声纳换能器绝缘电阻自动测量电路设计*

李耀波 孙琎烨 仲 秋 周浩然

(92956部队 大连 116041)



声纳换能器绝缘电阻自动测量电路设计*

李耀波 孙琎烨 仲 秋 周浩然

(92956部队 大连 116041)

采用传统的测量手段对声纳换能器进行检测需要利用常规电子仪器,操作复杂,效率低下。为了提高效率,利用现代电子测量技术设计了一种换能器绝缘电阻自动测量系统。该系统能够全面、快速、准确地完成绝缘电阻的检测。较之传统测量方式,整个系统操作过程简单、界面友好,实现了测量自动化,提高了装备维修保障效率。

换能器; 绝缘电阻; 测量; 维修保障

Class Number TB52

1 引言

现代声纳换能器通常利用压电材料的压电效应[1],实现机-电能量的相互转换,在实际应用中环境温度和环境湿度对压电式传感器的两项静态指标—绝缘电阻和静态电容的影响很大[2],因此,这两项指标一直是声纳装备维护保养过程中的重点检测项目。随着现代信息技术的广泛应用,声纳装备信息处理能力越来越强,声纳换能器阵元数目也越来越多,采用传统的测量手段需要利用常规测量仪器,边测量、边记录,费时费力,且效率低下。鉴于此,本文利用现代电子测量技术设计了一台便携式声纳换能器静态参数自动检测仪,能够全面、快速、准确地检测换能器静态参数,大大提高了维修效率。本文介绍了静态参数自动检测仪的绝缘电阻自动测量模块的电路设计。

2 系统分析及总体设计

声纳换能器绝缘电阻的测量通常是在被测换能器两端施加一定高压的条件下进行的。与普通绝缘电阻测量相比,它具有以下特点: 1) 测量动态范围大,其测量数值从几十千欧到上千兆欧; 2) 当阵子损坏时绝缘可能下降到零,需要设有保护电路; 3) 阵子数量大,为提高测试效率需要设有自动转换电路; 4) 测量精度要求相对误差范围为±5%。

根据检测要求,系统以MCU为主控模块,主要由多通道选择电路、高压产生模块、绝缘电阻测量电路、量程自动转换电路等模块组成,其原理框图如图1所示。

图1 绝缘测试系统原理框图

系统设有自动、手动两种工作模式。工作过程中,根据用户的选择切换到相应通道,高压模块输出直流高压,经绝缘电阻测量电路分压后送入信号采集电路,经A/D模块后送入MCU进行处理,最终将解算后的绝缘电阻值送到LCD显示并进行存储。此外,可以将测量结果送入计算机,进行数据分析、处理及保存。

3 系统硬件设计

3.1 多通道选择电路设计

多通道选择电路是以MCU控制单元为核心的继电器矩阵,用以实现多路换能器绝缘电阻的自动测量。为了减少多通道选择占用的MCU控制单元的I/O口数量,采用串-并转换和译码电路将5bit串行通道选择码转换为32选1通道选择信号,控制继电器矩阵相应通道继电器吸合,实现通道转换。考虑通道继电器转换过程中高压源在接触处产生电弧放电,引起传导骚扰和辐射骚扰[3],导致通道转换误码,设计了电弧抑制电路,确保通道转换正确。

3.2 DC-DC高压产生模块设计

绝缘电阻是指在特定高压条件下的电阻。对于声纳换能器,绝缘电阻的测量通常是在被测换能器两端施加100V或500V高压的条件下进行的。为适应不同型号声纳换能器检测需要,系统设置了100V、250V、500V、1000V四档直流高压输出。本系统DC-DC高压产生电路利用脉宽调制技术(PWM)[4～5],将12V直流电压转换为指定的高压,最大输出电流4mA,具有输出电压纹波小、稳定度高的优点。电路中设置有过压过流保护功能,使系统工作更加稳定可靠。

3.3 绝缘电阻测量电路设计

绝缘电阻的测量利用电阻分压原理实现。将待测绝缘电阻Rx与分压电阻Rs串联接入电压为HV高压电路,通过测量取样电压Us,即可计算出绝缘电阻Rx,其原理框图如图2所示。

