趙宏旭 王 茜 王家林

(中國(guó)民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300)

飛機(jī)電纜屏蔽層環(huán)路阻抗測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙宏旭 王 茜 王家林

(中國(guó)民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300)

雷電及高強(qiáng)度輻射場(chǎng)會(huì)使航空總線屏蔽層產(chǎn)生瞬時(shí)高電流，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。將屏蔽層雙端接地，可將瞬時(shí)高電流導(dǎo)入飛機(jī)機(jī)體，有效降低其對(duì)總線數(shù)據(jù)的影響。而屏蔽層自身阻抗及屏蔽層與結(jié)構(gòu)地的端接阻抗，是衡量屏蔽效能的重要參數(shù)?；谑噶侩妷弘娏鞣?，采用電磁感應(yīng)技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛機(jī)電纜屏蔽層環(huán)路阻抗的測(cè)試。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該測(cè)試方法有效，測(cè)量范圍寬且誤差小。該方法的實(shí)現(xiàn)為飛機(jī)線纜安裝與維修提供了重要的量化手段和輔助措施。

電纜 輻射場(chǎng) 屏蔽層 環(huán)路阻抗 矢量電壓電流法 電磁感應(yīng) 傅里葉變換

0 引言

電傳飛行控制系統(tǒng)的廣泛使用促進(jìn)了航電系統(tǒng)的綜合化。航空總線作為信息交互的主要載體，用來確保傳輸信號(hào)的可靠性和完整性。但不可預(yù)知的雷電以及高強(qiáng)度輻射場(chǎng)對(duì)總線信號(hào)傳輸質(zhì)量提出了挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)此類復(fù)雜的電磁干擾[1]，在飛機(jī)特定區(qū)域?qū)偩€屏蔽層進(jìn)行了雙端接地，通過航空插頭將屏蔽層兩端與飛機(jī)結(jié)構(gòu)地相連構(gòu)成屏蔽層環(huán)路，在接地良好的情況下可將屏蔽層上感應(yīng)生成的瞬時(shí)高電流導(dǎo)入結(jié)構(gòu)地，以避免其對(duì)傳輸信號(hào)產(chǎn)生干擾[2]。而接地可靠性主要取決于屏蔽層的自身電阻。由于屏蔽層磨損等情況會(huì)導(dǎo)致屏蔽層自身阻值過大，進(jìn)而嚴(yán)重降低屏蔽效能。同時(shí)，航空插頭也可能由于不良連接，致使端接電阻變大而影響屏蔽效能。

傳統(tǒng)的屏蔽層阻抗測(cè)試方法必須在測(cè)試前后分別拆卸電纜和重新安裝電纜[3]。這種方法雖然可以有效地測(cè)量屏蔽層自身電阻，但忽略了屏蔽層與結(jié)構(gòu)地相連的端接電阻檢測(cè)，所以在重新安裝電纜過程中可能出現(xiàn)由于不良操作導(dǎo)致端接不良的情況，致使屏蔽效能嚴(yán)重下降。本文基于矢量電壓電流法，利用電磁感應(yīng)技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種不必拆卸電纜的屏蔽測(cè)環(huán)路阻抗測(cè)試方法。

1 矢量電壓電流法

線纜屏蔽層阻抗測(cè)試方法如圖1所示。電纜屏蔽層、飛機(jī)機(jī)體以及電纜插頭組成屏蔽層環(huán)路，使用驅(qū)動(dòng)耦合夾鉗在屏蔽層環(huán)路中感應(yīng)生成環(huán)路電壓，同時(shí)使用感應(yīng)耦合夾鉗對(duì)環(huán)路電流進(jìn)行提取采集；隨后運(yùn)用矢量電壓電流法求解環(huán)路阻抗，在假設(shè)結(jié)構(gòu)地阻抗相對(duì)較小的條件下，測(cè)量所得的環(huán)路阻抗能充分反映屏蔽層的質(zhì)量和短接情況。如環(huán)路阻抗在允許范圍內(nèi)，證明屏蔽層及端接情況均良好；如環(huán)路阻抗超標(biāo)，則認(rèn)為屏蔽層或/與端接情況出現(xiàn)問題。對(duì)此，使用結(jié)點(diǎn)探針采集航空插頭兩端的結(jié)點(diǎn)電壓，并再次運(yùn)用矢量電壓電流法求解結(jié)點(diǎn)阻抗，以分辨問題來源于屏蔽層還是航空插頭[4]。

