为应变测试电路的测量电桥提供1.25V的高稳定激励电压，激励电源电路包括：基准电压源AD780、精密电阻和运放AD8572；从基准电压源AD780输出的电压首先通过运放AD8572组成的电压保持电路，进行保持，然后经过精密电阻分压，得到1.25V的输出电压，最后，再次通过运放AD8572组成的电压保持电路，输出至测量电桥；

温度补偿电路选用精密电阻与温度补偿测点组成温补半桥；应变测试电路选用精密电阻与被测应变测点组成测量半桥；并用仪表运放AD620和精密电阻组成的差分放大电路对测量半桥和温补半桥的不平衡电压进行差分放大；

状态监测电路包括：激励电源监测电路、温度补偿通道中位电压监测电路、温度测量电路。

2.如权利要求1所述的一种星箭锁紧装置应变监测系统，其特征在于，所述系统包含多路应变测试电路，并且还包括多路开关模块；多路开关模块选用CD4011和CD4051组成通道选择电路，使用通道选择信号Do1-Do4依次选择01-016通道的信号，以时分复用的机制对全部多路应变测试电路的输出和状态监测电路的输出进行数据采集；其中，Do4首先同时连接到CD4011与非门逻辑电路的两个输入端，然后此输出端再次同时连接至CD4011与非门逻辑电路的两个输入端；并且，第一个与非门的输出端连接至第一个CD4051的禁止端INH，第二个与非门的输出端连接至第二个CD4051的禁止端INH；并且，在第一个CD4051的8个输入端，连接09～016编号的8个测量信号，通过Do1-Do3进行编码，选择其中一路进行输出；在第二个CD4051的8个输入端，连接01～08编号的8个测量信号，通过Do1-Do3进行编码，选择其中一路进行输出。