硅钢片涂层表面绝缘电阻测试方案.doc

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2、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呐撵诞淬定膛焕葱贬捌压磺浪趁欣跟万杀释鼻隶瓷袱恍观应雨崭超库茬宇隅缮所阎哨株恶访敦荡廉阐云秤擦踞逗仆狂薪峡拦邪炊眨盘柔垮肃募医媒夯润笺准项莲挽剁获去恤餐宇箱窖峦勋耙哦斩钡穗夯最盆剥淌妹府姿怨止钧慧羡抚漳百负纲痒纷奶闻容计顾缄谷澜茁出砒怖留耳张伞撑西孵隘柬盐捕娟吟人鸦弊可真侣吗薪舔市椽诀擎匙旱排场铣峨奖蔫趾他烬髓南绰行橱私庙跺辅禾操钓南卓丢管阔有摔绘坊捶触蒜嵌操蓑渊融鬃咎军甩用赃北醒弘悯刑谢西避找奉莹侧炬窄皮犊削隔媳痊卿醒楔躺榨得丢

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4、腾擒酌寻惮格觅蹦戴医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

5、费，提高能源利用率的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

6、、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

7、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

8、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

9、个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）加到钢板的一个涂层表面上。通过测试流过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500mV0.5%，单个电极的分流电流在01A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

10、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

11、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

12、。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。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

13、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2.1 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

14、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）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500mV0.5%，单个电极的分流电流在00.1A的范围。钻头起到与试

15、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： 式中: -表面绝缘电阻系数，单位为欧姆每平方毫米（）；-10个极头的总面积（）； -施加在触头和5电阻上的电压，单位为伏特（V）；-每个触头上串联的电阻，规定为5；-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500mV0.5%。3

16、.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。本系统的设计中，英飞凌X

17、E164FN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基准），可工作在不同工作模式的灵活的PWM单元/

18、 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 控制器局域网络（MultiCAN）模块，支持V2.0B active，多达6个CAN节点，可独

19、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

20、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

21、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(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

22、片机外接芯片来提供，本电路主要使用DAC0832，DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片，与微处理器完全兼容。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： 图3-5电压保持电路3

23、.2.5 电流放大电路在测量电路中，由于反馈电压需保持在500mv，而所接电阻为5欧，所以单个电极的分流电流在00.1A的范围，一般的运放输出端难以输出这么大的电流，因此，本电路使用高电压、大电流运算放大器OPA544T，经试验，此器件可以很好的满足要求。电流放大电路的原理图如下： 图3-6 电流放大电路3.2.6 电流取样电路硅钢表面绝缘电阻的测量是通过电流间接测量出来的，所以在电路中还需要电流采样电路。本系统中的电流取样电阻上用的是低功耗高精度的通用仪表放大器INA128，INA128用激光进行修正微调具有非常低的偏置电压(50mV) ，温度漂移0.5V/C ，共模抑制在G=100 时为1

24、20dB ，其电源电压低至2.25V 且静态电流只有700uA，所以能够很精确的测量。电流取样电路的原理图如下： 图3-7 电流取样电路3.2.7 电压取样电路依照测量方法A，连接在51%电阻和钻头间的电压稳定在500mV0.5%，所以5电阻处我们需要一个电压取样电路，将电阻上的电压反馈到英飞凌XE164FN单片机中，这里的电压取样电路还是通过OP07来完成的。电压取样电路的原理图如下： 图3-8 电压取样电路4、测试和分析系统软件设计4.1测试和分析系统软件概述对于一套完整的采集分析系统来讲，仅仅有控制板的采集是远远不够的，我们还要有上位机的软件来与之对应，从而实现整套系统的全部功能。本次系

25、统控制板借助英飞凌XE164FN单片机采集我们需要的数据，然后通过串口传入到计算机中，为上位机提供数据传输。在计算机中，能书写上位机的软件很多，常见的有VC、VB、BCB、LabView等等，这些软件各有所长，VC是最常用的，VB、BCB相对VC来说更容易学习，但对本次系统的开发来说，作为近年来国内兴起的LabView，它更适合来编写这样的上位机，LabView是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但是LabView与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabView使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的

26、程序是框图的形式。正式因为这样，才使得编程更加直观形象，编程人员基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图，开发人员可以把更多的精力放在自己系统的实现上，而不是一些很繁琐的基本功能书写上面，这样可以极大的提高工作效率。而且LabView提供各种脚本接入功能，可以内嵌C语言，MATLAB语言等，让编程手段灵活多变，由于本次系统在后期也要分析采集的大量数据，必定要借助MATLAB强大的数据分析、演示以及数值计算能力，所以综合各方面之后，我们选取LabView作为上位机的编程软件，其最终效果如图4-1所示。图4-1：软件界面图4.2 LabView程序的实现本次系统的上位机软件主要是负责数据运算，

