（检测技术与自动化装置专业论文）基于虚拟仪器的固体继电器电参数自动测试系统研究.pdf

基于虚拟仪器的固体继电器电参数自动测试系统研究 摘要 本文结合自动测试技术、虚拟仪器技术和混合总线技术，以通用p c 机和 数据采集卡为硬件平台，通过l a b v i e w 软件编程，实现对固体继电器电参数 的测试。本方案突破了传统仪器在数据实时处理、数据存储和显示等方面的诸 多限制，测试方法灵活，快速、廉价。文章详细阐述了测试系统的结构和部分 参数的测试方法。实验结果表明，虚拟仪器技术在电子元器件参数的检测领域 有广阔的应用前景。 本文的主要工作及成果如下： 首先，在调研固体继电器器件原理、数据采集和虚拟仪器技术的基础上， 提出固体继电器各电参数的测试方法并设计了测试电路。 其次，实现了基于p c i 、u s b 和g p i b 混合总线的固体继电器虚拟仪器自 动测试系统，并讨论了测试系统的硬件组成结构及各种仪器设备的具体性能、 技术指标。 编制了固体继电器虚拟仪器测试系统软件，分析了各项电参数的测试流程 及程序；阐述了测试软件通用功能，如测试数据及波形的显示、输出、保存的 实现方法，并详细讨论了测试软件与其它w i n d o w s 应用程序的接口方法等。 最后，讨论了测试系统中采用的各种抗干扰措施，并分析了各项电参数的 测试结果。 关键词：固体继电器虚拟仪器自动测试系统l a b v i e w 数据采集 a u t o m a t i ct e s ts y s t e mo f e l e c t r o n i cp a r a m e t e r so fs s r b a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t s a b s t r a c t b yc o m b i n i n ga u t o m a t i ct e s tt e c h n o l o g y ，v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya n d m i x e db u st e c h n o l o g y , w i t hp ca n dd a qc a r da st h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h i sp a p e r r e a l i z e st h et e s to fe l e c t r i c a lp a r a m e t e r so fs s r ( s o l i ds t a t e r e l a y ) t h r o u g h l a b v i e wp r o g r a m m i n g t h i ss c h e m ec a r lb r e a kt h r o u g hm a n yl i m i t a t i o n so ft h e m e t h o db a s e dt r a d i t i o n a li n s t r u m e n ti ns u c ha s p e c t sa sr e a l t i m ed a t ap r o c e s s i n g ， d a t as t o r a g ea n dd a t ad i s p l a y t h i sm e t h o di sf l e x i b l e ，f a s ta n d l o w p r i c e d t h et e s t s y s t e ms t r u c t u r e ，t e s t i n gm e t h o d so fs o m ep a r a m e t e r sa r ep r e s e n t e di nd e t a i l t h e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ea p p l i c a t i o no fv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi nt e s t o fe l e c t r i c a lc o m p o n e n tp a r a m e t e r sh a sw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t t h em a i nw o r ka n dc o n t r i b u t i o n so fd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , p u tf o r w a r dt h et e s tm e t h o d sa n dd e s i g n e dt h et e s tc i r c u i t so f e l e c t r i c a l p a r a m e t e r so fs s ra f t e ri n v e s t i