（电工理论与新技术专业论文）基于dsp的电缆在线参数采集系统的研究.pdf

基于d s p 的电缆在线参数采集系统的研究 t h er e s e 砌o fc a b l e so n l i l l ep 觚l m 咖a c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do n d s p a b s t r a c t n o w a d a y s ，i nt h ef i e l do fe 啦优d n 吕u s i n gc 0 啪m o nd i 西t a ：ls i 孕l a lp r o c 鼯s o r t 0p r o c 鹤s r e a l 一t i m ed i 百t a ls i g n di sah o t 州e c t w h i c hp 州d 懿ak i i l do fv e 巧c b m l e n g ew o r k r e a l t i i n ed s pp r 0 v i d e s 锄e 船c t i v em e m o df 0 rd 髓i 粤l i l 培趾dc 缸r y i l l go u td i 行o r e mk i i l d so f d s p 耐缸e t i ci nr e a la p p l i e dp r 0 c e d u r 懿i nr e c e n ty e a 嚣，谢n ln l ed s p 谢d e l ya p p l i e di 1 1 m a i l ya r c 嬲，t ：h e “i v a n c e d 讹p r o c e s s o ri si n 孕e a td e m a n dd a yb yd a y t h ea p p e a r a n c eo f d i g n a ls i 印a 1p r o c e s s o rn m 潞m o d 锄d e t e c t 蛐l o g yb e c o m es i i n p l e 锄dl l i g l l f e 勰i b i l i 饥 m o r e 锄dm o r ct e s t i n gs y s t e m sb 雒e d1 a r g ec 0 l i l p u t 盯m o v et 0d s pp l a t f 0 m ，w m c hh 嬲t l l e s a m ep r o c 鹤s i n 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明原因均会使电缆出现故障，电缆故障将直接影响运行设备的安全，如果故障没有及时 发现并得到有效处理，可能使事故范围扩大，导致大规模的系统事故，造成巨大的损失。 因此保障电缆线路的安全运行尤为重要。 电缆检测是电缆使用当中的重要一环。检测是多方面的，需要涉及温度、湿度、电 流、电压、磁场、功率等。d s p 器件拥有强大的信息处理能力以及远远超过通用微处理 器的运行速度等特点，是高性能系统的核心，用该器件同时处理多种信号是目前的比较 理想选择，将模拟信号转换为数字信号并用d s p 处理是较为科学的方法。然而目前综合 采集多种参数的系统还很少。本设计综合了多种优点，可以方便的采集多种电缆信号， 并且能够进行一些处理，为电缆的安全运行提供了保障。 1 1 2 电缆故障的分类 电缆故障的分类方法有很多，一般将电缆故障分为开路故障、低阻故障和高阻故障 三种类型【l 瑚。 开路故障：若电缆相间或相对地的绝缘电阻达到所要求的数值，但是工作电压不能够 传输到对端，或者终端虽然有电压但是带负载能力较差。 低阻故障：电缆相间或相对地间绝缘受损，其绝缘电阻小到可以利用低压脉冲法测量 的一类故障，一般过渡电阻小于2 k 的都可以认为是低阻故障。 开路故障和低阻故障都是电缆的特性阻抗发生故障，被认为是同一类故障，都可以 用低压脉冲法进行测试。 高阻故障：电缆相间或相对地绝缘损坏，其绝缘电阻较大，是不能使用低压脉冲法测 量的一类故障，它是相对于低阻故障而言的。包括闪络性高阻故障和封闭性故障两种类 型。这两类故障大多数是在进行预防性试验时发生的，并且多出现于电缆中间接头或终 端头内，特别是封闭性故障多数发生在注油的电缆头内。