多通道彈載振動測試系統(tǒng)的防水設(shè)計(jì)

　　摘 要：為解決彈體跌落水中導(dǎo)致多通道彈載記錄儀損壞、數(shù)據(jù)丟失的問題，文中分析記錄儀浸水損壞的原因，根據(jù)導(dǎo)彈導(dǎo)航信息測試的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)多通道彈載振動測試系統(tǒng)的防水結(jié)構(gòu)和防水電路。首先根據(jù) IPX7級外殼防護(hù)要求，計(jì)算并設(shè)計(jì)帶有 O 型密封圈旋蓋的機(jī)械外殼，可保證在 23.24 MPa 的介質(zhì)沖擊下載荷不泄露;其次，為便于整體防水，改進(jìn)系統(tǒng)的工作模式，將數(shù)據(jù)擦除、數(shù)據(jù)讀取、電源開關(guān)控制的功能集成到一個(gè)接口。針對多通道振動測試系統(tǒng)需要外接傳感器電纜的特點(diǎn)，從硬件設(shè)計(jì)入手加入電氣隔離和過流保護(hù)模塊。最后通過接插件浸水試驗(yàn)、5 m 水池跌落試驗(yàn)和浸泡試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，文中方法可為設(shè)計(jì)可靠的彈載記錄儀提供一定的參考。

　　關(guān)鍵詞：彈載記錄儀;多通道;震動測試系統(tǒng);密封結(jié)構(gòu);防水設(shè)計(jì);O 型橡膠圈密封;過流保護(hù);防水試驗(yàn)

　　引 言

　　炮射導(dǎo)彈的發(fā)展與彈體姿態(tài)、位置、速度等導(dǎo)航信息參數(shù)的精確測量息息相關(guān)[1]。記錄儀搭載于彈體內(nèi)部，實(shí)驗(yàn)時(shí)隨彈體升空并記錄彈道過程的各個(gè)參數(shù)，彈體落至指定的回收區(qū)域，尋回并拆解彈體后取回彈載記錄儀，讀取并分析存于記錄儀內(nèi)部的多參數(shù)數(shù)據(jù)[2]。但實(shí)際試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)彈常常難以精準(zhǔn)降落在小范圍區(qū)域，尤其是當(dāng)彈體選擇擦地回收時(shí)，回收區(qū)域?qū)⒊杀稊?shù)擴(kuò)大。彈體跌落入河流或因降雨形成水溝的可能性無法避免。

　　入水時(shí)產(chǎn)生的沖擊載荷會導(dǎo)致外接傳感器電纜斷裂、水侵入記錄儀等意外發(fā)生，輕則導(dǎo)致儀器功能受損，重則損壞存儲芯片，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。因此，彈載振動測試系統(tǒng)的防水設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必不可少的環(huán)節(jié)。目前對電子設(shè)備的防水措施主要是做結(jié)構(gòu)防水，不同功能測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)差異較大，并且很難做到完全氣密。本文對記錄儀浸水損壞原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，并根據(jù)分析結(jié)果對多路振動測試系統(tǒng)從機(jī)械結(jié)構(gòu)和硬件方面進(jìn)行了防水設(shè)計(jì)。

　　1 記錄儀浸水損壞原理分析

　　1.1 水體導(dǎo)電原理

　　物體中可以自由移動的帶電粒子定向移動形成電流，溶液中的導(dǎo)電能力即為電導(dǎo)率。純水中載流子為濃度極低的氫離子和氫氧根離子，其本身具有弱電解平衡。自然環(huán)境中河流與積水為含有多種離子混合的復(fù)雜水溶液。當(dāng)帶電元器件進(jìn)入溶液中，會產(chǎn)生極化效應(yīng)和電容效應(yīng)，從而影響溶液的電導(dǎo)率。溶液中的離子會吸附在雙層電極的表面使其帶電，從而形成雙電層，電荷的分布情況與平板電容器類似[4]。

　　1.2 記錄儀浸水損壞原因分析

　　1)因工藝、散熱等問題，元器件難以做到完全氣密性封裝。當(dāng)潮氣進(jìn)入元器件內(nèi)部時(shí)往往會導(dǎo)致電路參數(shù)發(fā)生改變、短路、信號處理或傳輸線路出現(xiàn)斷路等現(xiàn)象，導(dǎo)致電路板發(fā)生故障。2)溶液接觸帶電器件，產(chǎn)生極化效應(yīng)使溶液導(dǎo)電，可能會使電路板出現(xiàn)電壓過大、電流過大、反向電流等異�，F(xiàn)象，導(dǎo)致電容被擊穿、芯片過熱燒壞等損壞電路板。3)在溶液中電極兩端會發(fā)生氧化還原反應(yīng)，在電極中的負(fù)極會析出金屬，可能會導(dǎo)致芯片引腳短路。4)在潮濕環(huán)境下外殼以及 PCB 板上金屬與空氣中的氧氣易發(fā)生氧化反應(yīng)。5)溶液中還可能發(fā)生置換反應(yīng)，焊接點(diǎn)錫置換出銅，導(dǎo)致元器件脫離焊盤或者短路現(xiàn)象發(fā)生。