g a t et h ec o m p o n e n tp r i n c i p l eo fs s r ，d a t a a c q u i s i t i o na n dv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y s e c o n d l y ，i tw a sd i s c u s s e di n t h ed i s s e r t a t i o nt h a tt h es t r u c t u r ea n d c o m p o n e n t so ft h et e s ts y s t e mb a s e do np c i ，u s ba n dg p i b i na d d i t i o n ，w e a n a l y z e dc h a r a c t e r i s t i c so fe v e r yi n s t r u m e n to ft h et e s ts y s t e m a sk e yp r o b l e m s ，w ed e s i g n e dt h et e s ts o f t w a r ea n da n a l y z e df l o wc h a a so f i m p o r t a n tf u n c t i o nm o d u l e s ，r e a l i z a t i o no fg e n e r a lf u n c t i o nm o d u l e sa n dt h e i n t e r f a c em e t h o d s b e t w e e nl a b v i e wa n do t h e rw i n d o w s a p p l i c a t i o n s f i n a l l y , w ed i s c u s s e ds o m ea n t i - j a m m i n gs o l u t i o n so ft h es y s t e m t h e nt h et e s t r e s u l t sw e r es h o w na n da n a l y z e di nt h ed i s s e r t a t i o n k e yw o r d s ：s s k ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；a t s ；l a b v i e w ；d a q 图1 1 图1 2 图卜3 图1 4 图2 1 图2 2 图2 3 图2 - 4 图2 5 图2 6 图3 一l 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图4 一l 图4 2 图4 3 图4 - 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图4 一1 4 图5 1 图5 2 插图清单 自动测试系统的构成2 虚拟仪器的构成方式4 l a b v i e w7 0 e x p r e s s 启动界面5 l a b v i e w 程序示例6 固体继电器组成原理( 交流过零型) 9 固体继电器基本测试电路1 2 接通时间测试波形示意图1 3 电气峰值试验电路1 5 电压指数上升率测试电路1 5 电压v ( t ) 变化曲线示意图1 6 系统硬件结构原理图1 9 系统实物照片2 0 信号调理模块结构框图2 3 s c x i 信号调理模块外观：2 3 信号调理电路连接示意图2 4 漏电流测试电路原理图2 4 直流失调电压测试电路原理图2 5 系统软件层次结构框图2 8 系统软件组成框图2 9 d a q 卡的仪器驱动配置3 0 i n s t r u m e n t s d r i v e r 子模块3 1 g p i b 仪器地址检查子程序3 2 仪器自检子程序3 2 添加用户及密码子程序3 3 生成报表子程序3 4 系统参数测试软件运行界面3 5 接通关断电压参数测试子程序：程序框图3 6 接通关断电压参数测试子程序：前面板3 6 利用p u l s em e a s u r e m e n t v i 测量时间参数3 7 d v d t 参数合格与否的判据3 8 虚拟仪器测得电压上升率参数合格波形3 8 公式节点计算功耗测试结果4 1 软件补偿法消除零点误差流程图4 2 图5 3 l a b v i e w 中的概率统计函数4 3 图5 4 l a b v i e w 中的软件延时设置4 3 表格清单 表3 一ln i p c i - 6 2 5 1 m 数据采集卡硬件配置2 1 表4 _ 1 部分参数结果生成报表示例3 5 表5 1j g c - 4 f 固体继电器测试结果样本4 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金魍王些叁堂 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意 日 