基于分段式電壓采集法的天線絕緣檢測(cè)技術(shù)研究

江思杰，江傳華，王定虎，李建剛，王彥碧（中國(guó)船舶重工集團(tuán)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(cè)技術(shù)研究

江思杰，江傳華，王定虎，李建剛，王彥碧
（中國(guó)船舶重工集團(tuán)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(yīng)用于通信臺(tái)站與艦船上，天線絕緣性能是其重要的考核指標(biāo)，該參量關(guān)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(cè)技術(shù)為研究對(duì)象，分析了天線絕緣檢測(cè)手段的必要性與存在的不足，在普通絕緣檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于分段電壓采集法的絕緣檢測(cè)方法，對(duì)信臺(tái)站與艦艇上天線的設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試、維修、以及現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等環(huán)節(jié)起到保障作用，改善了天線絕緣性能檢測(cè)技術(shù)智能化、模塊化、高精度等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：短波天線；絕緣檢測(cè)；分段電壓采集法

引言

如今，隨著國(guó)防通信技術(shù)的不斷發(fā)展，短波天線在數(shù)據(jù)鏈通信、信息交互、情報(bào)傳遞等方面得到了非常廣泛的應(yīng)用，對(duì)于艦船而言，由于海上航行期間無(wú)法提供有效的天線檢測(cè)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(biāo)，該參量關(guān)乎到天線的持久性與通信的穩(wěn)定性，當(dāng)天線絕緣電阻低于設(shè)定門(mén)限時(shí)，則可認(rèn)定該天線受到損傷，需更換檢修。

與此同時(shí)，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(yīng)用場(chǎng)景環(huán)境應(yīng)力較為復(fù)雜，對(duì)環(huán)境適應(yīng)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(cè)方法，會(huì)對(duì)天線性能狀態(tài)、天調(diào)系統(tǒng)的質(zhì)量保障等構(gòu)成嚴(yán)重的隱患，影響整個(gè)通信設(shè)備的研制進(jìn)程和性能指標(biāo)[4]。因此，研究一種智能化的高精度天線絕緣電阻檢測(cè)技術(shù)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(cè)方法，將該方法應(yīng)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(cè)。絕緣電阻檢測(cè)模塊在現(xiàn)有的民用絕緣電阻測(cè)試儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，從而滿足抗沖擊振動(dòng)、高低溫濕熱等環(huán)境條件以及電磁兼容要求。

1　國(guó)內(nèi)外絕緣電阻檢測(cè)技術(shù)分析

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于絕緣電阻檢測(cè)方法主要有兆歐表測(cè)量、無(wú)源接地法以及低頻信號(hào)注入法。其中，兆歐表測(cè)量即直接接到天線兩端，選擇相應(yīng)的量程檔位直接進(jìn)行絕緣檢測(cè)；無(wú)源接地法的基本原理是在直流正負(fù)母線和被測(cè)電阻之間接入一系列電阻，然后通過(guò)電子開(kāi)關(guān)或繼電器切換接入阻值的大小，測(cè)量在不同接入電阻情況下的正負(fù)母線在被測(cè)電阻上的分壓，最后通過(guò)解方程式計(jì)算出正負(fù)母線對(duì)地的絕緣電阻，該是目前最常用的電動(dòng)汽車絕緣電阻檢測(cè)方法[1]；低頻信號(hào)注入法采用低頻脈沖信號(hào)注入檢測(cè)整車絕緣性能，采用電容隔離高壓電源與檢測(cè)電路和整車直流系統(tǒng)與低頻脈沖信號(hào)，降低了高頻信號(hào)注入給電氣系統(tǒng)帶來(lái)的交流干擾，在汽車絕緣檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛[7]。

