直升機槳葉加熱組件檢測儀設計

石璐璐

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

直升機槳葉加熱組件是直升機旋翼防/除冰系統中的重要組成部分，是采用加熱元件形式的電加熱除冰系統。其在直升機上的應用能夠適應直升機的市場需求，滿足直升機在結冰氣象條件下飛行的使用要求，提高直升機生存能力及安全性能并利于戰術性能的發揮[1-2]。目前，直升機槳葉已經開始配備加熱組件，但是，對其檢測仍處于多點人工檢測階段，其檢修能力距離高技術戰爭條件下快速機務保障的要求還有一定差距。現階段，國內外關于此方面的研究較少。文獻[3]、[4]給出了飛機結冰探測技術及除冰方面的研究，可以為加熱組件檢測儀的設計提供思路，但是沒有給出其設計的具體方法。文獻[5]給出了目前常用的加熱組件檢測方法：使用萬用表依次檢測每個加熱元件的電阻通道，使用絕緣電阻檢測儀依次測量相鄰加熱元件之間、加熱組件與前緣包片之間、加熱元件與加熱組件內表面的每處絕緣。然而，這種方法針對每個通道依次測量，既耗費了大量的時間，又容易發生誤操作；同時，其測量數據的精確度不能保證；而且，在實際保障過程中，槳葉加熱組件的接口處于高處，操作的難度較大。文獻[6]給出了一種防冰系統檢測儀的設計，但是這種檢測儀只是針對固定翼機的防冰系統的信號器進行檢測，具有一定的局限性。

本文針對直升機槳葉加熱組件的檢測，對檢測裝置的硬件與軟件部分進行設計，提出一種集成式的、高效的加熱組件檢測系統。首先，介紹加熱組件的結構與檢測儀的工作原理；其次，提出檢測儀的硬件架構；然后，基于Lab Windows/CVI軟件開發平臺進行軟件設計；最后通過檢測結果驗證本設計的可行性。

1 加熱組件結構及檢測儀工作原理

1.1 加熱組件結構

直升機槳葉除冰組件的結構如圖1所示[1]，由加熱元件、絕緣層、前緣包片、溫度傳感器、導線、電連接器及尾部附件等組成，絕緣層又分為導熱絕緣層和隔熱絕緣層。

按照文獻[1]、[2]給出的直升機槳葉加熱組件工作原理，直升機槳葉加熱組件是由多個加熱元件組成的電加熱除冰裝置。工作時，溫度傳感器將獲得的溫度信號傳到控制系統，由控制系統發出加熱指令，接通電源，通過加熱元件對槳葉進行加熱，實現槳葉除冰。為了實現良好的加熱效果，加熱元件、與外界環境隔離的隔熱絕緣層、與槳葉葉身結構隔離的導熱絕緣層必須很好地粘接在一起，并保證導熱絕緣層上的電阻和隔熱絕緣層上的絕緣電阻處于正常狀態。

由此可見，檢測儀最主要的功能即是實現對電阻和絕緣電阻的精準測量。為了保證對直升機槳葉加熱組件的檢測精度，檢測儀應滿足以下技術要求：

1)具備若干個電阻檢測通道，能夠檢測加熱組件中各組加熱元件的電阻值，測量誤差≤2%；

2)具備若干個絕緣電阻檢測通道，能夠檢測加熱組件中各加熱元件與前緣包鐵的電阻值，測量誤差≤2%，檢測電壓為500V DC。

圖1 直升機槳葉加熱組件結構

此外，為了使檢測儀的使用更加方便，功能更加符合實際需求，檢測儀應同時滿足以下要求：

1)數字顯示測量結果，若結果超出誤差范圍，則報警提醒；

2)能夠按既定程序進行自動巡檢或者手動檢測；

3)可自動生成檢測報告，歷史存儲的檢測報告可隨時讀取；

4)人機界面友好、簡潔。

1.2 檢測儀工作原理

為了滿足上述要求，并解決文獻[5]提出的檢測方法所帶來的實際問題，本文首先進行檢測儀工作原理的設計。

根據加熱組件的結構可知，檢測儀的檢測功能有兩個：電阻的檢測和絕緣電阻的檢測。為了使兩種模式互不干擾，同時使每個模式內部檢測數據可靠，本設計為每個待檢測數據設立單獨通道，通過單片機控制繼電器的通斷來實現每個通道數據的傳遞。其他的附加功能則直接通過軟件編程來實現。

電阻檢測的原理是：通過電阻檢測模塊中的恒流源電路給槳葉加熱組件中的加熱元件提供一個恒定的小電流，由差分放大電路對加熱元件兩端的電壓信號進行放大后送入A/D轉換電路。FPGA(現場可編程門陣列)完成A/D轉換電路的控制及低壓繼電器陣列的切換，實現加熱元件的電阻值采集，最后由單片機讀取FPGA中的數據，通過RS232總線發送給檢測軟件進行處理并顯示。其原理框圖見圖2。

圖2 電阻檢測模塊原理圖

絕緣電阻檢測采用市場上采購的程控絕緣電阻檢測儀進行，通過FPGA控制高壓繼電器陣列切換，實現絕緣電阻檢測，檢測軟件通過USB接口讀取絕緣電阻檢測儀測得的絕緣電阻值，將數值進行處理后，顯示在軟件界面上。其原理框圖見圖3。

