《PΩ(1015Ω)量级超高绝缘电阻数字化精确测量技术研究与样

《PΩ（1015Ω）量级超高绝缘电阻数字化精确测量技术研究与样机研制》
项目总结报告
一、项目概况
项目名称：PΩ（1015Ω）量级超高绝缘电阻数字化精确测量技术研究与样机研制
立项时间：2014.6
项目编号：BY2014127-09
项目负责人：王晓俊
合作企业：南京同胜仪器科技有限公司
经费情况：本项目合同规定江苏省科技厅拨款15万元，合作企业配套57万元，在项目执行过程中实际省拨款15万元，企业实际配套65万元。

主要研究内容：
通过理论与实验相结合的方法，研究基于静电计法与反馈电阻法的复合微电流测量方法，实现宽量程、高线性度、高准确度绝缘电阻测量；通过对缓变非平稳本底干扰电流信号的产生机理研究，实现干扰电流抑制措施和自校正测量方法；通过对被测绝缘测量电学模型重构测量方法的研究，实现泄漏电流的高精度辨识；在此基础上，研制PΩ量级的超高绝缘电阻数字化测试仪样机、高性能测量夹具及其电网络模型研究，并研制远程自动测量系统。

二、项目实施情况
本项目主持单位东南大学，参与单位南京同胜仪器科技有限公司。

其中，东南大学主要负责项目总体方案的制定、关键技术的研究，样机硬件电路设
计、软件算法设计，及样机测试和验收文件，南京同胜仪器科技有限公司负责工艺设计、小批量样机制作、样机测试等。

在上述项目组织和运行机制的框架下，双方组成联合研发团队，进行项目攻关，在完成项目任务书指标的前提下，对本项目提出更加具有前瞻性和实用性的任务需求，最终把本项目成果形成产业化样机，并实现批量生产和销售。

首批销售5台，产生利润8万元，用户包括中电集团44所、北京无线电元件6厂等国内知名单位，主要应用领域有超级电容、特种绝缘材料等。

用户使用均反应仪器性能稳定、测量准确、可靠性高、一致性好，达到国家先进水平。

本项目预算包括：江苏省科技厅拨款15万元、合作企业配套57万元。

在项目执行过程中实际省拨款15万元，企业实际配套65万元，使用情况见决算表。

三、项目技术情况
1.主要研究内容及研究方法
针对PΩ量级超高阻数字化测量中的关键技术，本项目重点研究了：（1）基于静电计法和反馈电阻法的复合泄漏电流的高精度测量方法研究本课题采用基于积分电容的静电计法和反馈电阻法相结合的测量方案，实现从1015Ω到1016Ω的宽量程测量，当泄漏电流低于1000pA时采用基于积分电容的静电计法进行测量，被测高阻的测量准确度与电压源的输出电压、积分电容的准确度，及输出电压的线性度有关。

由于积分电容C及其切换装置K1存在泄漏与介质损耗、积分放大器存在有限的
r等非理性特性，导致输出信号产生非线性误差。

经分析，高阻开环增益A与输入电阻id
准确测量的条件是积分时长t<<被测元件时间常数τ。

由于制造工艺的限制，目前由商品化继电器及电容器构成的积分反馈回路的时间常数
τ通常小于2500s。

在极高电阻测量时，由于Ix极小，Vx斜率相应很小，为保证测量准确度，必须设置足够的积分时长。

当t=30s时，高阻测量相对误差δ
>>1.19%，当t=60s时，
R
δR>>2.37%，且随着积分时间延长，测量误差越来越大。

此时，由C及切换装置的绝缘性能引起的测量结果非线性误差将严重影响测量准确度。

本项目研究了基于非平稳缓变误差的抑制算法大大抑制该误差。

对大于1000pA泄漏电流，因信号信噪比较大，直接采用反馈电阻法进行精确测量。

为提高两种方法的一致性，在2000pA±1000pA范围内采用静电计法和反馈电阻法比较测量，并采用反馈电阻法对静电计法进行校正，实现复合微电流测量。

这种基于静电计法与反馈电阻法的复合微电流测量方法在样机中得到验证和应用，不仅实现宽量程、高线性度、高准确度绝缘电阻测量，而且大大提高了测量结果的一致性。

（2）误差产生机理及其抑制措施的研究及具本底误差电流抑制功能的测量算法研究极高阻抗的测量难题在于在PΩ级超高阻测量时，需要测量低至0.1pA（10-13A）的极微弱电流，如何高准确度、高重复性的测量微弱电流信号是本项目重点研究内容。