圖1 線纜屏蔽層阻抗測(cè)試方法

Fig.1 Test method of the cable shield impedance

為了應(yīng)用矢量電壓電流法求解環(huán)路阻抗，首先生成驅(qū)動(dòng)電壓UD(t)。設(shè)定驅(qū)動(dòng)電壓頻率f=200 Hz，幅值A(chǔ)=±5 V，初始相位θ=0°。

UD(t)=Asin(2πft+θ)

(1)

通過感應(yīng)夾鉗，將驅(qū)動(dòng)電壓耦合到屏蔽層環(huán)路中，形成環(huán)路電壓UL(t)和環(huán)路電流IL(t)，矢量電壓電流法框圖如圖2所示。

圖2 矢量電壓電流法框圖

Fig.2 The vector voltage current method

當(dāng)1≤k≤N時(shí)，以fS=50 kHz的采樣頻率對(duì)環(huán)路電壓和環(huán)路電流進(jìn)行采樣，得離散電壓信號(hào)UL(k)和離散電流信號(hào)IL(k)，如式(2)和式(3)所示。

UL(k)={UL(1),UL(2),UL(3),…,UL(n)}

(2)

IL(k)={IL(1),IL(2),IL(3),…,IL(n)}

(3)

隨后，當(dāng)1≤K≤N時(shí),以N=5 000的窗口大小，分別對(duì)電壓UL(k)和電流IL(k)進(jìn)行快速傅里葉變換[5]，得N維復(fù)數(shù)序列ULFFT(K)和ILFFT(K)，如式(4)和式(5)所示。其中，每個(gè)復(fù)數(shù)均對(duì)應(yīng)一個(gè)頻率分量。

ULFFT(K)=FFT[UL(k)]=ULFFTR(K)+ jULFFTX(K)

(4)

ILFFT(K)=FFT[LL(k)]=ILFFTR(K)+ jILFFTX(K)

(5)

式中：ULFFTR(K)和ULFFTX(K)分別為環(huán)路電壓ULFFT(K)的實(shí)部與虛部；ILFFTR(K)和ILFFTX(K)分別為環(huán)路電流ILFFT(K)的實(shí)部與虛部。

根據(jù)式(6)，可求得fK=200 Hz所對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)。

(6)

在式(6)中代入fK=200 Hz、N=5 000、fS=50 kHz，解得K=21；提取環(huán)路電壓ULFFT(21)和環(huán)路電流ILFFT(21)，并通過矢量運(yùn)算求解環(huán)路阻抗[6]，如式(7)所示。

(7)

其中，環(huán)路阻抗的實(shí)部為環(huán)路電阻，如式(8)所示。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包含上位機(jī)、控制平臺(tái)、輔助電路以及測(cè)試工具四部分。其中：上位機(jī)主要用于實(shí)現(xiàn)用戶界面，負(fù)責(zé)接收用戶指令和顯示測(cè)量結(jié)果；控制平臺(tái)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)邏輯控制、數(shù)據(jù)處理以及驅(qū)動(dòng)信號(hào)的生成和反饋信號(hào)的采集；輔助電路作用于控制平臺(tái)和測(cè)試工具之間，主要負(fù)責(zé)反饋信號(hào)的預(yù)處理以及測(cè)試工具工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)；測(cè)試工具包含兩個(gè)耦合夾鉗和一對(duì)探針，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的耦合和反饋信號(hào)的感應(yīng)。線纜屏蔽層阻抗測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖3所示。

2.1 控制平臺(tái)

控制平臺(tái)以美國(guó)NI公司推出的可重新配置嵌入式控制和采集系統(tǒng)NI CompactRIO硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)。其主要包含一塊工業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)處理器、一塊可重新配置的FPGA、一塊4通道±10 V的模擬信號(hào)輸出板卡以及一塊4通道±10 V的模擬信號(hào)采集板卡。

