基于虛擬儀器的傳感器性能測試系統

趙鵬程， 蘇靖棋, 徐振宇

(1.華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206；

2.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085)

0 引 言

虛擬儀器(virtual instrument,VI)是20世紀80年代末由美國國家儀器公司提出的新的儀器概念，它是計算機技術、測量儀器技術和軟件技術高速發展共同孕育出的一項革命性新技術[1]。虛擬儀器是指通過應用程序將通用計算機與功能化硬件結合起來，用戶可通過友好的圖形界面操作計算機，就像在操作自己定義、自己設計的單個儀器一樣，從而完成對被測量的采集、處理、分析、判斷、顯示、數據存儲等[2]。虛擬儀器技術的廣泛應用起源于各行各業的測量和測試系統，無論是對電氣量，還是對非電氣量都可以進行測量[3，4]。虛擬儀器在電力系統中的相角測量、參數測量與分析、設備校驗與測試、狀態監測等領域也有著廣泛的應用[5]。

本文結合傅里葉級數算法和軟件濾波技術，設計了基于虛擬儀器技術的測試系統，對傳感器的性能進行驗證，同時通過對電流傳感器性能的驗證實驗證明本測試系統能較好地檢測傳感器性能。

1 傅里葉級數算法

傅里葉級數算法的基本思路來自傅里葉級數，算法本身具有濾波作用。它假定被采樣的模擬信號是一個周期時間函數，除基波外還含有不衰減的直流分量和各次諧波[6]，它表示為

(1)

式中n=0,1,2…;an和bn分別為各次分量的正弦和余弦項的幅值，其中,b0為直流分量的值，a1,b1分別為基波分量的正、余弦項的振幅。

根據傅氏級數的原理，可以求出a1,b1分別為

(2)

(3)

其中，x(t)中的基波分量經三角變換可寫為

(4)

(5)

(6)

在計算機計算時，式⑵、式⑶的積分可以用梯形法近似計算。設采樣周期Ts=2π/N，N為一個基波周期的采樣點數，xk為第k次采樣值(k=0,1,…,N)，則式⑵、式⑶可以表示為

(7)

(8)

式中x0,xN分別為k=0和k=N時的采樣值。

傅氏算法本身具有較強的濾波作用，它能把基波與各次諧波分開，能完全濾掉各種整次諧波和純直流分量，對高頻分量和按指數衰減的非周期分量所包含的低頻分量也有一定的抑制作用。系統通過采集卡采集傳感器輸出模擬量，利用傅氏算法計算基頻分量的幅值。

2 測試系統總體設計

傳感器性能測試通過數據采集卡采集傳感器二次側的輸出信號，對信號進行分析和處理，當傳感器一次側的信號發生微弱變化時，傳感器應能感知信號的變化情況，其二次側的信號也應發生變化，通過虛擬儀器分析變化前后的信號值，對傳感器的性能(線性度、分辨率、靈敏度等)進行評估，以達到測試的目的。

圖1為測試系統的系統結構圖，系統主要由測試用傳感器、信號調理部分、多功能數據采集卡和計算機等部分組成。

圖1 系統整體結構

虛擬儀器采用美國NI公司的PXI—1042Q，用于采集和處理數據。輸入信號來自傳感器的二次側，其中可能含有部分的干擾信號，可通過軟件濾波進行過濾，傳感器輸出通過SCB—68接線盒與數據采集卡相連，數據采集卡采用美國NI公司的 PXI—6289，NI PXI—6289是一種高精度多功能M系列數據采集板卡。

3 系統軟件

本系統的軟件通過基于圖形化編程語言(G語言)LabVIEW[7]來實現。采集到數據后通過軟件對數據進行濾波、分析、判斷、計算等。系統主模塊實現初始化操作和數據采集任務，對于正余弦周期型信號，通過調用子模塊中的傅氏算法求解出信號的各系數，最終求解信號的幅值；直流信號可直接濾波(均方根法濾波)或者以其他濾波方式(可自選)，濾波后的信號值為其幅值。數據采集設置采樣信息包括采樣頻率和采樣點數，數據采集模塊獲取數據采集卡采集到的信號，采集的信號在波形圖中顯示。

