多通道彈載振動測試系統的防水設計

　　摘 要：為解決彈體跌落水中導致多通道彈載記錄儀損壞、數據丟失的問題，文中分析記錄儀浸水損壞的原因，根據導彈導航信息測試的實際需求，設計多通道彈載振動測試系統的防水結構和防水電路。首先根據 IPX7級外殼防護要求，計算并設計帶有 O 型密封圈旋蓋的機械外殼，可保證在 23.24 MPa 的介質沖擊下載荷不泄露;其次，為便于整體防水，改進系統的工作模式，將數據擦除、數據讀取、電源開關控制的功能集成到一個接口。針對多通道振動測試系統需要外接傳感器電纜的特點，從硬件設計入手加入電氣隔離和過流保護模塊。最后通過接插件浸水試驗、5 m 水池跌落試驗和浸泡試驗進行驗證。結果表明，文中方法可為設計可靠的彈載記錄儀提供一定的參考。

　　關鍵詞：彈載記錄儀;多通道;震動測試系統;密封結構;防水設計;O 型橡膠圈密封;過流保護;防水試驗

　　引 言

　　炮射導彈的發展與彈體姿態、位置、速度等導航信息參數的精確測量息息相關[1]。記錄儀搭載于彈體內部，實驗時隨彈體升空并記錄彈道過程的各個參數，彈體落至指定的回收區域，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部的多參數數據[2]。但實際試驗過程中，試驗彈常常難以精準降落在小范圍區域，尤其是當彈體選擇擦地回收時，回收區域將成倍數擴大。彈體跌落入河流或因降雨形成水溝的可能性無法避免。

　　入水時產生的沖擊載荷會導致外接傳感器電纜斷裂、水侵入記錄儀等意外發生，輕則導致儀器功能受損，重則損壞存儲芯片，導致數據丟失。因此，彈載振動測試系統的防水設計是系統設計中必不可少的環節。目前對電子設備的防水措施主要是做結構防水，不同功能測試系統結構設計差異較大，并且很難做到完全氣密。本文對記錄儀浸水損壞原理進行了詳細分析，并根據分析結果對多路振動測試系統從機械結構和硬件方面進行了防水設計。

　　1 記錄儀浸水損壞原理分析

　　1.1 水體導電原理

　　物體中可以自由移動的帶電粒子定向移動形成電流，溶液中的導電能力即為電導率。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。自然環境中河流與積水為含有多種離子混合的復雜水溶液。當帶電元器件進入溶液中，會產生極化效應和電容效應，從而影響溶液的電導率。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。當潮氣進入元器件內部時往往會導致電路參數發生改變、短路、信號處理或傳輸線路出現斷路等現象，導致電路板發生故障。2)溶液接觸帶電器件，產生極化效應使溶液導電，可能會使電路板出現電壓過大、電流過大、反向電流等異常現象，導致電容被擊穿、芯片過熱燒壞等損壞電路板。3)在溶液中電極兩端會發生氧化還原反應，在電極中的負極會析出金屬，可能會導致芯片引腳短路。4)在潮濕環境下外殼以及 PCB 板上金屬與空氣中的氧氣易發生氧化反應。5)溶液中還可能發生置換反應，焊接點錫置換出銅，導致元器件脫離焊盤或者短路現象發生。

　　1.3系統總設計

　　通過上一節的分析，防水設計首先應當從外殼結構入手，設計氣密性良好的外殼結構，從根源上盡可能杜絕電路板與水接觸的可能;其次改進硬件電路設計，使測試系統能夠在異常電流時自保護，并且保證傳感器電纜斷裂不會損壞記錄儀。除此之外，應當考慮記錄儀抗沖擊、意外導致外殼破損、裝置小巧且使用便捷等問題。為方便振動測試系統多點采集，共設置 12 路采集信號，通過線纜可連接 4 個三軸加速度傳感器，在彈體的頭部、中部、尾部分別安裝一個傳感器，另留有一個備用電纜接口。

　　采集裝置主要由 FPGA 控制模塊、信號調理模塊、A/D 轉換模塊、智能電源管理模塊、FLASH 存儲模塊以及讀數口等組成。讀數口使用(J30J⁃9)九針口，讀數裝置設置觸發和讀數兩條電纜。通過讀數裝置可以對記錄儀進行數據擦除、上電、數據讀取等多重操作。該系統通過讀數裝置提供觸發電頻進行上電操作，使記錄儀進入延時采樣狀態，待一定時間后記錄儀進入采樣狀態。傳感器輸出信號電氣隔離后經調理模塊進入 A/D轉換器，轉化為數字信號并存儲于大容量 FLASH存儲芯片中。試驗完成后由讀數裝置進行數據回讀，通過電腦軟件進行數據分析與展示。

