聲納換能器絕緣電阻自動測量電路設(shè)計*

李耀波 孫琎燁 仲 秋 周浩然

(92956部隊 大連 116041)

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聲納換能器絕緣電阻自動測量電路設(shè)計*

李耀波 孫琎燁 仲 秋 周浩然

(92956部隊 大連 116041)

采用傳統(tǒng)的測量手段對聲納換能器進行檢測需要利用常規(guī)電子儀器,操作復雜,效率低下。為了提高效率,利用現(xiàn)代電子測量技術(shù)設(shè)計了一種換能器絕緣電阻自動測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠全面、快速、準確地完成絕緣電阻的檢測。較之傳統(tǒng)測量方式,整個系統(tǒng)操作過程簡單、界面友好,實現(xiàn)了測量自動化,提高了裝備維修保障效率。

換能器; 絕緣電阻; 測量; 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[1],實現(xiàn)機-電能量的相互轉(zhuǎn)換,在實際應用中環(huán)境溫度和環(huán)境濕度對壓電式傳感器的兩項靜態(tài)指標—絕緣電阻和靜態(tài)電容的影響很大[2],因此,這兩項指標一直是聲納裝備維護保養(yǎng)過程中的重點檢測項目。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的廣泛應用,聲納裝備信息處理能力越來越強,聲納換能器陣元數(shù)目也越來越多,采用傳統(tǒng)的測量手段需要利用常規(guī)測量儀器,邊測量、邊記錄,費時費力,且效率低下。鑒于此,本文利用現(xiàn)代電子測量技術(shù)設(shè)計了一臺便攜式聲納換能器靜態(tài)參數(shù)自動檢測儀,能夠全面、快速、準確地檢測換能器靜態(tài)參數(shù),大大提高了維修效率。本文介紹了靜態(tài)參數(shù)自動檢測儀的絕緣電阻自動測量模塊的電路設(shè)計。

2 系統(tǒng)分析及總體設(shè)計

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

根據(jù)檢測要求,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、絕緣電阻測量電路、量程自動轉(zhuǎn)換電路等模塊組成,其原理框圖如圖1所示。

圖1 絕緣測試系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)設(shè)有自動、手動兩種工作模式。工作過程中,根據(jù)用戶的選擇切換到相應通道,高壓模塊輸出直流高壓,經(jīng)絕緣電阻測量電路分壓后送入信號采集電路,經(jīng)A/D模塊后送入MCU進行處理,最終將解算后的絕緣電阻值送到LCD顯示并進行存儲。此外,可以將測量結(jié)果送入計算機,進行數(shù)據(jù)分析、處理及保存。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 多通道選擇電路設(shè)計

多通道選擇電路是以MCU控制單元為核心的繼電器矩陣,用以實現(xiàn)多路換能器絕緣電阻的自動測量。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,控制繼電器矩陣相應通道繼電器吸合,實現(xiàn)通道轉(zhuǎn)換。考慮通道繼電器轉(zhuǎn)換過程中高壓源在接觸處產(chǎn)生電弧放電,引起傳導騷擾和輻射騷擾[3],導致通道轉(zhuǎn)換誤碼,設(shè)計了電弧抑制電路,確保通道轉(zhuǎn)換正確。

3.2 DC-DC高壓產(chǎn)生模塊設(shè)計

絕緣電阻是指在特定高壓條件下的電阻。對于聲納換能器,絕緣電阻的測量通常是在被測換能器兩端施加100V或500V高壓的條件下進行的。為適應不同型號聲納換能器檢測需要,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。電路中設(shè)置有過壓過流保護功能,使系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定可靠。

3.3 絕緣電阻測量電路設(shè)計

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

圖2 絕緣電阻測量原理圖

被測絕緣電阻Rx的計算公式為

(1)

式中,Rx為被測絕緣電阻測量值、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)換二進制碼、Rs為分壓電阻值。其工作過程為:高壓HV施加到被測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,MCU讀取量程碼以判斷對應的取樣電阻權(quán)值Rs。絕緣電阻測量電路達到穩(wěn)定狀態(tài)需要一定的轉(zhuǎn)換時間,因此,絕緣電阻測量程序的循環(huán)周期應設(shè)定一定的等待時間。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量的需求。

3.4 量程自動轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

換能器絕緣電阻測量范圍一般在幾十千歐到上千兆歐范圍內(nèi)[6],這導致與之串聯(lián)的分壓電阻Rs上產(chǎn)生的取樣電壓Us動態(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)計了量程自動轉(zhuǎn)換電路,實現(xiàn)分壓電阻量程自動切換,以滿足A/D轉(zhuǎn)換電路輸入要求。

