基于LabVIEW的電流和電壓傳感器性能測(cè)試系統(tǒng)

李靜靜 趙健 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

基于LabVIEW的電流和電壓傳感器性能測(cè)試系統(tǒng)

李靜靜 趙健 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

電流和電壓傳感器作為一種兼具保護(hù)性和監(jiān)控作用的工具，廣泛應(yīng)用于各種電氣裝置、自動(dòng)控制以及調(diào)度系統(tǒng)。因其具有傳感檢測(cè)、傳感采樣、傳感保護(hù)等功能，這些傳感器在不同工況下的測(cè)試準(zhǔn)確與否，對(duì)所在應(yīng)用系統(tǒng)的影響非常大，所以對(duì)其進(jìn)行高效而又準(zhǔn)確的測(cè)量很有必要。

然而使用傳統(tǒng)的檢測(cè)方法對(duì)電流和電壓傳感器的各項(xiàng)性能和參數(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，不僅存在操作過(guò)程繁雜、效率低等缺點(diǎn)，也可能由于人為操作不當(dāng)?shù)纫蛩卦斐蓪?shí)驗(yàn)器材損壞。而且，傳統(tǒng)儀器體積龐大，功能單一，不利于多種參數(shù)的測(cè)量。而虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，為電流和電壓傳感器的高效、自動(dòng)測(cè)量提供了便利。

因此，本文提出設(shè)計(jì)一種基于LabVIEW的電流和電壓傳感器性能測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。硬件主要由計(jì)算機(jī)、電源、待測(cè)電流和電壓傳感器和測(cè)量設(shè)備組成，用于完成信號(hào)的產(chǎn)生和采集。軟件部分主要由驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序組成：驅(qū)動(dòng)程序可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的接口驅(qū)動(dòng)及通信控制，是在LabVIEW的 VISA函數(shù)基礎(chǔ)上編程實(shí)現(xiàn)的；應(yīng)用程序則利用LabVIEW豐富靈活的交互界面進(jìn)行程序控制、數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)和計(jì)算。

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流和電壓傳感器進(jìn)行高效準(zhǔn)確測(cè)量的自動(dòng)測(cè)試，能夠通過(guò)程序控制并測(cè)量各種傳感器的參數(shù)，對(duì)不同輸入?yún)?shù)的傳感器對(duì)應(yīng)的輸出參數(shù)進(jìn)行讀取并進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，判斷傳感器精度是否符合要求，多種測(cè)量模式可以測(cè)量傳感器不同特性，具有很強(qiáng)的使用價(jià)值。

1 系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)

本文中介紹的電流傳感器性能測(cè)試系統(tǒng)是由XF30JZ100型交直流電流校準(zhǔn)儀、Agilent34401A數(shù)字多用表和計(jì)算機(jī)結(jié)合組成的。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)包括：一是由傳感器供電電源、XF30JZ100型交直流電流校準(zhǔn)儀、Agilent 34401A數(shù)字多用表、待測(cè)電流傳感器和計(jì)算機(jī)組成的硬件結(jié)構(gòu)；二是以LabVIEW為開(kāi)發(fā)平臺(tái)編寫(xiě)的軟件部分，包括硬件驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序兩部分。本系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

XF30JZ100型交直流電流校準(zhǔn)儀是一臺(tái)準(zhǔn)確度非常高并且智能化的電流校準(zhǔn)儀。Agilent34401A是一臺(tái)6位半、高性能的數(shù)字多用表，它高準(zhǔn)確度的測(cè)量能力和高性能使其非常適用于系統(tǒng)和臺(tái)式測(cè)試，它具有0.003 5%的基本直流準(zhǔn)確度，0.06%的基本交流準(zhǔn)確度和0.1%基本電阻準(zhǔn)確度。

XF30JZ100型交直流電流校準(zhǔn)儀和Agilent 34401A數(shù)字多用表都是通過(guò)串口線和計(jì)算機(jī)連接，XF30JZ100輸出電流作為待測(cè)電流傳感器的輸入信號(hào)，Agilent34401A可以測(cè)量傳感器的輸出信號(hào)。而計(jì)算機(jī)控制電流的輸出和輸入信號(hào)的記錄。而且可以利用LabVIEW中提供的大量圖形化驅(qū)動(dòng)程序直接驅(qū)動(dòng)串行接口設(shè)備，只需兩根串口數(shù)據(jù)線就能實(shí)現(xiàn)儀器和計(jì)算機(jī)間的通信，硬件實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單。

