江思杰，江傳華，王定虎，李建剛，王彥碧（中國船舶重工集團公司第七二二研究所，武漢 430079）

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基于分段式電壓采集法的天線絕緣檢測技術研究

江思杰，江傳華，王定虎，李建剛，王彥碧
（中國船舶重工集團公司第七二二研究所，武漢 430079）

摘要：如今，短波發(fā)信伸縮天線、插拔鞭天線等大量應用于通信臺站與艦船上，天線絕緣性能是其重要的考核指標，該參量關乎到天線的持久性與通信的穩(wěn)定性。以天線絕緣電阻檢測技術為研究對象，分析了天線絕緣檢測手段的必要性與存在的不足，在普通絕緣檢測技術的基礎上，提出了一種基于分段電壓采集法的絕緣檢測方法，對信臺站與艦艇上天線的設計、施工、調試、維修、以及現(xiàn)場系統(tǒng)聯(lián)調等環(huán)節(jié)起到保障作用，改善了天線絕緣性能檢測技術智能化、模塊化、高精度等問題。

關鍵詞：短波天線；絕緣檢測；分段電壓采集法

引言

如今，隨著國防通信技術的不斷發(fā)展，短波天線在數(shù)據(jù)鏈通信、信息交互、情報傳遞等方面得到了非常廣泛的應用，對于艦船而言，由于海上航行期間無法提供有效的天線檢測手段，因此天線絕緣電阻成為了快速判斷天線性能是否正常的重要考核指標，該參量關乎到天線的持久性與通信的穩(wěn)定性，當天線絕緣電阻低于設定門限時，則可認定該天線受到損傷，需更換檢修。

與此同時，由于艦船上的短波天線種類繁多，天線絕緣電阻阻值較高，應用場景環(huán)境應力較為復雜，對環(huán)境適應性與電磁兼容性的要求極高，且工作頻段特殊，缺乏一種智能化的高精度絕緣檢測方法，會對天線性能狀態(tài)、天調系統(tǒng)的質量保障等構成嚴重的隱患，影響整個通信設備的研制進程和性能指標[4]。因此，研究一種智能化的高精度天線絕緣電阻檢測技術是非常必要的。

本文提出了一種基于分段電壓采集法的智能化絕緣檢測方法，將該方法應用于某型艦艇上，主要完成短波發(fā)信伸縮天線、多功能通信桅桿天線HF天線單元和插拔鞭天線的絕緣性能檢測。絕緣電阻檢測模塊在現(xiàn)有的民用絕緣電阻測試儀的基礎上進行針對性的設計，從而滿足抗沖擊振動、高低溫濕熱等環(huán)境條件以及電磁兼容要求。

1　國內外絕緣電阻檢測技術分析

目前，國內對于絕緣電阻檢測方法主要有兆歐表測量、無源接地法以及低頻信號注入法。其中，兆歐表測量即直接接到天線兩端，選擇相應的量程檔位直接進行絕緣檢測；無源接地法的基本原理是在直流正負母線和被測電阻之間接入一系列電阻，然后通過電子開關或繼電器切換接入阻值的大小，測量在不同接入電阻情況下的正負母線在被測電阻上的分壓，最后通過解方程式計算出正負母線對地的絕緣電阻，該是目前最常用的電動汽車絕緣電阻檢測方法[1]；低頻信號注入法采用低頻脈沖信號注入檢測整車絕緣性能，采用電容隔離高壓電源與檢測電路和整車直流系統(tǒng)與低頻脈沖信號，降低了高頻信號注入給電氣系統(tǒng)帶來的交流干擾，在汽車絕緣檢測技術領域的應用較為廣泛[7]。

與國內校準方法相比，美國、俄羅斯、日本等國家主要采用電壓注入法，該方法的基本原理是在無源接地法的基礎上加入了1個直流電壓注入信號，電壓經過升壓整流后輸入到電路之中。同時支路增加開關，這種方法最大的特點就是能測量兆級以上的絕緣電阻[4]。此后，美國人在電壓注入法的基礎上進行了改進，提出了電壓比較法，該方法基于歐姆定律而來的，通過測量兩并聯(lián)回路中兩電阻的電壓，根據(jù)并聯(lián)回路兩端電壓相等就可推出絕緣電阻的測試公式。目前該方法的測量范圍最大可達100 MΩ，顯然，在絕緣檢測范圍上有一定的局限性，需要改進才能滿足工程測量及校準的要求。

