航天测控高压电缆测试仪的设计

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　　在航空、航天、电子、兵器、船舶等领域，广泛应用着不同规模的电缆，电缆是设备进行信号传输的重要载体，电缆连接质量直接影设备的可靠性，在产品研制、生产、检验、使用、维护过程中必须对电缆进行检测，保证交付产品的质量，因此高压电缆测试仪是设备测试系统必不可少的保障仪器。
　　一、高压电缆测试仪基本功能
　　北京航天测控技术开发公司研发的高压电缆测试仪，用于电缆的通、断、导通电阻阻值等导通性指标及电缆芯线之间、芯线与壳体之间的绝缘性和抗电强度指标等性能指标检测，主要用于军用、民用领域产品开发、调试、生产和检测维护过程中电缆的自动检测。
　　1、检测功能：具有导通测量、绝缘测量、抗电强度测量功能；
　　2、自检功能：对系统的采集通道、低压测量通道、高压测量通道进行系统自检，检查设备工作状态；
　　3、测试流程、测试任务动态配置功能：用户利用图形化编程方式，对测试流程、测试任务进行现场配置，使用方便灵活；
　　4、校准功能：外接标准电阻，对大电阻测量、绝缘电阻测量通道进行系统输入输出特性拟合，运用数学算法确定校准方程，进行系统校准；
　　5、数据管理功能：具有测量数据报表自动生成，数据查询、打印、导出、删除、显示，结果判断、超限报错等功能。
　　6、USB接口转储功能，通过USB接口利用U盘安装程序、转储数据。
　　二、高压电缆测试仪主要技术指标
　　1、导通测量通道：128路，可扩充为256路。
　　2、绝缘测量通道：128路，可扩充为256路。
　　3、抗电强度测量通道：128路，可扩充为256路。
　　4、导通电阻测量范围：
　　电阻挡：0～20MΩ，200Ω、2kΩ、20kΩ、200kΩ、2MΩ、20MΩ6个量程，测量误差：2Ω；精确度：0.5%。
　　电导档：20MΩ～100MΩ，精确度：5%；100MΩ～300MΩ，精确度：10%。
　　5、绝缘电阻测量范围：测量电压为直流500V，最大输出电流5mA，电阻测量范围：10MΩ～100MΩ，精确度：5%；100MΩ～300MΩ，精确度：10%。
　　6、抗电强度测量：测量电压为交流750V、频率50Hz交流电，最大输出电流5mA，被测端点不出现飞弧和击穿现象。
　　7、对外接口：外接PS/2键盘、鼠标，1个标准串行接口，1个并行接口，1个USB接口，1个CRT接口，1个平板显示器接口。
　　8、输入电源：AC220V（220±10%），输入电源功率：?300W。
　　9、工作环境温度：0℃～+55℃。
　　10、电缆测试仪机箱外形尺寸：493mm（长）X 540mm（深）X 350mm（高）。
　　三、高压电缆测试仪组成及系统工作原理
　　高压电缆测试仪主要由机箱、电源系统、各种功能电路板、键盘、鼠标、供电电缆、测试电缆等部分组成。高压电缆测试仪系统原理组成方框图如图1所示。

