摘要:自给能中子探测器（SPND）作为核反应堆堆芯功率分布测量的核心部件 ，其绝缘性能直接决定测量系统的可靠性与反应堆运行安全性。针对传统 SPND 绝缘电阻测试精度低、量程适配性差的问题，提出一种基于分挡位切换分压电阻与 ADC 电压采集的测试方法。该方法通过微处理器控制高绝缘继电器切换不同阻值的精密分压电阻，适配 50V/100V双测试电压，利用高压隔离 ADC 采集绝缘电阻两端分压信号，结合基尔霍夫定律推导绝缘电阻计算模型。实验结果表明，该方法测量范围覆盖 0Ω～1GΩ ，测量误差≤ ±2.5% ，响应时间 ?300ms ，可有效满足 SPND 绝缘性能在线检测需求，为反应堆安全运行提供技术支撑。

关键词：自给能探测器（SPND）；绝缘电阻测试；分挡分压；ADC 采集；高压测试

1 引言

1.1 研究背景与意义

核反应堆堆芯功率分布的精准测量是保障反应堆安全稳定运行的关键，自给能中子探测器（SPND）凭借无需外置电源、结构紧凑、耐辐射等优势，成为堆芯中子通量测量系统的核心器件。SPND 由发射体、绝缘体和收集体构成，其绝缘性能主要依赖发射体与收集体、补偿线与收集体之间的绝缘介质维持。在反应堆高温、高辐射、高湿度的极端运行环境中，绝缘介质易发生老化、受潮或污染，导致绝缘电阻下降，严重时会引发信号短路、测量失真等故障，直接威胁反应堆运行安全。

根据 IEC 60364 与 GB/T 3048 等标准要求，高压电气设备绝缘电阻测试需满足测试电压适配性与测量精度要求，SPND 作为高压测量器件，其绝缘电阻测试电压通常需选用 50V 或 100V，且测量误差需控制在 ±5% 以内。传统测试方法多采用人工操作兆欧表，存在测量效率低、易受环境干扰、无法自动适配宽阻值范围等缺陷；现有在线测试方案多基于单一分压回路设计，难以兼顾高阻与低阻测量精度，导致测量准确率不足。因此，研发一种适配 50V/100V 测试电压、宽量程、高精度的 SPND 绝缘电阻测试方法具有重要工程意义。

1.2 国内外研究现状

现有绝缘电阻测试技术主要包括平衡电桥法、信号注入法与分压测量法。平衡电桥法精度较高，但电路结构复杂，难以适配极端环境；信号注入法灵敏度高，但易对 SPND测量信号产生干扰。分压测量法因电路简单、响应快速，被广泛应用于高压设备绝缘测试，如电动汽车高压线束绝缘检测中，通过切换分压支路实现量程扩展，但该方案未针对 SPND 的高阻特性与核辐射环境进行优化，存在高压隔离不足、抗干扰能力弱等问题。

在 SPND 绝缘测试领域，等效电阻分流测试技术提出了一种在SPND电流稳定条件下，通过并入一个与SPND绝缘电阻阻值相当的电阻，采集电阻并入前后SPND电流变化，计算出SPND绝缘电阻值的方法。该方法虽可进行SPND绝缘电阻测试，但要求SPND电流稳定且精度受并入电阻阻值影响，难以实现宽量程范围内所有绝缘阻值的精确测量。针对现有技术不足，本文提出分挡位切换分压电阻与 ADC 采集结合的方案，通过优化分压电路设计、增强高压隔离性能、提升抗干扰能力，实现 SPND 绝缘电阻宽量程范围内的精确测量。

1.3 研究内容与创新点

本文主要研究内容包括：（1）设计适配 50V/100V 测试电压的分挡分压电路，实现 0Ω～10GΩ 宽量程覆盖；（2）构建高压隔离 ADC 采集系统，保障信号采集精度与测试安全性；（3）推导基于分压原理的绝缘电阻计算模型，优化数据处理算法；（4）搭建实验平台，验证方案的准确性、稳定性与抗干扰能力。