與國(guó)內(nèi)校準(zhǔn)方法相比，美國(guó)、俄羅斯、日本等國(guó)家主要采用電壓注入法，該方法的基本原理是在無(wú)源接地法的基礎(chǔ)上加入了1個(gè)直流電壓注入信號(hào)，電壓經(jīng)過(guò)升壓整流后輸入到電路之中。同時(shí)支路增加開(kāi)關(guān)，這種方法最大的特點(diǎn)就是能測(cè)量兆級(jí)以上的絕緣電阻[4]。此后，美國(guó)人在電壓注入法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出了電壓比較法，該方法基于歐姆定律而來(lái)的，通過(guò)測(cè)量?jī)刹⒙?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(cè)試公式。目前該方法的測(cè)量范圍最大可達(dá)100 MΩ，顯然，在絕緣檢測(cè)范圍上有一定的局限性，需要改進(jìn)才能滿足工程測(cè)量及校準(zhǔn)的要求。

2　技術(shù)難點(diǎn)

隨著國(guó)防通信技術(shù)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(yīng)用于通信臺(tái)站與艦船上，天線絕緣性能是其重要的考核指標(biāo)，然而，由于指標(biāo)要求特殊、應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜等原因，普通天線絕緣檢測(cè)技術(shù)無(wú)法適用[3，4]，具體問(wèn)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(guò)防護(hù)處理，普通兆歐表無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)；

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

3）天線種類繁多，絕緣電阻測(cè)量范圍較寬，難以實(shí)現(xiàn)全范圍檢測(cè)；

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(hù)；

5）艦船上的電磁兼容環(huán)境十分復(fù)雜，需重點(diǎn)考慮該測(cè)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(cè)方法是非常必要的。與普通絕緣檢測(cè)技術(shù)相比，本文所提出的高精度天線絕緣電阻檢測(cè)技術(shù)有著以下幾大特點(diǎn)：

1）測(cè)量精度要求高，絕緣測(cè)量誤差小于正負(fù)3 %；

2）測(cè)量范圍大，最高可達(dá)400 MΩ；

3）額定電壓高，最高可達(dá)2 500 V；

4）由于天線使用情況特殊，對(duì)于短路狀態(tài)的檢測(cè)非常頻繁；

5）應(yīng)用環(huán)境較為復(fù)雜，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性與電磁兼容性要求極高。

3　系統(tǒng)構(gòu)成

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

本文在電壓比較法的基礎(chǔ)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(cè)方法，該方法采用模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方案如圖1所示，其主要由三個(gè)部分組成：

1）MCU最小系統(tǒng)

MCU是本方案的控制與計(jì)算核心，考慮到直流高壓發(fā)生器會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的高頻干擾，本方案采用穩(wěn)定性與抗干擾性極強(qiáng)的飛思卡爾系列單片機(jī)，該單片機(jī)采用內(nèi)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(nèi)資源很豐富，抗干擾能力強(qiáng)。項(xiàng)目組對(duì)于該MCU外圍電路搭建具有成熟的設(shè)計(jì)心得，其最小系統(tǒng)多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2]。

2）直流高壓發(fā)生器

直流高壓發(fā)生器針對(duì)精密電子設(shè)備中所要求的高電壓、低電流的小功率電源系統(tǒng),設(shè)計(jì)制作了一種小型高精密高穩(wěn)定高壓開(kāi)關(guān)電源模塊，并對(duì)高壓電源模塊的響應(yīng)特性進(jìn)行了測(cè)試.制作出的高壓電源模塊具有體積小、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)[7]。

產(chǎn)品廣泛應(yīng)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(cè)量?jī)x器、光電倍增管配套儀器行業(yè)、生物醫(yī)藥設(shè)備儀器、石油工業(yè)測(cè)井、光學(xué)儀器、光電倍增管的放射性探測(cè)儀器和其他相關(guān)光子探測(cè)等儀器中的光電倍增管的供電等領(lǐng)域。

3）電壓采樣單元

電壓采樣單元的主要功能是對(duì)加載到天線上的高壓進(jìn)行分壓處理，結(jié)合采樣電阻阻值計(jì)算天線的絕緣電阻值。考慮到天線種類較多，因此按照天線額定工作電壓對(duì)電壓輸出進(jìn)行了分檔處理，并根據(jù)絕緣電阻測(cè)量范圍，設(shè)計(jì)了3路不同的采樣電阻，從而實(shí)現(xiàn)精確采樣。模擬電壓輸出接口采用高壓繼電器進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，可自動(dòng)切斷輸出端口[5]。與此同時(shí)，并且本發(fā)明在天線兩端添加了短路保護(hù)機(jī)制，避免短路狀態(tài)下高壓對(duì)本方案的影響[8]。