学位论文作者躲僵携 签字魄矿年确 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权盒艘王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 蘑握 签字日期：6 7 年彩月力日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：d 7 年石月z 日 电话： 邮编： 致谢 本人在硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得到了我 的导师刘春副教授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是到收集资料、 完成课题、论文成稿，都倾注了刘老师的心血。刘老师广博的学识、严谨的治 学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业孜孜不倦的追求，必将使我终身受益， 并激励我勇往直前。 特别感谢鲁昌华教授。鲁老师亲自参加和领导了课题的研究工作，付出了 大量心血，并为课题提供了良好的科研环境。 感谢刘老师和鲁老师对我生活上的关心与鼓励，事业上的大力支持与鼎力 相助。从他们身上，我不仅学到了知识，更学到了做人的道理。 感谢罗会昌教授和刘勤勤老师对课题提出的宝贵建议。 同时，真诚感谢电气学院的全体老师，他们的教诲为本文的研究提供了理 论基础，并创造了许多必要条件和学习机会 感谢所有的同学给予的帮助。 作者：管理 2 0 0 7 年4 月 1 1自动测试系统概况 第一章绪论 测试是对某种信息的认知过程，是对被测信息进行检出、变换、分析、处 理、判断、控制、显示、数据存储的综合认知过程。凡是信息的认知都可以划 入测试的范畴，一切可以被认知的信息都是测试的对象i i 】。 测试技术是信息技术三大支柱之一。测试系统则是测试技术的表征，是进 行科研与生产测试的工具，各种工业生产都通过测试系统的监测来保证整个生 产流程的顺利进行，保证最终产品的质量【2 1 。 科学技术的进步与经济、军事等各个领域的飞速发展，对测试提出了更高 的要求。测试内容日趋复杂，测试工作量急剧增加，对测试系统在功能、性能、 测试速度、测试精度等方面的要求也日益提高。测试系统也将向着高可靠性、 高智能化方向发展。于是，在计算机技术的支持下，自动测试系统a t s ( a u t o m a t i ct e s ts y s t e m ) 应运而生了。 通常把在人工最少参与的情况下，能自动进行测量、数据处理，并以适当 方式显示或输出试测结果的系统称为自动测试系统。在这种系统中，整个测试 工作通常都是在预先编制好的测试程序统一指挥下自动完成的 3 1 。 1 1 1自动测试系统的构成 自动测试系统a t s 是由自动测试设备a t e ( a u t o m a t i ct e s te q u i p m e n t ) 、 测试程序集t p s s ( t e s tp r o g r a ms e t s ) 和测试环境t e ( t e s te n v i r o n m e n t ) 三个 部分组成的有机体【4 】。它能够在操作人员不干预或者很少干预的情况下，通过 计算机和测试系统软件控制测试设备，自动地完成对被测单元u u t ( u n i tu n d e r t e s t ) 的性能检测、数据分析处理、故障识别和定位。 自动测试设备a t e 是指测试硬件和它自己的操作系统软件。 自动测试设备一般由以下三部分组成： 1 计算机( 或微处理器) ，这是整个系统的核心。在软件控制下，计算机控 制整个自动测试系统正常运转，并对测量数据进行某种方式的处理，如计算、 变换、数据处理、误差分析等，最后将测量结果通过打印机、显示器、磁盘磁 卡或电表、数码显示等方式输出。 2 可程控仪器或设备。在自动测试过程中，测量仪器或设备的工作，如测 量功能、工作频段、输出电平、量程等的选择和调节都是由计算机所发控制指 令的控制下完成的。这种能接受程序控制并据之改变内部电路工作状态，以及 完成特定任务的测量仪器称为可程序控制的仪器，简称可程控，或称程控仪器。 可程控仪器是组成自动测试系统的基本部分。 3 接口系统。接口系统是组建自动测试系统的关键，它将为完成测试任务 所选用的各个分立器件( 包括计算机和程控仪器) 连接起来，使器件之间通过信 息的沟通能够相互作用，从而形成一个完整的自动测试系统。 测试程序集t p s s 主要部分是测试软件。测试软件通常由标准计算机语言 编写，用以组织和实现测试过程。计算机执行测试软件，控制激励设备、测量 仪器、电源以及开关组件等，将激励信号加到需要加入的地方，并且在合适的 点测量其响应信号。测试软件还可以分析测量结果并确定可能是故障的事件， 提示维修人员剔除或更换某些部件。 测试环境t e 包括测试软件的开发环境、运行环境、资源配置和数据管理等。 目前基于p c 机的自动测试系统普遍采用w i n d o w s 作为操作系统。