图2 绝缘电阻测量原理图

被测绝缘电阻Rx的计算公式为

(1)

式中,Rx为被测绝缘电阻测量值、HV为高压电压值、Δu为A/D转换电压分辨率、ad为MCU采集到的A/D转换二进制码、Rs为分压电阻值。其工作过程为:高压HV施加到被测换能器基元与电阻分压电路串联组成的电路两端,由A/D芯片采集分压后的取样电压ad送入MCU。同时,MCU读取量程码以判断对应的取样电阻权值Rs。绝缘电阻测量电路达到稳定状态需要一定的转换时间,因此,绝缘电阻测量程序的循环周期应设定一定的等待时间。通过调试发现,设置为3s以上即可满足换能器绝缘测量的需求。

3.4 量程自动转换电路设计

换能器绝缘电阻测量范围一般在几十千欧到上千兆欧范围内[6],这导致与之串联的分压电阻Rs上产生的取样电压Us动态范围很大,难以匹配A/D转换电路的电压输入要求(通常在5V以内)。因此,系统设计了量程自动转换电路,实现分压电阻量程自动切换,以满足A/D转换电路输入要求。

3.4.1 方案论证

量程自动转换电路可采用软件和硬件两种方法。软件实现电阻分压量程自动切换节省硬件成本,但控制流程较复杂且易陷入死循环[5,7]。在测量绝缘电阻过程中,当分压电路取样电压恰好位于测试临界点附近时(取上下门限分别为3V和0.3V),假设取样电压值为0.3V,经过A/D转换后的电压值为0.31V,此时自动转换电路不动作。如果由于电路本身噪声干扰,导致转换后电压值变为0.29V,则自动转换电路将动作,转换为高阻量程。这种由于噪声干扰及系统误差产生的电压值波动会导致自动转换电路量程的反复切换,影响了系统的稳定性。采用硬件电路实现量程自动转换电路电阻分压自动切换可与MCU绝缘电阻测量程序并行执行,从而可以避免电路在临界点附近反复切换。此外,量程自动转换电路采用硬件电路提高了自动切换的实时性。综合考虑,系统采用硬件实现自动转换电路,设计的电路原理图如图3所示。

图3 量程自动转换电路原理图

3.4.2 工作过程分析

如图3所示,高压模块产生的高压HV加到测量电路后,取样电压Us送入上下门限双电压比较器,双电压比较器的输出控制双向移位寄存器工作。当取样电压大于上门限3V时,移位寄存器右移,寄存器输出控制模拟开关切换分压电阻至低阻值量程,直至取样电压满足0.3V

为了防止取样电压过大,量程自动切换电路设计有过压保护电路,将取样电压Us限制在5V以内。电路设计中,利用编码电路将4量程编码为UD0和UD1两位。同时设置有上下门限电压比较器输出的超量程标志位UD2和欠量程标志位UD3,用于判断换能器绝缘是否超出系统测试范围。表1给出了标志位与分压电阻对应关系。

表1 标志位与分压电阻对应关系表

3.5 绝缘电阻量程分析

在量程确定情况下,绝缘电阻测量范围受自动转换电路中的门限电压比较器基准电压的影响,上下门限差值越大,某一确定量程下测量范围越大。由于电路工作过程中会产生自噪声,其幅度的大小一般从微伏级到毫伏级,这些噪声在取样电压较小时将对测量精度产生较大影响。因此,下门限电压不宜设置过小。兼顾设计成本、测量精度和量程等因素,系统设计中将门限电压比较器的基准电压设定在3V～0.3V。

图4 多量程电阻分压电路

测试系统多量程电阻分压电路原理如图4所示。选择高压500V档进行分析,当被测换能器绝缘电阻非常大时(漏电流非常小),电阻分压电路中的S1、S2、S3均为开状态,分压电阻Rs为R1+R2+R3+R4=300kΩ。此时流过被测换能器与分压电阻串联的电流要低于0.3/300kΩ=1μA,取样电压Us<0.3V,若采用5V参考电压,8bit的A/D采集芯片,则电压分辨率为