2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)的軟件總體流程如圖2所示。程序開(kāi)始運(yùn)行后，首先必須和儀器進(jìn)行聯(lián)機(jī)操作，即建立通信。聯(lián)機(jī)成功后，出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框提示創(chuàng)建新測(cè)量文件，用以保存本次測(cè)量的數(shù)據(jù)。初始化設(shè)備是根據(jù)用戶輸入的一系列參數(shù)對(duì)儀器進(jìn)行初始化，然后可以正常發(fā)送電流信號(hào)到傳感器的輸入端，讀取傳感器的對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，保存并顯示。如果沒(méi)有達(dá)到設(shè)定的循環(huán)次數(shù)，繼續(xù)發(fā)送電量，讀取，處理，寫(xiě)。如果達(dá)到了設(shè)定的循環(huán)次數(shù)，將清電量，同時(shí)等待下一步動(dòng)作。此時(shí)如果點(diǎn)擊開(kāi)始新一輪測(cè)量，則根據(jù)輸入?yún)?shù)繼續(xù)測(cè)量，如果點(diǎn)擊關(guān)閉設(shè)備按鈕，將執(zhí)行關(guān)閉。

圖2 系統(tǒng)軟件總體流程

3 系統(tǒng)應(yīng)用程序

軟件部分的編寫(xiě)，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，按傳感器不同輸入輸出量，將應(yīng)用程序按功能劃分為帶電流輸出的電流傳感器、帶電壓輸出的電流傳感器、帶電流輸出的電壓傳感器、帶電壓輸出的電壓傳感器，每種傳感器又分別有交直流兩種情況。考慮到所用到的電流源XF30JZ100的特點(diǎn)和測(cè)量?jī)x器Agilent34401A的類型，此系統(tǒng)測(cè)量的傳感器類型分為六種：

1）帶直流電流輸出的直流電流傳感器；

2）帶直流電壓輸出的直流電流傳感器；

3）帶直流電流輸出的交流電流傳感器；

4）帶直流電壓輸出的交流電流傳感器；

5）帶交流電流輸出的交流電流傳感器；

6）帶交流電壓輸出的交流電流傳感器。

將系統(tǒng)主界面分為6部分，6個(gè)不同的按鈕調(diào)用6個(gè)不同的子VI，每個(gè)子VI代表對(duì)不同的傳感器進(jìn)行測(cè)量。其主控前面板如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主控前面板

主VI程序框圖如圖4所示。

圖4 主控面板的程序框圖

在主界面的程序框圖設(shè)計(jì)中，主要應(yīng)用LabVIEW條件結(jié)構(gòu)（Case Structure）實(shí)現(xiàn)前面板各按鈕的動(dòng)作。選擇一種待測(cè)傳感器類型，進(jìn)入測(cè)量該類型傳感器的子VI，這里為測(cè)量帶直流電壓輸出的直流電流傳感器子VI，彈出如圖5所示界面。

可以看到前面板分為四個(gè)板塊，Program Control區(qū)域負(fù)責(zé)控制程序運(yùn)行并監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)。參數(shù)設(shè)置區(qū)域，需要用戶輸入?yún)?shù)，如儀器接口、滿量程、測(cè)量步長(zhǎng)等。在操作控制區(qū)域輸入儀器操作參數(shù)，如測(cè)量模式、循環(huán)次數(shù)等。User information欄直接顯示傳感器輸出的數(shù)據(jù)，并以圖形的方式顯示出來(lái)。測(cè)量模式的設(shè)計(jì)：根據(jù)傳感器的靜態(tài)特性，將測(cè)量模式分為三種：自動(dòng)測(cè)量模式，遲滯測(cè)量模式和手動(dòng)模式。由于儀器的工作方式不同，本系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的通信是基于通信協(xié)議完成的，程序控制電量輸出的方式也不同。

圖5 測(cè)量帶直流電壓輸出的直流電流傳感器子界面

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了XF30JZ100型交直流電流校準(zhǔn)儀、Agilent 34401A數(shù)字多用表和計(jì)算機(jī)結(jié)合組成的傳感器性能測(cè)試系統(tǒng)，并整體介紹了硬件構(gòu)成和軟件架構(gòu)，并詳細(xì)介紹了基于儀器自身的通信協(xié)議如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、程控電量輸出，及不同線程間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流和電壓傳感器進(jìn)行高效準(zhǔn)確測(cè)量的自動(dòng)測(cè)試，能夠通過(guò)程序控制并測(cè)量各種傳感器的參數(shù)，對(duì)不同輸入?yún)?shù)的傳感器對(duì)應(yīng)的輸出參數(shù)進(jìn)行讀取并進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，判斷傳感器精度是否符合要求，多種測(cè)量模式可以測(cè)量傳感器不同特性，具有很大的使用價(jià)值。

本系統(tǒng)對(duì)帶有直流信號(hào)輸出的電流傳感器具有很好的測(cè)量效果，能夠完成電流和電壓傳感器多個(gè)測(cè)量參數(shù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及顯示功能，但還不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回放、故障波形錄波及標(biāo)準(zhǔn)報(bào)表生成功能。對(duì)于帶交流信號(hào)輸出的電流傳感器，只能讀出其RMS值，且最大值為3 A，不能反映其波形變化并得到其他頻率分量，如幅值和相位等。

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