w i n d o w s 下的 测试软件开发工具有很多种，较常用的大致分为d e l p h i 、v c + + 和b o r l a n dc + + 等面向对象的文本语言通用编程工具和l a b v i e w 、h p v e e 等专用于测试软件开 发的图形化工程平台两类【5 】。 图l 1 自动测试系统的构成 自动测试系统以计算机为核心，主要采用软件控制的方式，将测试的各个 环节( 从测试信号的产生、信号检出、信号传输、信号处理、数据分析与判断、 结果显示与数据存储、自动控制与调节等) 有机地进行集成，从而自动完成测 试全过程。 综上所述，自动测试系统具有智能数据处理、高度灵活、多参数同步测试、 快速测试等性能和特点，可以避免人为误差，获得十分良好的测试复现性。通 过大量的冗余测量，进行统计、分析和计算，还可以在很大程度上清除或削弱 随机误差和系统误差，从而获得极高的测试精确度。自动测试系统是现代测试 工程学的发展方向 6 1 2 1 i 2自动测试系统的发展概况 自动测试技术发展至今大致可分为三代，其系统组成结构也有较大的不 同。 第一代自动测试系统多为专用系统，通常是针对某项具体任务而设计的。 其结构特点是采用比较简单的定时器或扫描器作为控制器，其接口也是专用的。 因此，第一代测试系统通用性比较差。 七十年代中期到八十年代，微型计算机的发展和仪器总线的提出以及自动 测试理论和故障诊断理论的进展，加速了自动测试系统的迅速发展。这时的自 动测试系统采用了标准化的通用可程控测量仪器接口总线( g p i b ) 及可程控的 仪器，同时逐步采用了通用操作系统和测试语言，向具有易组合、可扩充、多 用途的方向发展，形成了第二代自动测试系统。 第一、二代自动测试系统虽然相比人工测试显示出前所未有的优越性，但 在这些系统中，计算机并没有充分发挥作用，整个系统和工作过程基本上还是 对人工测试的模拟。七十年代末，第三代自动测试系统的概念被提出，它把计 算机和测试系统更紧密地结合了起来，融合为一体。第三代自动测试系统中， 强有力的计算机软件代替了传统仪器的某些硬件，人的智力资源代替了很多物 质资源。特别是，在这种系统中计算机能直接参与测试信号的产生和测量特性 的解析，即可以通过计算机直接产生测试信号和测试功能。这样，仪器中的一 些硬件甚至整件仪器都从系统中“消失”了，而由计算机及其软件来完成它们 的功能，形成一种“虚拟仪器”。 第三代自动测试系统的出现给电子测量带来了真正革命性的冲击，在测量 原理、仪器设计等很多方面都产生了重大影响。充分发挥计算机的作用，用计 算机的软、硬件资源代替测量仪器中的大量硬件，无疑是电子测量发展的个 重要方向【7 】。 1 i 3自动测试系统的关键技术 自动测试项目实际上就是计算机向若干台测试仪器发出测试命令，测试仪 器完成测量后向计算机回送测试数据，最后得到测试结果的过程【s j 。 由此可见，组建一个测试系统要解决两个方面的问题：第一，是要把各个 分立的器件( 包括计算机和智能仪器) 连接起来，使器件间能够相互作用，从 而形成一个完整的测试系统。第二，是测试过程的组织和实现问题即编写测试 软件。系统的设计者的主要作用也就是根据测试任务来组建系统和编制测试软 件。 本文围绕基于虚拟仪器的固体继电器电参数自动测试系统的研究也是从软 硬件这两个方面的关键技术展开的。 1 2 虚拟仪器技术和l a b v i e w 虚拟仪器的出现给电子测试领域带来了真正革命性的冲击，在测试原理、 仪器设计等诸多方面都产生了重大的影响。从1 9 8 6 年美国国家仪器公司 ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，以下简称n i ) 第一次提出虚拟仪器概念至今，虚拟仪 器获得了广泛的认同和采用。充分发挥计算机的巨大优势，利用计算机的软、 硬件资源替代测试仪器中的大量硬件，无疑是电子测试发展的一个重要方向。 1 2 1 虚拟仪器的概念 所谓虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定 义、具有虚拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。用户在 操作这台计算机时，就像是在操作一台自己设计的测试仪器，实现了计算机与 测试仪器的一体化。其基本思想就是在测试系统和仪器设计中尽可能使用软件 代替硬件，即“软件就是仪器”【9 j 。 虚拟仪器打破了传统仪器由厂家定义，用户无法更改的工作模式，在经济 性、灵活性、扩展性和可维护性方面都有自己独特的优势。 因为使用虚拟仪器组建自动测试系统具有诸多优点，所以它在军事和航空 航天高科技领域倍受青睐，美国军方已经使用了多种基于虚拟仪器的自动测试 系统。目前，全世界有超过5 0 0 0 个实验室在使用虚拟仪器【l 们。 1 2 2 虚拟仪器的构成 虚拟仪器由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分构成。 1 通用仪器硬件平台 i 幻接n 设番 图1 2 虚拟仪器的构成方式 构成虚拟仪器的硬件平台有两部分： ( 1 ) 计算机硬件：一般为p c 或者工作站，这是硬件平台的核心。 ( 2 ) 仪器硬件也即i o 接口设备，主要完成被测输入信号的采集、放大和 4 模数转换。对于单台虚拟仪器，i o 接口设备主要是指数据采集卡；而对于多 台虚拟仪器组成的测试系统时，硬件主要是指总线。常见总线类型有：r s 2 3 2 串口总线接口、g p i b 总线接口、v i s a 总线接口、v x i 总线接口等等。虚拟仪 器的构成方式主要有五种类型，如图1 2 所示。 2 虚拟仪器软件 虚拟仪器软件也由两部分构成： ( 1 ) 应用程序：由实现虚拟面板功能的前面板软件程序和定义测试功能的 流程图软件程序构成。 ( 2 ) i 0 接口仪器驱动程序。这类程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、 驱动与通信。 1 2 3l a b v i e w 概述 开发虚拟仪器必须有合适的软件工具。目前用于虚拟仪器开发的软件有很 多种，本系统所采用的是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开 发环境l a b v i e w t “j 。 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n e h ，实验室 虚拟仪器工程平台) 是n i 公司推出的一种基于g 语言( g r a p h i c sl a n g u a g e ， 图形化编程语言) 的测试系统软件开发平台【1 2 】。自1 9 8 6 年n i 正式推出 l a b v l e w l 0 以来，经不断改进和完善，现已发展至8 2 版本，包括控制与仿真、 高级数字信号处理、统计过程控制、模糊控制、p d a 和p i d 等众多附加软件包， 可运行于w i n d o w s 、l i n u x 、m a c i n t o s h 和u n i x 等各种平台，已经成为测试领 域一种标准的软件开发环境，广泛用于航空、航天、通信、汽车、电子半导体 和生物医学等许多领域。 图1 - 3l a b v i e w7 0e x p r e s s 启动界面 在l a b v i e w 环境下开发的应用程序称之为v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) ，它主 要由用于人机交互的晃面前面板( f r o n tp a n e l ) 和相当于源代码功能的框图 程序后面板( b l o c kd i a g r a m ) 组成。前面板是虚拟的仪器面板，在这一界面 上有模拟仪器输入装置并把数据提供给v i 的框图程序的控制量( c o n t r o l s ) 和模 拟仪器输出装置并显示由框图程序获得或产生的数据的显示量( i n d i c a t o r s ) 。后 面板又称代码窗口或流程图，是v i 图形化的源程序，是仪器功能的具体实现。 它包括前面板上对象的连线端子、函数( f u n c t i o n ) 、结构( s t r u c t u r e ) 和连线等【1 3 】。 a ) 前面板 b ) 程序框图 图l 4l a b v i e w 程序示例 l a b v i e w 的主要特点就是将虚拟仪器分解为若干功能模块，模块的引脚代 表i 0 接口，用户运用交互式的手段，将模块根据数据的流向组合起来，采用 图形化框图设计的方法完成虚拟仪器的逻辑和测量、分析功能的设计，避免了 一般程序设计从框图构思到程序表示的繁琐。同时，l a b v i e w 还将软件的界面 设计与功能设计独立开来，修改人机交互界面无需对整个程序进行调试，这对 设计像仪器面板这样的复杂人机界面而言是十分方便的【1 4 】。 用l a b v i e w 设计的虚拟仪器还可脱离l a b v i e w 开发环境打包为可执行程 序，最终用户见到的是和实际硬件仪器相似的操作面板。 1 3 课题概况 本课题名为基于虚拟仪器的固体继电器电参数自动测试系统研究，来自合 肥市科技计划项目( 合科合同【工业】字2 0 0 5 【1 0 3 3 】号) 。 1 3 1 课题研究的意义 固体继电器( s o l i ds t a t er e l a y ，s s r ) 作为一种新型的无触点电子开关器 件，具有可靠性高、寿命长、电磁干扰低、响应速度快等优点，被广泛应用于 军事、航空航天、工业自动化以及家用电器等各个领域。和其他电子元器件相 比，固体继电器的电性能参数项目种类多、量程变化大，而且某些参数间相互 6 关联，部分瞬态参数快速突变，这都给产品性能的检测带来了困难f l 卯。 目前在测试和使用中，固体继电器的失效率比较高，除了产品本身的质量 因素以外，由于检测系统结构的不合理和具体参数测试方法不当而造成产品损 坏的现象也很普遍。仅2 0 0 3 年一年，国内2 0 0 余家生产厂家就生产了约l o 亿 只各种型号的固体继电器。如此庞大的生产规模，要保证参数测试的质量和效 率，只有采用自动测试系统。因此，自动测试系统的软硬件结构和参数的测试 方法是能否实现对固体继电器性能进行准确、快速、综合测试的主要技术关键。 