CN109854414A - 一种安全点火机构单元测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种安全点火机构单元测试仪，包括人机交互平台、接口扩展及采集模块、电源模块、电阻测量模块、电压测量模块、电流测量模块、状态监测及状态转换计时模块、作动源调压及稳压模块、作动组件时序动作控制及保护模块、被测产品接口及测量通路开关阵列。本发明准确测量安全点火机构的各种电阻参数、测量转换过程中的转换电流、电压、实时状态监测和转换到位计时。本发明应用于安全点火机构的研制、生产及测试中，尤其是在用于已装入固体发动机的产品或者装入导弹、火箭及卫星产品的测试时，具有较高的测试安全性和可靠性。

Description

一种安全点火机构单元测试仪

技术领域

本发明涉及固体火箭发动机安全点火机构测试技术领域，具体为一种安全点火机构单元测试仪。

背景技术

安全点火机构是固体火箭发动机的核心部件之一，是导弹、火箭和卫星的固体火箭发动机的点火保险装置。安全点火机构通过内部各组件的时序动作，实现解保状态和保险状态可靠转换。

安全点火机构主要由作动组件、状态开关电路及火工品等组成。安全点火机构在接收到解保状态电气信号后，控制作动组件运动到位并锁位后，通过状态开关电路对外指示安全机构当前处于解保状态，可靠建立输入火工品和输出火工品的物理传爆通路。安全点火机构在接收到保险状态电气信号后，控制作动组件运动到位并锁位后，通过状态开关电路对外指示安全机构当前处于保险状态，可靠阻断输入火工品和输出火工品的传爆通路，可靠隔爆，防止误点火动作。

如果安全点火机构不能可靠状态转换，或者不能可靠锁位，可能会导致固体火箭发动机本应处于保险状态，却进入非保险状态或者解保状态，存在误发火重大安全风险；反之，也可能导致固体火箭发动机本应处于解保状态，但却进入非解保或者安全状态，导致发动机点火失败。

为此，安全点火机构在测试和使用过程中，需要进行状态转换锁位和状态监测，只能通过转换工装并配合专用电缆，按照时序加电完成状态转换及锁位，同时通过仪表检测是否处于设定状态。

根据不同固体火箭发动机的需求，安全点火机构虽然外形和内部结构存在一定差异，但工作原理相同，组成部件类似。安全点火机构在生产过程中在各部组件总装前，可以使用通用仪器仪表进行部组件功能和性能检测，但总装完成后，需要使用各种仪器仪表工装配合不同测试电缆进行测量，尤其是输入输出火工品安装以后，或者安全机构装入固体火箭发动机后，存在测试安全性风险。因此需要提出专门的安全点火机构单元测试仪用于安全点火机构的状态转换、锁位和监测，以及各种电气性能参数精确测量。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种安全点火机构单元测试仪。

安全点火机构数字单元测试仪具备静态测量和状态转换测试功能。静态测量时，安全点火机构处于明确状态下，测量作动作动组件电阻参数、状态开关电阻参数、以及各组件和状态开关的绝缘电阻参数等。状态转换测试时，数字单元测试仪转换前判断转换目标状态是否是当前状态，转换过程中控制作动组件的加电电压和加电时序，确保转换过程电压稳定，加电时序正确，防止加电时间过长及加电顺序颠倒，导致安全点火机构损坏；也需要对状态转换过程中的转换电流、转换到位时间及安全机构状态实时监测。

本发明的技术方案为：

所述一种安全点火机构单元测试仪，其特征在于：包括：人机交互平台、接口扩展及采集模块、电源模块、电阻测量模块、电压测量模块、电流测量模块、状态监测及状态转换计时模块、作动源调压及稳压模块、作动组件时序动作控制及保护模块、被测产品接口及测量通路开关阵列；

所述人机交互平台包括显示单元、主板、数据输入输出接口、输入设备；

所述接口扩展及采集模块对主板扩展IO接口、数据接口；所述接口扩展及采集模块与主板通过总线接口通信，能够对电阻测量模块、电压测量模块、电流测量模块提供的模拟信号进行模数或者压频转换，实现测量物理量的数字化；