實(shí)時(shí)處理器位于整個(gè)控制平臺(tái)的最上層，基于狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)頂層邏輯控制。其一端通過PCI總線與底層FPGA進(jìn)行通信，另一端通過以太網(wǎng)線與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。FPGA作為這個(gè)控制平臺(tái)的核心，主要負(fù)責(zé)模擬輸入、輸出板卡的配置與驅(qū)動(dòng)，并且完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的快速傅立葉變換。模擬信號(hào)輸出板卡內(nèi)置16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，以100 kS/s速率輸出200 Hz、±5 V的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)。模擬信號(hào)輸入板卡內(nèi)置24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠以50 kS/s的速率對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，其采樣分辨率為1.2 μV。

圖3 線纜屏蔽層阻抗測(cè)試系統(tǒng)框圖

Fig.3 Block diagram of the test system of cable shield impedance

2.2 測(cè)試工具

測(cè)試工具主要包含兩個(gè)耦合夾鉗和一對(duì)探針，兩個(gè)耦合夾鉗按功能可分為驅(qū)動(dòng)夾鉗和感應(yīng)夾鉗，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同，均由一根磁芯和大小兩組線圈組成。其工作原理如圖4所示，其中大線圈1 000匝、小線圈10匝。測(cè)量時(shí)將兩個(gè)夾鉗充分閉合于屏蔽層環(huán)路上，驅(qū)動(dòng)夾鉗的大線圈和磁芯與屏蔽層環(huán)路構(gòu)成互感結(jié)構(gòu)，以1 000∶1的比例將驅(qū)動(dòng)電壓UD耦合到屏蔽層環(huán)路，形成環(huán)路電壓UL。

圖4 測(cè)試工具工作原理圖

Fig.4 Working principle of the test tools

同理，感應(yīng)夾鉗的大線圈和磁芯與屏蔽層環(huán)路構(gòu)成互感結(jié)構(gòu)，以1 000：1的比例對(duì)屏蔽層環(huán)路電流IL進(jìn)行感應(yīng)得到感應(yīng)電流IS。當(dāng)夾鉗充分閉合時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓與感應(yīng)電流的關(guān)系如式(9)所示[7]。

(9)

當(dāng)夾鉗未充分閉合時(shí)，由驅(qū)動(dòng)夾鉗大線圈產(chǎn)生的感應(yīng)磁通會(huì)在夾鉗未充分閉合處泄漏，造成驅(qū)動(dòng)電壓與環(huán)路電壓的比值偏離線圈匝數(shù)比，進(jìn)而產(chǎn)生測(cè)量誤差。為了應(yīng)對(duì)此類問題，在夾鉗中引入10匝小線圈，用于實(shí)時(shí)測(cè)量屏蔽層環(huán)路中的環(huán)路電壓并得到感應(yīng)電壓US，以避免由于夾鉗未充分閉合而帶來的測(cè)量誤差[8]。同時(shí)，感應(yīng)電壓可用于判斷夾鉗是否完全閉合?；诟袘?yīng)電壓的環(huán)路阻抗求解公式如式(10)所示。

(10)

當(dāng)完成屏蔽層環(huán)路阻抗測(cè)試后，如結(jié)果超出允許范圍，則證明屏蔽層自身電阻過高或者航空插頭端接不良，此時(shí)應(yīng)用探針提取航空插頭兩端的結(jié)點(diǎn)電壓UJ。結(jié)點(diǎn)阻抗如式(11)所示。

(11)

2.3 輔助電路

耦合夾鉗和探針等測(cè)試工具所測(cè)量輸出的US、IS以及UJ等模擬信號(hào)，由控制平臺(tái)進(jìn)行采集。除US以外，IS和UJ信號(hào)均受限于控制平臺(tái)的采集能力。首先，要設(shè)計(jì)輔助電路，分別對(duì)IS和UJ進(jìn)行預(yù)處理，隨后將預(yù)處理后信號(hào)送至控制平臺(tái)進(jìn)行采集。