测量误差不仅包含由测量方法引入的原理误差，还包括夹具、引线分布参数、高阻绝缘材料本身、前置电路板本身的分布参数引入的误差，各种误差的特征不同，影响形式不一，本项目针对各种误差产生机理进行深入研究，并研究响应误差抑制措施。

经深入分析，超高阻测量系统的误差主要来源于：被测环路的非平稳缓变随机干扰信号引起的误差、浮地测量时工频电网耦合引入的误差、测量系统（测量环路、夹具、测量系统本身）引入的系统误差等。

针对这些误差项，分别研究了抑制方法。

①被测环路非平稳随机干扰电流信号（本底干扰电流）引入的误差抑制方法研究
为解决失调电流的影响，本项目提出了交替极性法的自校正测量算法，将高阻测量上限提高到1016Ω，达到国际先进水平。

当系统的本底电流主要来源于温度漂移、恒定泄漏，或如压电效应引起的一阶电流信号；当测量具有大介质损耗的材料时，因材料等效电容的指数充电变化曲线关系，采用n = 2 的误差电流补偿算法。

经测试，当系统采用补偿电路将泄漏电流减小到1pA以下后，再通过该误差抑制高阻测量算法可将被测电流下限扩展到0.1pA，从而实现在1000V 测试电压下对1016Ω极限高阻的测量。

②浮地测量时工频电网耦合引入的干扰抑制方法研究
工频电网耦合的抑制方法主要是通过屏蔽与接地技术实现抑制，但在浮地测量，被测件与测试系统之间通过屏蔽电缆连接，当被测信号的信噪比极低时，尤其是微弱信号测量时，即时良好屏蔽后，依然有不可忽视的工频信号耦合在微弱电流上，使得测量结果在一直跳到，难以稳定。

本系统针对被测信号为直流信号，而工频干扰为低频交流信号，首先通过一路变压器绕组，由控制器通过测周法测量工频信号的准确频率fc；再综
合考虑采样、中断、计算等耗时，设定采样率为
s 11
T
4*
fc fc
=-；再通过4次高速测量，由4次高速采样结果进行平均处理，得到准确的消除工频干扰的直流量。

③重构测量系统（检测系统、夹具）的电学模型，通过反演算法实现泄漏电流的自校正和高精度辨识
在系统设计过程中，考虑到测量系统随着外部干扰、夹具、测量系统本身的分布参数会不断缓慢变化，传统的测量方法需要在每隔一定时间（如10分钟）就需要进行一次手动校准，显然在刚校准完成时可以得到高精度，但随着应用时间延长，性能会不断变化，表征为测试数据在缓慢变化。

本系统采用内置自校正源，通过输出不同标准信号，重构测量系统的电学模型，通过大量实验，在每次测量的过程中，由于分布参数缓慢变化，测量系统的传递函数采用一阶系统进行近似，可以得到较好的效果。

