硅钢片涂层表面绝缘电阻测试方法研究

摘要、: 本项目旨在设计一款硅钢片涂层表面绝缘电阻测量装置。深入研究了检 测原理，参照了国内外相关资料， 总结了当前各种产品的优缺点， 加入了许多创 新点，通过加压单元、电路单元、软件控制单元三个部分的研制实现了自动控制， 体积小、重量轻，节省劳动力， 本测试和分析系统借助了英飞凌单片机的强大功 能，使得设计起来很方便灵活；电路简单实用，能很轻松的用控制板。本产品具 有广泛的应用前景，可填补国内相关领域的空白。 关键词:硅钢片涂层、表面绝缘电阻测试、 LabView 程序、英飞凌单片机

Silicon steel sheet coated surface insulation

resistance testing device

Abstract: This project aims to design a silicon steel sheet coated surface insulation resistance measurement device. Depth study of the detection principle, with reference to the information at home and abroad, summed up the advantages and disadvantages of a variety of products, adding a lot of innovation, the pressure unit, electrical unit, the development of the three parts of the software control unit to achieve automatic control small size, light weight, save labor, testing and analysis system with the help of the powerful features of Infineon Single chip microcomputer control panel, making the design very flexible; circuit is simple and practical, very easy to use control panel. This product has broad application prospects to fill the blank of domestic related fields. Keywords: silicon steel sheet coating, surface insulation resistance testing, LabView program, Infineon Single chip microcomputer

1智能化硅钢片绝缘电阻精密测试装置的测试原理及指标

竞赛初期经查阅资料后，确定了本装置的测试原理如下图

1-1所示:

图1-1硅钢表面绝缘电阻测试原理图

在加压的条件下，将10个固定面积的金属触头（面积64.5mm）加到钢板 的一个

2

涂层表面上。通过依次测试流过 10个触头的电流来评定表面涂层绝缘的 效能。

连接在5Q±%电阻和钻头间的电压稳定在 500m\\± 0.5%,单个电极的分流 电流在0 ~ 1A的范围。钻头起到与试样金属基板接触构成电流回路的作用。

表面绝缘电阻系数的公式:

1

U ____ R 1

- 1

0.5

~

10

y I

厶 I A

10

= 645

1

_ 0.5

(6)

SA

」0 1 一

一

式中：C --表面绝缘电阻系数,

单位为欧姆每平方毫米（-mm）;

2

2

A--10个极头的总面积 （645mm ）;

U --施加在触头和5电阻上的电压，单位为伏特（V）;

R--每个触头上串联的电阻，规定为 51 ;

IA--每次测得的电流（10个数值），单位为安培（A）。

测试方法的特点如下：

（1）采用单点测量，每次只测量一组触头的电流，依次测试完十组触头的 电流

后来评定表面涂层绝缘的效能。由于触头与被测试样接触面带有随机性，所 以可以反映表面绝缘电阻的分布情况

(2)采用闭环电路，保证了每组5Q± 1%电阻上是同一个电压，并且能够 通过电

压反馈回路，使5Q ± 1沁阻和钻头间的电压稳定在 500m\\± 0.5%。

测试指标如下：

取样电阻上电压：500m\\± 0.5% 电路中电流： 0~0.1A

绝缘电阻系数：2900~32000「1 mm (此范围内的硅钢片是合格产品)

2

2、智能化硅钢片绝缘电阻精密测试装置的系统设计

确定好测试原理及测试指标后，按照要求设计的整个系统如下所示：

图2-1系统设计示意图

如图2-1所示为本测试和分析系统的设计示意图。 设计本系统的目的主要是 获取每次硅钢表面涂层绝缘电阻参数数据，

对数据进行分析研究后，以获取对硅

钢表面涂层绝缘电阻测量有实际意义的结果。由于此装置主要应用于硅钢片厂和 电网检测机构，测试频繁，因此要求所采用的核心板具有长期高效稳定的特性。 英飞凌XE164FN单片机能够满足本系统设计的要求。

本系统的核心部分是控制十路测试电路的切换、 数据采集和数据分析，并且 能够自动运行，无需人为干预执行

本系统的设计中，英飞凌XE164FN单片机的主要功能是采集电流检测电路检 测到

的值， 采集电压反馈电路反馈回来的值， 控制继电器的切换， 与上位机进行 通信等。

系统主要分为加压单元，硬件电路和上位机显示三部分组成。

1 ）加压单元 机械单元的第一个研究内容是加压单元的选型：硅钢表面绝缘电阻测

试时， 触头必须压在被测试样上以保证触头和涂层表面接触良好， 因此在测试时我们需 要引入加压单元。

目前，使用在硅钢表面绝缘电阻测试上的加压方法主要有液压法和气压法。 液压就是通过液压油来传递压力的装置。 一个完整的液压系统由五个部分组 成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油。动力元件油泵的作 用是将原动机的机械能转换成液体的压力能， 它向整个液压系统提供动力。 执行 元件液压缸的作用是将液体的压力能转换为机械能， 而获得需要的直线往复运动 或回转运动。控制元件（即各种液压阀 ）在液压系统中控制和调节液体的压力、 流 量和方向。辅助元件为除上述三部分以外的其它元件，包括压力表、滤油器、 蓄能装置、冷却器等。液压油是传递动力的介质。武钢从日本进口的硅钢表面 绝缘电阻测试装置的加压单元就是液压。