如果在其一试验电压下绝缘被 基于d s p 的电缆在线参数采集系统的研究 击穿，然后又恢复，有时连续击穿，有时隔数秒钟或数分钟后再击穿，这种故障称为闪 络性故障。如果击穿发生后，待绝缘恢复，击穿现象便完全停止，这类故障则称为封闭 性故障。 这两种故障是电缆中的常见故障，也是测距难度较大的一类故障。 1 1 3 电缆故障的产生原因 电缆的故障多种多样，产生故障的原因也各有不同，通过对电缆各种故障类型的分 析和总结，故障原因主要有以下八种【4 j ： ( 1 ) 绝缘老化变质。导致绝缘老化的原因有以下几种： 电作用。电缆绝缘介质长期处在电场作用下，而且内部总有气隙存在，从而使绝 缘内部产生游离，导致绝缘大大下降。 晶化作用。绝缘和护层受外应力和内应力的作用，造成损伤，其主要表现为：由于 震动、晶化、疲劳和冲击性电动力的损害，导致铅( 铝) 包龟裂而受潮，绝缘降低，电缆 的护层因腐蚀老化而出现麻点、开裂或穿孔。 水分和化学的作用。当绝缘介质中发生电离时，气隙中产生臭氧、硝酸等化学生 成物，腐蚀绝缘。绝缘中存在的水分，使绝缘纤维产生水解，导致绝缘大大下降。总之， 电缆绝缘层长期在电作用下工作，要受到伴随电作用而来的化学、热及机械作用，从而 使介质发生物理化学变化，导致介质的绝缘下降。 ( 2 ) 过热。造成电缆过热的原因有许多方面，既有内因又有外因。内因主要是电缆 绝缘内部气隙游离造成局部过热，从而使绝缘炭化。外因是电缆过负荷产生过热。 安装于电缆密集地区、电缆沟以及电缆隧道等通风不良处的电缆、穿在干燥管中的电缆 以及电缆与热力管道接近的部分等，都会造成电缆过热而使绝缘加速损坏。 ( 3 ) 机械损伤。这类故障主要包括以下几个方面： 直接受外力作用而造成的破坏。这方面的损坏主要有施工和交通运输所造成的损 坏，例如挖土、打桩、起重、搬运等都有可能误伤电缆。行驶车辆的震动或冲击性负荷 也会造成穿越公路或铁路以及靠近公路或铁路并与之平行敷设的电缆铅( 铝) 包裂损。 敷设过程造成损坏。这方面的损坏主要是指电缆因受拉力过大或弯曲过度而导致 绝缘和护层的损坏。 自然力造成的损坏。这方面的损坏主要有中间接头和终端接头受自然拉力和内部 绝缘胶膨胀的作用所造成的电缆护套的裂损。因电缆自然膨胀和土壤下沉所形成的过大 拉力，拉断中间接头或导体，以及终端头瓷套因受力而破损等。 ( 4 ) 护层的腐蚀。因受土壤中酸、碱和杂散电流的影响，埋地电缆的铅( 铝) 包将遭受 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 腐蚀而损坏。 ( 5 ) 绝缘受潮。中间接头或终端头在结构上不密封或安装质量不好而造成绝缘受潮。 在制造电缆包铅( 铝) 时留下砂眼和裂纹等缺陷也会使电缆受潮。 ( 6 ) 过电压。过电压主要是指大气过电压和内部过电压。许多户外终端头的故障是由 大气过电压引起的。电缆本身的缺陷也会导致大气过电压情况下发生故障。 ( 7 ) 材料缺陷。材料缺陷主要表现在三个方面： 电缆的制造问题。这部分的问题主要有包铅( 铝) 留下的缺陷。在包缠绝缘过程中， 纸绝缘上出现皱褶、裂口、破损和重叠间隙等缺陷 电缆附件制造上的缺陷。如铸铁件上有砂眼，瓷件的机械强度不够，其它零件组 装不符合规格或组装时气隙不密封等。 对绝缘材料的维护管理不善，造成电缆受潮、脏污和老化。 ( 8 ) 设计和制作的工艺问题。中间接头和终端头的防水设计不周密，选用的材料不当， 电场分布的考虑不当，工艺要求不严密，机械强度的裕度不够等是设计的主要弊病，中 间接头和终端头的制作不按照工艺要求的规程进行，大大增加了电缆故障的发生概率。 1 1 4 电缆检测的方法和内容 电缆检测分为在线检测和离线检测，针对的主要是电缆的绝缘性能。离线检测时需 要停电进行检查，甚至是将电缆拆下进行检查。 电力电缆线路常规的预防性试验一般以年为周期p 】，虽然都按规定、按时做了常规 预防性试验，但事故仍然时有发生，主要原因之一是由于现有的试验项目和方法往往难 以保证在这个周期内不发生故障。由于绝大多数故障事前都有先兆，这就要求发展一种 连续或选时的监测技术。电力电缆线路的状态监测是指在运行条件下不脱离电网，测量 其性能，即在工作电压进行测量。随着电气设备容量的扩大和社会对电力需求的日益增 长，要求尽可能减少停电次数，特别是要求避免突发性停电事故，因此，维护从最早的 事故后维修、预防性维修，发展到预测维修。