所述电源模块为其余模块供电，并受控于作动源调压及稳压模块，为外部作动组件提供受控稳定电压；

所述电阻测量模块对安全点火机构中的低值电阻和绝缘电阻进行测量；

所述电压测量模块监测施加于外部作动组件的作动源电压；

所述电流测量模块对状态转换过程中的电流进行测量；

所述状态监测及状态转换计时模块用于安全点火机构状态的实时监测以及状态转换过程中的转换到位计时；

所述作动源调压及稳压模块提供安全点火机构的安全转换电压控制信号，并根据电压测量模块的测量结果实时稳定调节电源模块输出给外部作动部件的作动源电压；

所述作动组件时序动作控制及保护模块通过时序功率开关器件组合电路实现外部作动组件的连续工作，实现安全点火机构的状态转换和锁位；并根据电流测量模块测量结果或时序定时输出结果，实时判断外部作动组件是否处于过流或者时序异常的情况，若处于，则及时切断作动电源，实现保护；

被测产品接口及测量通路开关阵列包括与被测安全点火结构相连的测试电缆和接口以及进行电阻测量的开关阵列电路。

进一步的优选方案，所述一种安全点火机构单元测试仪，其特征在于：所述电阻测量模块中对安全点火机构中的低值电阻进行测量时，采用微电流四线制测量电路进行测量；所述微电流四线制测量电路由限流电阻Rs以及电阻R1、R2、R3、R4与运算放大器A1组成；电阻R1＝R3，R2＝R4，且R2>R1；限流电阻Rs与被测电阻Rx串联在电源Vsource两端；电阻R1、R2、R3、R4与运算放大器A1构成差分放大电路；差分放大电路接在被测电阻Rx两端；

测量时，采集差分放大电路的输出电压Vout，得到被测电阻Rx阻值为

Rx＝K×Vout+b

其中Va为用标准电阻Ra置换被测电阻Rx时得到的差分放大电路输出电压，Vb为用标准电阻Rb置换被测电阻Rx时得到的差分放大电路输出电压。

进一步的优选方案，所述一种安全点火机构单元测试仪，其特征在于：所述电阻测量模块中对安全点火机构中的绝缘电阻进行测量的电路由限流电阻Rh、调节支路电阻Rt、电阻R5、R6和R7以及高增益放大器A2和A3组成；限流电阻Rh接绝缘电阻测量电压源Vh，调节支路电阻Rt接调节支路电压源Vt，被测电阻Ry接在限流电阻Rh与调节支路电阻Rt之间；运算放大器A2及电阻Rh、Ry、Rt及R5构成反向加法电路，运算放大器A3与电阻R6、R7构成方向比例放大电路；

测量时，采集运算放大器A3的输出电压Vo，得到被测电阻Ry阻值为

其中Vc为用标准电阻Rc置换被测电阻Ry时得到的运算放大器A3的输出电压，Vd为用标准电阻Rd置换被测电阻Ry时得到的运算放大器A3的输出电压。

进一步的优选方案，所述一种安全点火机构单元测试仪，其特征在于：人机交互平台中显示单元采用显示屏、数码管、指示灯；数据输出输入接口包括数据存储接口、打印设备接口、数据通信接口；输入设备包括按键、旋钮、开关、鼠标、键盘；主板是各种数据处理的核心单元，包括处理器、数据接口、存储器。

进一步的优选方案，所述一种安全点火机构单元测试仪，其特征在于：所述电源模块带有短路、欠压输出保护以及自检报警功能；并根据使用环境要求采用AC-DC电源模块、DC-DC电源模块或电池一体化电源模块。

进一步的优选方案，所述一种安全点火机构单元测试仪，其特征在于：所述电阻测量模块包括激励源和测量调理电路；所述电压测量模块包括电压变换及调理电路；所述电流测量模块包括电流取样电路和隔离调理电路。