（3）在上述研究的基础上，研制基于ARM11和FPGA的PΩ量级的超高绝缘电阻数字化测试仪样机，样机架构如图所示。

包括: 程控高压电压源单元，微弱电流检测单元，自标定单元，主控制单元，以及辅助电路单元。

其中，由16位DAC#1(DAC8812)、高压调整电路及ADC（AD7705）构成具有自动电平控制（ALC）的输出电压±1000V的程控电压信号VT，施加到被测高阻元件Rx上产生被测电流Ix，自校正信号源通过DAC#3(DAC8812)和低温漂精密电阻Rr（1GΩ、10GΩ）产生参考电流Ir，Ix与Ir通过继电器分时进入具有极低电流偏置性能的运放AD549L和电容（100pF、1000pF、10000pF）为核心的积分放大电路，将电流信号转换为斜率正比于输入电流的斜坡电压信号，该信号经程控放大器PGA（*1，*10、*100）后进入截止频率为1kHz的低通滤波器，再由16位ADC（ADS8319）实时采集，并由ARM（LPC2478）实现数据处理、阻抗计算及人机交互。

上述研究内容均成功应用在超高阻测量系统中，成功解决了超高阻测量的一致性和准确性难题，为便于测量性能分析与应用，本项目还制定基于SCPI的通信协议，通过
RS232串口与上位机相连，实现远程自动测量系统。

2.解决的关键技术问题
在超高阻检测中，关键技术问题包括：
（1）高重复度和低不确定度的亚pA级微电流检测方法
在被测电流极其微弱，或被测电流远小于随机干扰电流时，由欧姆定律R=U/I可以看出，单纯通过滑动平均法是不能减小由于电流误差所引起的测量精度损失，由电流误差引起的被测电阻显示示值难以稳定，且可能正负值之间跳变。

因此，为实现准确超高绝缘电阻测量，首先要实现高重复度和低不确定度的亚pA级电流测量技术。

经研究，超高绝缘电阻测量过程中叠加在被测电流上的本底泄漏电流源有：①外部引线电缆弯曲或振动使电缆中绝缘体和导体之间发生摩擦噪声电流；②污染物在潮湿的环境下会发生电化学反应，引起pA级或更大的电流，被测器件、印刷电路板均容易发生这样的电流；③有一定电压的电线或带电体靠测试电路会引起静电感应，改变电线上的电压或移动电线都会引起感应电流；④仪器前置电路产生的偏置电流和噪声电流等等。

这些本底泄漏干扰电流常常比有效被测电流大，且容易受到环境、辐照等影响，表现为非平稳随机信号，针对不同的本底泄漏电流源，本仪器采用了非平稳缓变本底电流抑制算法（已发表论文）、针对外部电网耦合的整周期采样与信号处理算法、基于补偿电流源的偏置电流补偿方法（已申请发明专利）
（2）面向大特征时间参数绝缘材料的高速、高稳定性检测方法研究
由于某些具有大特征时间参数的超高阻抗材料，在施加高测试电压后，需要很长时间（如数小时）被测电流才能达到稳定，简单的分流电阻法、反馈电阻法、静电计法均难以实现快速稳定测量，其结果反应为绝缘电阻示值会长时间缓慢变大，这将严重影响测量效率。

因此，研究在过渡状态下的超高绝缘电阻测量是实现本课题的关键技术。

本系统采用2阶非线性补偿算法，通过连续4次测量，采用加权平均，实现在缓变过程中提前预测稳态时电流值，以获取准确绝缘电阻值。

经实测，针对时间常数大于1小时的高绝缘材料，在2min内即可获得准确测量结果，大大提高测量效率。

3.取得的突破性进展及创新点
（1）抑制了超高阻抗测量中的非平稳本底电流的干扰，测量一致性大大提高
（2）解决了高时间常数绝缘材料的快速测量难题，测量效率大大提高。

四、合同任务指标完成情况
其中：
（1）样机性能指标：
本项目自2015年研制完成了2套样机，于2015年12月由工业与信息产业部第5研究所（赛宝实验室）进行样机检测，检测报告给出各项指标均达到项目预期要求。