创新点在于：（1）采用多挡位精密分压电阻组合设计，通过可编程逻辑器件自动切换量程，解决单一分压回路测量精度与量程矛盾；（2）集成高压隔离采集系统，保证低压数据处理系统的安全性与可靠性；（3）提出动态校准算法，补偿温度漂移与电源波动对测量结果的影响，提升测试精度。

2 测试原理与系统设计

2.1 分挡分压测试原理

SPND 绝缘电阻测试的核心是在施加 50V 或 100V 测试电压后，准确测量绝缘介质的泄漏电流，进而通过欧姆定律计算绝缘电阻值。由于 SPND 绝缘电阻通常处于0Ω～1GΩ 高阻范围，直接测量泄漏电流难度较大，因此采用分压测量法，将绝缘电阻与精密分压电阻串联，通过测量分压电阻两端电压间接推导绝缘电阻值。

表 1 挡位设置表

分压电阻选用金属膜电阻，其温度系数≤25ppm/℃，耐压值≥200V，确保在 50V/100V测试电压下稳定工作。通过32 位ARM Cortex-M4 微控制器控制继电器切换分压支路，实现不同量程的自动适配。

2.2 系统总体设计

SPND 绝缘电阻测试系统由测试高压、分挡电路、多通道测试接口、高共模运放、ADC 采集、数字隔离、微处理器和用户操作单元组成，系统框图如图 1 所示：

2.2.1 测试高压模块

采用宽输入非同步升压、SEPIC、反激式控制器LM5155DSST产生测试高压，输入电压为+24VDC，通过切换该芯片FB管脚的分压电阻可实现+50V或+100V测试电压的输出，输出调节精度 1% ，最大输出电力流 1.5A，满足SPND绝缘电阻测试要求。其电路图如图 2 所示：

2.2.2 分挡电路

由 4 路分压支路、高绝缘继电器与处理器控制信号组成。每路分压支路串联精密分压电阻与高绝缘继电器（绝缘耐压≥1500V，绝缘电阻100TΩ），微处理器根据采集电压，自动选择合适的分压支路，实现单一支路导通（避免支路并联影响测量精度），同时增加限流保护措施，保证测试过程中SPND的安全。电路设计采用屏蔽布线，减少电磁干扰对分压信号的影响。在分挡电路基础上增加自检电路，采用 0.1% 的低温漂高精密电阻，每次测试前可进行参数校准，确保测试精度满足要求。

图 3 分挡电路图

2.2.3 多通道测试接口

多通道测试接口由高绝缘继电器和微处理器控制信号处理，微处理器根据用户操作单元的指令，切换到对应的测试通道，完成被测SPND通道的接入，高绝缘继电器参数同分挡电路。

2.2.4 ADC 采集模块

选用可编程双极性输入范围的 16 位高速单电源SAR型 ADC 芯片（ADS8689），采样率最高可达 100kSPS，输入阻抗≥1MΩ，前端匹配高输入阻抗运放，有效避免采集模块对分压电路的负载影响。ADC 芯片内置可编程输入范围，可根据信号幅值调整输入范围，提升小信号采集精度。内置基准电压源温漂≤4ppm/℃，提供稳定参考电压，确保 ADC 转换精度。

图 4 ADC采集图

2.2.5 微处理器单元

选用 HC32F460 系列微处理器，通过 UART 接口接收用户操作单元的测试指令，执行SPND绝缘电阻测试通道选择和挡位控制，过 SPI 接口读取 ADC 采集数据，根据

当前测量挡位代入绝缘电阻计算模型，得到将测量结果发送至用户操作单元。

图 5 控制器原理图

2.2.6 用户操作单元

用户操作单元为安装SU软件的笔记本电脑，可在SU软件界面进行操作员及被测产品信息录入、测试模式/通道配置、判据设置、报表生成/打印等操作，通过 UART 接口向微处理器发送测试指令和接收微处理器上报的测试数据。

