李耀波 孫琎燁 仲 秋 周浩然

(92956部隊(duì) 大連 116041)

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聲納換能器絕緣電阻自動(dòng)測(cè)量電路設(shè)計(jì)*

李耀波 孫琎燁 仲 秋 周浩然

(92956部隊(duì) 大連 116041)

采用傳統(tǒng)的測(cè)量手段對(duì)聲納換能器進(jìn)行檢測(cè)需要利用常規(guī)電子儀器,操作復(fù)雜,效率低下。為了提高效率,利用現(xiàn)代電子測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)了一種換能器絕緣電阻自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠全面、快速、準(zhǔn)確地完成絕緣電阻的檢測(cè)。較之傳統(tǒng)測(cè)量方式,整個(gè)系統(tǒng)操作過程簡(jiǎn)單、界面友好,實(shí)現(xiàn)了測(cè)量自動(dòng)化,提高了裝備維修保障效率。

換能器; 絕緣電阻; 測(cè)量; 維修保障

Class Number TB52

1 引言

現(xiàn)代聲納換能器通常利用壓電材料的壓電效應(yīng)[1],實(shí)現(xiàn)機(jī)-電能量的相互轉(zhuǎn)換,在實(shí)際應(yīng)用中環(huán)境溫度和環(huán)境濕度對(duì)壓電式傳感器的兩項(xiàng)靜態(tài)指標(biāo)—絕緣電阻和靜態(tài)電容的影響很大[2],因此,這兩項(xiàng)指標(biāo)一直是聲納裝備維護(hù)保養(yǎng)過程中的重點(diǎn)檢測(cè)項(xiàng)目。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用,聲納裝備信息處理能力越來(lái)越強(qiáng),聲納換能器陣元數(shù)目也越來(lái)越多,采用傳統(tǒng)的測(cè)量手段需要利用常規(guī)測(cè)量?jī)x器,邊測(cè)量、邊記錄,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且效率低下。鑒于此,本文利用現(xiàn)代電子測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)了一臺(tái)便攜式聲納換能器靜態(tài)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)儀,能夠全面、快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)換能器靜態(tài)參數(shù),大大提高了維修效率。本文介紹了靜態(tài)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)儀的絕緣電阻自動(dòng)測(cè)量模塊的電路設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)分析及總體設(shè)計(jì)

聲納換能器絕緣電阻的測(cè)量通常是在被測(cè)換能器兩端施加一定高壓的條件下進(jìn)行的。與普通絕緣電阻測(cè)量相比,它具有以下特點(diǎn): 1) 測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大,其測(cè)量數(shù)值從幾十千歐到上千兆歐; 2) 當(dāng)陣子損壞時(shí)絕緣可能下降到零,需要設(shè)有保護(hù)電路; 3) 陣子數(shù)量大,為提高測(cè)試效率需要設(shè)有自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路; 4) 測(cè)量精度要求相對(duì)誤差范圍為±5%。

根據(jù)檢測(cè)要求,系統(tǒng)以MCU為主控模塊,主要由多通道選擇電路、高壓產(chǎn)生模塊、絕緣電阻測(cè)量電路、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路等模塊組成,其原理框圖如圖1所示。

圖1 絕緣測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)設(shè)有自動(dòng)、手動(dòng)兩種工作模式。工作過程中,根據(jù)用戶的選擇切換到相應(yīng)通道,高壓模塊輸出直流高壓,經(jīng)絕緣電阻測(cè)量電路分壓后送入信號(hào)采集電路,經(jīng)A/D模塊后送入MCU進(jìn)行處理,最終將解算后的絕緣電阻值送到LCD顯示并進(jìn)行存儲(chǔ)。此外,可以將測(cè)量結(jié)果送入計(jì)算機(jī),進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理及保存。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 多通道選擇電路設(shè)計(jì)

多通道選擇電路是以MCU控制單元為核心的繼電器矩陣,用以實(shí)現(xiàn)多路換能器絕緣電阻的自動(dòng)測(cè)量。為了減少多通道選擇占用的MCU控制單元的I/O口數(shù)量,采用串-并轉(zhuǎn)換和譯碼電路將5bit串行通道選擇碼轉(zhuǎn)換為32選1通道選擇信號(hào),控制繼電器矩陣相應(yīng)通道繼電器吸合,實(shí)現(xiàn)通道轉(zhuǎn)換?？紤]通道繼電器轉(zhuǎn)換過程中高壓源在接觸處產(chǎn)生電弧放電,引起傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾[3],導(dǎo)致通道轉(zhuǎn)換誤碼,設(shè)計(jì)了電弧抑制電路,確保通道轉(zhuǎn)換正確。

