煤矿地质精准探测对物探设备提出了新要求，精细化反演、动态监控、智能化识别是物探技术的发展方向。探查工作面内部地质异常的常用物探技术包括地面三维地震、槽波透视CT、双巷电法、无线电波透视探测等。无线电波透视探测技术，在采煤工作面内部断层、陷落柱等构造探测方面具有显著优势，探查速度快、费用低、效果好，是国内外煤矿工作面普遍采用的物探方法。

WKT无线电波透视仪（简称透视仪） 是中煤科工集团重庆研究院有限公司（简称中国煤科重庆研究院） 自主研发的基于无线电波透视探测技术的物探产品。透视仪核心部件为信号衰减板，但在生产过程中测试程序繁琐，测试时需要接入稳压电源、信号发生器、示波器、万用表共4 种设备，焊接16根测试线和8 个开关用于控制继电器的接通与断开，由15 组测试组合通路，每个通路需分别测量3 种射频信号的峰值电压和衰减倍数，测试时间约30 min，透视仪与探测成果如图1 所示，信号衰减板测试现场如图2 所示。

（a） 透视仪                                                     （b） 探测成果

图1　透视仪与探测成果

选择课题与目标确定

（1） 选择课题

目前信号衰减板测试任务需判断15 路衰减通路的通断，测量并记录每个通路的3 种射频信号峰值电压和衰减倍数。为取消人工测量及记录，自动化控制程序判断通路通断和选通，自动采集射频信号峰值电压、衰减倍数，提升测试的稳定性和可靠性。QC小组通过自动化控制程序判断通路通断及选通，采集射频信号峰值电压和衰减倍数，测试过程没有焊接操作，实现透视仪信号衰减板自动测试仪的创新研制。

为进一步发掘行业现有判断通路通断及选通、采集射频信号的方式，检索自动控制、通路选通、射频信号采集、虚拟示波器、电路板测试、工装夹具等关键词，借鉴了3 篇参考文献的设计思路和理念，设计出基于PLC中心控制、通过LabVIEW采集射频信号数据、夹具定位测试点的自动测试仪，实现信号衰减板的自动测试，借鉴点、借鉴原理及创新思路见表1。

表1　借鉴点及创新思路

（2） 设定目标

根据测试现场的具体需求，PLC 运行速度为5 us/步，每通路测试时间为PLC 运行时间+继电器切换时间+模块转换时间+模块通信时间，每通路所需时间约1.46 s，需测试15 个通路，测试时间共需约21.9 s，确定研究目标为透视仪信号衰减板测试时间由原来的1 800 s 缩短为30 s。

图2　信号衰减板测试现场

提出并确定最优方案

QC小组成员梳理了自动测试仪的功能和架构，结合调查分析情况，提出了3 条研发思路。

（1） 测试仪由供电电源、选通控制电路、采集测量电路、显示屏、测试软件和机械结构设计等模块组成。

（2） 满足15 路衰减通路自动切换，并具有通路的故障检测功能。

（3） 具备测量及显示各通路的信号峰值电压和衰减倍数。

根据研发思路初步制定总体最优方案树，确定了7 条优选路径，总体方案树如图3 所示。

图3　总体方案树

（1） 供电电源方案优选

对比确定了选用RD−125−1224AC/DC 电源模块，供电电源方案性价比好，集成度及效率高。

（2）PLC控制电路子方案优选

比选PLC 控制电路子方案，选用GCAN−PLC−320−16 模块，技术参数满足设定目标要求，价格低且支持国产器件运行环境。

（3） 显示屏方案

显示屏选择成熟常用的YKHMI−7 显示屏，支持PLC 接口，供电电压直流12 V，满足设定目标要求。

（4） 采集测量电路方案优选

采集测量电路方案选用877−RES 数据采集模块，满足设定目标要求，且性价比高。

（5） 夹具设计方案优选

通过比选夹具设计方案，选用弹扣夹具，由弹扣和弹针弹性支撑定位固定电路板，操作更便捷、定位更精准。

（6） 外壳材质方案优选

外壳材质选用电木板，原料价格低，具有绝缘良好、防静电等性能优势。

（7）PLC软件开发方案

PLC 软件开发方案复杂度低、集中度高、控制逻辑清晰、通信方式简单、数据量较小，适合采用PLC 可编程控制系统，且能够控制15 路I/O，传输方式采用RS485 采集、显示数据，满足目标要求，最佳方案树如图4 所示。