进一步的优选方案，所述一种安全点火机构单元测试仪，其特征在于：所述状态监测及状态转换计时模块包括状态指示限流及隔离电路、状态转换计时启动及计时结束电路。

进一步的优选方案，所述一种安全点火机构单元测试仪，其特征在于：作动源调压及稳压模块根据不同安全点火机构的测试需要，采用分档固定电压控制或连续可调电压控制。

有益效果

本发明提出的安全点火机构数字单元测试仪产品应用于安全点火机构的研制、生产及测试中，尤其是在用于已装入固体发动机的产品或者装入导弹、火箭及卫星产品的测试时，具有较高的测试安全性和可靠性。该测试仪采用冗余、容错等可靠性和安全性设计技术，能够可靠控制安全机构进行状态转换，并对被测安全点火机构进行测试保护，防止因测试不当对产品造成损坏。该测试仪能准确测量安全点火机构的各种电阻参数、测量转换过程中的转换电流、电压、实时状态监测和转换到位计时。该测试仪采用数字化技术具有较好人机交互性，同时具备单步测试和自动流程测试，大大减轻测试人员的劳动强度，大幅提高测试效率。该测试仪采用一体化结构设计，不再需要配置各种仪器仪表、电源、多种测试电缆和工装，具有较好的便携性。该测试仪具有测试安全性高、可靠性高、易于操作、易携带等优点，具有较高应用推广价值。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1低值电阻测量原理图；

图2绝缘电阻测量原理图；

图3安全点火机构数字单元测试仪组成框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

由于安全点火机构装有火工品，为安全设计，所有施加在安全机构上的电参数测量的测试电流远小于火工品的最大允许安全电流。

(1)低值电阻测量

作动组件电阻和状态开关电阻阻值均小于100Ω，尤其是状态开关电阻状态稳定输出时电阻小于0.5Ω，均可视为低值电阻测量。

由于安全点火机构数字单元测试仪连接被测机构电缆长度较长，且均须采用微电流测量作动组件及状态开关电阻，因此设计专用微电流四线制测量方法，如图1所示。

图1中Rs为限流电阻，Rx为被测电阻，引线W1、W3为被测电阻的测量电源输入端，引线W2、W4为被测电阻电压测量端。图中，电阻R1＝R3，R2＝R4，且R2>R1，电阻R1、R2、R3、R4与运算放大器A1构成差分放大电路，Vin为被测电阻电压，Vout为运放A1构成的差分放大电路的输出端。因此，根据电路分析可知：

其中Rw为引线W1和W3引入的线路电阻，由于Rs>>Rw，且Rs>>Rx，因此，由公式(1)和公式(2)，推导出被测电阻Rx计算公式为：

实际测量时，将Rx分别使用标准电阻Ra和Rb替换即可进行标定，运放输出电压Vout分别为Va和Vb，综合考虑元器件参数精度，采用线性拟合加入偏移量b，

设则Rx＝K×Vout。可将公式(3)变为

Rx＝K×Vout+b…………………………(4)

其中分别带入标定电阻和电压，推导可得：

(2)绝缘电阻测量

为了准确测量绝缘电阻，特别是对较小的绝缘电阻具有较高的测量精度，设计图2所示的测量原理电路。

图中Rh为限流电阻，Ry为被测电阻，Rt为调节支路电阻，Vt为调节支路电压源电压，Vh为绝缘电阻测量电压源电压，运算放大器A2及电阻Rh、Ry、Rt及R5构成反向加法电路，运算放大器A3与R6、R7构成方向比例放大电路。A2和A3为高增益放大器，运放输入端

令

则公式(7)简化为：

公式(9)表明，如果没有调节支路，且Rh限流电阻较大时，Ry电阻计算可能出现负值。

实际测量时，被测电阻Ry可使用标准电阻Rc和Rd替代进行标定，对应运放输出电压Vo分别为Vc和Vd，可推导出：

因此，可使用公式(10)和(11)计算结果，代入公式(9)计算被测电阻Ry。

安全点火机构单元测试仪的组成结构如图3所示，其包含9个功能模块，分别是：人机交互平台、接口扩展及采集模块、电源模块、电阻测量模块、电压测量模块、电流测量模块、状态监测及状态转换计时模块、作动源调压及稳压模块、作动组件时序动作控制及保护模块、被测产品接口及测量通路开关阵列。

人机交互平台包括显示单元、主板、数据输入输出接口、输入设备等，其中显示单元可以是显示屏、数码管、指示灯等，数据输出输入接口包括数据存储接口、打印设备接口、数据通信接口等，输入设备包括按键、旋钮、开关、鼠标、键盘等，主板是各种数据处理的核心单元，包括处理器、数据接口、存储器等。