　　1.3系統(tǒng)總設(shè)計(jì)

　　通過上一節(jié)的分析，防水設(shè)計(jì)首先應(yīng)當(dāng)從外殼結(jié)構(gòu)入手，設(shè)計(jì)氣密性良好的外殼結(jié)構(gòu)，從根源上盡可能杜絕電路板與水接觸的可能;其次改進(jìn)硬件電路設(shè)計(jì)，使測試系統(tǒng)能夠在異常電流時(shí)自保護(hù)，并且保證傳感器電纜斷裂不會損壞記錄儀。除此之外，應(yīng)當(dāng)考慮記錄儀抗沖擊、意外導(dǎo)致外殼破損、裝置小巧且使用便捷等問題。為方便振動測試系統(tǒng)多點(diǎn)采集，共設(shè)置 12 路采集信號，通過線纜可連接 4 個(gè)三軸加速度傳感器，在彈體的頭部、中部、尾部分別安裝一個(gè)傳感器，另留有一個(gè)備用電纜接口。

　　采集裝置主要由 FPGA 控制模塊、信號調(diào)理模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、智能電源管理模塊、FLASH 存儲模塊以及讀數(shù)口等組成。讀數(shù)口使用(J30J⁃9)九針口，讀數(shù)裝置設(shè)置觸發(fā)和讀數(shù)兩條電纜。通過讀數(shù)裝置可以對記錄儀進(jìn)行數(shù)據(jù)擦除、上電、數(shù)據(jù)讀取等多重操作。該系統(tǒng)通過讀數(shù)裝置提供觸發(fā)電頻進(jìn)行上電操作，使記錄儀進(jìn)入延時(shí)采樣狀態(tài)，待一定時(shí)間后記錄儀進(jìn)入采樣狀態(tài)。傳感器輸出信號電氣隔離后經(jīng)調(diào)理模塊進(jìn)入 A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并存儲于大容量 FLASH存儲芯片中。試驗(yàn)完成后由讀數(shù)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)回讀，通過電腦軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與展示。

　　2 記錄儀防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　2.1 外殼設(shè)計(jì)外殼的結(jié)構(gòu)

　　防水是最直接有效的防水方式，根據(jù)實(shí)際使用情況設(shè)計(jì)外殼結(jié)構(gòu)。記錄儀整體結(jié)構(gòu)為正方體，主要分為三個(gè)部分：剛體外殼、外殼體旋蓋以及固定有電路和電池灌封體的金屬鋁內(nèi)殼。電路板讀數(shù)口使用螺絲固定于內(nèi)殼表面，傳感器電纜穿過內(nèi)殼，指示燈和充電口使用強(qiáng)力膠固定并涂抹硅膠做密封處理。將蜜蠟通過傳感器電纜開口處灌入內(nèi)殼。內(nèi)殼包裹一圈膠墊做緩振處理后將其塞入金屬外殼，再用硅膠灌滿空余空間。在記錄儀面板處放置絕緣膠墊，最后擰上具有 O 型橡膠圈的旋蓋。

　　當(dāng)一側(cè)介質(zhì)對橡膠圈擠壓時(shí)，橡膠圈被迫移動至溝槽另一側(cè)，由于橡膠本身高彈性和較大的壓力傳遞系數(shù)的原因，受到的介質(zhì)壓力越大，橡膠圈的形變程度越大，橡膠圈對密封面的傳遞壓力就越大。當(dāng)接觸面上的接觸壓力大于介質(zhì)壓力時(shí)，形成自密封狀態(tài)。

　　3 防水電路設(shè)計(jì)

　　3.1 電氣隔離在振動測試系統(tǒng)中，為避免因傳感器外置接插件處受外界因素影響出現(xiàn)異常電流導(dǎo)致燒壞測試系統(tǒng)，使用電氣隔離的方式避免傳感器輸出與采集系統(tǒng)建立電流流動路徑的同時(shí)保證信息的傳遞。如此可有效防止因傳感器輸出電纜浸水導(dǎo)致的異常電流損壞下級電路。每個(gè)通道的輸出端都使用 INA⁃149 高共模電壓差動放大器實(shí)現(xiàn)電氣隔離的功能。INA⁃149 是一款最大增益誤差僅有 3 500 μV 的高精度單位增益放大器，±275 V的差分電壓工作范圍和 500 Hz 的帶寬足以滿足測試要求。