这就要求在工作电压下经常监测电力电缆 线路的运行状态，以便做出设备是否需要维修的结论。 目前对于电缆绝缘的检测方法有【6 】：直流分量法、直流叠加法、谐波分量法、零序 电流法、在线介质损耗角正切法、局部放电法、交流叠加法等等。对电缆运行参数的测 量方法目前有两种主要的方法：感应测量法，终端接入测量法。终端接入测量法就是在 电缆的终端接入测量电路，测量电流电压等运行参数，该种方法的测量可简单的用图1 1 表示。这样测量的好处是抗外界干扰能力强，数据准确，但是缺点也同样明显，那就是 接入被测电路，不可避免的会给被测的电缆电流本身带来干扰。另一种方法是不接入被 基于d s p 的电缆在线参数采集系统的研究 测电路的感应测量法，也是本课题使用的一种方法。通常使用的感应元件是霍尔器件其 原理如图1 2 所示，外界磁场施加在通有电流的霍尔元件上的时候，它就会在垂直于磁场 和电流的方向上产生一个电动势，这就是霍尔电动势。我们正是根据这个电动势的大小 来计算磁场或者是电流的大小。目前应用霍尔效应测量电缆电流的重要仪器就是钳形 表，其特点是携带方便，可移动测量，但是它不能实现多点同时采集以及不具备数据的传 输和处理能力。 除了电压和电流，与电缆相关的参数还有温度、磁场、功率等等。多数在线检测的 结果都来源于传感器采集的数据，所以传感器的使用也是电缆检测的一个重要环节。 图1 1 接入法测量示意图 f i g 1 1 i km e 也o do f c 锄n e c 豳gm e 敞玳m e m 线芯 图1 2 霍尔元件原理图 f i g 1 2n ep 血c i p l eo f h a l le 1 锄饥t 其中霍尔电势的大小为： 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 亍七日j s i n 秒 ( 1 1 ) 式中 一霍尔电势，n 1 v 七一霍尔元件灵敏度，w ( 彳r ) ，一控制电流，m a 9 一外磁场与霍尔元件平面的夹角 1 2 国内外发展情况 在电缆检测方面目前我国还不太成熟，日本在这方面研究的水平比较高。目前我国 面临的问题是测量现场干扰大，还没有特别完善的抗干扰方法；另外一个问题是缺乏足 够的现场检测数据和经验积累：还有一个问题是我国目前对电缆检测还没有十分系统的 标准。举个例子：查询一下“标准专利网”，在国内标准中输入“电缆”查询，没有查 到任何关于在线参数的标准，而在国际标准中的美国电气电子工程师学会( i e e e ) 数据 库中就搜索到了相关内容，在日本工业标准数据库中搜索到了更多的相关标准。 现在的信号采集系统基本上都采用的是d l 语言的状态机编写实现模式或单片机 直接控制采样信号。而随着生产规模，自动化程度等的不断提高，所需要的采集和处理的 参数都在增加，具有更快处理速度和更大容量的d s p 器件已经占据重要的地位。而且由 于各d s p 厂家的竞争及生产工艺的不断提高，使得d s p 器件的价格不断下降，且性能不 断提高，这些年来基本上按照这样一种规律发展：约每1 8 个月性能提高一倍，而价格下 降一半，以后的升级速度还将更快。 1 3 本课题主要研究内容 本课题针对电缆的电流和温度这两个参数进行采集和处理，利用电流和温度传感器 在线采集的信号，经过d s p 芯片的处理后完成对数据的记录、对比和显示等任务。本系 统可同时采集多种电缆参数，并且可以记录所采集的数据形成数据库，并将采集的数据 与其比较，当出现异常情况时可以报警。另外将设计操作界面，让使用者更方便地观察 各种数据及输入指令。采集数据的时候也尽量采用不接入电缆回路的设计，尽量减少对 参数的影响，降低了误差，并且在硬件及软件设计中均有误差的消除或补偿，另外采集 离散的信号也减少了工作量，并且在出现问题的时候可以调整采样频率，获得更多更详 细的数据。整个系统的构成大致如图1 3 所示： 基于d s p 的电缆在线参数采集系统的研究 图1 3 信号采集系统构成图 f i g 1 3m 啦t 峨o f 郴i t i o ns y s t e m 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 传感器的使用 信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器 的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。 