气压法就是以压缩气体为工作介质， 靠气体的压力传递动力。 传递动力的系 统是将压缩气体经由管道和控制阀输送给气动执行元件， 把压缩气体的压力能转 换为机械能而作功。 气压传动由气源、 气动执行元件、 气动控制阀和气动辅件组 成。气源一般由空压机提供。气动执行元件把压缩气体的压力能转换为机械能， 用来驱动工作部件， 一般使用气缸。 气动控制阀用来调节气流的方向、 压力和流 量，相应地分为方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀。气动辅件包括：净化空 气用的分水滤气器， 改善空气润滑性能的油雾器， 消除噪声的消声器， 管子联接 件等。

以下为两种加压方式的执行元件

液缸 气缸

图2-2液缸和气缸实物图

液压是采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长，但 其制造精度要求较高，因而价格较贵，而且由于流体流动的阻力和泄露较大， 所 以效率较低。如果处理不当，泄露不仅污染场地，而且还可能引起火灾和爆炸事 故。气压的工作介质是空气，它取之不尽用之不竭，用后的空气可以排到大气中 去，不会污染环境，且工作性能对温度变化不敏感，几乎在0~200度范围均可工 作，且在高温下不会发生燃烧或爆炸。 鉴于以上原因，我们测试装置中的加压单 元是使用气压法。

2）硬件部分

硅钢表面绝缘电阻测试装置是在数据测量和电信号反馈的基础上设计的硬 件和软件结合的系统，该系统数据处理的精度比较高。因此系统硬件设计需要考 虑以下问题：

① 系统需要具有便捷的信号采集和调理能力；

② 硅钢绝缘电阻需进行多次测试，每次所测数据都必须进行运算和传输， 系 统必须具备处理大数据量和复杂运算的能力；

③ 系统需具有快速运算的能力，满足实时性的要求； ④ 对系统的体积、功耗、稳定性等也有严格的要求。

基于以上要求，本系统采用了基于英飞凌 XE164F单片机的嵌入式系统设计 方法。系统的硬件整体设计方案如下图所示

图 2-3硬件电路系统设计方案

本系统主要是能实现测试硅钢表面绝缘电阻的功能，能够完成信号的采集和 调理以及数据处理结果的输出。其构成部分包括：英飞凌 XE164F单片机、电压 反馈电路、电流检测电路、A/D信号采集电路、大功率I/O输出电路。

系统工作步骤为：利用英飞凌XE164F单片机外接的D/A输出作为整个电路 的数控电源，电流检测电路用来检测单个电极上的电流

I,电压反馈电路用来反

馈连接在5Q±%电阻和钻头间的电压，需稳定在500m\\± 0.5%。如果反馈电压不 在规定电压的范围内，还需要通过英飞凌 XE164F单片机外接的D/A来自动调压。 英飞凌

XE164F单片机的I/O口主要用来控制切换电路。

本硬件电路系统的所有电路设计、电路制版都由我们自己完成，并经调试验 证电路的准确性和精确性。

3) 上位机显示部分

本装置的上位机主要使用

NI公司的LabVIEW 进行编程，LabVIEW

) 是一种图形化的编

(Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench

程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视 为一个标准的数据采集和仪器控制软件。

LabVIEW集成了与满足 GPIB、VXI、

RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了 便于应用TCP/IP、ActiveX 等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵 活的软件。利用它可以

方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得 编程及使用过程都生动有趣。

本装置的上位机主要起显示和存储作用。英飞凌 XE164FN单片机所采得

的数据通过串口传送到上位机，然后在上位机里通过一定的转换和运算最终将数 据转换成我们所需的硅钢表面绝缘电阻系数显示并存储起来。

程序主界面如下：

智能化硅钢片绝彖电阻精密测试装置VI,6

2012-7-22

图2-4上位机主界面

3、智能化硅钢片绝缘电阻精密测试装置的实验结果及数据

实验结果如下:

智能化硅钢片绝缘电阻精密测试装置V1.6

2Q1.Z-7-32

渝屋数罄列表

端口号% COM3 □ 配 节 谁特率J S60Q 数据位-1 9 停止位-J 1.0 时间 3012-7-23 萌:菲 绝嫉电昭3 克 Q-QOQOQQ 絶緣电阻系数

3320

图3-1测试数据1

智能化硅钢片绝缘电匡精密测试装置VL6

2012-7-22

时间

2012-7-22 16:52:11

2012-7-22 16:43:16

纯媒电阻聚数

3100.000000

3330.0DDDQO

绝缘电阻系数 3100 1 Q*fnnn2 1

图3-2测试数据2

由上图可见，第一次测量的绝缘电阻系数为 3320二mm，在测量指标内; 第二

2

次测量的绝缘电阻系数为 31001「mm，同样在测量指标内。但两次测量同 一硅钢

2

片，但测试数据有所不同。因为硅钢片每检测一次涂层绝缘膜都会产生破 坏性的、不可逆反的损坏，所以每一个硅钢片只能进行一次较为准确的测量。 此第一次测量的值为硅钢片绝缘电阻系数的实际值。

参考文献

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