我国在研制和生产固体继电器的过程中，电性能参数的测试大部分靠人工、 分步、分时进行，存在速度慢、精度低，尤其是对关联、瞬态参数不能按标准 要求进行测试等缺点，而现有的军品自动测试系统价格昂贵且扩展性较差。因 此，研究固体继电器性能参数的测试方法，研制符合标准且性价比高、扩展性 好的通用固体继电器电性能参数自动测试系统，具有十分重要的意义。 1 3 2 课题研究的现状 近年来，随着测试技术的发展，固体继电器电参数的自动测试问题也有了 多种解决方案。电子部第四十所与合肥工业大学共同承担的九五国防( 电子) 预 研项目( 大功率固态继电器的研制) 的子课题固体继电器电参数自动测试系统 中，采用微机作为上位机，通过r s 2 3 2 串行通信接口控$ i i p l c 进行测试线路的切 换。同时，微机与智能仪器( h p 3 4 4 0 1 a 数字万用表、t d s 2 2 0 数字记忆存储示波 器) 组成g p i b 自动测试系统，采用了d e l p h i 3 0 软件工具完成了多媒体、数据库 和通信等软件所必须具备的功能，整个系统较好地实现了对固态继电器电参数 的自动测试1 1 6 】。在此项目的基础上，合肥工业大学与厦门宏发电子有限公司合 作提出过采用v x i 总线的测试系统对部分参数进行测试。 国内有关单位对固态继电器的部分测试也进行过研究，作了一些有益的尝 试。例如，河北工业大学自动化系研制了一套固态继电器寿命检测装置，该装 置通过测量继电器的导通压降和断开漏电流是否越限来判断继电器的寿命，它 的硬件以微机为主机，配以采样测试电路、驱动电路、输入接口电路、输出接 口电路和译码电路等外围电路组成i l ”。 在国外，一些大的固体继电器生产厂家都有自己的测试系统，但通用性测 试系统还未见报道。 总之，目前国内固体继电器电参数测试装置大都是采用微机或单片机外加 一些专用测试电路，它们不是严格意义上的自动测试系统，对进行测试的固态 继电器类型或参数范围都有所限制，而且它们大都不是通用测试系统，价格较 为昂贵，系统很难扩展。因此，上述测试装置无法满足固体继电器大规模生产 的需要。 7 1 3 3 课题研究的主要任务 通过对国内外现状的了解，可以看出对固体继电器电参数的自动测试技术 进行研究并将研究成果转化为实用技术，研制出高性能、低成本的通用自动测 试系统具有很重要的应用价值。 在本课题的研究中，我们深入研究了国内外最新的测试技术，并研制出一 套先进的固体继电器电参数自动测试系统。本课题的主要研究内容是研究虚拟 仪器自动测试系统的各种结构，构建应用于固体继电器电参数测试的虚拟仪器 系统：研究基于p c i 总线和g p i b 总线的混合总线虚拟仪器系统的实现；研究 固体继电器各种电参数的测试方法并设计测试电路；研究图形化编程语言 l a b v i e w 及其设计测试软件的方法，并编制相应的测试软件，实现工业控制计 算机与各种仪器设备的通信，对各项参数的测试以及测试软件的其它通用功能 等。本测试系统是对最新测试技术的应用与验证，同时更为生产出高质量的固 体继电器提供了技术保证。 b 第二章固体继电器的电参数及其测试方法 本课题的研究对象是固体继电器电参数自动测试系统。固体继电器的种类 繁多，不同型号的产品因所用元器件和继电器结构的不同，参数也不尽相同。 深入研究固体继电器的组成原理以及各项电参数的测试方法是进行准确测试、 组建自动测试系统的前提。 2 1 固体继电器的组成原理 固体继电器是利用现代微电子技术与电力电子技术相结合而发展起来的一 种新型无触点电子开关器件。它可以实现用微弱的控制信号控制大电流负载， 进行无触点接通或关断【1 8 】。 固体继电器是一种四端器件，两个输入端，两个输出端。输入端接控制信 号，输出端与负载、电源串联。按其负载电源的不同，可分为直流型、交流型 和交直流通用型三种类型。由于触发信号方式不同，交流固体继电器还分为过 零型触发( z 型) 和非过零型或随机型( p 型) 触发两种。以应用较多的交流过零型 固体继电器为例，其内部电路组成如图2 1 所示【1 9 1 。 图2 - 1 固体继电器组成原理( 交流过零型) 该电路由信号输入电路、零电压检测控制电路、工作指示电路、双向晶闸 管控制电路和吸收电路几部分组成。采用了光电耦合器g d 作为输入电路和输出 电路之间的隔离元件，v d 是防止v i 。正负接反烧坏耦合器。电路工作过程：无输 入信号时，g d 中的光敏三级管截止，v t l 是交流电压零点检测器，通过r 3 获得 基极电流而饱和导通，将v t h 的门极钳在低电位而处于关断状态。当有输入信 9 号时，光敏三极管导通，此时v t h 的状态由v t i 决定，如此电源电压大于过零电 压时，分压器r 3 、r 2 的分压点p 电压大于v b e l ，v t l 饱和导通，s c r f l 极因钳 位在低电位而截止，t r 的门极因没有触发脉冲而处于关断状态。只有当电源电 压小于过零电压，p 点电压小于v b e i 时g l 截止，s c r t l 极通过r 4 获得触发信号而 导通。在t r 的门极获得从r 6 一b r s c r - - b r r 5 以及r 5 一b r s c r b r 一 正负两个方向的触发脉冲，t r 就导通，从而接通负载电源。 