基于四线制的电阻自动测量研究与实现

张小辉 吴传贵 王纬国 李珊珊/1 国营芜湖机械厂 2 安徽省航空设备测控与逆向工程实验室

弹射座椅是飞行员的“救生法宝”[1]。随着航空技术的发展，第3 代弹射座椅中含有电子设备[2]，这给弹射座椅的测试、维修和保障带来新的问题。针对传统维修测试方法人工检测效率低、时间长、强度大且易出错等难题，需要研制一台飞机座椅自动综合检测设备，以实现对多型座椅电气附件内各线路通断、绝缘和抗电功能性能的自动检测。其中，为满足线路通断性能测量要求，需要研究四线制电阻测量方法的应用，以实现不同组件导通性指标的精确测量。

1 需求和资源分析

座椅电气附件自动综合检测设备主要针对国内外多型弹射座椅的测试，涉及的电气组件主要包括脱开式信号接头、联锁转换电门、转换电门组件、座椅椅盆电路以及整个座椅的内部电路等。座椅电气附件自动综合检测设备能够实现自动对电阻、绝缘、抗电和控制等多项性能的测试，其中电阻测试主要包括检测触点电阻，并判断其是否满足要求，具体要求是所有电门、开关等元件的触点接触电阻的正常值不大于0.3Ω（含各继电器启动前后的触点接触电阻）。通过对测试中的电阻测量要求进行分析，与电阻测量任务相关的功能包括：四线制电阻、二线制电阻及电压测量；程控电源供电；自动测试，测试资源需求主要有工控机、程控可调电源、数字多用表、信号切换模块及其他辅助设备。

2 四线制测量原理

图1 四线制电阻测量原理图

四线制电阻测量连接方式如图1 所示。电源线（Source Hi-Ho）是电流供给回路，信号线（Sense Hi-Ho）是电压测定回路，电流、电压两回路各自独立。四线法测电阻主要使用一对电源线接电源，另一对信号线将被测电阻R 上的电压降引入电压表Vm测量其端电压VR。由于电压表的内阻非常大，与待测电阻存在数量级的差别，使得流过信号线的电流I1极小，近似为零，此时电压表的输入压降不包含电源线上的压降，而且流过检测线的电流近似为0，不会在信号线上产生压降。因此，电压表输入的压降Vm只反映被测电阻的压降VR，故四线法测得的电阻值非常接近真实值。此外，采用四线法测量电阻时可排除引线电阻和探针以及测试点之间的接触电阻Rs，使测量结果更精确[3]。

3 测试系统设计与实现

3.1 电阻自动测试实现原理

系统电阻测试原理框图如图2 所示。为实现对不同组件导通电阻的自动测量，测试系统以信号切换模块为中心，通过直连方式，将数字多用表/直流电源连接到资源信号切换模块上；将通用连接器插座上的各引脚连接到通道信号切换模块上。通过软件调用数据库测试接口定义表中的数据实现控制资源与通道的连接、通断关系。针对不同的被测对象，根据测试项目和电缆连接关系，设计不同的接口定义表，固化系统测试对信号切换模块的转换要求。

3.2 系统硬件组成

对不同组件功能和性能及电阻测试需求进行分析。设备涉及的测试资源主要有工控机、数字多用表（提供程控可调电源和三用表）、信号切换模块、通用连接器及各型测试电缆。工控机用于提供计算机环境，以及对仪器资源的程序控制。数字多用表的程控可调电源模块主要提供可调直流工作电压（0 ～27V）；数字多用表的三用表模块主要实现触点接触电阻2 线/4 线制测量和电压测量。通用连接器及各型测试电缆主要用于被测产品与设备的电气连接。

数字多用表选用是德科技（原安捷伦测试测量部）的U3606B 三用表/直流电源混合仪器，一台仪器可实现两种功能，既可当5 位半三用表使用，又可作为30V/1A、8V/3A、30W 直流电源使用。

3.3 系统软件设计及实现

1）系统软件总体设计

为了实现不同电阻的自动测量，测试软件的主要任务包括：提供人机交互操作界面；实现对数字多用表的功能设置、测量及结果读取；实现对信号切换模块内的所有继电器的通断控制；实现手动/自动测试流程控制、测量数据比较、结果显示、打印等功能。

