1、硅钢片涂层表面绝缘电阻测试装置1 立题依据、科学意义及创新特色1.1 背景分析及立题依据从1973年到20世纪末，世界终端能源消费总量增长了48.8，其中电力的比重增加了58.8。在中国，新能源仍是辅助能源，目前我国单位GDP和发达国家相比，1美元GDP产出所耗电能是美国的2.29倍，是德国的418倍，所以电力节能有相当可观的潜力。电动机作为耗用电能的产品广泛应用于工业、商业、公共设施和家电等各个领域。电动机用电量占工业总用电量23左右，约占总用电量的50，提高电动机效率水平对降低电能消耗和节省能源具有重要意义。硅钢被广泛用作电机及中小型变压器铁芯的原材料，在全球减少能源浪费，提高能源利用率的
2、浪潮中扮演着重要角色。硅钢俗称矽钢片或硅钢片，是电力、电子和军事工业不可或缺的含碳极低的硅铁软磁合金，亦是产量最大的金属功能材料，其产量约占世界钢材产量的1%，它是含硅0.8%-4.8%的硅铁合金，经热、冷轧成厚度在1mm以下的硅钢薄板。加入硅可提高铁的电阻率和最大磁导率，降低矫顽力、铁芯损耗（铁损）和磁时效，主要用作各种电机、发电机和变压器的铁芯。对 硅 钢 性 能 的 要 求 主 要 是 ： 铁 损 低 ， 这 是 硅 钢 片 质 量 的 最 重 要 指 标 。各 国 都 根 据 铁 损 值 划 分 牌 号 ， 铁 损 愈 低 ， 牌 号 愈 高 。 表 面 绝 缘 膜 的 附 着性 和
3、焊 接 性 良 好 ， 能 防 蚀 和 改 善 冲 片 性 。 表 面 光 滑 、 平 整 和 厚 度 均 匀 ，可 以 提 高 铁 芯 的 填 充 系 数 。 冲 片 性 好 ， 对 制 造 微 型 、 小 型 电 动 机 更 为 重 要 。 较 强 磁 场 下 磁 感 应 强 度 （ 磁 感 ） 高 ， 这 使 电 机 和 变 压 器 的 铁 芯 体 积 与 重 量减 小 ， 节 约 硅 钢 片 、 铜 线 和 绝 缘 材 料 等 。 基 本 无 磁 时 效 。涂层是硅钢片很重要的品质项目。硅钢片表面经化学涂层处理，而附着一层薄膜，可提供绝缘、防锈和润滑的功能。绝缘性防止铁芯叠片间发生短路
4、而增大涡流损耗，提高其电磁性能；防锈性避免钢片在加工、储藏过程中生锈；润滑性可改善硅钢片的冲片性及提升模具的寿命。因此，硅钢表面涂层需要具有良好的绝缘性和较高的层间电阻，而涂层作为一种改善材料性能的有力手段正日益受到大力推崇。硅钢片每片之间的要绝缘的原因：1、硅钢片本身也是导电体，在交流磁通的作用下，在铁心内也产生了感应电流。这是无法避免的。2、铁心是一个整体，相当于是一个面积很大的导体，电路又短，其电阻值非常的小，虽然感应的电压并不高，但电流却很大。这样产生了极大的涡流（环流）损耗。严重时，会将铁心发热局部熔化，俗称为铁心“失火”。3、每片之间涂了绝缘漆之后，使铁心在产生的那个截面，被分割成
5、很多的小截面的导体。这样其电阻就变大了。所以涂了漆的铁心，虽然也存在涡流损耗（属于铁耗的一部分），但也小了很多很多。4、硅钢片越薄，其损耗就越小。5、硅钢片在不同的用途下，对绝缘漆的要求也不同。硅钢片表面绝缘漆的检测就显得非常重要了，对后期硅钢片的加工，耐腐蚀，附着性，保护性，功能实现等各方面有着直接的影响。1.2 国内外研究现状及发展趋势最早硅钢表面绝缘电阻的测量是基于万用电表的，这种测量是一种点测量，测量范围只涵盖了万用电表的触头与硅钢涂层所接触的那一点，由于硅钢片涂层厚度难以达到完全均匀，所以硅钢片上点与点之间的表面绝缘电阻值难以达到一致，有时误差很大，因此用万用电表所得的硅钢片表面绝缘
6、电阻测量值无法真实准确的反映出整块硅钢的绝缘电阻值，参考意义不大。目前，国内外使用的硅钢表面绝缘电阻设备主要使用以下两种方法来测量表面绝缘电阻：方法一：测试原理如图 1图 1.1 硅钢表面绝缘电阻测试原理图一图中 A 为电流表，V 为电压表。测量的一个电极是由 10 根带有极头（面积）的黄铜棒组成，10 根黄钢棒并联连接，极头紧贴涂层表面；另一个210m电极由钻头和钢板基体组成（钻头穿透层与钢板基体连成一体） 。方法二：测试原理如图 2图 1.2 硅钢表面绝缘电阻测试原理图二在规定的电压和压力条件下，将 10 个固定面积的金属触头（面积 ）25.64m加到钢板的一个涂层表面上。通过测试流过 1