接口扩展及采集模块主要是对主板扩展IO接口、数据接口等，其与主板通过通用或专用总线接口通信，同时可对各种测量控制模块提供的模拟信号进行模数或者压频转换，实现测量物理量的数字化。

电源模块为各种模块提供供电，同时受控于作动源调压及稳压模块，为作动组件提供受控稳定电压，电源模块根据使用环境要求可以是AC-DC电源模块(有交流电源的环境)、DC-DC电源模块(外部直流供电如车载环境等)、或者是电池一体化电源模块(适于外部无法供电条件)，电源模块自带短路、欠压输出保护以及自检报警等功能。

电阻测量模块包括低值电阻、绝缘电阻的激励源和测量、调理电路等，电阻测量原理见图1和图2描述。

电压测量模块主要用于监测施加于作动组件的作动源电压，包括电压变换及调理电路等。

电流测量模块主要用于状态转换过程中的电流测量，包括电流传感取样电路、隔离调理电路等。

状态监测及状态转换计时模块用于安全点火机构状态的实时监测以及转换过程中转换到位计时，主要由状态指示限流及隔离电路、状态转换计时启动及计时结束等电路组成。

作动源调压及稳压模块根据不同安全点火机构不同测试条件，需要不同的安全转换电压，为此，本模块提供分档固定电压和连续可调电压控制，同时根据电压测量模块的测量结果实时稳定调节电源模块的作动源电压。

作动组件时序动作控制及保护模块主要通过时序功率开关器件组合电路，实现作动组件的连续可靠工作，实现安全点火机构的状态转换和锁位，同时根据电流测量模块测量结果或者时序定时输出结果，实时判断作动组件是否处于过流或者时序异常等情况，及时切断作动电源，中止时序动作，实现保护。

被测产品接口及测量通路开关阵列包括与被测安全点火结构相连的测试电缆和接口、安全点火机构需要进行各种电阻测量的开关阵列(继电器阵列或者模拟开关阵列)电路等。

基于上述组成框架，下面给出具体过程：

(1)安全点火机构电阻测量

安全点火机构电阻测量时，主板通过数据接口向接口扩展及采集模块发送指令，接口扩展及采集模块配置对应IO接口输出，然后控制被测产品接口及测量通路开关阵列执行配置动作，将安全点火机构的待测电阻接入测量通路，与电阻测量模块建立电气连接，接口扩展及采集模块接收电阻测量模块调理后的电压信号，并变换成数字信号发送给主板，交由主板上执行软件进行计算，最后将计算结果通过人机交互平台的显示单元呈现给操作人员。

(2)安全点火机构转换状态

安全点火机构做状态转换时，主板通过数据接口向接口扩展及采集模块发送指令，接口扩展及采集模块配置对应IO接口输出，然后控制作动组件时序动作控制及保护模块按照预定时序向作动组件内部单元加电，同时在加电过程中构建加电电流测量的通道，与电流测量模块和电压测量模块的电气连接，同时构建状态监测通路，实现与状态监测及状态转换计时模块的电气连接，继而通过接口扩展及采集模块数字化状态转换电流、作动源电压，并与安全点火机构状态和转换时一起由主板软件解算，最终通过人机交互平台的显示单元呈现给操作人员。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种安全点火机构单元测试仪，其特征在于：包括：人机交互平台、接口扩展及采集模块、电源模块、电阻测量模块、电压测量模块、电流测量模块、状态监测及状态转换计时模块、作动源调压及稳压模块、作动组件时序动作控制及保护模块、被测产品接口及测量通路开关阵列；

所述人机交互平台包括显示单元、主板、数据输入输出接口、输入设备；

所述接口扩展及采集模块对主板扩展IO接口、数据接口；所述接口扩展及采集模块与主板通过总线接口通信，能够对电阻测量模块、电压测量模块、电流测量模块提供的模拟信号进行模数或者压频转换，实现测量物理量的数字化；