图2 系统电阻测试原理框图

根据测试系统的功能和性能特点及需要，重点围绕自动测试进行分析设计，同时还需要实现数字多用表的操作控制。在自动测试过程中，由主程序直接对数字多用表进行设置、测量与数据读取；在手动测试时，由数字多用表控制程序实现对其操作。

2）自动测试流程设计

自动测试流程图如图3 所示。自动测试模块主要完成产品的测试项目选择及测试，主要解决系统的自动化测试要求，根据测试过程需求，设计了单次测试和自动测试两个控制流程。自动测试流程包括：初始化自动测试界面的控件状态和测试项目数据；根据被测对象产品型号，在测试模块选择控件中选定对应的模块名称，系统可自动显示当前模块对应的测试项目；输入产品和操作/检验者信息后，选择单次/自动测试方式进行测量；根据测试结果可选择继续测试或退出。

3）数字多用表控制流程设计

通过数字多用表控制虚拟面板完成对数字多用表的控制和数据显示，主要功能包括：复位数字多用表；直流电压电流的测量设置；交流电压电流的测量设置；二线制电阻的测量设置；四线制电阻的测量设置；电压电流电阻实时测量及结果显示。数字多用表控制流程图如图4 所示。

打开数字多用表控制程序，首先，串口连接并显示虚拟操作界面；其次，根据操作需要，选定直流/交流电压电流、二线制电阻、四线制电阻测量项目，当选择某一项目后，按项目要求对其设置；再次，设置后进行实时测量；最后，根据测量情况，可选择复位仪器及关闭程序。

4）数字多用表控制程序代码实现

在四线制电阻测量程序实现过程中，基于Vi 仪器基础函数开发设计的主要功能函数有：

a.打开仪器OpenDevice（），实现Vi 仪器打开和基本参数设置。

图3 自动测试流程图

图4 数字多用表控制流程图

图5 自动测试界面

b.设置四线制测量参数函数Res_4_Configure（float Range，float Resolution），该函数带两个输入参数，可实现电阻测量的范围和精度。

c.测量函数 MeasureValue（double *Value），该函数为带输出参数，实现测量结果数据的读取。

d. 关闭仪器和复位仪器函数CloseDevice（）、ResetDevice（），实现仪器的关闭和复位。

4 试验测试

本系统实现了自动化测试和数字多用表程序控制。系统硬件功能齐全、可靠，各部分之间电气接口关系清晰，与被测组件连接方便可靠。软件设计做到了功能划分合理，人机交互操作友好，输入输出控件清晰。测试软件运行后，经初始化系统正常，进入主程序界面，自动测试界面如图5 所示，数字多用表控制程序操作界面如图6 所示。通过自动测试模块测试，实现了对被测产品的单次和自动测试。通过数字多用表控制程序测试，实现了对被测对象不同测量项目的设置与测量。

某型座椅转换电门组件的部分测试项目及结果见表1。为防止因被测对象和连接转接电缆较多而出现人为差错，在项目测试之前进行了电缆识别。利用二线制电阻测量法读取识别电阻值，判断后确定电缆正确后再进行其他项目测试，如表1 中的第1 条记录。第2 条至第21 条是对转换电门组件导通电阻的测量，其实测值反映了组件内部的真实连接关系，通过对比数值，均能体现内部电缆的长度关系。为了完善测试系统，除了测量电阻外，还需要进行绝缘抗电等其他测试功能的设计，并通过测试类型、方法和策略执行不同的测试任务，例如，四线制电阻测量所对应的类型、方法、策略的数值分别为1、2 和2；二线制电阻测量所对应的数值分别为1、1和2。

图6 数字多用表控制操作界面

表1 转换电门组件部分测试项目及结果

5 总结

通过分析座椅电气自动综合检测设备的电阻自动测量任务，提出了一种基于四线制的电阻测量方法，以及利用数字多用表、信号切换模块和通用连接模块的测试方案。综合运用虚拟仪器和数据库技术设计开发了测试程序。对转换电门组件的测试验证结果表明，四线制电阻测量方法满足检测设备的测试要求，实现了对座椅电气组件电阻快速准确的自动测量。通过更换转接电缆及软件测试项目表，还可实现对不同被测对象的测试，为检测设备的研制提供了技术保障。