基于分段式电压采集法的天线绝缘检测技术研究

江思杰，江传华，王定虎，李建刚，王彦碧（中国船舶重工集团公司第七二二研究所，武汉 430079）



基于分段式电压采集法的天线绝缘检测技术研究

江思杰，江传华，王定虎，李建刚，王彦碧
（中国船舶重工集团公司第七二二研究所，武汉 430079）

摘要：如今，短波发信伸缩天线、插拔鞭天线等大量应用于通信台站与舰船上，天线绝缘性能是其重要的考核指标，该参量关乎到天线的持久性与通信的稳定性。以天线绝缘电阻检测技术为研究对象，分析了天线绝缘检测手段的必要性与存在的不足，在普通绝缘检测技术的基础上，提出了一种基于分段电压采集法的绝缘检测方法，对信台站与舰艇上天线的设计、施工、调试、维修、以及现场系统联调等环节起到保障作用，改善了天线绝缘性能检测技术智能化、模块化、高精度等问题。

关键词：短波天线；绝缘检测；分段电压采集法

引言

如今，随着国防通信技术的不断发展，短波天线在数据链通信、信息交互、情报传递等方面得到了非常广泛的应用，对于舰船而言，由于海上航行期间无法提供有效的天线检测手段，因此天线绝缘电阻成为了快速判断天线性能是否正常的重要考核指标，该参量关乎到天线的持久性与通信的稳定性，当天线绝缘电阻低于设定门限时，则可认定该天线受到损伤，需更换检修。

与此同时，由于舰船上的短波天线种类繁多，天线绝缘电阻阻值较高，应用场景环境应力较为复杂，对环境适应性与电磁兼容性的要求极高，且工作频段特殊，缺乏一种智能化的高精度绝缘检测方法，会对天线性能状态、天调系统的质量保障等构成严重的隐患，影响整个通信设备的研制进程和性能指标[4]。因此，研究一种智能化的高精度天线绝缘电阻检测技术是非常必要的。

本文提出了一种基于分段电压采集法的智能化绝缘检测方法，将该方法应用于某型舰艇上，主要完成短波发信伸缩天线、多功能通信桅杆天线HF天线单元和插拔鞭天线的绝缘性能检测。绝缘电阻检测模块在现有的民用绝缘电阻测试仪的基础上进行针对性的设计，从而满足抗冲击振动、高低温湿热等环境条件以及电磁兼容要求。

1　国内外绝缘电阻检测技术分析

目前，国内对于绝缘电阻检测方法主要有兆欧表测量、无源接地法以及低频信号注入法。其中，兆欧表测量即直接接到天线两端，选择相应的量程档位直接进行绝缘检测；无源接地法的基本原理是在直流正负母线和被测电阻之间接入一系列电阻，然后通过电子开关或继电器切换接入阻值的大小，测量在不同接入电阻情况下的正负母线在被测电阻上的分压，最后通过解方程式计算出正负母线对地的绝缘电阻，该是目前最常用的电动汽车绝缘电阻检测方法[1]；低频信号注入法采用低频脉冲信号注入检测整车绝缘性能，采用电容隔离高压电源与检测电路和整车直流系统与低频脉冲信号，降低了高频信号注入给电气系统带来的交流干扰，在汽车绝缘检测技术领域的应用较为广泛[7]。

与国内校准方法相比，美国、俄罗斯、日本等国家主要采用电压注入法，该方法的基本原理是在无源接地法的基础上加入了1个直流电压注入信号，电压经过升压整流后输入到电路之中。同时支路增加开关，这种方法最大的特点就是能测量兆级以上的绝缘电阻[4]。此后，美国人在电压注入法的基础上进行了改进，提出了电压比较法，该方法基于欧姆定律而来的，通过测量两并联回路中两电阻的电压，根据并联回路两端电压相等就可推出绝缘电阻的测试公式。目前该方法的测量范围最大可达100 MΩ，显然，在绝缘检测范围上有一定的局限性，需要改进才能满足工程测量及校准的要求。

2　技术难点

随着国防通信技术快速发展，短波发信伸缩天线、多功能通信桅杆天线HF天线单元和插拔鞭天线大量应用于通信台站与舰船上，天线绝缘性能是其重要的考核指标，然而，由于指标要求特殊、应用环境复杂等原因，普通天线绝缘检测技术无法适用[3，4]，具体问题如下：

1）舰船上短波天线使用环境非常特殊，天线馈线端普遍做过防护处理，普通兆欧表无法进行检测；

2）天线所处环境容易受潮，需对天线进行间歇性检测以保证其工作状态正常；

3）天线种类繁多，绝缘电阻测量范围较宽，难以实现全范围检测；

4）由于天线状态未知，需考虑短路状态下的系统保护；

5）舰船上的电磁兼容环境十分复杂，需重点考虑该测试系统的电磁兼容性与可靠性。

综上所述，一种智能化高精度的天线绝缘电阻检测方法是非常必要的。与普通绝缘检测技术相比，本文所提出的高精度天线绝缘电阻检测技术有着以下几大特点：

1）测量精度要求高，绝缘测量误差小于正负3 %；

2）测量范围大，最高可达400 MΩ；

3）额定电压高，最高可达2 500 V；

4）由于天线使用情况特殊，对于短路状态的检测非常频繁；

5）应用环境较为复杂，对环境适应性与电磁兼容性要求极高。

3　系统构成

在舰船通信领域，由于海上气候潮湿，天线受潮后性能可能会发生改变，此外，受到船体振动、折叠收放等因素的影响，天线性能可能会降低，甚至失效，因此，急需一种智能化高精度的绝缘检测手段来检测天线性能，从而确保通信质量[2]。