3.2 DC-DC高壓產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)

絕緣電阻是指在特定高壓條件下的電阻。對(duì)于聲納換能器,絕緣電阻的測(cè)量通常是在被測(cè)換能器兩端施加100V或500V高壓的條件下進(jìn)行的。為適應(yīng)不同型號(hào)聲納換能器檢測(cè)需要,系統(tǒng)設(shè)置了100V、250V、500V、1000V四檔直流高壓輸出。本系統(tǒng)DC-DC高壓產(chǎn)生電路利用脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)[4～5],將12V直流電壓轉(zhuǎn)換為指定的高壓,最大輸出電流4mA,具有輸出電壓紋波小、穩(wěn)定度高的優(yōu)點(diǎn)。電路中設(shè)置有過壓過流保護(hù)功能,使系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定可靠。

3.3 絕緣電阻測(cè)量電路設(shè)計(jì)

絕緣電阻的測(cè)量利用電阻分壓原理實(shí)現(xiàn)。將待測(cè)絕緣電阻Rx與分壓電阻Rs串聯(lián)接入電壓為HV高壓電路,通過測(cè)量取樣電壓Us,即可計(jì)算出絕緣電阻Rx,其原理框圖如圖2所示。

圖2 絕緣電阻測(cè)量原理圖

被測(cè)絕緣電阻Rx的計(jì)算公式為

(1)

式中,Rx為被測(cè)絕緣電阻測(cè)量值、HV為高壓電壓值、Δu為A/D轉(zhuǎn)換電壓分辨率、ad為MCU采集到的A/D轉(zhuǎn)換二進(jìn)制碼、Rs為分壓電阻值。其工作過程為:高壓HV施加到被測(cè)換能器基元與電阻分壓電路串聯(lián)組成的電路兩端,由A/D芯片采集分壓后的取樣電壓ad送入MCU。同時(shí),MCU讀取量程碼以判斷對(duì)應(yīng)的取樣電阻權(quán)值Rs。絕緣電阻測(cè)量電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間,因此,絕緣電阻測(cè)量程序的循環(huán)周期應(yīng)設(shè)定一定的等待時(shí)間。通過調(diào)試發(fā)現(xiàn),設(shè)置為3s以上即可滿足換能器絕緣測(cè)量的需求。

3.4 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

換能器絕緣電阻測(cè)量范圍一般在幾十千歐到上千兆歐范圍內(nèi)[6],這導(dǎo)致與之串聯(lián)的分壓電阻Rs上產(chǎn)生的取樣電壓Us動(dòng)態(tài)范圍很大,難以匹配A/D轉(zhuǎn)換電路的電壓輸入要求(通常在5V以內(nèi))。因此,系統(tǒng)設(shè)計(jì)了量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路,實(shí)現(xiàn)分壓電阻量程自動(dòng)切換,以滿足A/D轉(zhuǎn)換電路輸入要求。

3.4.1 方案論證

量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路可采用軟件和硬件兩種方法。軟件實(shí)現(xiàn)電阻分壓量程自動(dòng)切換節(jié)省硬件成本,但控制流程較復(fù)雜且易陷入死循環(huán)[5,7]。在測(cè)量絕緣電阻過程中,當(dāng)分壓電路取樣電壓恰好位于測(cè)試臨界點(diǎn)附近時(shí)(取上下門限分別為3V和0.3V),假設(shè)取樣電壓值為0.3V,經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的電壓值為0.31V,此時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路不動(dòng)作。如果由于電路本身噪聲干擾,導(dǎo)致轉(zhuǎn)換后電壓值變?yōu)?.29V,則自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路將動(dòng)作,轉(zhuǎn)換為高阻量程。這種由于噪聲干擾及系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的電壓值波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路量程的反復(fù)切換,影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用硬件電路實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路電阻分壓自動(dòng)切換可與MCU絕緣電阻測(cè)量程序并行執(zhí)行,從而可以避免電路在臨界點(diǎn)附近反復(fù)切換。此外,量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路采用硬件電路提高了自動(dòng)切換的實(shí)時(shí)性。綜合考慮,系統(tǒng)采用硬件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路,設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖3所示。