图4　最佳方案树

制定对策及方案实施

QC小组成员按照优选方案，以“5W1H”原则制订了对策见表2。针对制定的方案对策，实施采取了7 项措施。

表2　制定对策

（1）RD−125−1224 模块制作测试仪电源

外购AC/DC 电源模块，通电进行技术规格验证。输出电压24 VDC、输出电流≤5 A；输出电压12 VDC、输出电流≤7 A，满足测试需求。

（2） 采购YKHMI−7 显示屏

采购YKHMI−7 显示屏，进行通电检验，支持PLC 接口，工作电压12 VDC，工作电流350 mA，满足测试需求。

（3）GCAN−PLC−320−16 实现 15 路衰减选通

采购GCAN−PLC−320−16 控制器，控制器与显示屏联机，可编程、性能良好、操作便捷，满足测试需求。

（4） 877−RES数据采集模块测量信号衰减参数

采购877−RES数据采集模块，通电并发送TTL触发信号给数据采集模块， 测量波形幅值显示5.009 V，满足测试需求，877−RES数据采集模块测试如图5 所示。

图5　877−RES数据采集模块测试

（5） 机械结构设计实施

根据电路板设计、加工弹针及装夹模块，根据选型零部件进行机壳设计、加工、安装调试，外形尺寸为240 mm×278 mm×208 mm，质量为4.55 kg，满足测试需求，弹针示意及装夹模块如图6 所示，测试仪设计示意及实物如图7 所示。

图6　弹针示意及装夹模块

图7　测试仪设计示意及实物

（6）PLC自动测试软件开发

设计软件需求和流程图，编写程序代码，测试软件功能，可控制15 路通路、自动切换通路，具有通路故障检测功能，可采集、测量和显示各通路的衰减参数，软件功能测试界面如图8 所示。

图8　软件功能测试界面                                                      图9　测试仪工作

（7） 测试仪应用

安装被测试件，接入信号发生器，启动测试仪电源，设置输入参数，启动自动测试，查看测试结果，准确判断了15 路衰减通路通断状态，测量并保存了每个通路的信号的峰值电压和衰减倍数；与手动测量对比数据一致，精度为0.01 V，0.1 dB；测试时间为22 s，达到阶段目标，测试仪工作如图9 所示，测试流程界面如图10 所示。

图10　测试流程界面

测试仪效果检查

（1） 将自动测试仪应用于透视仪进行测试，QC小组统计和分析了5 个月应用情况，平均测试时间为22 s，满足设计目标需求。

（2） 采用自动测试仪测试透视仪41 台，比原测试方法减少 20.254 h，减少生产成本3 138.1 元。

（3）自动测试仪的创新设计在其他产品测试的升级换代中起到了示范推广作用，简化测试工序，强化了发现问题、解决问题的能力，提升了产品质量。

总 结

（1）QC小组集思广益，成功研制透视仪的信号衰减板自动测试仪，通过5 个月的测试应用，操作便捷、性能稳定可靠，平均测试时间22 s，提高了工作效率，简化操作流程，提高了测试设备自动化水平。

（2） 利用LabVIEW采集射频信号峰值电压和衰减倍数，通过PLC中心控制，实现多通道判断和选通，取消人工测量，工装夹具精准定位测试点，取消焊接操作；透视仪信号衰减自动测试仪软件注册登记了计算机软件著作权。

（3） 严格执行PDCA 循环，掌握了创新性QC小组活动的实施流程，增强了质量意识和团队协作精神，提高了自身能力水平。

（4） QC小组将进一步巩固完善本次活动成果，将该技术推广应用；下一步拟开展防爆探地雷达电源自动充放电装置研制为课题的QC活动。

策划：赵瑞 编辑：刘雅清