4　系統(tǒng)運(yùn)行流程

天線絕緣電阻檢測(cè)技術(shù)的實(shí)施流程如下：

1）準(zhǔn)備階段。開(kāi)機(jī)接通電源預(yù)熱，通電后絕緣電阻檢測(cè)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(cè)模塊的CPU即可通過(guò)串口與控制器CPU進(jìn)行通信，接收控制器面板的量程和門(mén)限值的輸入數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備進(jìn)行絕緣檢測(cè)；

2）校驗(yàn)階段。當(dāng)接收到上位機(jī)發(fā)出的配置指令后，絕緣電阻檢測(cè)模塊自動(dòng)完成指令校驗(yàn)，如校驗(yàn)通過(guò)，則回復(fù)原數(shù)據(jù)，否則不進(jìn)行任何操作；

3）檢測(cè)階段。當(dāng)接收到上位機(jī)發(fā)出的第一次“絕緣啟測(cè)”指令時(shí)，絕緣電阻檢測(cè)模塊首先進(jìn)行短路測(cè)試，時(shí)間為200 ms。如果判斷為短路狀態(tài)，絕緣電阻檢測(cè)模塊會(huì)向上位機(jī)發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)為0 MΩ的指令，并啟動(dòng)保護(hù)措施，關(guān)閉所有輸出端口；如判斷為非短路狀態(tài)，絕緣電阻檢測(cè)模塊會(huì)根據(jù)接收指令中的量程參數(shù)進(jìn)行升壓操作，升壓時(shí)間大約為5 s，然后每隔2 s回復(fù)一次當(dāng)前絕緣電阻值（20 s共10組數(shù)據(jù)），直到穩(wěn)定。當(dāng)天線絕緣電阻值低于門(mén)限值時(shí)，在絕緣電阻檢測(cè)模塊的每組數(shù)據(jù)發(fā)送的同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)（低電平為有報(bào)警信號(hào)，高電平為無(wú)報(bào)警信號(hào)）。當(dāng)絕緣檢測(cè)時(shí)間大于20 s或控制器CPU再次發(fā)出“絕緣啟測(cè)”信號(hào)時(shí)，絕緣電阻檢測(cè)模塊內(nèi)檢測(cè)功能關(guān)閉；

4）智能調(diào)節(jié)階段。在天線絕緣電阻檢測(cè)過(guò)程中，如測(cè)量量程超出本檔位的限制，則自動(dòng)調(diào)節(jié)到高檔位進(jìn)行測(cè)試，從而實(shí)現(xiàn)智能化天線絕緣電阻檢測(cè)[6]；

5）保護(hù)功能。加電和關(guān)機(jī)情況下絕緣電阻檢測(cè)模塊都有自我保護(hù)功能（抗射頻測(cè)試口耦合進(jìn)來(lái)的外部大信號(hào)沖擊能力）；

圖1　天線絕緣電阻檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)方案

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

5　結(jié)論

本文闡述了天線絕緣檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，通過(guò)實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)分析了現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)所存在的問(wèn)題，提出了一種基于分段電壓采集法的智能化絕緣檢測(cè)方法，詳細(xì)介紹了該方法的原理與系統(tǒng)組成，并將該方法應(yīng)用于某型艦艇上，為短波通信質(zhì)量提供了有效的保障。

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江思杰，工學(xué)碩士，工程師，主要研究方向?yàn)閮x器與測(cè)試技術(shù)、數(shù)據(jù)算法處理、機(jī)械自動(dòng)化控制、低頻通信技術(shù)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(jiǎn)介:

中圖分類號(hào)：U

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-7204（2016）01-0029-04