線圈元件的脈沖測試技術(shù)

一．什么是線圈元件的脈沖測試

 1．線圈脈沖測試原理

預(yù)先對儲能電容C1充電，充電電壓為儀器設(shè)定得大電壓，以一極短暫的時(shí)間將開關(guān)SW1合上，在SW1合上器件，由于C1≥C2，C1快速對C2充電，經(jīng)過一段時(shí)間后SW1斷開。
同時(shí)，該激勵(lì)脈沖同時(shí)加于一被測線圈Lx，C2、Rp、Lx將呈現(xiàn)一自由衰減震蕩，該衰減震蕩呈指數(shù)下降趨勢并調(diào)制以正弦信號。根據(jù)其與諧振電容C2
的衰減振蕩情況來了解線圈內(nèi)部狀態(tài)來判斷該繞線
元件品質(zhì)情況： 包含線圈自身的絕緣，繞線電感量，        圖1.  脈沖測試方案簡述
及并聯(lián)電容量等狀態(tài)。               上圖中：         C1：儲能電容
C2：諧振容量
Cp：線圈兩端等效并聯(lián)電容
R： 能量消耗等效并聯(lián)電阻
Lx：線圈等效電感
 
線圈類產(chǎn)品（如變壓器、電機(jī)等）由于繞線材料、磁性材料、骨架、加工工藝等因素的影響會產(chǎn)生線圈層間、匝間及引腳間等絕緣性能的降低。
線圈的脈沖測試可在不損壞被測件的條件下測試其電氣性能。這種測試方法能在短暫的瞬間判別線圈的品質(zhì)。測量時(shí)將與標(biāo)準(zhǔn)線圈測量時(shí)同樣的脈沖通過電容器放電施加于被測線圈，由于線圈電感量、雜散電容和Q值的存在，將響應(yīng)一個(gè)對應(yīng)于該放電脈沖的電壓衰減波形，比較該衰減波形的某些特征，可以檢測線圈匝間和層間短路及圈             圖2  線圈的衰減震蕩曲線
數(shù)和磁性材料的差異, 如果施加一個(gè)高電壓
脈沖，根據(jù)出現(xiàn)的電暈或?qū)娱g放電來判斷絕
緣不良。

   2．脈沖測試方案簡述

一般地，線圈脈沖測試有兩種測試方案，即模擬式和數(shù)字式兩種。

                                                
                                             
        
 
 
 圖4. 正常波形                                       圖5．匝間絕緣不良
標(biāo)準(zhǔn)件與被測件的衰減振蕩波形基本重合無顯著差        被測件與標(biāo)準(zhǔn)件波形不符，表明被測繞組匝間絕緣
異，則被測繞組匝間絕緣*                        有故障。顯示故障波形時(shí)刻能伴有放電聲，或可看
見放電火花和嗅到臭氧，顯示波形呈現(xiàn)放電毛刺和
波形跳動(dòng)。
 
 
 
圖6．?dāng)嗑€波形                                      圖7．短路波形
被測件繞組斷線，即開路，顯示的波形呈一條弧         若被測件繞組*短路，則顯示的波形呈一條橫線
線，有時(shí)會在斷線處出現(xiàn)放電現(xiàn)象。
模擬式測試儀優(yōu)缺點(diǎn)如下：
優(yōu)點(diǎn)為：a. 觀察波形比較直觀；
b. 操作方便；
缺點(diǎn)為：a. 受人為因素影響大，無法用數(shù)據(jù)來判別產(chǎn)品優(yōu)劣；
b. 需將標(biāo)準(zhǔn)件長時(shí)間加于測試端，會因標(biāo)準(zhǔn)件長時(shí)間承受高壓而老化從而影響測試結(jié)果；
c. 電感量小的被測件很難測量，一般適用于1mH以上的線圈產(chǎn)品，如各種電機(jī)等；
d. 測試端長時(shí)間輸出高壓脈沖，影響儀器壽命。測試時(shí)每20mS輸出一次脈沖，以使CRT能得到穩(wěn)定可視的波形；
e. 小電感量測試時(shí)由于很短的屏幕顯示時(shí)間，會使顯示亮度大大降低而影響觀察；
 