随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。 传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其 重要性变得越来越明显。 广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。 国际电工委员会( i e c ：m t e m a t i o m le l e c 仃o t e c b _ l l i c a lc o 珊l i l i t t ) 的定义为：“传感器是测 量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号。按照g o p e l 等的说 法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某 种信息处理( 模拟或数字) 能力的传感器。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是 被测量信号输入的第一道关口。 本课题针对电缆的电流和温度两个参数进行测量，所以分别用到了电流和温度传感 器。如果需要对其他参数进行测量还可以增加相应的传感器。 2 1电流传感器 l e m 传感器是瑞士l e m 公司开发出的系列传感器。本系统中要用到的是l e m 公司 2 0 0 7 年推出的电流传感器f h s4 0 p s p 6 0 0 ，目前针对此款传感器的应用还很少。本实验 要完成的是使用该传感器测量电缆的电流，目前对电缆电流测量的方式有终端测量法和 感应测量法，终端测量法测量电路接入被测电缆，对被测电缆中的电能有损耗；感应测 量法是利用霍尔器件通过测量电流产生的磁场来测定电流大小，目前比较普遍应用的测 量仪器是钳形表，然而钳形表无法多点同时测量，也不方便将信号进行处理和储存。应 用f h s4 0 p s p 6 0 0 传感器组成的测量系统就可以弥补以上不足，可以在线、多点、长期 采集电缆电流数据进行处理。 2 1 1 传感器的参数及构造 该传感器基于霍尔效应，能够测量磁场以及各种电流，包括：直流、交流、脉冲以 及混合电流。它最大的特点是不直接接入电路，所以这种与被测电路隔绝的测量方法对 原电路不产生额外的损耗。另外它还具有以下特点：体积非常小，典型的s 1 0 8 封装，价 格也十分的便宜，还有一个备用引脚用来进入低功耗模式，的响应时间能够达到3 筇； 测量范围达到士1 0 0 a ，灵敏度能够达到2 0 0 m v a 。f h s4 0 - p s p 6 0 0 传感器的应用范围非 基于d s p 的电缆在线参数采集系统的研究 常广，能够对各种形式电路的电流进行测量，不过对不同形式的电路，测量结果也是不 同的，后面我们将针对几种常用的形式进行具体分析。另外根据本次实验的需要还制定 了相应的电路及p c b 板。f h s4 0 p s p 6 0 0 电流传感器的供电电压、输出电压等参数详见 附录a ，其内部结构如图2 1 所示吼 图2 】 f h s4 0 p s p 6 0 0 的内部结构 f i g 2 1 i n t e o rc o n 6 9 u r a t i o no ff h s4 0 p s p 6 0 0 2 1 2 传感器的使用 f h s4 0 p s p 6 0 0 传感器的精度很高，所以为了保证测量的精度，电路的连接必须谨 慎，尽量减少干扰对测量结果造成的影响。通常我们需要注意的是传感器各个引脚的连 接以及初级电路和次级电路的连接。般情况下，尽量将初级电路与次级电路垂直摆放， 并且不能在p c b 板上重叠( 不能分别布置在同一处p c b 的正反两面) 。电容在电气隔离 中非常重要，为了能够隔绝高频干扰，应该尽量选用陶瓷电容。下面我们分别对各个引 脚进行分析： 引脚1 是基准电压引脚，内部有约2 0 0 q 的电阻，计算的时候需要把这部分也计算进 去，比如需要外接运放的时候，计算放大电压就需要把引脚内部的电阻也包含进去，如 图2 2 所示。输出电压k 。