2　技術難點

隨著國防通信技術快速發(fā)展，短波發(fā)信伸縮天線、多功能通信桅桿天線HF天線單元和插拔鞭天線大量應用于通信臺站與艦船上，天線絕緣性能是其重要的考核指標，然而，由于指標要求特殊、應用環(huán)境復雜等原因，普通天線絕緣檢測技術無法適用[3，4]，具體問題如下：

1）艦船上短波天線使用環(huán)境非常特殊，天線饋線端普遍做過防護處理，普通兆歐表無法進行檢測；

2）天線所處環(huán)境容易受潮，需對天線進行間歇性檢測以保證其工作狀態(tài)正常；

3）天線種類繁多，絕緣電阻測量范圍較寬，難以實現(xiàn)全范圍檢測；

4）由于天線狀態(tài)未知，需考慮短路狀態(tài)下的系統(tǒng)保護；

5）艦船上的電磁兼容環(huán)境十分復雜，需重點考慮該測試系統(tǒng)的電磁兼容性與可靠性。

綜上所述，一種智能化高精度的天線絕緣電阻檢測方法是非常必要的。與普通絕緣檢測技術相比，本文所提出的高精度天線絕緣電阻檢測技術有著以下幾大特點：

1）測量精度要求高，絕緣測量誤差小于正負3 %；

2）測量范圍大，最高可達400 MΩ；

3）額定電壓高，最高可達2 500 V；

4）由于天線使用情況特殊，對于短路狀態(tài)的檢測非常頻繁；

5）應用環(huán)境較為復雜，對環(huán)境適應性與電磁兼容性要求極高。

3　系統(tǒng)構成

在艦船通信領域，由于海上氣候潮濕，天線受潮后性能可能會發(fā)生改變，此外，受到船體振動、折疊收放等因素的影響，天線性能可能會降低，甚至失效，因此，急需一種智能化高精度的絕緣檢測手段來檢測天線性能，從而確保通信質量[2]。

本文在電壓比較法的基礎上，提出了一種基于分段電壓采集法的智能化高精度絕緣檢測方法，該方法采用模塊化設計，設計方案如圖1所示，其主要由三個部分組成：

1）MCU最小系統(tǒng)

MCU是本方案的控制與計算核心，考慮到直流高壓發(fā)生器會產生較強的高頻干擾，本方案采用穩(wěn)定性與抗干擾性極強的飛思卡爾系列單片機，該單片機采用內置上電電路，使工作電壓更穩(wěn)定，安裝也極其方便，它的片內資源很豐富，抗干擾能力強。項目組對于該MCU外圍電路搭建具有成熟的設計心得，其最小系統(tǒng)多領域有著廣泛的應用[2]。

2）直流高壓發(fā)生器

直流高壓發(fā)生器針對精密電子設備中所要求的高電壓、低電流的小功率電源系統(tǒng),設計制作了一種小型高精密高穩(wěn)定高壓開關電源模塊，并對高壓電源模塊的響應特性進行了測試.制作出的高壓電源模塊具有體積小、穩(wěn)定性好、響應速度快等特點[7]。

產品廣泛應用電力行業(yè)、軍工行業(yè)、鐵路行業(yè)、通信行業(yè)、煤礦行業(yè)、核測量儀器、光電倍增管配套儀器行業(yè)、生物醫(yī)藥設備儀器、石油工業(yè)測井、光學儀器、光電倍增管的放射性探測儀器和其他相關光子探測等儀器中的光電倍增管的供電等領域。

3）電壓采樣單元

電壓采樣單元的主要功能是對加載到天線上的高壓進行分壓處理，結合采樣電阻阻值計算天線的絕緣電阻值?？紤]到天線種類較多，因此按照天線額定工作電壓對電壓輸出進行了分檔處理，并根據(jù)絕緣電阻測量范圍，設計了3路不同的采樣電阻，從而實現(xiàn)精確采樣。模擬電壓輸出接口采用高壓繼電器進行開關控制，可自動切斷輸出端口[5]。與此同時，并且本發(fā)明在天線兩端添加了短路保護機制，避免短路狀態(tài)下高壓對本方案的影響[8]。