当输入信号关断后g d 中的光敏三极管截止，g l 饱和导通使s c r i 极钳位在 低电位而关断，但是此时t r 仍保持导通状态，负载上仍有电流流过，直到负载 电流随v a c 减小到小于双向晶闸管t r 的维持电流后才会自行关断，切断负载电 源。 2 2固体继电器的电参数及其特点 固体继电器的组成电路及工作原理较为复杂，也为其电参数的测试带来一 定困难。根据固体继电器总规范( g j b l 5 1 5 9 2 ) 的测试标准，典型的固体继 电器电参数有以下1 9 种 2 0 】： 1 电气系统峰值 输出端加额定输出电压，在输入端去除激励的情况下，在输出电压上叠加 一周期性衰减的脉冲电压，使叠加后的峰值大于6 0 0 v ，输出端不应接通，并且 干扰去除后不应影响继电器的其它正常功能。 2 偏流和偏压( 当规定时) 在具有多路输出电路的继电器或输入与c m o s 电平兼容的继电器中，需要 以偏置电源对输入控制信号进行放大或转换。规定了使继电器正常工作的偏置 电源电压范围为偏压。偏流则是指在规定的环境温度和规定偏压下，流入固体 继电器偏置回路的电流值。 3 反极性电压( 直流输入的继电器) 能够加在固体继电器的输入端上而不造成永久性损坏的最大允许反极性电 压。该值一般确定为输入电压范围的上限值。 4 输入电流 在规定的环境温度下，在规定输入电压下，流入固体继电器输入回路的电 流值。 5 关断电压 保证常开型固体继电器输出电路关断时施加在输入端的最高值。类似予电 磁继电器释放电压最小值。即在输入端施加该电压或低于该电压值时，固体继 电器确保关断。 6 接通电压 保证常开型固体继电器输出电路接通时施加在输入端的电压的最低值。类 1 0 似于电磁继电器的动作最大值。该值一般为固体继电器的输入电压范围的下限 值。即在输入端施加该电压或大于该电压时固体继电器确保接通。 7 关断时间 当继电器关断时，从切除输入电压开始至输出达到其电压最终变化的9 0 为止之间的时间间隔。 8 接通时间 当继电器接通时，从加输入电压开始至输出达到其电压最终变化的9 0 为 止之间的时间间隔。 9 过负载 在加额定输入和偏置，而负载电流数倍于额定电流( 额定输出电压下) 时， 继电器应能在一定时间内承受该电流而无损坏。 1 0 输出电压降 在规定环境温度下，固体继电器处于接通状态，在额定工作电流下，两输 出端之间的压降。 1 1 输出漏电流 在规定的环境温度下，固体继电器处于关断状态，输出端为额定输出电压 时，流经负载的电流( 有效) 值。 1 2 功耗 在额定输入和偏置下，输入电压乘以输出电流，偏压乘以偏流，输出电压 降乘以额定输出电流的和。 1 3 瞬态电压 在交流固体继电器输入端加最大关断电压，输出端重复叠加一定幅值的瞬 态浪涌交流电压，继电器输出端不应产生误动作或损坏。在直流固体继电器的 输出端重复叠加一定瞬态浪涌直流电压，继电器输出电路不应误动作。 1 4 直流失调电压( 只适用于交流继电器) 交流继电器因为独立切换每一半周电源电压的半导体开关的不对称切换和 每个半导体两端的电压降不平衡所产生的电压直流分量。 1 5 波形失真 由于不合理的可控硅门电路设计所造成的电流或电压波形偏离基本正弦波 的现象。 1 6 最小额定电流 为使交流固体继电器正常接通，能满足规定的直流失调电压和波形失真要 求的继电器的最小负载电流。般直流固体继电器输出应规定其适用的最小电 流。 1 7 电压指数上升率( d v d t ) 在规定的环境温度下，固体继电器输入端施加零输入电压，输出端能够承 受的不使其接通的最小电压上升率。总规范规定该值为1 0 0 v l ls ，某些产品可 达2 0 0 5 0 0 v i is 。 1 8 零点交越( 只适用于交流继电器) 具有此零点交越特性的交流固体继电器，施加输入电压后，只在随后的规 定的零电压时接通，切除输入电压后，只在随后的规定的零负载电流时关断， 而与输入电压施加或切除的时间无关。 1 9 绝缘电阻 固体继电器输入端与输出端，输入端、输出端与外壳之间加5 0 0 v 直流电 压测量的电阻值。 综上所述，固体继电器的电性能参数有以下几个特点： 1 项目种类繁多，电参数和与电性能有关的参数超过1 9 种； 2 量程变化很大，从几微安( 微伏) 到数百安培( 伏特) 不等； 3 参数之间互相关联； 4 部分瞬态参数快速突变，实时准确捕捉困难。 这些特点给固体继电器电参数的测试工作带来了一定困难，因此，正确有 效的参数测试方法对整个自动测试系统的组建和运行有着重要的意义。 2 3固体继电器电参数测试方法 选择正确的测试方法是进行准确测试的前提。虽然固体继电器的待测电参 数较多，但这些参数主要可分为需要直接或间接测出的数值参数和测试器件负 载性能的可靠性参数两大类。针对不同种类的参数，需要采用不同的测试方法 进行检测。 2 3 1数值参数的测试方法 固体继电器的数值参数又可分为可以直接测量的电压、电流参数以及需要 间接测量的参数( 例如时间参数) 。这些参数主要表征固体继电器正常工作时的 器件电性能。因此，数值参数的测试电路都是在固体继电器工作电路的基础上 构建的。