對(duì)于感應(yīng)電流IS，由于控制平臺(tái)不具備電流采集功能，要首先對(duì)其進(jìn)行跨阻放大，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)[9]，輔助電路工作框圖如圖5所示。由測(cè)試量程要求可知，環(huán)路電阻阻值RL取值范圍為[1 mΩ，4 000 mΩ]，而驅(qū)動(dòng)電壓UD的幅值為5 V。由式(9)可知，感應(yīng)電流IS變化范圍為[1.25 μA，5 mA]。假設(shè)跨阻放大系數(shù)AT為1，量綱為Ω，得到轉(zhuǎn)化電壓UT=[1.25 μV，5 mV]。

圖5 輔助電路工作框圖

Fig.5 Block diagram of the supplementary circuits

由于測(cè)試精度要求最終阻值測(cè)量結(jié)果誤差小于±5%，即意味著測(cè)量精度至少要達(dá)到最小電流5%的精度，所以控制平臺(tái)的最小電壓分辨率應(yīng)為UT最小值的5%，即0.062 5 μV。而如前文所述，控制平臺(tái)實(shí)際分辨率為1.2 μV，所以需要將此信號(hào)進(jìn)行無失真放大，且最小放大系數(shù)AT為19.2。

同時(shí)，考慮到IS最大取值為5 mA，過大的AT會(huì)導(dǎo)致在IS取值較大時(shí)，因相應(yīng)的UT超過控制平臺(tái)的最大采集范圍或者跨阻放大電路自身的供電電壓而出現(xiàn)截止，所以設(shè)定跨阻放大系數(shù)AT為1 000。

對(duì)于結(jié)點(diǎn)電壓UJ，則無須進(jìn)行跨阻轉(zhuǎn)換，但要考慮測(cè)量范圍和控制板卡的采集能力，對(duì)其進(jìn)行差分放大，其放大系數(shù)AD為100，設(shè)定思路與跨阻放大系數(shù)相類似。

輔助電路與差分放大電路并行存在一個(gè)檢測(cè)電路[10]，用于檢測(cè)探針是否與被測(cè)結(jié)點(diǎn)接觸良好。在結(jié)點(diǎn)電壓之間引入直流偏至電壓。直流偏至電壓由三個(gè)同阻值電阻所構(gòu)成的分壓器提供。假設(shè)當(dāng)探針接觸不良時(shí)，則UJT等于5/3 V。如果探針接觸良好，由于理想結(jié)點(diǎn)電阻很小，屬于mΩ級(jí)別，這時(shí)將短路電阻R3，使檢測(cè)電壓UJT很小。通過這種辦法，可以有效判斷探針是否與被測(cè)結(jié)點(diǎn)充分接觸，避免出現(xiàn)由人為因素引起的測(cè)量誤差。

2.4 上位機(jī)

上位機(jī)選用液晶觸屏一體機(jī)，通過以太網(wǎng)線與控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)雙向傳輸，在向下傳送指令的同時(shí)向上反饋測(cè)量結(jié)果。上位機(jī)基于LabVIEW圖形化編程環(huán)境設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)人工交互界面，人工交互界面主要由顯示窗口、選擇按鍵以及指示燈組成。顯示窗口用于顯示測(cè)量結(jié)果以及相關(guān)提示信息。選擇按鍵用于觸發(fā)環(huán)路測(cè)量、結(jié)點(diǎn)測(cè)量、校正或者數(shù)據(jù)保存等系統(tǒng)功能。指示燈用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試工具的工作狀態(tài)，避免出現(xiàn)由測(cè)試工具安裝不當(dāng)所導(dǎo)致的測(cè)量誤差。

3 測(cè)試平臺(tái)及結(jié)果分析

測(cè)量試驗(yàn)選用波音公司的環(huán)路標(biāo)準(zhǔn)電阻RLSN和結(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)電阻RJSN。其中：RLS1=2.047 mΩ，RLS2=8.541 mΩ，RLS3=14.1 mΩ，RLS4=3 659 mΩ，RJS1=0.5 mΩ，RJS2=4.997 mΩ，RJS3=25.01 mΩ，RJS4=50 mΩ，RJS5=3 603 mΩ。分別對(duì)每個(gè)環(huán)路電阻和結(jié)點(diǎn)電阻進(jìn)行四次測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1和表2所示。由于被測(cè)電阻阻值跨度過大，所以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值和測(cè)量數(shù)值均進(jìn)行對(duì)數(shù)計(jì)算，單位由Ω轉(zhuǎn)化為dB。