采用高速數(shù)字采樣的方法，將標(biāo)準(zhǔn)線圈的波形存儲于儀器中，測試時(shí)將被測波形與標(biāo)準(zhǔn)波形比較，根據(jù)設(shè)定的判據(jù)（面積、面積差、過零點(diǎn)、電暈等）以決定被測線圈的優(yōu)劣。該方法有如下優(yōu)點(diǎn)：
    a. 高速數(shù)字取樣使判別過程由儀器自動(dòng)完成，可排除人為影響因素；       
    b. 測試時(shí)無需同時(shí)測量標(biāo)準(zhǔn)樣件，
所有測試使用統(tǒng)一判據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)樣件波形可存儲、調(diào)用、轉(zhuǎn)存、多機(jī)共用等；
        c. 可測試電感量范圍很寬，小可測試10µH的線圈，基本適應(yīng)各種線圈產(chǎn)品的測試；
        d. 高壓是瞬間輸出的，一次測試?yán)碚撋现恍栎敵鲆淮胃邏好}沖，大大延長了儀器壽命。
        e. 不存在顯示亮度問題，波形可選擇狀態(tài)下顯示；
        f. 由于數(shù)字化和智能化技術(shù)的采用，可執(zhí)行許多附加的分析功能，如時(shí)間與周期測量、電壓測量、多次平均、連續(xù)測試、輸出電壓的自動(dòng)電平控制（ALC）、PASS/FAILL的聲音模式選擇等；
        g. 可采用多種形式的判據(jù)以分辨出被測線圈質(zhì)量的細(xì)微變化，如面積、面積差、過零點(diǎn)、電暈等。
        h. 使用多種接口于不同的目的。如USB接口用于數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)波形的轉(zhuǎn)存和保存，IEEE488接口和RS232接口用于人機(jī)通訊或組成自動(dòng)測試系統(tǒng)，HANDLER/SCANNER接口用于自動(dòng)機(jī)械處理器和脈沖式變壓器線圈自動(dòng)測試系統(tǒng)。

二．為什么要執(zhí)行脈沖測試

一般地，由一個(gè)或多個(gè)線圈組合而成的電感器、變壓器、馬達(dá)等繞線元件需要通過下列途徑來完整地評估該線繞元件的品質(zhì)情況：

線圈之繞線電阻DCR（銅阻），繞線感量（L）圈數(shù)N、圈數(shù)比例（Np/Ns），線圈間容量（Cp），鐵芯狀態(tài)（Q，ACR，LK）等，屬于低壓參數(shù)測試

上述項(xiàng)目使用自動(dòng)變壓測試系統(tǒng)，LCR數(shù)字電橋、圈數(shù)測試儀、直流低電阻測試儀等完成。

不同線圈間或線圈對鐵芯及外殼等的耐壓和絕緣程度

使用耐壓測試儀和絕緣電阻測試儀。

線圈自身的的絕緣程度

使用脈沖式線圈測試儀（匝間絕緣測試儀）

一般生產(chǎn)過程中檢驗(yàn)合格的元件，使用于電氣電子產(chǎn)品中，即使短期功能正常，但長期使用也可能因線圈自身的絕緣不佳而產(chǎn)生潛在的不良因素，而影響產(chǎn)品的之壽命和穩(wěn)定性。

絕緣問題導(dǎo)致產(chǎn)品不良的表現(xiàn)：

a.  耐久性差，壽命短；

抗噪聲能力不佳；

高溫下穩(wěn)定性不好；

常見造成線圈絕緣不良的原因：

a.  漆包線，絕緣膠帶或骨架絕緣不良；

原始設(shè)計(jì)的出線方式或加工工藝不良；

引腳間未留安全距離或焊錫后的污染物的存在；

繞線工序結(jié)束，磁性材料加入前進(jìn)行脈沖測試，可發(fā)現(xiàn)如下不良情況：

a. 線圈自身絕緣不良（ 波形前段衰減及放電現(xiàn)象）

b. 繞線圈數(shù)或接線明顯錯(cuò)誤（Lx，前段諧振周期變化）

c. 繞線方式錯(cuò)誤（并聯(lián)電容Cx變化，后段諧振周期）

三．如何進(jìn)行脈沖測試

1． 使用于何部門？

良好的設(shè)計(jì)、正確的材料使用及合理的加工過程可保證元件正常使用下的長久穩(wěn)定性。

研發(fā)或工程部門：對工程設(shè)計(jì)或變更不良進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)證；

進(jìn)貨檢驗(yàn)：對進(jìn)貨材料質(zhì)量進(jìn)行把關(guān)，防止不良材料混入； 

生產(chǎn)線：隨時(shí)監(jiān)測生產(chǎn)過程的質(zhì)量情況；

2.  在何工序進(jìn)行脈沖測試?