圖3 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路原理圖

3.4.2 工作過程分析

如圖3所示,高壓模塊產(chǎn)生的高壓HV加到測(cè)量電路后,取樣電壓Us送入上下門限雙電壓比較器,雙電壓比較器的輸出控制雙向移位寄存器工作。當(dāng)取樣電壓大于上門限3V時(shí),移位寄存器右移,寄存器輸出控制模擬開關(guān)切換分壓電阻至低阻值量程,直至取樣電壓滿足0.3V

為了防止取樣電壓過大,量程自動(dòng)切換電路設(shè)計(jì)有過壓保護(hù)電路,將取樣電壓Us限制在5V以內(nèi)。電路設(shè)計(jì)中,利用編碼電路將4量程編碼為UD0和UD1兩位。同時(shí)設(shè)置有上下門限電壓比較器輸出的超量程標(biāo)志位UD2和欠量程標(biāo)志位UD3,用于判斷換能器絕緣是否超出系統(tǒng)測(cè)試范圍。表1給出了標(biāo)志位與分壓電阻對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表1 標(biāo)志位與分壓電阻對(duì)應(yīng)關(guān)系表

3.5 絕緣電阻量程分析

在量程確定情況下,絕緣電阻測(cè)量范圍受自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路中的門限電壓比較器基準(zhǔn)電壓的影響,上下門限差值越大,某一確定量程下測(cè)量范圍越大。由于電路工作過程中會(huì)產(chǎn)生自噪聲,其幅度的大小一般從微伏級(jí)到毫伏級(jí),這些噪聲在取樣電壓較小時(shí)將對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生較大影響。因此,下門限電壓不宜設(shè)置過小。兼顧設(shè)計(jì)成本、測(cè)量精度和量程等因素,系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將門限電壓比較器的基準(zhǔn)電壓設(shè)定在3V～0.3V。

圖4 多量程電阻分壓電路

測(cè)試系統(tǒng)多量程電阻分壓電路原理如圖4所示。選擇高壓500V檔進(jìn)行分析,當(dāng)被測(cè)換能器絕緣電阻非常大時(shí)(漏電流非常小),電阻分壓電路中的S1、S2、S3均為開狀態(tài),分壓電阻Rs為R1+R2+R3+R4=300kΩ。此時(shí)流過被測(cè)換能器與分壓電阻串聯(lián)的電流要低于0.3/300kΩ=1μA,取樣電壓Us<0.3V,若采用5V參考電壓,8bit的A/D采集芯片,則電壓分辨率為

ΔU=5/256V

(2)

可以得出可測(cè)絕緣電阻阻值上限Rmax為

Rmax=(500/ΔU)×300=7680MΩ

(3)

在實(shí)際測(cè)量中,當(dāng)取樣電壓過低時(shí),電路本身產(chǎn)生的噪聲干擾將對(duì)絕緣電阻測(cè)量影響較大。此外,換能器陣子絕緣測(cè)量目的是判斷其絕緣性能,通常絕緣性能到達(dá)規(guī)定數(shù)值即可斷定換能器陣子正常。因此,當(dāng)絕緣電阻測(cè)量值大于550MΩ時(shí),顯示電路統(tǒng)一顯示為550MΩ。

當(dāng)被測(cè)換能器絕緣電阻非常小時(shí)(漏電流非常大),電阻分壓電路中的S1、S2、S3均為閉狀態(tài),分壓電阻Rs為R4=300Ω。根據(jù)計(jì)算,流過被測(cè)換能器與分壓電阻串聯(lián)的電流要高于3V/300Ω=100mA。由于高壓產(chǎn)生模塊輸出最大電流為4mA,高壓模塊過流保護(hù)電路動(dòng)作,使得高壓模塊輸出的電壓降低,直至輸出電流為4mA,可見,此時(shí)取樣電壓Us的最大值為

Us=Imax×R4=1.2V

(4)

因此,可以計(jì)算出絕緣測(cè)量電路在高壓500V檔時(shí)的測(cè)量下限Rmin為

(5)

實(shí)際測(cè)量中,低于此值的絕緣電阻由于高壓的降低,測(cè)量值將存在較大誤差。一般情況下,換能器陣子絕緣電阻低于5MΩ時(shí)性能已嚴(yán)重下降,絕緣電阻低于1MΩ即認(rèn)為陣子已經(jīng)損壞。因此,低于測(cè)量下限Rmin存在較大的誤差并不影響測(cè)量電路正常測(cè)量精度。測(cè)試系統(tǒng)中,當(dāng)絕緣電阻測(cè)量值小于Rmin時(shí),顯示電路統(tǒng)一顯示為0MΩ。