ΔU=5/256V

(2)

可以得出可测绝缘电阻阻值上限Rmax为

Rmax=(500/ΔU)×300=7680MΩ

(3)

在实际测量中,当取样电压过低时,电路本身产生的噪声干扰将对绝缘电阻测量影响较大。此外,换能器阵子绝缘测量目的是判断其绝缘性能,通常绝缘性能到达规定数值即可断定换能器阵子正常。因此,当绝缘电阻测量值大于550MΩ时,显示电路统一显示为550MΩ。

当被测换能器绝缘电阻非常小时(漏电流非常大),电阻分压电路中的S1、S2、S3均为闭状态,分压电阻Rs为R4=300Ω。根据计算,流过被测换能器与分压电阻串联的电流要高于3V/300Ω=100mA。由于高压产生模块输出最大电流为4mA,高压模块过流保护电路动作,使得高压模块输出的电压降低,直至输出电流为4mA,可见,此时取样电压Us的最大值为

Us=Imax×R4=1.2V

(4)

因此,可以计算出绝缘测量电路在高压500V档时的测量下限Rmin为

(5)

实际测量中,低于此值的绝缘电阻由于高压的降低,测量值将存在较大误差。一般情况下,换能器阵子绝缘电阻低于5MΩ时性能已严重下降,绝缘电阻低于1MΩ即认为阵子已经损坏。因此,低于测量下限Rmin存在较大的误差并不影响测量电路正常测量精度。测试系统中,当绝缘电阻测量值小于Rmin时,显示电路统一显示为0MΩ。

按照同样的方法,可以分析出其他三档位绝缘测试电路的量程,表2列出了各档位绝缘电阻量程理论范围和实际设定的量程范围。

表2 绝缘测试电路量程

3.6 MCU主控模块设计

兼顾系统要求和经济成本,选用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片。该芯片指令代码与传统8051兼容,片内集成1280字节RAM,60K程序存储空间,具备单时钟/机器周期工作模式,具有4个16位定时器,7路IO中断口,2个UART,8路高速10位A/D模块,同时集成看门狗、专用复位电路及外部掉电检测电路等功能[8]。该芯片的10位A/D模块对于5V的信号幅度电压,最低分辨率约为5mV,可以满足幅度及增益的测量要求;16位定时器可以满足系统计时功能的要求。选用STC12C5A60S2作为主控模块,开发过程中能够容易进行程序修改,具有价格便宜、开发周期短的优点,且可以满足运算量、精度及实时性要求。

主控模块主要完成整个系统的测量过程。利用键盘进行整个测量过程的控制,将测量结果进行液晶显示[9],并对异常数据进行声光报警,实现了友好的的人机交互;通过I2C总线对测量数据进行保存,在需要查看时可随时通过读取存储器调用查看;此外,主控模块利用USB串行总线将测量结果上传到计算机,方便测量数据的据分析、处理及保存[10]。

4 系统软件设计

系统软件按模块化结构设计,采用C语言编写程序。主要由一个主程序和功能及操作设置模块、中断服务子程序、测量子程序、数据处理子程序等组成。主程序流程如图5所示,主要完成初始化及协调各子程序完成测量和数据处理工作的功能。

5 结语

本文从提高现代数字声纳换能器维修保养效率的角度出发,利用现代电子技术,结合多路换能器绝缘电阻测量的特点,设计了声纳换能器绝缘电阻自动测量系统。系统能够快速、高效的检测换能器静态参数,具有体积较小、便于携带、性价比高等优点。经过声纳维修保障中实际使用表明,系统可靠性、测量精度均满足声纳静态参数检测要求。

图5 绝缘电阻测试主程序流程

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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,工程师,研究方向:电子装备综合保障、水声工程、电子测量。孙琎烨,男,硕士研究生,工程师,研究方向:水声电子技术、电子测量。仲秋,男,工程师,研究方向:电子装备综合保障、电子测量。周浩然,男,助理工程师,研究方向:电子装备维修保障、水声工程。

TB52

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.047