　　3.2 過流保護(hù)從浸水損壞原因分析中可以得知，短路引起電流過大導(dǎo)致電路板元器件燒壞是記錄儀損壞的常見問題，因此需要過流保護(hù)。過流保護(hù)是指當(dāng)電路中負(fù)載的實(shí)際電流超過額定值一定程度或一定時(shí)間時(shí)，裝置能夠自行斷電來保護(hù)電路不受損壞的措施。在電子設(shè)備中常用的過流保護(hù)方法是在回路中加入保險(xiǎn)絲，當(dāng)電流過大時(shí)自動斷開�？紤]到記錄儀需要灌封，不可以拆卸。

　　因此記錄儀選用自恢復(fù)保險(xiǎn)絲作為過流保護(hù)的保護(hù)元件。振動測試系統(tǒng)中負(fù)載電流主要來源于多個(gè)傳感器的額定工作電流。傳感器額定電流在設(shè)計(jì)階段可以預(yù)知且工作時(shí)電流相對恒定，在為傳感器供電的 DC/DC輸入引腳前放置自保護(hù)保險(xiǎn)絲預(yù)防電流過載，不僅在測試系統(tǒng)的前期設(shè)計(jì)階段方便選擇自恢復(fù)保險(xiǎn)絲的型號，而且由于測試系統(tǒng)是數(shù)模分離的，在模擬部分發(fā)生故障導(dǎo) 致 保 險(xiǎn) 絲 斷 路 時(shí) 不 會 影 響 數(shù) 字 部 分 。

　　3.3 其他防水措施

　　在充電口正極 VIN 與電池正極 BATVCC 相連的回路上放置二極管與電阻并聯(lián)的電路，可以有效防止因充電口短路燒毀記錄儀。除此之外在設(shè)計(jì) PCB 板時(shí)需要將穿孔與焊點(diǎn)保持一定距離。

　　4 防水試驗(yàn)

　　4.1 接插件浸水試驗(yàn)

　　由于河流中具體成分復(fù)雜，不同地域存在較大差異，因此配置一定濃度的水溶液代替浸水環(huán)境。配置當(dāng)量濃度為 0.001 N 的 NaCl水溶液，查詢蘭氏化學(xué)手冊得知其電導(dǎo)率為 106.5 S·cm2·equiv-1。實(shí)驗(yàn)步驟如下：1)將傳感器供電端電纜深入水溶液中，監(jiān)測電流變化，觀測到電流稍稍增大，遠(yuǎn)低于傳感器額定工作電流，不影響記錄儀正常工作。2)將傳感器供電端正極與傳感器數(shù)據(jù)傳輸電纜共同浸入水中，電流未發(fā)生明顯變化。3)將傳感器供電端正負(fù)極斷接，檢測到自恢復(fù)保險(xiǎn)絲進(jìn)入熔斷—恢復(fù)—熔斷的循環(huán)中，持續(xù) 1 h 后停止短接，重新檢查到記錄儀功能正常。

　　4.2 結(jié)構(gòu)防水試驗(yàn)

　　將記錄儀完全裝好后，分別于水池上方 1 m，3 m，5 m 處重復(fù)做多次跌落試驗(yàn);然后根據(jù)防護(hù)等級 IPX 7試驗(yàn)要求，將記錄儀置于 1 m 深的水池中浸泡 30 min。試驗(yàn)結(jié)束后，將記錄儀表面擦干，打開旋蓋后觀察到殼體內(nèi)保持干燥，無液體滲入。接上傳感器后重新測試，檢測記錄儀功能正常。

　　5 結(jié) 語

　　本文以試驗(yàn)時(shí)彈載記錄儀隨試驗(yàn)彈跌落水中，導(dǎo)致記錄儀損壞、數(shù)據(jù)丟失為背景，設(shè)計(jì)一個(gè)可防水的多通道彈載振動測試系統(tǒng)。針對多通道彈載振動記錄儀多接口以及多電纜需外置的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了合理的防水機(jī)械結(jié)構(gòu)，改進(jìn)了測試系統(tǒng)的硬件電路和工作模式，為設(shè)計(jì)可靠彈載測試系統(tǒng)提供了防水方案。

　　參 考 文 獻(xiàn)：

　　[1] 魏曉凱，李杰，馮凱強(qiáng)，等 .滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定平臺抗高過載結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2018，26(5)：603⁃609.

　　[2] 王艷，郭靖，張會新，等 .彈載記錄儀存儲模塊防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2020，41(2)：166⁃169.

　　[3] 劉歡 . 金屬鹽⁃有機(jī)溶劑⁃水體系電導(dǎo)率研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2017.

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　　[5] CAEL H hamann，ANERAW hamnett，WOLF Vielstich. 電化學(xué)[M]//陳艷霞，夏興華，蔡俊，譯 . 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

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　　作者：張嘉銘 1，2，杜紅棉 1，2，馬游春 1，2，裴 攀 1，2，徐秋瑾 1，2

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