按照同樣的方法,可以分析出其他三檔位絕緣測(cè)試電路的量程,表2列出了各檔位絕緣電阻量程理論范圍和實(shí)際設(shè)定的量程范圍。

表2 絕緣測(cè)試電路量程

3.6 MCU主控模塊設(shè)計(jì)

兼顧系統(tǒng)要求和經(jīng)濟(jì)成本,選用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片。該芯片指令代碼與傳統(tǒng)8051兼容,片內(nèi)集成1280字節(jié)RAM,60K程序存儲(chǔ)空間,具備單時(shí)鐘/機(jī)器周期工作模式,具有4個(gè)16位定時(shí)器,7路IO中斷口,2個(gè)UART,8路高速10位A/D模塊,同時(shí)集成看門狗、專用復(fù)位電路及外部掉電檢測(cè)電路等功能[8]。該芯片的10位A/D模塊對(duì)于5V的信號(hào)幅度電壓,最低分辨率約為5mV,可以滿足幅度及增益的測(cè)量要求;16位定時(shí)器可以滿足系統(tǒng)計(jì)時(shí)功能的要求。選用STC12C5A60S2作為主控模塊,開發(fā)過程中能夠容易進(jìn)行程序修改,具有價(jià)格便宜、開發(fā)周期短的優(yōu)點(diǎn),且可以滿足運(yùn)算量、精度及實(shí)時(shí)性要求。

主控模塊主要完成整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量過程。利用鍵盤進(jìn)行整個(gè)測(cè)量過程的控制,將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行液晶顯示[9],并對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行聲光報(bào)警,實(shí)現(xiàn)了友好的的人機(jī)交互;通過I2C總線對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行保存,在需要查看時(shí)可隨時(shí)通過讀取存儲(chǔ)器調(diào)用查看;此外,主控模塊利用USB串行總線將測(cè)量結(jié)果上傳到計(jì)算機(jī),方便測(cè)量數(shù)據(jù)的據(jù)分析、處理及保存[10]。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件按模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采用C語(yǔ)言編寫程序。主要由一個(gè)主程序和功能及操作設(shè)置模塊、中斷服務(wù)子程序、測(cè)量子程序、數(shù)據(jù)處理子程序等組成。主程序流程如圖5所示,主要完成初始化及協(xié)調(diào)各子程序完成測(cè)量和數(shù)據(jù)處理工作的功能。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從提高現(xiàn)代數(shù)字聲納換能器維修保養(yǎng)效率的角度出發(fā),利用現(xiàn)代電子技術(shù),結(jié)合多路換能器絕緣電阻測(cè)量的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了聲納換能器絕緣電阻自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠快速、高效的檢測(cè)換能器靜態(tài)參數(shù),具有體積較小、便于攜帶、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過聲納維修保障中實(shí)際使用表明,系統(tǒng)可靠性、測(cè)量精度均滿足聲納靜態(tài)參數(shù)檢測(cè)要求。

圖5 絕緣電阻測(cè)試主程序流程

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Design of Sonar Transducer Insulation Resistance Automatic Testing Cirsuit

LI Yaobo SUN Jinye ZHONG Qiu ZHOU Haoran

(No. 92956 Troops of PLA, Dalian 116041)

It needs to adopt conventional electronic devices if we use the traditional measuring means to test sonar transducer. The traditional measuring means is complicated and inefficient. In order to improve the efficiency, a kind of sonar transducer insulation resistance automatic test system is designed by use of modern electronic measurement technology. The insulation resistance can be comprehensively, rapidly and accurately tested by using of the system. Compared to traditional measuring method, the system has the advantages of simple operation and friendly interface. At the same time, the system can achieve automaic measurement and improve the efficiency of equipment maintenance and support.

transducer, insulation resistance, measurement, maintenance support

2015年4月3日,

2015年5月27日

李耀波,男,博士研究生,工程師,研究方向:電子裝備綜合保障、水聲工程、電子測(cè)量。孫琎燁,男,碩士研究生,工程師,研究方向:水聲電子技術(shù)、電子測(cè)量。仲秋,男,工程師,研究方向:電子裝備綜合保障、電子測(cè)量。周浩然,男,助理工程師,研究方向:電子裝備維修保障、水聲工程。

TB52

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.047