建議: 在繞線工序結(jié)束, 磁性材料加入前進(jìn)行脈沖測試

原因：a. 脈沖測試的主要目的是檢驗(yàn)線圈本身的絕緣情形而非磁性材料的特性檢驗(yàn)；

  b. 磁性材料會吸收測試能量而使繞線絕緣不良的情形顯現(xiàn)不出；

  c. 一般磁性材料的規(guī)格容許誤差較大, 而造成電感量有較大變化，而繞線絕緣差異較小,而使不良判別不易；

若檢驗(yàn)?zāi)康牟辉诮^緣或工序無法分離可酌情在成品階段進(jìn)行，但應(yīng)考慮磁性材料加入的影響。

3． 如何決定測試脈沖電壓？

建議：考慮使用電氣環(huán)境可能出現(xiàn)的高脈沖電壓，并以其1.5～3倍的脈沖電壓進(jìn)行測試。

理由：a. 一般測試均在室溫下進(jìn)行，在元件高使用溫度下絕緣材料的絕緣能力會降低； 

b. 在極短測試時(shí)間內(nèi)找出須經(jīng)長久絕緣劣化后方表現(xiàn)出的潛在不良情況；

 如何制定測試標(biāo)準(zhǔn)件？

a.  依標(biāo)準(zhǔn)工藝制作樣品0pcs（成品）；

b.  按規(guī)定要求檢驗(yàn)?zāi)蛪海℉i-Pot）、絕緣（IR）及低壓電氣參數(shù)（DCR，LCR，TR等）；

c.  將磁性材料去除，依實(shí)際應(yīng)用情形進(jìn)行線圈自身絕緣測試（脈沖測試），無明顯異常放電或?qū)娱g（匝間）短路者可作為標(biāo)準(zhǔn)樣品使用；

d.  在脈沖測試儀上對樣品進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)波形記憶；

e.  確定客觀容許誤差及明確的檢驗(yàn)?zāi)康?。根?jù)線圈實(shí)際生產(chǎn)情況（圈數(shù)差異，高壓、絕緣承受能力等）設(shè)定面積、面積差、過零點(diǎn)和電暈的變動(dòng)范圍作為產(chǎn)品合格與否的判據(jù)；

f.  以認(rèn)定的良品與不良品來調(diào)整檢驗(yàn)規(guī)范；

g.  判定標(biāo)準(zhǔn)記錄于作業(yè)指導(dǎo)書中；

f.  用U盤保存標(biāo)準(zhǔn)波形，或?qū)盤中標(biāo)準(zhǔn)波形再保存于微機(jī)中，以利隨時(shí)調(diào)用；

h.  保留5pcs以上的認(rèn)定樣品供日后標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)；

四．正確測試操作及安全注意事項(xiàng)

注意：脈沖測試使用高壓進(jìn)行測試，操作人員必須戴高壓安全手套，腳下需墊上絕緣膠墊，交流電源輸入應(yīng)有可靠的安全接地，否則易發(fā)生觸電危險(xiǎn)！

正確的測試環(huán)境

為保持操作人員的安全、測試儀器的正確動(dòng)作以及準(zhǔn)確的測試結(jié)果，請將測試儀器的接地端子及操作臺面接地。

脈沖測試是絕緣能力測試，潮濕、污穢的操作臺面常是測量誤差的來源。

為保證測試安全及操作方便性，推薦使用腳踏啟動(dòng)開關(guān)啟動(dòng)儀器測試。

五．脈沖測試技術(shù)

實(shí)際判定方式：

面積（AREA）比較：一般使用于衰減速度的比較。

面積差（DIFF-AREA）：一般使用于振蕩頻率差異之比較。

過零點(diǎn)判別：在線圈衰減處于不同電壓時(shí)，電感量會產(chǎn)生變化，則諧振頻率也將變化，過零點(diǎn)用于頻率變化的判別。

電暈放電（Flutter）：一般使用于局部放電的檢測。

異常波形目測：若放電占整體面積比例低不易判定，測試人員可目測判定明顯異常，并可加注判定原則于作業(yè)指導(dǎo)書中。

2． 40MHz數(shù)字采樣速率，能適應(yīng)中、小電感量產(chǎn)品測試特性佳，并可檢測局部放電（電暈）；

 沖擊能量低，脈沖時(shí)間短，對被測試件損壞程度??；

 320×240大型圖形LCD顯示；

 可屏幕測量時(shí)間、周期、電壓等；

 多項(xiàng)檢測判別功能

面積（Area）比較，面積差（Diff-Area），過零點(diǎn)（Zeroing），局部放電（（Flutter）

 多重波形顯示能力，使目測判定簡單，增進(jìn)不良檢出能力

 測試速度速度快，單次取樣測量僅需0.6S；

10． 為保證設(shè)定電壓準(zhǔn)確性，儀器具備自動(dòng)電平控制(ALC)能力，使實(shí)際輸出與設(shè)定電壓相一致；

11． PSAA/FAIL判別結(jié)果有多種告警能力，可控制蜂鳴器音量、長短、次數(shù)，屏幕讀數(shù)及指示等； 

12． 60組Flash Memory標(biāo)準(zhǔn)波形儲存/調(diào)用能力，USB接口提供外存及轉(zhuǎn)存互用能力；

13． 標(biāo)準(zhǔn)IEEE488及RS232接口可直接與PC界面連結(jié)；

14． HANDLER/SCANNER接口供自動(dòng)化測試及使儀器擴(kuò)展為脈沖式變壓器線圈測試系統(tǒng)；

15． 三組獨(dú)立記憶波形選擇，適用于三相馬達(dá)或多組高壓線圈掃描；