一种增强型多通道绝缘测试仪的设计

张辉 张磊 李青根

（第七一五研究所，杭州，310023）

随着声呐装备维修保障任务的增加，外场工作中绝缘电阻和电容测试变得愈发频繁，采用传统的绝缘测试方法，进行多测点之间的绝缘电阻测试非常耗时。本文提出有两种绝缘测试方法（一对多、一对一）可供选择的测试仪，同时该测试仪具有电容测试、故障定位、高压快速放电等功能，可极大的提高外场工作效率。测试仪由硬件和软件两部分组成，硬件主要包括主测试模块、高压放电模块、电容测试模块、开关模块、故障定位模块、开关模块背板、主控计算机和显控模块等；软件采用图形化编程语言Labview 实现。

1 总体设计

1.1 测试原理

1.1.1 多点测试

测试仪主要用来实现被测产品多个测点之间的绝缘电阻和电容的自动化测试。图1 所示为多点测试原理，绝缘电阻和电容的测试功能集中在测试模块中，测试模块与开关模块在测试仪内部通过开关模块背板连接，开关模块将测试信号连接到被测线缆的各个测点上。闭合开关A1、B2，断开其它开关，可测得Pin1 与Pin2 间绝缘电阻；闭合A1、B3，断开其它开关，可测得Pin1 与Pin3 间绝缘电阻，依次轮循即可完成所有测点间的绝缘电阻测试。开关选择及通断控制由软件完成。电容测试和绝缘测试步骤类似。可以一对多、一对一两种绝缘测试方法，实现不同测试需求。

图1 多点测试原理

1.1.2 绝缘电阻测试

如图2 所示，给被测产品施加一个已知高电压，测试绝缘体之间的漏电流，通过欧姆定律计算得到绝缘体间的绝缘电阻值。因绝缘电阻测试的加载电压较高、测试电流小，直流电源模块选用专用高压发生器，电流表选用微安级小电流测试模块。

图2 绝缘电阻测试原理

1.1.3 电容测试

电容测试采用复阻抗测试原理，如图3 所示。对被测产品（DUT）施加一个正弦交流激励信号，通过测试其矢量电压Vx和矢量电流Ix测得其复阻抗Zx，进而通过电容分量Xc=1/(2πfC)计算得到电容C。由运放的虚短与虚断原理可知Ix=Ir，Ir=Vr/Rr，进而可得Zx=Rr×(Vx/Vr)。其中，Vx和Vr可通过两个同步电压采集通道获得其对应的幅度和相位参数。

图3 复阻抗测试原理图

由图3 可知，测试引线上的阻抗分量也会一起被叠加到DUT 的测试结果中，为了消除测试引线上的阻抗分量的影响，采用4 线测试方法，将正弦波激励信号线和电压测试信号线单独引出，各自分别连接到被测DUT 的两个测试端子上，可以消除测试引线对测试结果的影响。

1.1.4 故障定位

采用时域脉冲反射（Time Domain Reflectometry，TDR）法来实现被测电缆的故障点定位[1]。如图4所示，在传输线理论中，信号在电缆中会以接近光速的某一固定速度v进行传输，当遇到传输线的特性阻抗发生变化的地方（故障点），信号就会发生反射，从而在信号的入射点观察到反射回来的信号。在被测电缆的信号注入端，只要能够测得发射信号和反射信号的时间差t，即可计算得出故障点到电缆头的距离S=v×t/2。

图4 TDR 故障定位原理

由于信号在不同电缆中的传输速度v有可能不一样，所以不能用一个统一的传输速度来进行所有电缆的故障定位。对不同的电缆，测试前需要对其传输速度比进行校正，否则可能会带来较大的误差。

1.1.5 高压放电

由于被测产品的芯线之间具有大电容的特点，绝缘电阻测试之后，芯线之间会积累大量的高压电荷，该高压电荷会对后续的电容测试产生破坏性影响。所以，绝缘电阻测试完成之后，需要对被测芯线进行高压电容放电。计算公式如下：

式中，Vt为电容放电t时间之后电容两端的电压，E为放电前电容两端的初始电压，C为放电电容的容值，R为电容的放电电阻。在本测试仪中，加入两级快速放电模块，依次以99、25 kΩ 放电电阻进行放电，可以快速实现高压电容的放电，放电效率比传统测试仪大幅提高。