　　2 記錄儀防水結構設計

　　2.1 外殼設計外殼的結構

　　防水是最直接有效的防水方式，根據實際使用情況設計外殼結構。記錄儀整體結構為正方體，主要分為三個部分：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殼。電路板讀數口使用螺絲固定于內殼表面，傳感器電纜穿過內殼，指示燈和充電口使用強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殼。內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。

　　當一側介質對橡膠圈擠壓時，橡膠圈被迫移動至溝槽另一側，由于橡膠本身高彈性和較大的壓力傳遞系數的原因，受到的介質壓力越大，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。當接觸面上的接觸壓力大于介質壓力時，形成自密封狀態。

　　3 防水電路設計

　　3.1 電氣隔離在振動測試系統中，為避免因傳感器外置接插件處受外界因素影響出現異常電流導致燒壞測試系統，使用電氣隔離的方式避免傳感器輸出與采集系統建立電流流動路徑的同時保證信息的傳遞。如此可有效防止因傳感器輸出電纜浸水導致的異常電流損壞下級電路。每個通道的輸出端都使用 INA⁃149 高共模電壓差動放大器實現電氣隔離的功能。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 過流保護從浸水損壞原因分析中可以得知，短路引起電流過大導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。過流保護是指當電路中負載的實際電流超過額定值一定程度或一定時間時，裝置能夠自行斷電來保護電路不受損壞的措施。在電子設備中常用的過流保護方法是在回路中加入保險絲，當電流過大時自動斷開。考慮到記錄儀需要灌封，不可以拆卸。

　　因此記錄儀選用自恢復保險絲作為過流保護的保護元件。振動測試系統中負載電流主要來源于多個傳感器的額定工作電流。傳感器額定電流在設計階段可以預知且工作時電流相對恒定，在為傳感器供電的 DC/DC輸入引腳前放置自保護保險絲預防電流過載，不僅在測試系統的前期設計階段方便選擇自恢復保險絲的型號，而且由于測試系統是數模分離的，在模擬部分發生故障導 致 保 險 絲 斷 路 時 不 會 影 響 數 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。除此之外在設計 PCB 板時需要將穿孔與焊點保持一定距離。

　　4 防水試驗

　　4.1 接插件浸水試驗

　　由于河流中具體成分復雜，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境。配置當量濃度為 0.001 N 的 NaCl水溶液，查詢蘭氏化學手冊得知其電導率為 106.5 S·cm2·equiv-1。實驗步驟如下：1)將傳感器供電端電纜深入水溶液中，監測電流變化，觀測到電流稍稍增大，遠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據傳輸電纜共同浸入水中，電流未發生明顯變化。3)將傳感器供電端正負極斷接，檢測到自恢復保險絲進入熔斷—恢復—熔斷的循環中，持續 1 h 后停止短接，重新檢查到記錄儀功能正常。

　　4.2 結構防水試驗

　　將記錄儀完全裝好后，分別于水池上方 1 m，3 m，5 m 處重復做多次跌落試驗;然后根據防護等級 IPX 7試驗要求，將記錄儀置于 1 m 深的水池中浸泡 30 min。試驗結束后，將記錄儀表面擦干，打開旋蓋后觀察到殼體內保持干燥，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 語

　　本文以試驗時彈載記錄儀隨試驗彈跌落水中，導致記錄儀損壞、數據丟失為背景，設計一個可防水的多通道彈載振動測試系統。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，設計了合理的防水機械結構，改進了測試系統的硬件電路和工作模式，為設計可靠彈載測試系統提供了防水方案。

　　參 考 文 獻：

　　[1] 魏曉凱，李杰，馮凱強，等 .滾轉穩定平臺抗高過載結構優化設計與分析[J].中國慣性技術學報，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結構設計及優化[J].兵器裝備工程學報，2020，41(2)：166⁃169.

　　[3] 劉歡 . 金屬鹽⁃有機溶劑⁃水體系電導率研究[D]. 大連：大連理工大學，2017.

　　[4] 蔣偉華 . 基于 O 形橡膠圈密封的高壓容器設計和研究[D]. 杭州：浙江大學，2006.

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

　　[6] 徐向東 . 基于電導法的原油含水率檢測系統的設計[D]. 哈爾濱：哈爾濱理工大學，2020.

　　[7] 陳志，高鈺，董蓉，等 .機械密封橡膠 O 形圈密封性能的有限元分析[J].四川大學學報(工程科學版)，2011，43(5)：234⁃239.

　　[8] 張宏偉，張九根，施丹 . 基于 L4970A 芯片的直流電源設計[J].電子器件，2019，42(1)：126⁃131.

　　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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