本文在电压比较法的基础上，提出了一种基于分段电压采集法的智能化高精度绝缘检测方法，该方法采用模块化设计，设计方案如图1所示，其主要由三个部分组成：

1）MCU最小系统

MCU是本方案的控制与计算核心，考虑到直流高压发生器会产生较强的高频干扰，本方案采用稳定性与抗干扰性极强的飞思卡尔系列单片机，该单片机采用内置上电电路，使工作电压更稳定，安装也极其方便，它的片内资源很丰富，抗干扰能力强。项目组对于该MCU外围电路搭建具有成熟的设计心得，其最小系统多领域有着广泛的应用[2]。

2）直流高压发生器

直流高压发生器针对精密电子设备中所要求的高电压、低电流的小功率电源系统,设计制作了一种小型高精密高稳定高压开关电源模块，并对高压电源模块的响应特性进行了测试.制作出的高压电源模块具有体积小、稳定性好、响应速度快等特点[7]。

产品广泛应用电力行业、军工行业、铁路行业、通信行业、煤矿行业、核测量仪器、光电倍增管配套仪器行业、生物医药设备仪器、石油工业测井、光学仪器、光电倍增管的放射性探测仪器和其他相关光子探测等仪器中的光电倍增管的供电等领域。

3）电压采样单元

电压采样单元的主要功能是对加载到天线上的高压进行分压处理，结合采样电阻阻值计算天线的绝缘电阻值。考虑到天线种类较多，因此按照天线额定工作电压对电压输出进行了分档处理，并根据绝缘电阻测量范围，设计了3路不同的采样电阻，从而实现精确采样。模拟电压输出接口采用高压继电器进行开关控制，可自动切断输出端口[5]。与此同时，并且本发明在天线两端添加了短路保护机制，避免短路状态下高压对本方案的影响[8]。

4　系统运行流程

天线绝缘电阻检测技术的实施流程如下：

1）准备阶段。开机接通电源预热，通电后绝缘电阻检测模块各部分功能初始化完成，485通讯处于接收状态，绝缘电阻检测模块的CPU即可通过串口与控制器CPU进行通信，接收控制器面板的量程和门限值的输入数据，准备进行绝缘检测；

2）校验阶段。当接收到上位机发出的配置指令后，绝缘电阻检测模块自动完成指令校验，如校验通过，则回复原数据，否则不进行任何操作；

3）检测阶段。当接收到上位机发出的第一次“绝缘启测”指令时，绝缘电阻检测模块首先进行短路测试，时间为200 ms。如果判断为短路状态，绝缘电阻检测模块会向上位机发送测试数据为0 MΩ的指令，并启动保护措施，关闭所有输出端口；如判断为非短路状态，绝缘电阻检测模块会根据接收指令中的量程参数进行升压操作，升压时间大约为5 s，然后每隔2 s回复一次当前绝缘电阻值（20 s共10组数据），直到稳定。当天线绝缘电阻值低于门限值时，在绝缘电阻检测模块的每组数据发送的同时发出报警信号（低电平为有报警信号，高电平为无报警信号）。当绝缘检测时间大于20 s或控制器CPU再次发出“绝缘启测”信号时，绝缘电阻检测模块内检测功能关闭；

4）智能调节阶段。在天线绝缘电阻检测过程中，如测量量程超出本档位的限制，则自动调节到高档位进行测试，从而实现智能化天线绝缘电阻检测[6]；

5）保护功能。加电和关机情况下绝缘电阻检测模块都有自我保护功能（抗射频测试口耦合进来的外部大信号冲击能力）；

图1　天线绝缘电阻检测模块设计方案

6）环境适应性与电磁兼容性。适应潜艇舱内环境条件要求。

5　结论

本文阐述了天线绝缘检测技术的应用现状，通过实测经验分析了现有检测技术所存在的问题，提出了一种基于分段电压采集法的智能化绝缘检测方法，详细介绍了该方法的原理与系统组成，并将该方法应用于某型舰艇上，为短波通信质量提供了有效的保障。

参考文献：

[1] 蔡宗平,王跃钢,刘光斌. 单片机在导弹绝缘电阻测试中的应用[J].宇航计测技术. 2000, 20,(04):51-54.

[2] 李晨,宓超. 基于飞思卡尔单片机MC9S12XS128的智能车设计[J].上海海事大学学报. 2012, 33,(1):82-84.

[3] 徐礼发. 浅析短波天线的绝缘对通信的影响[J].上海铁道科技. 2000,(03)：25-26.

[4] 张志文. 船舶常用中短波天线及其验收、维护保养[J].天津航海. 2006,(04):38-40.

[5] 罗大成,王仕成,刘刚鹏,西安. 某导弹绝缘电阻测试仪采样电路的设计[J].计算机测量与控制. 2005, 13(12):1382-1384.

[6] 王怡苹,许爱强,汪定国.自动测试系统中测试数据管理[J].电子测量技术. 2010,(3): 137-140.

[7] 杨烩荣,杨利娟. 智能化绝缘电阻测试仪的研制[J].电力安全技术. 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，工学硕士，工程师，主要研究方向为仪器与测试技术、数据算法处理、机械自动化控制、低频通信技术等。

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

作者简介:

中图分类号：U

文献标识码：A

文章编号：1004-7204（2016）01-0029-04