7、0 个触头的电流来评定表面涂层绝缘的效能。连接在 51%电阻和钻头间的电压稳定在 500mV 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。由于硅钢表面绝缘电阻测试是超精密装置，所以并不仅仅只知道了原理就可以造出来的，国内只有武钢和中国计量院成功研发出来了该装置，但都存在着设备价钱高，体积大，精度不够，重复性不好等问题。国外硅钢表面绝缘电阻测试装置的精度、操作性，总体比国内高，特别是加拿大、日本发达国家。上述的国家的大公司都有标准的产品面市，国内也有代理商在销售他们的产品，但在价钱方面比国内产品高了几个档次。本装置在符合国标要求的情况下，使用最
8、简单实用的电路，最易于操作的上位机软件，最轻便的机械加工，最耐用的控制板来完成硅钢涂层表面绝缘电阻的测试。1.3 创新特色1. 整套装置的机械单元、电路单元、软件控制单元三个部分的研制实现了自动控制；2. 传统硅钢表面电阻检测装置操作复杂，价格高，设备庞大，成本高。本装置测试方法全面，价格便宜、体积小、重量轻，节省劳动力；3. 本测试和分析系统借助了英飞凌 XE164FN 单片机的强大功能，用英飞凌XE164FN 单片机自带的 AD 和外接的 DA 芯片来精确地采集数据和提供电压；使用了英飞凌 XE164FN 单片机的串口传输数据给上位机显示，使得设计起来很方便灵活；2、机械单元机械单元中主要
9、解决了加压单元选型的问题：硅钢表面绝缘电阻测试时，触头必须以规定的力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
10、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。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
11、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 2.1 液缸和气缸本装置的加压单元采用的是气压法。液压的主要优点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，主要缺点是液压元件的制造精度要求较高，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。气压的主要优点是工作介质是空气，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0200 度范围均可工作，且在高温下不会发生燃烧或爆炸。主要缺点是由于空气的可压缩性大，气压传动系统的速度稳定
12、性不好，给系统的速度和位置控制精度带来一定的影响。本装置通过节压阀来很好的控制气压传动系统的速度。3、测试和分析系统硬件实现设计3.1 测试原理本测试装置的测试原理如图 2，这是国标中的测试方法。图 3-1 硅钢表面绝缘电阻测试原理图在规定的电压和压力条件下，将 10 个固定面积的金属触头（面积 ）25.64m加到钢板的一个涂层表面上。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 51%电阻和钻头间的电压稳定在 500mV 0.5%，单个电极的分流电流在 0 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：5.01.64501AA
13、IRIUC式中: -表面绝缘电阻系数，单位为欧姆每平方毫米（ ） ；2m-10 个极头的总面积（ ） ；2645m-施加在触头和 5 电阻上的电压，单位为伏特（V） ；U-每个触头上串联的电阻，规定为 5 ；R-每次测得的电流（10 个数值） ，单位为安培（A） 。AI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 51%电阻上是同一个电压，并且能够通过电压反馈回路，使 51%电阻和钻头间的电压稳定在 500mV 0.5%
14、。3.2 硅钢表面绝缘电阻测试系统硬件设计英飞凌XE164FN单片机继电器继电器驱动模块主控制板数据采集模块串口通信 PC 机数控电源图 3-2 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
15、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。各个功能模块在后面有较为详细的描述。3.2.1 英飞凌 XE164FN 单片机简述XE166N 将功能和性能扩展的 C166SV2 内核、功能强大的片上外设子系统和各种片上存储器完美结合。 XE166N 器件的外设子系统具有以下主要特性： 两个可同步 ADC，转换精度（ 10 位或 8 位）和转换时间（低于 1 s）可编程设定，具有多达 16 路模拟输入通道，自动扫描模式和通道插入和数据压缩特性 一个捕获/ 比较单元（CC） （具有两个独立的时间