图1.高压电缆测试仪系统原理组成方框图

　　CPU主控制器电路板由CPU主控制器、总线隔离驱动电路、键盘控制电路组成。完成系统测试程序的运行控制，进行计算机控制、地址、数据命令的接收、发送、隔离驱动控制，通过键盘、鼠标进行人机接口命令交互，执行测试过程及将测试结果显示、通过USB接口、标准串口输出等工作。
　　高压A/D采集电路板由电阻量程通道、电导量程通道、绝缘通道、抗电强度通道切换电路和A/D模数转换电路组成。实现被测信号导通测试、绝缘测试、抗电强度测试的通道切换、信号的模数转换。
　　128路导通测量板实现被测电缆的导通测试，将导通测试所需的标准电压源和标准电阻通过通道切换电路切换到相应的测量电路中，实现电缆的导通测试。
　　128路高压继电器控制板实现对高压继电器开关板的逻辑控制，将绝缘测试和抗电强度测试所需的交直流高压通过控制电路切换到相应的测量电路中，实现电缆的绝缘测试和抗电强度测试。
　　绝缘测量电路实现被测电缆的绝缘测试，将绝缘测试所需的直流高压通过通道切换电路切换到相应的测量电路中。
　　抗电强度测量电路实现被测电缆的抗电强度测试，将耐压测试所需的交流高压通过通道切换电路切换到相应的测量电路中。
　　高压继电器开关板由高压继电器开关矩阵组成，实现被测电缆被测点的通道切换控制。
　　人机接口单元接收面板键盘、鼠标的命令，完成相应的控制操作，并将信息送到液晶显示屏显示。
　　液晶显示电路实现人机交互界面，运行高压电缆测试仪软件平台程序，进行高压电缆测试仪仪器配置、流程配置、任务配置，运行测试程序，显示自检和校准结果、测试结果、数据管理信息。
　　四、高压电缆测试仪硬件设计
　　1、A/D采集电路设计
　　传统的电阻测量设备大多采用恒流法测量电阻，仅仅用于较小电阻的测量，如果被测电阻阻值较大，需要纳安级或微安级的恒流源，纳安级、微安级的恒流源实现比较困难。
　　导通电阻测量采用比例法测量原理。比例法是测量电阻的一种新方法，它具有电路简单、准确度高等优点，能充分发挥单片A/D转换器本身的优良特性，实现Ω/U转换。即使基准电压存在偏差或发生波动，也不会增加测量误差。比例电阻法测量原理如图2所示。

图2.比例电阻法测量原理

　　被测电阻（Rx）与标准电阻（Ro）串联后接在A/D模数转换器的U+与COM端之间，基准电压源（Eo）向Ro和Rx提供测试电流，Rx两端的压降作为A/D输入电压Uin，N=K×Uin/Uref=K×Rx/Ro，A/D转换值取决于Rx与Ro的比值。取不同的标准电阻Ro，可以测量不同量程的电阻。量程的改变通过继电器开关转换实现。
　　高阻值电阻的测量可用电导法间接测量。为了大幅度扩展测量高阻的范围而又避免引入外接干扰，需要巧妙的借助于单片A/D转换器，使之在完成模数转换的同时，还自动做倒数运算，由单片A/D转换器直接得到被测电阻的电导值Gx，根据公式Rx=1/Gx，可算出Rx值。
　　2、绝缘测量电路设计
　　绝缘电阻测量采用漏电流法测量原理，通过外加直流电压源测量无源回路的绝缘电阻。如果被测回路某一根芯线与其它芯线、电缆壳体、地绝缘，给该芯线施加直流电压，则其余芯线对地就不会有漏电流，否则，就会检测到漏电电压。绝缘测试的工作原理如图3所示。
　　图3中Rx为待测绝缘电阻，R1、R2分别为已知的标准限流、分压电阻，当绝缘电压加在绝缘测试电路后，根据全电路欧姆定律可知：
　　V=U× ，因此：Rx=U× －（R1+R2）
　　A/D转换电路在测量出V后，便可根据上式计算出绝缘电阻Rx。

图3.绝缘测试原理图

　　五、高压电缆测试仪系统软件
　　CPU主控制器软件平台选用Windows 2000操作系统，编程语言为VC++6.0，软件开发环境选用VITE1.0。
　　高压电缆测试仪系统软件采用VITE1.0开发和运行软件平台，并根据高压电缆测试仪的测试功能需求进行裁减。系统软件主要有测试执行功能模块、测试开发模块、数据处理模块、系统管理模块四大功能模块组成。
　　六、电缆测试结果数据处理
　　1、测量通道系统校准
　　电缆测试仪输入端测量的是电阻值，测量结果是A/D采集板模数转换的码值，如何确定测量系统输入-输出之间的换算关系，即被测工程值与模数转换码值之间的关系，需要外接标准电阻进行系统校准，确定系统电阻测量通道和绝缘测量通道的拟合特性方程。
　　对于电导测量挡和绝缘测量挡，外接精度为0.1%的标准电阻，电阻从20M～400 MΩ，依次接入不同的标准电阻，记录电导或绝缘测量通道的测量值。
　　2、输入-输出拟合特性实现
　　测量结果经过数据处理后才能得到最终的测量结果电阻值，数据处理包括数据记录、整理、计算、分析、拟合等多种处理方法，电缆测试仪输入输出特性校准拟合采用最小二乘法实现。
　　导通电阻、绝缘电阻通道输入-输出函数特性的拟合公式采用线性拟合和二项式非线性拟合。线性拟合公式为：y=a0+a1x，二项式拟合公式为y=a0+a1x+a2x2
　　为了提高系统测量精度，电导档、绝缘电阻通道输入-输出特性拟合采用分段拟合方法。指定函数变量X、Y，X为电缆测试仪A/D采集板模数转换后的十进制码值，X为自变量，Y为校准用外接的标准电阻，Y为因变量。
　　采用Origin软件进行输入输出特性拟合，其中非线性最小平方拟合（Non-Linear Curve Fit）法，是Origin所提供的用途广泛、功能强大的数据拟合工具。
　　例如电阻范围20M～50MΩ时，电导挡拟合方程为：
　　Y = 95.68638-0.00291*X+0.0000000281217*X2（MΩ）
　　电导挡（20M～50 MΩ）测量通道输入-输出拟合特性曲线如图4所示。