表1 環(huán)路電阻測(cè)量結(jié)果Tab.1 Measurements of the loop resistance

表2 結(jié)點(diǎn)電阻測(cè)量結(jié)果Tab.2 Measurements of the joint resistance

如表1、表2所示，各組測(cè)量阻值均近似等于標(biāo)準(zhǔn)阻值，根據(jù)式(12)、式(13)，可計(jì)算各組阻值測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差。

(12)

(13)

式中：δLN為環(huán)路電阻測(cè)量相對(duì)誤差；RLTN為環(huán)路電阻測(cè)量值；RLSN為環(huán)路電阻標(biāo)準(zhǔn)值；δJN為結(jié)點(diǎn)電阻測(cè)量相對(duì)誤差；RJTN為結(jié)點(diǎn)電阻測(cè)量值；RJSN為結(jié)點(diǎn)電阻標(biāo)準(zhǔn)值；N為標(biāo)準(zhǔn)電阻序號(hào)。環(huán)路電阻及結(jié)點(diǎn)電阻測(cè)量相對(duì)誤差如表3所示。

表3 相對(duì)誤差Tab.3 Relative errors

如表3所示，本文所述方法可有效測(cè)量電纜屏蔽層所構(gòu)成的環(huán)路電阻及結(jié)點(diǎn)電阻，測(cè)量范圍為[1 mΩ，4 000 mΩ]，且全量程測(cè)量相對(duì)誤差小于2%。

4 結(jié)束語

本文使用耦合夾鉗以及結(jié)點(diǎn)探針作為測(cè)試工具，以NI CompactRIO作為控制平臺(tái)，設(shè)計(jì)了跨阻放大、差分放大以及探針檢測(cè)等輔助電路，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)電纜屏蔽層阻抗測(cè)試方法。在無需拆卸電纜的情況下，通過環(huán)路阻抗測(cè)試模式判斷屏蔽層屏蔽效能，并通過結(jié)點(diǎn)阻抗測(cè)試模式確定問題來源。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，環(huán)路阻抗測(cè)試及結(jié)點(diǎn)阻抗測(cè)試范圍可達(dá)到[1mΩ，4 000 mΩ]，全量程測(cè)量相對(duì)誤差小于2%。

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Design and Implementation of the Loop Impedance Test System of Aircraft Cable Shield

Thunder lighting and high intensity radiation fields may cause the shield of avionic bus to produce high instantaneous current and affect the reliability of data transmission. Grounded both ends of the shield will introduce the high instantaneous current into aircraft frame,to effectively reduce the influence to the bus data.The own impedance of the shield and the termination impedance between shield and structural ground are the important parameters for measuring the shielding effectiveness.Based on vector voltage current method,and by using electromagnetic induction technology design,the test method for loop impedance of aircraft cable shield is implemented.The tests verify that this method is effective,and the measuring range is wide,the error is small.The implementation of this method provides important quantization means and supplementary measures for installation and maintenance of aircraft cables.

Cable Radiation field Shielding layer Loop impedance Vector voltage-current method Electromagnetic induction Fourier transform

國(guó)家商用飛機(jī)制造工程技術(shù)研究中心創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：SAMC14-JS-15-054)；

中央高?；A(chǔ)研究課題基金資助項(xiàng)目(編號(hào)： 3122015D013)；

中央高?；A(chǔ)研究課題基金資助項(xiàng)目(編號(hào)： 3122015F002)。

趙宏旭(1985—)，男，2009年畢業(yè)于比利時(shí)天主教魯汶大學(xué)電氣工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，講師；主要從事航空地面測(cè)試設(shè)備與故障診斷技術(shù)方向的研究。

TH7;TP206

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201612011

修改稿收到日期：2016-05-23。