测试项目合同指标样机实测指标结论
试电压输出范围1V~1000V ±10mV~±1000V 超过分辨率
1V~10V，分辨率：0.01V
10V~100V，分辨率：0.1V
100V~1000V，分辨率1V
1V~10V，分辨率：0.01V
10V~100V，分辨率：0.1V
100V~1000V，分辨率1V
合格最大允许误差±(0.2%设定值+1字) ±(0.2%设定值+1字) 合格
阻测量测量范围105Ω~1016Ω105Ω~1016Ω合格
最大允
许误差
测试电压电阻范围
10V 105Ω~109Ω：±5% ±0.15% 超过
100V 109Ω~1012Ω：±5% ±0.3% 超过
1000V 1012Ω~1015Ω：±5% ±1% 超过
（2）申请发明专利2份
①王晓俊. 超高绝缘电阻测量仪用附加误差电流非对称补偿装置及方法，申
请号：201610884614.X
②王晓俊. 电解电容器漏电流/绝缘电阻测量仪用充放电装置及方法，申请
号：201610884613.5
（3）获批软件著作权1份
CS9517超高阻计软件V1.0 批准号：2016SR150244
（4）发表学术论文4篇
①Xiaojun Wang, Xisong Chen, Chao Li, Dan Niu, and Xinpeng Zhou.
Back-Ground Current Error Compensation for Measurement of Ultra-High Resistance Nano Films’Insulation Characteristics[J].Journal of
Nanoscience and Nanotechnology. 16（7）, 7241–7244, 2016
主要内容：研究基于本底误差电流抑制的超高阻测量技术，及其在纳米薄膜
材料绝缘特性检测中的应用（SCI收录：）
②Xingsheng zhao，Xiaojun Wang,Niu dan,Chao Li. Voltage Measurement
with Improved Multi-Slope Integral Analog-to-Digital Converter.
Applied Mechanics and Materials, Vol 742 (2015) pp 90-94
主要内容：在针对超高绝缘材料检测的微弱电压调理电路输出信号，采用多
斜积分AD转换技术实现高精度检测的原理和实现技术。

③陈炜珩，王晓俊. 一种改进性能的低频网络分析仪设计与实现. 自动化仪
表. 2015.10
主要内容：研究高绝缘材料交流特性检测的网络分析技术。

④郑晨. 基于Linux+Qt的超高绝缘电阻测量系统控制模块设计与实现. 工业
控制计算机,2014
主要内容：研究超高绝缘电阻测量系统的主控模块实现技术
五、项目绩效分析
本项目通过开发出具有自主知识产权、达到国际先进、国内领先水平的新颖PΩ（1015Ω）量级超高绝缘电阻数字化测量分析仪器，填补我国在超高阻数字化测量领域的空白。

在电线电缆、集成电路和电子元器件制造、新能源、印刷电路板制造等行业中，电工电子设备、电子元器件、结构的绝缘性能测试是其产品研发、生产、维护等环节必不可少的工作，本项目技术及产品将为这些行业、领域提供大量程、高准确度、高效率的绝缘性能测量方案与手段，改变超高绝缘电阻测量只能依赖昂贵的国外仪器的现状，有效促进相关行业的技术进步。

本项目成果——CS9517自2015年7月样机研制成功以来，进行了严格的功能测试、性能测试、环境测试、EMC测试，均达到国家II类仪器指标，现已经由合作单位产业化生产与销售，目前已经销售5套，用户包括中电集团44所、北京无线电元件6厂等，用于军用绝缘材料、超级电容等领域，用户反应测量性能优越、可靠性好、一致性高。

六、存在问题、有关建议及下一步研究设想
本项目组经过2年半的忘我工作，已经全面完成项目合同规定的预期目标。

所研发的超高绝缘电阻自动测量系统可以满足当前设备厂商对新型材料与新型元器件的测量，达到当前国际先进水平。

但在本项目研发过程中发现还有许多问题值得持续深入研究与探索：如，通过进一步改进测量补偿电路与算法，提高设备对微电流检测下限；研究在单极性测量条件下，提高超高阻测量的量程与速度；根据被测电路与微电流检测的过渡曲线，智能选择过渡时间常数，提高测量效率等。

本项目将根据国际发展趋势和市场需求，继续深入研究，进一步提高系统性能.。