的计算方式为： 大连理工大学硕士学位论文 = 筹黜一南 亿d 引脚2 是电压输出引脚，该引脚必须连接一个电容并且接地，电容可以选择的范围 是4 7 i l f 到1 8 n f 。引脚2 内部也有电阻，不过不大，所以在计算的时候可以不考虑。 引脚3 应该接o v ，并且必须要找一个非常稳定的o 点，可以把这个引脚接地，但是需 要注意的是共地问题，不然会给测量带来非常大的误差。 引脚4 是f h s4 0 p s p 6 0 0 的电源输入引脚，当输入的电压高于6 v 的时候芯片将进入 编程方式，并且不能够再进行电流的测量。如果想重新进入测量状态的话，输入的电源 电压必须要低于5 3 v 。当然电源也应该尽量的稳定，所以在接入到引脚之前应该外接一 个电阻，这个电阻不需要很大，1 0 q 左右就可以了。 引脚5 、6 悬空就可以了。 引脚7 是备用状态切换，为了不使该引脚错误接受信号而导致芯片在备用状态和普 通状态之间混乱切换，引脚7 通常应该接0 v 电压，而且还可以再添加一个电容来过滤噪 = 士 户口。 引脚8 也是芯片的一个输出端，通常情况下，将该引脚悬空即可，不过为了减少对 引脚2 的干扰，可以将其连上一电容后接地。另外当引脚2 输出正电压的时候，引脚8 输 出负电压。 臣 图2 2 外接运放的电路图 f i g 2 2 耽ec i r c u i td r a 丽n go fc o n n o c 血g 、) i r i t t lm e0 p i 骶妇锄p l i f i 盯 o p 考虑电磁兼容问题，为了减少不必要的干扰，本实验将l e m 传感器及其必要的外接 基于d s p 的电缆在线参数采集系统的研究 电路做在一个单独的p c b 板上，形成一个单独的传感器模块。传感器模块如图2 3 所示。 与各个引脚相连的器件应该尽量的接近引脚。总之，要减少走线。这样会使电源模 块做得很小，而且这样做的另外一个好处是测量方便，因为该板是专为测量电缆中的电 流而制，所以，传感器单独做在一块p c b 板上方便安装在电缆的不同位置，并且容易拆 卸。可以同时在电缆的几个位置分别放置传感器模块，将信号进行集中处理。电源模块 中，最好将传感器放置在p c b 板的中间，这样方便测量，可以尽量减少传感器模块在放 置时产生的偏移和空隙，减少误差。 + 5 v 图2 3 传感器模块电路图 f i g 2 3 t h ec i 砌l i t 血m r i n go fs e 璐o rm o d u l e 。婚 传感器的供电电源和其他外部器件都做在其他p c b 板上，f h s4 0 p s p 6 0 0 的供电电 源是+ 5 v 的直流电源，可以用芯片7 8 0 5 来实现，测量所需要的其他器件也可以都做到电 源所在的这块板上。另外还需要注意前面提到的一点，这两块p c b 板需要共地，也就是 需要使用同一个地，不然会有很大的误差。 2 1 3 电缆电流的测量 对于电缆的测量，传感器与电缆的摆放位置如图2 4 所示，传感器应紧贴电缆绝缘外 皮，电缆的线芯也应该与传感器的中心线平行。 大连理工大学硕士学位论文 恭燃 1 p c b l 图2 4 电缆测量示意图 f i g 2 4 s k 酏c hm 印f - 0 rc a b l em 睫跚嘲粥n t 分别在不同温度和不同的距离下测量了多组数据，下面列出其中的两组，见表2 1 ， 和表2 2 ，这两个表分别是在温度1 6 和温度5 下以及距离产1 1 2 玎m 和距离 产1 1 5 6 姗( 距线心的距离) 下测量到的两组数据，妇= 砌阡矿 表2 1 温度1 6 、距离严1 1 2 衄时测得的数据 t a b 2 1d a t ao f m 鲫r e m t 、舭1 6 ，产1 1 2 衄 1234567891 01 11 21 31 41 5 v s ( v ) 1 0 31 0 1o 8 8o 7 9o 7 60 7 20 6 9o 6 80 6 4o 5 50 5 1o 5 0o 4 40 2 70 1 5 i ( a ) 9 0 78 9 07 7 47 0 06 7 36 4 06 0 56 0 o5 6 54 8 64 5 34 3 83 8 62 4 o1 3 3 表2 2 温度5 、距离产1 1 5 6 衄时测得的数据 t a b 2 2d a t ao f m e 船u r e m 即tw h i l e5 ，产1 1 5 6 衄 1234567891 01 11 21 3 v s ( v ) o 0 1 40 1 5 7o 2 8 60 3 5 3o 5 0 10 5 10 6 0 6o 6 9 1o 7 0 1o 7 7 40 7 9 50 8 4 1o 9 1 1 i ( a )01 32 4 73 0 8 4 4 14 4 7 5 3 76 1 36 2 36 8 67 0 5 7 4 78 0 8 为了更直观的说明该传感器的线形度如何，将数据做图后分别得到输出电压和电流 基于d s p 的电缆在线参数采集系统的研究 的线图。