1.2 测试仪总体设计

测试仪的系统组成如图5 所示。主控计算机和显控模块主要实现测试仪的主控功能；主测试模块用于实现绝缘电阻测试；高压放电模块用于为主测试模块提供快速高压电容放电的功能；电容测试模块主要用于实现电容测试；开关模块用于实现测试信号在被测电缆的不同芯线之间的切换；故障定位模块用于实现被测电缆故障芯线的故障点定位；测试接口用于把开关模块和故障定位模块输出的测试信号转接到测试仪主机面板的连接器上，使得测试仪的对外测试连接方便可靠。测试仪采用DC 12 V供电接口，可以通过电源适配器连接AC 220 V 电源供电，也可兼容外部蓄电池供电。根据不同的测点数要求，测试仪可以选配多个开关模块。开关模块通过背板与测试仪连接，可以方便地实现最大测点数的扩展。

图5 测试仪系统组成

2 硬件设计

2.1 主控计算机

主控计算机选用低功耗计算机模块。CPU 采用Intel Atom四核1.91 GHz低功耗处理器，内存4 GB，硬盘120 GB SSD 硬盘，支持VGA、LVDS 和HDMI视频显示接口，具有2 个10/100/1000 Mbps 网络接口，1 个16 位数字IO 接口，4 个RS232 接口，4个USB2.0 接口。

2.2 主测试模块

主测试模块具有电阻、绝缘电阻等测试功能，程控接口可以通过计算机控制各测试功能模块。绝缘测试加载电压可设置为250、500、1000 和2500 V四档；测试量程为1～200 MΩ（@250 V）、1 ～500 MΩ（@500 V）、1 MΩ～1GΩ（@1000 V）、3 MΩ～1 GΩ（@2500 V）；基本误差小于5%。可以与开关模块组合，实现多通道线缆测试功能。

2.3 高压放电模块

高压放电模块主要通过继电器开关控制高压功率电阻实现高压电容的快速放电。图6 中，R1和R2 为放电电阻，K1 和K2 是高压开关。闭合K1开关，可以控制R1 电阻进行放电；闭合K2 开关，可以控制R2 电阻进行放电。

图6 高压放电原理图

2.4 电容测试模块

电容测试模块具有测试通道1 路，测试范围10 nF～50 μF，基本误差小于5%，正弦波激励频率100 Hz、1 kHz、10 kHz 和100 kHz，支持4 线电容测试，具有USB 程控通讯接口，采用SCPI 协议控制命令。

2.5 开关模块

开关选用耐高压开关模块，具有继电器动作次数统计功能，可实现多通道的开关切换测试，多路开关各通道耐压值大于2500 V。本设计采用3 个16 点22002 型耐高压开关模块，实现最大48 点的电缆测试要求。

2.6 故障定位模块

故障定位模块选用FDT-1060 型，具有250 m、500 m、1 km、2 km 量程，基本误差小于5%，故障类型可分为短路、断路、接触松动；电缆类型分为同轴线、屏蔽线、双绞线、多股线，具有RS485 串口通讯接口功能。

2.7 开关模块背板

开关背板采用欧卡连接器与开关模块连接，最多可连接3 个开关模块，可为开关模块提供电源，可控制各个开关模块的动作，实现各测试信号到开关模块的路由。

2.8 显控模块

显控模块选用1 个10.4 寸工业显示屏和1 个电阻触摸屏，可以通过面板上的2 个USB 接口外扩键盘和鼠标。

2.9 测试接口

测试接口最大输出2500 V 的直流电压。为承受高压，接口选用矩形重载连接器。

3 软件设计

软件功能可以分成7 个任务实现，分别为软件测试界面事件任务、自动测试任务、手动测试任务、故障定位任务、校准任务、数据管理任务和系统配置任务[2]。软件框架如图7 所示。

图7 软件总体框架

3.1 软件测试界面事件任务

根据测试需求，结合了LabView UI 设计显示控件，采用“测试主界面+菜单”的架构。测试主界面主要实现自动测试的人机接口功能，而手动测试任务、故障定位任务、校准任务、数据管理任务和系统配置任务等可通过选择相应的菜单选项，进入其对应的任务操作界面。