4　系統(tǒng)運行流程

天線絕緣電阻檢測技術的實施流程如下：

1）準備階段。開機接通電源預熱，通電后絕緣電阻檢測模塊各部分功能初始化完成，485通訊處于接收狀態(tài)，絕緣電阻檢測模塊的CPU即可通過串口與控制器CPU進行通信，接收控制器面板的量程和門限值的輸入數(shù)據(jù)，準備進行絕緣檢測；

2）校驗階段。當接收到上位機發(fā)出的配置指令后，絕緣電阻檢測模塊自動完成指令校驗，如校驗通過，則回復原數(shù)據(jù)，否則不進行任何操作；

3）檢測階段。當接收到上位機發(fā)出的第一次“絕緣啟測”指令時，絕緣電阻檢測模塊首先進行短路測試，時間為200 ms。如果判斷為短路狀態(tài)，絕緣電阻檢測模塊會向上位機發(fā)送測試數(shù)據(jù)為0 MΩ的指令，并啟動保護措施，關閉所有輸出端口；如判斷為非短路狀態(tài)，絕緣電阻檢測模塊會根據(jù)接收指令中的量程參數(shù)進行升壓操作，升壓時間大約為5 s，然后每隔2 s回復一次當前絕緣電阻值（20 s共10組數(shù)據(jù)），直到穩(wěn)定。當天線絕緣電阻值低于門限值時，在絕緣電阻檢測模塊的每組數(shù)據(jù)發(fā)送的同時發(fā)出報警信號（低電平為有報警信號，高電平為無報警信號）。當絕緣檢測時間大于20 s或控制器CPU再次發(fā)出“絕緣啟測”信號時，絕緣電阻檢測模塊內檢測功能關閉；

4）智能調節(jié)階段。在天線絕緣電阻檢測過程中，如測量量程超出本檔位的限制，則自動調節(jié)到高檔位進行測試，從而實現(xiàn)智能化天線絕緣電阻檢測[6]；

5）保護功能。加電和關機情況下絕緣電阻檢測模塊都有自我保護功能（抗射頻測試口耦合進來的外部大信號沖擊能力）；

圖1　天線絕緣電阻檢測模塊設計方案

6）環(huán)境適應性與電磁兼容性。適應潛艇艙內環(huán)境條件要求。

5　結論

本文闡述了天線絕緣檢測技術的應用現(xiàn)狀，通過實測經驗分析了現(xiàn)有檢測技術所存在的問題，提出了一種基于分段電壓采集法的智能化絕緣檢測方法，詳細介紹了該方法的原理與系統(tǒng)組成，并將該方法應用于某型艦艇上，為短波通信質量提供了有效的保障。

參考文獻：

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[3] 徐禮發(fā). 淺析短波天線的絕緣對通信的影響[J].上海鐵道科技. 2000,(03)：25-26.

[4] 張志文. 船舶常用中短波天線及其驗收、維護保養(yǎng)[J].天津航海. 2006,(04):38-40.

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[7] 楊燴榮,楊利娟. 智能化絕緣電阻測試儀的研制[J].電力安全技術. 2000,(01):42-43.

[8] S Tachizaki. Insulation resistance detection system, insulation resistance detection apparatus and insulation resistance detection method [P]. US, 2011.

江思杰，工學碩士，工程師，主要研究方向為儀器與測試技術、數(shù)據(jù)算法處理、機械自動化控制、低頻通信技術等。

Research of Antenna Insulation Detection Technology Based on the Sectional Voltage Acquisition Method

JIANG Si-jie, JIANG Chuan-hua, WANG Ding-hu, LI Jian-gang, WANG Yan-bi
(NO.722 of CSIC, Wuhan 430079)

Abstract：Nowadays, short-wave transmitting telescopic antenna, such as large plug whip antenna are widely used in communication stations and ships. Antenna insulation performance is the important evaluation indexes. The parameters are concerning the durability of the antenna and the stability of the communication. Taking the insulation resistance testing technology based on the antenna as the research object, this paper analyzes the necessity of antenna insulation detection means and the shortage of the ordinary insulation detection technology. On the basis of common insulation detection technology, this paper proposes a technology based on segmented voltage acquisition method, which can protect the design, construction, debugging, maintenance, and onsite system alignment of antenna in the letter stations and naval ships. It improves intelligentization, modularization, and high-precision of antenna insulation performance testing technology.

Key words：shortwave antenna; insulation test; segmented voltage acquisition method

作者簡介:

中圖分類號：U

文獻標識碼：A

文章編號：1004-7204（2016）01-0029-04