多通道弹载振动测试系统的防水设计

　　摘 要：为解决弹体跌落水中导致多通道弹载记录仪损坏、数据丢失的问题，文中分析记录仪浸水损坏的原因，根据导弹导航信息测试的实际需求，设计多通道弹载振动测试系统的防水结构和防水电路。首先根据 IPX7级外壳防护要求，计算并设计带有 O 型密封圈旋盖的机械外壳，可保证在 23.24 MPa 的介质冲击下载荷不泄露;其次，为便于整体防水，改进系统的工作模式，将数据擦除、数据读取、电源开关控制的功能集成到一个接口。针对多通道振动测试系统需要外接传感器电缆的特点，从硬件设计入手加入电气隔离和过流保护模块。最后通过接插件浸水试验、5 m 水池跌落试验和浸泡试验进行验证。结果表明，文中方法可为设计可靠的弹载记录仪提供一定的参考。

　　关键词：弹载记录仪;多通道;震动测试系统;密封结构;防水设计;O 型橡胶圈密封;过流保护;防水试验

　　引 言

　　炮射导弹的发展与弹体姿态、位置、速度等导航信息参数的精确测量息息相关[1]。记录仪搭载于弹体内部，实验时随弹体升空并记录弹道过程的各个参数，弹体落至指定的回收区域，寻回并拆解弹体后取回弹载记录仪，读取并分析存于记录仪内部的多参数数据[2]。但实际试验过程中，试验弹常常难以精准降落在小范围区域，尤其是当弹体选择擦地回收时，回收区域将成倍数扩大。弹体跌落入河流或因降雨形成水沟的可能性无法避免。

　　入水时产生的冲击载荷会导致外接传感器电缆断裂、水侵入记录仪等意外发生，轻则导致仪器功能受损，重则损坏存储芯片，导致数据丢失。因此，弹载振动测试系统的防水设计是系统设计中必不可少的环节。目前对电子设备的防水措施主要是做结构防水，不同功能测试系统结构设计差异较大，并且很难做到完全气密。本文对记录仪浸水损坏原理进行了详细分析，并根据分析结果对多路振动测试系统从机械结构和硬件方面进行了防水设计。

　　1 记录仪浸水损坏原理分析

　　1.1 水体导电原理

　　物体中可以自由移动的带电粒子定向移动形成电流，溶液中的导电能力即为电导率。纯水中载流子为浓度极低的氢离子和氢氧根离子，其本身具有弱电解平衡。自然环境中河流与积水为含有多种离子混合的复杂水溶液。当带电元器件进入溶液中，会产生极化效应和电容效应，从而影响溶液的电导率。溶液中的离子会吸附在双层电极的表面使其带电，从而形成双电层，电荷的分布情况与平板电容器类似[4]。

　　1.2 记录仪浸水损坏原因分析

　　1)因工艺、散热等问题，元器件难以做到完全气密性封装。当潮气进入元器件内部时往往会导致电路参数发生改变、短路、信号处理或传输线路出现断路等现象，导致电路板发生故障。2)溶液接触带电器件，产生极化效应使溶液导电，可能会使电路板出现电压过大、电流过大、反向电流等异常现象，导致电容被击穿、芯片过热烧坏等损坏电路板。3)在溶液中电极两端会发生氧化还原反应，在电极中的负极会析出金属，可能会导致芯片引脚短路。4)在潮湿环境下外壳以及 PCB 板上金属与空气中的氧气易发生氧化反应。5)溶液中还可能发生置换反应，焊接点锡置换出铜，导致元器件脱离焊盘或者短路现象发生。

　　1.3系统总设计

　　通过上一节的分析，防水设计首先应当从外壳结构入手，设计气密性良好的外壳结构，从根源上尽可能杜绝电路板与水接触的可能;其次改进硬件电路设计，使测试系统能够在异常电流时自保护，并且保证传感器电缆断裂不会损坏记录仪。除此之外，应当考虑记录仪抗冲击、意外导致外壳破损、装置小巧且使用便捷等问题。为方便振动测试系统多点采集，共设置 12 路采集信号，通过线缆可连接 4 个三轴加速度传感器，在弹体的头部、中部、尾部分别安装一个传感器，另留有一个备用电缆接口。

　　采集装置主要由 FPGA 控制模块、信号调理模块、A/D 转换模块、智能电源管理模块、FLASH 存储模块以及读数口等组成。读数口使用(J30J⁃9)九针口，读数装置设置触发和读数两条电缆。通过读数装置可以对记录仪进行数据擦除、上电、数据读取等多重操作。该系统通过读数装置提供触发电频进行上电操作，使记录仪进入延时采样状态，待一定时间后记录仪进入采样状态。传感器输出信号电气隔离后经调理模块进入 A/D转换器，转化为数字信号并存储于大容量 FLASH存储芯片中。试验完成后由读数装置进行数据回读，通过电脑软件进行数据分析与展示。

　　2 记录仪防水结构设计

　　2.1 外壳设计外壳的结构

　　防水是最直接有效的防水方式，根据实际使用情况设计外壳结构。记录仪整体结构为正方体，主要分为三个部分：刚体外壳、外壳体旋盖以及固定有电路和电池灌封体的金属铝内壳。电路板读数口使用螺丝固定于内壳表面，传感器电缆穿过内壳，指示灯和充电口使用强力胶固定并涂抹硅胶做密封处理。将蜜蜡通过传感器电缆开口处灌入内壳。内壳包裹一圈胶垫做缓振处理后将其塞入金属外壳，再用硅胶灌满空余空间。在记录仪面板处放置绝缘胶垫，最后拧上具有 O 型橡胶圈的旋盖。