图8 为软件测试主界面。在该界面中，先选择被测产品对应的电缆组，再选择该电缆组中需要测试的被测电缆，在测试类型中选择“电容测试”或“绝缘测试”，启动所选被测产品电缆的测试。程序依次对被测电缆的各个芯线进行测试，数据按测试顺序逐条显示在测试主界面的测试表格中。

图8 测试主界面

测试表格中的数据包括：每一个被测芯线的测点信息、测试值、测试判据，以及由测试值和测试判据共同得出的测试结论。若测试数据超出判据，测试结论为“不合格”，该条测试记录以醒目的“红色”字体显示。在测试过程中，可以点击暂停按钮，停止或退出当前测试。在绝缘测试过程中会出现闪烁的“高压危险！”警示标识。

3.2 自动测试任务

本测试任务的自动化程度比较高，人机接口比较简单。通过早期输入的测试数据信息，在测试界面选择“被测电缆”、“测试类型”，启动测试任务，直到测试结束并保存测试数据。该测试方式可达到多点测试的目的。

3.3 手动测试任务

在手动测试中，可以对电容测试模块、绝缘测试模块和开关模块进行单独的手动操作，类似于操作三种独立的台式仪器，可以随意实现被测电缆的任意两个芯线之间的电容测试和绝缘测试，灵活地实现对任意被测电缆芯线的抽测。通过对开关模块的接通方式进行设定后，主测试模块或电容测试模块与开关模块配合，实现对被测电缆的某芯线的手动抽测，达到单点测试的目的。

3.4 故障定位任务

主要通过程控接口控制故障定位功能模块发送测试脉冲，并将采集到的反射信号波形进行分析处理，从而实现故障定位。在软件测试界面菜单选项中，选择故障定位，配置测试量程、阻抗等硬件参数后，启动测试，发送测试脉冲，对故障定位模块采集返回的测试波形进行分析处理，将结果显示在故障定位界面上。

3.5 校准任务

校准任务用于对绝缘电阻测试和电容测试的系统误差进行补偿修正。本设计采用一次线性函数y=ax+b的算法模型。其中，x为测试值，y为标准值，a和b为校准参数。通过两组x和y，解方程即可得到校准参数a和b的值，将计算得到的a和b带入y=ax+b中，即可得到补偿修正后的测试值y。为了提高测试精度，绝缘电阻测试模块和电容测试模块均需要计算各自的校准参数。

3.6 数据管理任务

在该任务中可以对保存的测试数据进行检索、查看和导出。数据检索支持多关键字搜索，可以快速地实现测试数据的查找定位。对查找的测试数据记录，可查看该条记录中的所有测试数据和相关信息，测试数据以表格形式显示，相关信息记录在对应的文本框中。测试数据导出功能可以将选定的测试数据记录导出成Excel 格式的数据文件，并将其保存到指定的路径下。

3.7 系统配置任务

测试配置任务包括测试参数配置和硬件配置两部分。主要通过软件界面的数据录入和数据库读写操作实现。测试参数配置主要用于配置被测对象的接线关系、测试电压、测试合格判据等相关参数。如图9 所示，在测试对象配置界面，选择电缆组，新增电缆，依据被测电缆技术要求，在接线表配置文件中输入该电缆被测芯线对应开关测点号、测试加载电压和测试合格判据等，按路径导入接线表和提示图，点击“增加”即可将新电缆添加到所选电缆组中。其中，接线表为xls 格式的配置文件，模板固定，提示图为jpg 格式的图片文件。删除电缆时，选定电缆，点击“删除”即可完成。硬件配置主要用于配置电容测试模块、绝缘电阻测试模块和开关模块相关的硬件参数。

图9 测试对象配置界面

4 结束语

多通道绝缘测试仪经测试分析和计量比对，测试精度满足设计要求[3]，能够自动实现被测线缆所有测点的测试，实现多通道快速检测、故障自检和快速放电，并可对电缆中的短路和断路故障点进行快速定位，大大提高了外场检测工作效率。基于LabView 编写的上位机简单易用，能够满足被测对象的测试需求，并能保存和导出Excel 格式的数据文件，实现无纸化记录。相较传统测试仪[4]，此设备增加了绝缘电阻和电容多点测试、故障定位、高压快速放电、数据管理等功能，大大提高了测试效率，为测试人员维修设备、查看测试数据提供了方便。在后续的研究中，可考虑集成电流测试功能并进一步小型化，这样可以完全省去通用仪表，集成度更高，测试和携带也会更加方便。