3.4.1 方案論證

量程自動轉(zhuǎn)換電路可采用軟件和硬件兩種方法。軟件實現(xiàn)電阻分壓量程自動切換節(jié)省硬件成本,但控制流程較復雜且易陷入死循環(huán)[5,7]。在測量絕緣電阻過程中,當分壓電路取樣電壓恰好位于測試臨界點附近時(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,此時自動轉(zhuǎn)換電路不動作。如果由于電路本身噪聲干擾,導致轉(zhuǎn)換后電壓值變?yōu)?.29V,則自動轉(zhuǎn)換電路將動作,轉(zhuǎn)換為高阻量程。這種由于噪聲干擾及系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的電壓值波動會導致自動轉(zhuǎn)換電路量程的反復切換,影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用硬件電路實現(xiàn)量程自動轉(zhuǎn)換電路電阻分壓自動切換可與MCU絕緣電阻測量程序并行執(zhí)行,從而可以避免電路在臨界點附近反復切換。此外,量程自動轉(zhuǎn)換電路采用硬件電路提高了自動切換的實時性。綜合考慮,系統(tǒng)采用硬件實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)換電路,設(shè)計的電路原理圖如圖3所示。

圖3 量程自動轉(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。當取樣電壓大于上門限3V時,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,量程自動切換電路設(shè)計有過壓保護電路,將取樣電壓Us限制在5V以內(nèi)。電路設(shè)計中,利用編碼電路將4量程編碼為UD0和UD1兩位。同時設(shè)置有上下門限電壓比較器輸出的超量程標志位UD2和欠量程標志位UD3,用于判斷換能器絕緣是否超出系統(tǒng)測試范圍。表1給出了標志位與分壓電阻對應關(guān)系。

表1 標志位與分壓電阻對應關(guān)系表

3.5 絕緣電阻量程分析

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

圖4 多量程電阻分壓電路

測試系統(tǒng)多量程電阻分壓電路原理如圖4所示。選擇高壓500V檔進行分析,當被測換能器絕緣電阻非常大時(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。此時流過被測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)

可以得出可測絕緣電阻阻值上限Rmax為

Rmax=(500/ΔU)×300=7680MΩ

(3)

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

當被測換能器絕緣電阻非常小時(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)計算,流過被測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,高壓模塊過流保護電路動作,使得高壓模塊輸出的電壓降低,直至輸出電流為4mA,可見,此時取樣電壓Us的最大值為

Us=Imax×R4=1.2V

(4)

因此,可以計算出絕緣測量電路在高壓500V檔時的測量下限Rmin為

(5)

實際測量中,低于此值的絕緣電阻由于高壓的降低,測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時性能已嚴重下降,絕緣電阻低于1MΩ即認為陣子已經(jīng)損壞。因此,低于測量下限Rmin存在較大的誤差并不影響測量電路正常測量精度。測試系統(tǒng)中,當絕緣電阻測量值小于Rmin時,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際設(shè)定的量程范圍。

表2 絕緣測試電路量程

3.6 MCU主控模塊設(shè)計

兼顧系統(tǒng)要求和經(jīng)濟成本,選用STC12C5A60S2單片機作為主控芯片。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程序存儲空間,具備單時鐘/機器周期工作模式,具有4個16位定時器,7路IO中斷口,2個UART,8路高速10位A/D模塊,同時集成看門狗、專用復位電路及外部掉電檢測電路等功能[8]。該芯片的10位A/D模塊對于5V的信號幅度電壓,最低分辨率約為5mV,可以滿足幅度及增益的測量要求;16位定時器可以滿足系統(tǒng)計時功能的要求。選用STC12C5A60S2作為主控模塊,開發(fā)過程中能夠容易進行程序修改,具有價格便宜、開發(fā)周期短的優(yōu)點,且可以滿足運算量、精度及實時性要求。

主控模塊主要完成整個系統(tǒng)的測量過程。利用鍵盤進行整個測量過程的控制,將測量結(jié)果進行液晶顯示[9],并對異常數(shù)據(jù)進行聲光報警,實現(xiàn)了友好的的人機交互;通過I2C總線對測量數(shù)據(jù)進行保存,在需要查看時可隨時通過讀取存儲器調(diào)用查看;此外,主控模塊利用USB串行總線將測量結(jié)果上傳到計算機,方便測量數(shù)據(jù)的據(jù)分析、處理及保存[10]。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件按模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計,采用C語言編寫程序。主要由一個主程序和功能及操作設(shè)置模塊、中斷服務(wù)子程序、測量子程序、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)各子程序完成測量和數(shù)據(jù)處理工作的功能。

5 結(jié)語

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量的特點,設(shè)計了聲納換能器絕緣電阻自動測量系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠快速、高效的檢測換能器靜態(tài)參數(shù),具有體積較小、便于攜帶、性價比高等優(yōu)點。經(jīng)過聲納維修保障中實際使用表明,系統(tǒng)可靠性、測量精度均滿足聲納靜態(tài)參數(shù)檢測要求。

圖5 絕緣電阻測試主程序流程

[1] 陳文濤.傳感器技術(shù)及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2013:65-67.

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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)、電子測量。仲秋,男,工程師,研究方向:電子裝備綜合保障、電子測量。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