　　当一侧介质对橡胶圈挤压时，橡胶圈被迫移动至沟槽另一侧，由于橡胶本身高弹性和较大的压力传递系数的原因，受到的介质压力越大，橡胶圈的形变程度越大，橡胶圈对密封面的传递压力就越大。当接触面上的接触压力大于介质压力时，形成自密封状态。

　　3 防水电路设计

　　3.1 电气隔离在振动测试系统中，为避免因传感器外置接插件处受外界因素影响出现异常电流导致烧坏测试系统，使用电气隔离的方式避免传感器输出与采集系统建立电流流动路径的同时保证信息的传递。如此可有效防止因传感器输出电缆浸水导致的异常电流损坏下级电路。每个通道的输出端都使用 INA⁃149 高共模电压差动放大器实现电气隔离的功能。INA⁃149 是一款最大增益误差仅有 3 500 μV 的高精度单位增益放大器，±275 V的差分电压工作范围和 500 Hz 的带宽足以满足测试要求。

　　3.2 过流保护从浸水损坏原因分析中可以得知，短路引起电流过大导致电路板元器件烧坏是记录仪损坏的常见问题，因此需要过流保护。过流保护是指当电路中负载的实际电流超过额定值一定程度或一定时间时，装置能够自行断电来保护电路不受损坏的措施。在电子设备中常用的过流保护方法是在回路中加入保险丝，当电流过大时自动断开。考虑到记录仪需要灌封，不可以拆卸。

　　因此记录仪选用自恢复保险丝作为过流保护的保护元件。振动测试系统中负载电流主要来源于多个传感器的额定工作电流。传感器额定电流在设计阶段可以预知且工作时电流相对恒定，在为传感器供电的 DC/DC输入引脚前放置自保护保险丝预防电流过载，不仅在测试系统的前期设计阶段方便选择自恢复保险丝的型号，而且由于测试系统是数模分离的，在模拟部分发生故障导 致 保 险 丝 断 路 时 不 会 影 响 数 字 部 分 。

　　3.3 其他防水措施

　　在充电口正极 VIN 与电池正极 BATVCC 相连的回路上放置二极管与电阻并联的电路，可以有效防止因充电口短路烧毁记录仪。除此之外在设计 PCB 板时需要将穿孔与焊点保持一定距离。

　　4 防水试验

　　4.1 接插件浸水试验

　　由于河流中具体成分复杂，不同地域存在较大差异，因此配置一定浓度的水溶液代替浸水环境。配置当量浓度为 0.001 N 的 NaCl水溶液，查询兰氏化学手册得知其电导率为 106.5 S·cm2·equiv-1。实验步骤如下：1)将传感器供电端电缆深入水溶液中，监测电流变化，观测到电流稍稍增大，远低于传感器额定工作电流，不影响记录仪正常工作。2)将传感器供电端正极与传感器数据传输电缆共同浸入水中，电流未发生明显变化。3)将传感器供电端正负极断接，检测到自恢复保险丝进入熔断—恢复—熔断的循环中，持续 1 h 后停止短接，重新检查到记录仪功能正常。

　　4.2 结构防水试验

　　将记录仪完全装好后，分别于水池上方 1 m，3 m，5 m 处重复做多次跌落试验;然后根据防护等级 IPX 7试验要求，将记录仪置于 1 m 深的水池中浸泡 30 min。试验结束后，将记录仪表面擦干，打开旋盖后观察到壳体内保持干燥，无液体渗入。接上传感器后重新测试，检测记录仪功能正常。

　　5 结 语

　　本文以试验时弹载记录仪随试验弹跌落水中，导致记录仪损坏、数据丢失为背景，设计一个可防水的多通道弹载振动测试系统。针对多通道弹载振动记录仪多接口以及多电缆需外置的特点，设计了合理的防水机械结构，改进了测试系统的硬件电路和工作模式，为设计可靠弹载测试系统提供了防水方案。

　　参 考 文 献：

　　[1] 魏晓凯，李杰，冯凯强，等 .滚转稳定平台抗高过载结构优化设计与分析[J].中国惯性技术学报，2018，26(5)：603⁃609.

　　[2] 王艳，郭靖，张会新，等 .弹载记录仪存储模块防护结构设计及优化[J].兵器装备工程学报，2020，41(2)：166⁃169.

　　[3] 刘欢 . 金属盐⁃有机溶剂⁃水体系电导率研究[D]. 大连：大连理工大学，2017.

　　[4] 蒋伟华 . 基于 O 形橡胶圈密封的高压容器设计和研究[D]. 杭州：浙江大学，2006.

　　[5] CAEL H hamann，ANERAW hamnett，WOLF Vielstich. 电化学[M]//陈艳霞，夏兴华，蔡俊，译 . 北京：化学工业出版社，2010.

　　[6] 徐向东 . 基于电导法的原油含水率检测系统的设计[D]. 哈尔滨：哈尔滨理工大学，2020.

　　[7] 陈志，高钰，董蓉，等 .机械密封橡胶 O 形圈密封性能的有限元分析[J].四川大学学报(工程科学版)，2011，43(5)：234⁃239.

　　[8] 张宏伟，张九根，施丹 . 基于 L4970A 芯片的直流电源设计[J].电子器件，2019，42(1)：126⁃131.

　　作者：张嘉铭 1，2，杜红棉 1，2，马游春 1，2，裴 攀 1，2，徐秋瑾 1，2