以常开型交流固体继电器为例，其基本测试电路如图2 2 所示。 磷体继电器 驱 嫠d c 蹈熬 十3l 碎 s s 琏 - 4 2 一 图2 2 固体继电器基本测试电路 1 2 负 a c 辇 激 下面就固体继电器主要数值电参数的测试原理方法做逐一阐述分析： 1 输入电流、偏置电流 固体继电器的输入电路与输出电路是相互隔离的，输入部分的特性可以决 定输出端的状态，但反之不成立。因此，对输入电流、偏置电流的测量可以不 考虑输出负载条件的影响。依照测试电路加额定输入电压和偏压，在额定输出 电压的情况下激励时即可测量出输入电流和偏流。 2 接通、关断电压【2 1 】【2 2 l 接通与关断电压是固体继电器最重要的输入参数之一。常规检测接通关断 电压分两个步骤：加足够大的输入电压使继电器接通，然后降低此输入电压， 直至继电器关断，检测关断电压是否符合规定；将输入电压降低至零，然后增 加输入电压，直至继电器接通，检测接通电压是否符合规定。 3 接通、关断时间【2 ” 固体继电器的接通、关断时间与输入和输出电路两部分都密切相关。以接 通时间为例，接通时间包括输入部分的开通延迟时间、输出部分的开通延迟时 间和功率器件( 主要指i g b t ) 的开通延迟时间和上升时间。因此测量接通关断 时间时需同步观测输入、输出状况。 为此设计测试步骤如下：把基本测试电路( 图2 2 ) 中被测固体继电器输入 端的可调电源换成标准信号发生器，输入端施加一方波信号，其幅值为零电压 到额定输入电压范围内的某一值，占空比为l ：1 ，动作速率不少于每秒1 次， 不大于每秒3 0 次。用双踪记忆示波器，分别监测输入与输出端，使示波器与输 入接通的过程同步。如图2 3 所示，通过计算机对波形的处理和运算，可以检 测接通和关断时间。 求渡器吐i r 触发 7 零被器c l l 2 v v i 二r k t l a ) 实际波形示意图b ) 理想波形示意图 图2 3 接通时间测试波形示意图 本文中该测试的具体设计由虚拟仪器实现，完全可以达到快速准确测试的 目的。 4 输出电压降 固体继电器的输出开关是由半导体元器件组成的，从截止转换到导通状态 时，不像电磁继电器的吸合过程那样明显，输出是否可靠导通，是根据输出电 压降是否达到产品标准值来判断。因此，输出电压降是表征固体继电器电压降 输出特性的重要参数。 输出电压降的测试原理较为简单，加额定输入电压和偏置，在额定输出电 流的激励下，测量继电器输出端之间的电压即可。这里需要注意的是测量输出 电压降要防止负载的短路，以免损坏测试仪器和设备，这一点对于采用虚拟仪 器的计算机测试系统尤为重要。 5 输出漏电流【2 4 】 输出漏电流则主要取决于继电器的输出电压，因此必须在额定工作电压下 测试。以常开固体继电器为例，在被测继电器输入端加最大关断电压，输出端 加额定电压，在输出电路( 触点) 的激励状态下测量常开电路中的电流即为输出 漏电流。 固体继电器的输出漏电流数值为几十微安到凡毫安不等。这样微小的电流 对仪表的精度和分辨率要求极高，进行准确的自动测试十分困难。因此，针对 漏电流参数本系统设计了专门的测试电路，采用取样电阻间接测量的方法解决 了这一难题。有关电路设计将结合虚拟仪器程序在后面介绍。 6 功耗 功耗的数值是在上述参数的数据已测的情况下由计算得到的。这对计算机 测试系统来说是单纯的软件计算问题，虚拟仪器软件中的运算程序完全可以保 证功耗数值快速准确的得出、显示和存储。 2 3 2可靠性参数的测试方法 固体继电器的可靠性参数多是在极限条件下测试器件的性能是否可靠或正 常，因此属于极限参数。这就需要专用测试电路产生所需的极限条件。对专用 测试电路的设计是可靠性参数能够准确测试的重要前提。 1 电气系统峰值【2 4 】 电气系统峰值参数属于典型的高压大电流参数，实验电路如图2 - 4 所示， 实验步骤如下： a 将固体继电器接入试验电路，断开s 3 ，闭合s 2 ，循环s i ，观察示波器， 调整电源v l ，使最小峰值为6 0 0 v 。 b 闭合s 3 ，以1 0 i l 次8 的速率循环s i ，时间至少为l m i n 。 c 变换极性，重复上述步骤。 d 测试继电器电性能是否正常。 图中采用一组转换电子开关在l 、2 触点间循环，当1 、3 连通时，电容c l 被充电，当2 、3 连通时，c l 、n p 间形成阻尼震荡，产生衰减的正弦波，通过 空心变压器t 及电感l 耦合到输出端。因此，电子开关在l 、2 和1 、3 之间按 一定的周期进行转换时，在固体继电器的输出端，我们可以得到所需的周期性 1 4 的、衰减的正弦波。 图2 4 电气峰值试验电路 2 过负载 按总规范的规定，固体继电器的过负载为3 5 倍额定输出电流、脉冲宽度 1 0 0 m s 、周期1 s 、循环1 0 次的浪涌电流值或详细规范所规定的其它循环方式的 浪涌电流。交流固体继电器一般还可承受脉冲宽度为5 0 h z1 个周波( 2 0 m s ) 的 8 1 5 倍于额定输出电流的非重复浪涌电流。 3 瞬态电压 瞬态电压分交直流两种。依照基本测试电路，输出端加额定电压，输入端 加最大关断电压，测试时间为3 m i n ，每隔2 0 s 。