16、基准） ，可工作在不同工作模式的灵活的 PWM 单元/ 事件记录单元，共包括两个 16 位定时器/ 计数器，最大精度 fSYS 两个用于灵活产生 PWM 信号的捕获/比较单元（CCU6） （3/6 捕获/比较通道和 1 个比较通道） 两个多功能通用定时器单元： GPT1：含 3 个 16 位定时器/ 计数器，最大精度 fSYS/4 GPT2：含 2 个 16 位定时器/ 计数器，最大精度 fSYS/2 三个通用串行接口通道单元（USIC） ，每个单元提供 2 路接口通道、波特率发生器、接收/发送 FIFO，数据长度和移位方向可编程，可用作 UART、类 SPI、IIC、IIS 和 LIN 接口
17、 控制器局域网络（MultiCAN ）模块，支持 V2.0B active，多达 6 个 CAN节点，可独立工作或通过网关交换数据，全功能 CAN/基本 CAN 具有报警中断的实时时钟（RTC） 刷新时间间隔可编程设定的看门狗定时器（WDT） 引导程序加载器，可灵活进行系统初始化 系统配置和控制寄存器的保护管理本装置所需英飞凌 XE164FN 单片机提供的功能有：两路 10 位同步 ADC，十个通用 I/O 口，八个用于控制外接芯片 DA 输出的 I/O 口，一个用于控制外接芯片片选信号的 I/O 口，一路用于控制外接芯片数据锁存的 I/O 口和一个用于传输数据给上位机的串口。3.2.2 电源
18、系统电源系统作为核心控制采集模块的动力系统，负责为继电器，达林顿管及运放提供工作电平。电源系统的稳定性决定了整体系统的工作水平，良好的电源系统是整个控制采集模块正常工作的必要前提。在本设计中，电源系统主要是输出直流稳压电源，所用芯片是LM7805，LM7905，LM7815，LM7815，LM7824，电源系统如图： 图 3-3 电 源 系 统 原 理 图 电 源 系 统 去 耦 部 分 采 用 胆 电 容 和 无 极 电 容 ， 分 别 吸 收 低 频 和 高 频 的 电 源扰 动 。 此 外 ， 电 路 板 还 设 计 了 多 个 电 平 测 试 点 ， 以 便 后 期 调 试 和 功 能
19、 拓 展 。3.2.3 达林顿管驱动电路英飞凌 XE164FN 单片机的 I/O 口不足以驱动外接继电器，因此，在英飞凌XE164FN 单片机的 I/O 口输出端接了一个达林顿管驱动电路。驱动电路的主要芯片是 ULN2803。ULN2803 是高电压大电流八达林顿晶体管阵列，驱动能力 500mA 50V。应用时 9 脚接地，要是驱动感性负载，10 脚接负载电源V+。ULN2803 的设计与标准 TTL 系列兼容，输入的电平信号为 0 或 5V。输入 0是，输出达林顿管截止。输入为 5V 电平时，输出达林顿饱和。输出负载加在电源 V+和输出口上，当输入为高电平时，输出负载工作。输出击穿电压：50
20、(V) 输出电流：500(mA) 输入电阻：2.7k() 推 荐 输 入 电 压 ： 5(V) 达林顿管驱动电路的原理图如下： 图 3-4 达林顿管驱动电路3.2.4 电压保持电路电 压 保 持 电 路 用 于 给 核 心 控 制 采 集 模 块 提 供 所 需 的 数 控 电 源 ， 由 于 英飞凌 XE164FN 单片机没有自带的 DAC，所以核 心 控 制 采 集 模 块 的 输 入 电 压 只 能由 英飞凌 XE164FN 单片机外接芯片来提供，本电路主要使用 DAC0832，D AC0832是 8 分 辨 率 的 D/A 转 换 集 成 芯 片 ， 与 微 处 理 器 完 全 兼 容
21、 。 这 个 DA 芯 片 以 其价 格 低 廉 、 接 口 简 单 、 转 换 控 制 容 易 等 优 点 ， 在 单 片 机 应 用 系 统 中 得 到 广 泛的 应 用 。 DAC0832 输 出 的 是 电 流 信 号 ， 所 以 我 们 可 以 设 计 一 个 单 极 性 直 通 电路 ， ILE 接 高 电 平 ， 输 出 端 、 接 运 放 ， 把 电 流 输 出 转 换 为 电 压 输1OUTI2出 ， 此 时 的 输 出 电 压 为 负 电 压 ， 所 以 ， 紧 随 其 后 的 是 一 个 反 相 器 ； 为了“隔离”前后级之间的影响，紧接着反相器的是一个电压跟随器，电压跟随器的特点是高输入电阻、低输出电阻、电压增益近似为 1，所用芯片为低噪声高精度运算放大器 OP07。电压保持电路的原理图如下：