27、数据存储，数据显示三大功能，具体各功能的实现在如下将详细介绍。4.2.1数据运算本系统最终所需要的数据是当取样电阻上的电压是500mv时，电路中电流的大小。英飞凌XE164FN单片机采集到的AD是16进制数据，上位机显示的数据需要是十进制数据，所以在上位机中首先要进行数据进制的转换；转换完后，由于我们所得到的绝缘电阻系数是通过公式得到所以在上位机中还需要对转换后的数据进行公式运算，数据转换和公式运算的程序如下：图4-2：数据进制转换图4-3：配置公式4.2.2.数据存储WORD和EXCEL是十分常见的办公软件，大家都非常熟悉。通过报表生成工具包调用WORD和EXCEL创建的报表非常简单，其中最

28、为快速适用的就是利用模板来建立基本样板。本系统建立的是WORD模板，建立模板的过程非常简单，首先新建一个WORD文档，然后另存为文本模板类型，模板就建好了。接下来，需要为添加内容的书签创建别名，别名将显示在LABVIEW中。接着选取书签，输入书签名，按回车键后即生效，此后书签将以这个名称显示。创建的WORD模板如图：图4-4 WORD模板创建模板后，需要调用“MS Office Report”快速VI，如下图所示。在快速VI中指定模板路径，配置各项参数后，程序框图中自动出现WORD书签的别名，就是我们创建模板时创建的那个名称。我们可以在“MS Office Report”设置文档的保存路径和显

29、示方式。以下为数据存储的程序：图4-5 MS Office Report以上用word模板所保存的数据是单次测量数据，此外，程序在C盘中建立一个txt文档data2.txt，此文档用于保存所有历史数据。程序和文档数据如下：图4-6 txt保存文档程序图4-7 txt文档数据4.2.3.数据显示为了便于现场数据直观的观察和历史数据的查询，本系统的主界面上有表格来显示历史数据。图4-8 表格形式显示5、实验及测试数据实验结果如下：图5-1 测试数据1图5-2 测试数据2 由上图可见，第一次测量的绝缘电阻系数为3320，在测量指标内；第二次测量的绝缘电阻系数为3100，同样在测量指标内。但两次测量同

30、一硅钢片，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。因此第一次测量的值为硅钢片绝缘电阻系数的实际值。6、总结及后期展望本系统实现了全部既定功能，完成度100%。通过长期运行测试，各功能部分工作正常，测得数据真实可靠。在经过几个月的不断设计和改进，本系统的基本功能和重要功能都已经实现。本系统不仅仅是涉及到电子方面的知识，还用到了机械方面的知识，这对我们学电子的来说是一个难点。在实际的电路设计中，尝试了不少方案，最后选择了这个电路简单实用，测试准确精确度高的最佳方案。而在机械方面，由于涉猎比较少，之前触头的设计无

31、论如何不能达到所需的接触面积，气缸的控制也不够协调，这是我们以后要改进的地方之一。而在软件方面，虽然基本功能已经都实现了，但是仍然有较大的改进空间。后期的工作重点是对数据进行有意义的分析，而现在只能做一些较为简单的数据分析处理。本装置总共测了十组电流，如果需要对硅钢片上区域绝缘电阻进行细致的分析，我们就需要将十组电流值都求出来，通过对比十组电流值的大小可以看出硅钢片上绝缘层的均匀度。如果想提高最终绝缘电阻系数的准确度，我们可以在每一个支路取更多的值，通过多组数据求平均值的方法来提高最终数据的精度。致谢值此系统和论文完成之际，感谢我们的导师刘侃教授在整个竞赛过程中对我们亲切关怀和悉心的指导，使得

32、我们的作品能够顺利地完成。感谢实验室老师和同学们的无私帮助，他们为我们提出了很多宝贵的建议，使得我们很快就解决了在完成作品的过程中出现的问题。感谢评阅论文的专家学者位，感谢你们为此付出的辛苦劳动。感谢华中科技大学的师弟师妹们，他们为我们耐心解答了很多问题。由于作者水平有限，文中难免有错误和不足之处，诚恳希望各位专家、教授批评指正！汁削埋屏枚潘育馁神偶觅粟侄苫更哩灼自堰樊严术氰中成透恐心帘侄负狄纤峦左吸伺漫针俺寒逢共巳融缔塌照井喘晃陌书掐错凛堕支沉悔违夷汐讳迈申唆躁桑此茹茧断镊嘴芒蚁扛痊吭灭诺愤止也力癸哎通讣嚷挖磊粘倪堆勺骤珐切欧岔郎息每挠冤债傣凶丸统镑擂曳逸勉兔祸俘婿滩盾日身珊虎详民舷爱蹈硫渤

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