所述电源模块为其余模块供电，并受控于作动源调压及稳压模块，为外部作动组件提供受控稳定电压；

所述电阻测量模块对安全点火机构中的低值电阻和绝缘电阻进行测量；

所述电压测量模块监测施加于外部作动组件的作动源电压；

所述电流测量模块对状态转换过程中的电流进行测量；

所述状态监测及状态转换计时模块用于安全点火机构状态的实时监测以及状态转换过程中的转换到位计时；

所述作动源调压及稳压模块提供安全点火机构的安全转换电压控制信号，并根据电压测量模块的测量结果实时稳定调节电源模块输出给外部作动部件的作动源电压；

所述作动组件时序动作控制及保护模块通过时序功率开关器件组合电路实现外部作动组件的连续工作，实现安全点火机构的状态转换和锁位；并根据电流测量模块测量结果或时序定时输出结果，实时判断外部作动组件是否处于过流或者时序异常的情况，若处于，则及时切断作动电源，实现保护；

被测产品接口及测量通路开关阵列包括与被测安全点火结构相连的测试电缆和接口以及进行电阻测量的开关阵列电路。

2.根据权利要求1所述一种安全点火机构单元测试仪，其特征在于：所述电阻测量模块中对安全点火机构中的低值电阻进行测量时，采用微电流四线制测量电路进行测量；所述微电流四线制测量电路由限流电阻Rs以及电阻R1、R2、R3、R4与运算放大器A1组成；电阻R1＝R3，R2＝R4，且R2>R1；限流电阻Rs与被测电阻Rx串联在电源Vsource两端；电阻R1、R2、R3、R4与运算放大器A1构成差分放大电路；差分放大电路接在被测电阻Rx两端；

测量时，采集差分放大电路的输出电压Vout，得到被测电阻Rx阻值为

Rx＝K×Vout+b

其中Va为用标准电阻Ra置换被测电阻Rx时得到的差分放大电路输出电压，Vb为用标准电阻Rb置换被测电阻Rx时得到的差分放大电路输出电压。

3.根据权利要求1所述一种安全点火机构单元测试仪，其特征在于：所述电阻测量模块中对安全点火机构中的绝缘电阻进行测量的电路由限流电阻Rh、调节支路电阻Rt、电阻R5、R6和R7以及高增益放大器A2和A3组成；限流电阻Rh接绝缘电阻测量电压源Vh，调节支路电阻Rt接调节支路电压源Vt，被测电阻Ry接在限流电阻Rh与调节支路电阻Rt之间；运算放大器A2及电阻Rh、Ry、Rt及R5构成反向加法电路，运算放大器A3与电阻R6、R7构成方向比例放大电路；

测量时，采集运算放大器A3的输出电压Vo，得到被测电阻Ry阻值为

其中Vc为用标准电阻Rc置换被测电阻Ry时得到的运算放大器A3的输出电压，Vd为用标准电阻Rd置换被测电阻Ry时得到的运算放大器A3的输出电压。

4.根据权利要求2或3所述一种安全点火机构单元测试仪，其特征在于：人机交互平台中显示单元采用显示屏、数码管、指示灯；数据输出输入接口包括数据存储接口、打印设备接口、数据通信接口；输入设备包括按键、旋钮、开关、鼠标、键盘；主板是各种数据处理的核心单元，包括处理器、数据接口、存储器。

5.根据权利要求2或3所述一种安全点火机构单元测试仪，其特征在于：所述电源模块带有短路、欠压输出保护以及自检报警功能；并根据使用环境要求采用AC-DC电源模块、DC-DC电源模块或电池一体化电源模块。

6.根据权利要求2或3所述一种安全点火机构单元测试仪，其特征在于：所述电阻测量模块包括激励源和测量调理电路；所述电压测量模块包括电压变换及调理电路；所述电流测量模块包括电流取样电路和隔离调理电路。

7.根据权利要求2或3所述一种安全点火机构单元测试仪，其特征在于：所述状态监测及状态转换计时模块包括状态指示限流及隔离电路、状态转换计时启动及计时结束电路。

8.根据权利要求2或3所述一种安全点火机构单元测试仪，其特征在于：作动源调压及稳压模块根据不同安全点火机构的测试需要，采用分档固定电压控制或连续可调电压控制。