傅式算法子vi作為單獨的子模塊實現，算法程序框圖如圖2所示。

圖2 傅氏算法程序框圖

將主模塊中采集到的數據傳到傅式算法子vi中求系數，最終在主模塊中利用公式節點解出幅值和有效值，在系統前面板中使用波形圖表顯示并記錄前期已測數據的幅值，并連續觀測信號的幅值變化情況，最后通過調用結果分析子模塊對信號的幅值變化情況進行分析。對于直流信號，將濾波后的信號加入計算結果中進行分析和處理。系統通過前面板的停止按鈕控制，采集和處理后的數據保存在計算機中。系統流程圖見圖3所示。

圖3 測試系統流程圖

4 實驗結果

通過電流傳感器(DSH—CT10A/10 mA)感應電流i作為測試系統信號源進行驗證。采用虛擬儀器的信號輸出作為源(交流50 Hz)，虛擬儀器信號輸出DA為16位，可輸出穩定信號，通過程序控制信號源輸出。負載電阻為440 Ω，通過改變虛擬儀器采集卡的輸出信號幅值，回路中電流發生變化，傳感器感應知線路的電流變化，以此驗證傳感器性能。傳感器二次測連接與一次側連接阻值相同的負載，由于采集卡采集的是電壓信號，因此,需要將傳感器輸出的電流信號轉換為電壓信號，采集卡采集傳感器負載端的信號，并將信號輸出至計算機進行分析處理。圖4為數據采集卡采集到的傳感器輸出的信號。傳感器一次測阻抗值遠小于負載電阻可忽略不計，當回路中電流會發生微小變化時，傳感器感知此變化并將信號通過采集卡輸入計算機中，通過測試系統程序分析，從而測試驗證傳感器的性能是否到達預期要求。

圖4 傳感器輸出信號

圖4中(a),(b),(c)的采樣率分別為1,10,100 kHz；采集卡每次采集5個工頻周期數據，傅里葉級數算法對于同頻率的信號在不同的初相位計算得到的有效值不變，因此,可從中選取一個工頻周期的數據利用傅里葉級數算法計算幅值。

傅氏算法對數據進行運算求出傳感器輸出信號的幅值，其運算結果在波形圖中顯示，連續監測幅值變化最終評估傳感器的性能是否符合要求。信號源從1～5 V等間隔變化時，不同采樣率(1，10，100 kHz)的傳感器輸出信號幅值變化情況如圖5所示。

圖5 幅值變化情況

由圖5可知，當電流發生微小變化時，電流傳感器能敏感的監測到信號的變化，同時看出對于不同的采樣率，通過算法計算得到的幅值精度也不同，采樣率越高，計算得到的幅值越穩定，可辨別微小的變化情況，對傳感器性能評估效果也越好；反之,低采樣率得到的幅值振動較大，微小的變化也將難以辨別。通過性能評估模塊證實該傳感器具有很好的分辨率和靈敏度。

由上述結論，由針對100 kHz采樣率，對圖5 中(c)進行分析和評估，當源輸出電壓幅值在1～5 V等間隔變化時，采集得到傳感器二次側的輸出幅值如表1所示。

表1 輸出與輸入幅值

由于兩側負載相同，可通過電壓幅值變化對電流傳感器靈敏度計算。通過評估模塊分析計算得到實驗傳感器靈敏度為0.001±4×10-6，誤差為0.4 %，同時改變信號源幅值對傳感器分辨率進行測試，變化量Δy為1,0.1,0.05,0.04,0.03,0.02,0.01 V。多次實驗計算得到實驗電流傳感器分辨率為0.05 mA。實驗結果如圖6所示。

圖6 幅值變化圖

5 結 論

本文設計了基于虛擬儀器的測試系統，實驗驗證表明:該系統能檢測傳感器的敏感度和分辨率等性能；實驗傳感器靈敏度測試結果為0.001±4×10-6，分辨率為0.05 mA,受到外界干擾和采集卡輸入輸出精度的影響，測試誤差約為0.4 %;同時測試過程中可以看出：采集卡采樣率對測

試結果也有重要影響，采集卡采樣率設置越高，監測到的信號處理后變化情況越明顯，信號幅值的振動也越小。

參考文獻:

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