圖3 絕緣電阻檢測模塊原理圖

2 檢測儀硬件設計

根據工作原理分析，可進行檢測儀的設計，其設計分為硬件設計和軟件設計兩個部分。檢測儀的硬件設計既要滿足功能需求，又要在一定范圍內滿足性能指標要求，因此，在考慮設計需求時，需要在保證設計指標的前提下，同時也保證穩定性。在設計硬件時，要保證性能則應盡量全部用硬件實現；而從降低成本的角度來講，則應盡量使用軟件完成。所以要在兩者之間做出平衡。經過綜合考慮，本文選擇全部用硬件來實現檢測儀的主要功能，軟件則僅僅用來通過設計軟件程序和界面來實現對硬件的控制，通過輸入輸出設備下達操作指令，軟件程序讀取指令控制硬件完成任務。

通過對檢測儀主要功能進行分析，可以對檢測儀的硬件部分進行設計。考慮到現場保障的便捷性與檢測通道的選擇，本文采用工控機的模式來實現檢測儀的各項功能。檢測儀硬件部分如圖4所示，主要由全橋整流堆、電源板、控制板、繼電器板、主板、絕緣電阻測試儀等組成。各部分實現的主要功能如下：

圖4 檢測儀硬件架構

1)全橋整流堆

在檢測儀的設計中，全橋整流堆的作用主要是防止直流電源反接造成檢測儀的損壞。因此，檢測儀接入的28V直流電必須先經過全橋整流堆的處理，才能成為有效電源，輸入電源板中。

2)電源板

電源板是將全橋整流堆輸入的電源轉換成控制板、主板等所需的3.3V、5V、12V直流電源，為檢測儀提供穩定的電壓。

3)控制板

控制板接收到主板發送的控制信號后，利用單片機和FPGA控制繼電器板上繼電器陣列的通斷，從而控制檢測通道的選擇。其核心是起控制作用的單片機和FPGA。

4)繼電器板

繼電器板由低壓繼電器陣列與高壓繼電器陣列集成組成。在檢測儀中，繼電器板起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用；同時還直接控制檢測通道的通斷，也使通道之間產生隔離，防止出現干擾影響測量結果。

5)主板

主板的主要作用是記錄絕緣電阻測試儀采集到的電阻值/絕緣電阻值數據，同時對控制板發出控制信號。

6)絕緣電阻測試儀

絕緣電阻測試儀用來采集加熱組件的電阻值/絕緣電阻值數據，并把它傳遞給主板。

3 檢測儀軟件設計

檢測儀是通過軟件對各個部分的檢測過程進行控制的，并通過軟件進行人機交互操作。考慮到工作效率與實際工況，本文通過Lab Windows/CVI軟件開發平臺進行軟件設計[7-9]，可對相應的加熱組件進行電阻值或絕緣電阻值測試。

在軟件設計方面，參考當今軟件的先進設計思想，采用“自頂向下 逐層分解”的方式，軟件設計成模塊化結構，并將參數和代碼分離，提高了檢測儀軟件的可維護性和可擴展性。

檢測儀軟件工作流程如下：在開機后，首先由主程序對器件進行初始化，測試軟件檢測到相應觸發事件發生時，執行對應的事件，當自動巡檢事件被觸發時，測試軟件向下位機依次發送開通相應檢測通道的指令，并接收上傳的電阻值/絕緣電阻值，處理后進行數字顯示。當相應通道手動測試事件被觸發時，測試軟件向下位機發送開通該檢測通道的指令，并接收上傳的電阻值/絕緣電阻值，處理后進行數字顯示。

檢測儀軟件框圖如圖5所示。

圖5 檢測儀軟件框圖

根據檢測儀功能要求，檢測儀應包含主槳葉檢測面板、尾槳葉檢測面板、計量面板三個界面。主槳葉檢測面板、尾槳葉檢測面板具有電阻和絕緣電阻的自動巡檢功能和手動檢測功能；計量面板完成電阻和絕緣電阻的計量功能。除了檢測按鈕，主、尾槳葉檢測面板上還有溫度選擇控件，根據環境溫度選擇參數選項，用來為絕緣電阻檢測的故障判斷選擇合適的判據。測試完成后，測試數據會顯示在相應通道的顯示框內，數據正常時顯示綠色，若該通道發生故障，則數據顯示為紅色。每個面板的右上方的都有“數據存儲”控件，用來自動生成測試報告并存儲于相應位置。

4 設計實例

為了進一步驗證本文設計的可行性，根據本文的設計過程進行檢測儀的設計，并進行具體測試驗證。

硬件設計中，根據需求選用瑞帆RG3502便攜式計算機、JRW-110MA和JRC-023M兩種繼電器、研華PCM9389寬溫嵌入式主板、U1461A絕緣電阻測試儀、朝陽電源4NIC-K233電源模塊，實現其主要功能。

軟件設計中，選用Lab Windows/CVI提供的timer定時器控件。timer定時器能夠按照設置的時間間隔完成連續的數據采集，同時在數據采集的應用中，線程池結合timer定時器的方法能使CPU處理數據采集工作的效率得到提高。

使用通過上述方法設計出的檢測儀，對某型直升機槳葉加熱組件的電阻及絕緣電阻進行檢測，結果表明，上述測試結果皆在維護規程的范圍內，滿足各部件性能測試及測量精度要求，證明本文的設計方法可行。

5 結論

1) 本文針對槳葉加熱組件地面保障時發現的各種問題，設計了一種集成式的槳葉加熱組件檢測儀，大大降低了操作難度，簡化了操作流程，提高了檢測的效率，解決了人工檢測時過程繁瑣、效率低下、容易漏檢等問題，具有很強的實用性。

2) 基于本文提到的設計方法，在下一步工作中，可以不斷優化軟件設計，集成更多的檢測功能，并提高檢測儀的人機交互與智能化水平。

(3) 本文檢測儀的設計方法可作為直升機其他保障檢測設備設計工作的參考。