图4.电导挡（20M～50 MΩ）测量通道输入-输出拟合特性曲线

　　绝缘挡从20M～400 MΩ分11段拟合，例如绝缘挡1M～3MΩ拟合方程为：
　　Y= 6.70063-0.000450867*X +0.00000000888648*X2（MΩ）
　　绝缘挡（1M～3MΩ）测量通道输入-输出拟合特性曲线如图5所示。

图5.绝缘挡（1M～3MΩ）测量通道输入-输出拟合特性曲线

　　为了提高系统测量精度，采取以下措施：
　　（1）同一点采集数据采取多次测量，取平均值的方法。
　　（2）采用精密电阻进行系统校准，校准点数多，采取分段拟合特性方程的方法。
　　（3）电阻测量采取比例法和电导测量法测电阻，分8个量程测量，不同阻值在不同量程内测量，提高测量精度。
　　（4）绝缘电阻测量，提高基准电源电压的输出精度，提高测量精度。
　　（5）硬件采取隔离滤波措施，消除干扰。

　　航天测控高压电缆测试仪是基于ISA总线构架的嵌入式控制器系统,具有开放性、模块化、易扩展等特点，高压通道和低压测量通道独立设计,融合先进的虚拟仪器设计技术,软件平台根据用户的不同测试需求进行测试流程、测试任务的现场动态配置。
　　（1）采用通用总线、模块化体系结构,便于通道扩展。
　　（2）采用比例电阻测量法和电导测量方法,实现宽范围电阻测量。
　　（3）系统软件采用图形化编程，实现对测试流程和测试项目的动态配置。
　　（4）运用数据拟合算法,对系统输入输出特性分段拟合,提高系统的测量精度。
　　该产品功能强、测量范围宽、精度高、适应性强,用户现场修改测试流程,使用方便。可根据用户需求进行通道扩充。
　　既可以实现对电缆导通、绝缘和抗电强度性能指标的自动检测,也可以实现对设备的无源检测。降低保障人员的劳动强度,提高设备的维修检测效率。
　　通过用户试用证明，该测试仪能够满足对设备配套电缆的日常维护测试需求，是一种方便、快捷、实用的电缆测试仪器。测试速度快、环境适应性强、体积小、重量轻、工作稳定可靠。高压电缆测试仪能及时快速地检测电缆存在的故障隐患，减轻保障人员的劳动强度，减少人为差错，提高测试速度和测试准确性，缩短检测时间，提高检测效率。

　　北京航天测控技术开发公司以通用测控产品为主，主要有六大类：基础测试测量仪器，包括16大类230余种的VXI/PXI/LXI/CPCI/CAN/GPIB总线系列化仪器模块及信号调理模块；软件及信息化产品，包括虚拟仪器测试开发环境和远程分布式测试与故障诊断系统；通用测试系统，包括“广灵通”通用测试平台及其系列产品；测试与维修保障系统，包括“华佗”电子设备电路板维修测试与诊断系统及其系列产品和装备维修测试与诊断系统；自动化控制系统，包括遥测遥控及工业自动化等系统产品；测试系统辅助配套产品。同时公司还可以根据用户的具体需求，提供ATE/ATS、DCS/FCS的系统集成、方案设计、技术咨询、软件开发、结构设计以及远程信息化测试、测试/诊断程序开发及技术培训与维护等服务。