图 6 SU软件界面

2.3 数据处理算法

为提高测量精度，采用以下数据处理策略：

a. 异常值剔除：对 ADC 采集的 10 组数据采用格拉布斯准则剔除异常值，保留有效数据；

b. 均值滤波：对有效数据取平均值，减少随机干扰影响；c. 温度补偿：通过温度传感器采集环境温度，根据分压电阻温度系数与

ADC 温漂特性，建立补偿模型：

R_X^′=R_X×[1+k_I×（T-25）]

其中，

kT为综合温度系数（实测为 30pm/^∘C ）， T为环境温度（℃）

d. 量程自动切换：主控模块根据当前测量值与挡位量程阈值，自动控制 继电器切换分压支路，实现全量程无缝覆盖。

3 实验验证与结果分析

3.1 实验平台搭建

实验平台包括：SPND 模拟负载（精密电阻箱，量程 1MΩ～1GΩ，精度 0.01% ）、本文设计的测试系统、标准绝缘电阻测试仪（FLUKE 1555，精度 ±0.5% ）、温湿度传感器（测量范围 0～85^∘C ，精度 ±0.5°C ）。测试电压分别设置为 50V 与 100V，环境温度控制在 25^∘C±2^∘C ，湿度 ≤60% RH。

3.2 测量精度验证

选取 8 个标准电阻值（ 100KΩ 、1MΩ、5MΩ、10MΩ、50MΩ、100MΩ、500MΩ、1GΩ）作为模拟绝缘电阻，分别采用本文系统与标准测试仪进行测量，记录测量结果并计算相对误差，数据如下（表 2）：

表 2 精度验证表

试电压下测量值为 101.2MΩ（相对误差 +1.2%⟩ ），与无干扰环境下测量结果差异 ≤0.3% ，表明系统通过屏蔽设计与差分采集，具有较强的抗干扰能力。

由表 2 可知，本文系统在 50V 测试电压下的相对误差 ≤±2.0% ，100V 测试电压下相对误差 ≤±1.5% ，均满足标准要求（ （±5%） ，且 100V 测试电压下精度更高，这是由于高测试电压下泄漏电流更大，ADC 采集信号信噪比更高。

3.3 稳定性验证

选取 1GΩ 标准电阻，在 50V 测试电压下连续测量 1 小时，每 5 分钟记录 1 次数据，共 12 组测量值（1.01GΩ、1.02GΩ、1.01GΩ、1.00GΩ、1.01GΩ、1.02GΩ、1.01GΩ、1.01GΩ、1.02GΩ、1.01GΩ、1.00GΩ、1.01GΩ）。计算测量值的标准差为 0.007GΩ，变异系数为 0.7% ，表明系统具有良好的稳定性。

3.4 抗干扰能力验证

模拟核反应堆电磁干扰环境，施加 1MHz、5Vpp 的正弦干扰信号，对 100MΩ 标准电阻进行测量。50V 测试电压下测量值为 102.0MΩ（相对误差 +2.0% ），100V 测

4 结论与展望

本文提出一种基于分挡位切换分压电阻与 ADC 采集的 SPND 绝缘电阻测试方法，通过设计 4 挡精密分压电路、高压隔离模块与优化数据处理算法，实现了 50V/100V测试电压下 0Ω～1GΩ 范围的绝缘电阻精准测量。实验结果表明，该方法测量误差≤±2.5% ，稳定性好、抗干扰能力强，满足 SPND 绝缘性能在线检测需求。

未来研究方向可拓展为：（1）增加自动校准功能，通过内置标准电阻定期校准分压电路与 ADC 模块，进一步提升测量精度；（2）优化电路集成度，开发小型化测试模块，适配反应堆狭小安装空间；（3）拓展测试电压范围，满足不同类型 SPND 的绝缘测试需求，提升方法通用性。