下面将表2 1 的数据做成线图，如下图所示： 图2 5 输出电压线图 f i g 2 5 c 髓p ho f0 u q ，u tv 0 1 t a g e 图2 6 实际电流线图 f i g 2 6 唧o f 弘岫伽r r e n t 如果想将两个数据做一个形象的对比，就需要对测得的电压添加一个增益胁，为了 得到误差最小的计算值，这个增益的计算方法如式( 2 2 ) 。就本次测量而言，计算所得 的增益为8 8 2 9 6 5 6 ，添加增益后再计算测量误差，测量的误差取平均后得出本次测量的 误差为2 7 5 2 7 。 肛f ，型鳌生业、1 ( 2 2 ) l 刀 通过图2 7 可以看到，添加了增益后的传感器输出电压与被测电流的吻合程度相当 高，这说明f h s4 0 p s p 6 0 0 的线性度非常好，非线性误差很小，具体的误差后面将会讨 论到。 大连理工大学硕士学位论文 图2 7 计算值与实际值对比线图 f 蟾2 7 唧o f 位c o n 觚t b e 铆啪c a l c m a t e d 咖a n dp r 岫咖 如何计算出胁是一个关键，胁与两个参数的变化有直接关系，一个是现场温度丁， 一个是传感器与被测物体的距离，。通过多次实验，我们总结出了传感器在温度变化情 况下的增益曲线，如图2 8 所示这是产1 1 2 m m 时的胁变化曲线。 图2 8 增益随温度变化图 f 远2 8mv 耐e t ) ro fg a i nw h i l et 锄p 铡咖c h a 咖 由于此次实验测量的是电缆电流，所以我们视磁场为均匀的，则距离变化产生的磁 场变化则可以用下面的式子进行计算： ：塞鲇虬g8j虬s：盯铂踞阻 基于d s p 的电缆在线参数采集系统的研究 庐鱼三( 2 3 ) 2 万， 其中丑是磁场密度，堤被测电流，是距离线心的距离，“o 是物理常数，材o = 4 万幸1 0 - 7 。 我们可以得出这样的式子： y 胁= ，( 2 4 ) 因为啪变化只和三个因素有关：温度、传感器与被测电缆的距离以及电流的大小， 而电流的大小可以直接转换成磁场的大小，那么我们可以假设出这样的关系式： y = 柏( 2 5 ) 其中口是未知的，是表示与温度有关的一个系数。由式子( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 可以 推出： y ：口! 卫三：二l( 2 6 ) 2 万，胁， 一胁：鱼， ( 2 7 ) 一胁= 二竺， ( 2 7 ) 口“0 应用m a t l a b 这个软件，和我们根据实验总结出的传感器在温度变化下的曲线图， 我们可以推出胁的函数式，依据的是曲线拟合的最小二乘法。所谓拟合的最小二乘法， 从几何意义上说是指在被求曲线的附近，取若干点，与这些点的距离的平方和最小的一 条曲线的函数表达式就是所求曲线的表达式，并且这个表达式是唯一的。在温度不超过 8 0 的时候曲线近似为一条直线，当超过8 0 的时候曲线快速上升，在大约1 2 0 的时 候接近正无穷。m a t l a b 计算出的结果如下所示： 所砂= p l h 3 + 皿屯p 2 + p 3 什p4 p1 = 8 2 1 9 e - 0 1 9 ( - 2 9 1 8 e - 0 1 9 ，1 9 3 6 e - 0 1 8 ) p 2 = - 9 6 6 7 e 一0 1 7 ( 一2 2 3 9 e - 0 1 6 ，3 0 5 6 e - 0 1 7 ) p3 =o 0 4 5 0 8 ( o 0 4 5 0 8 ，o 0 4 5 0 8 ) p 4 =8 7 5 8 ( 8 7 5 8 ，8 7 5 8 ) 由于温度超过8 0 的时候非线性严重，所以正常的工作温度应该限制在8 0 以下。 在温度小于8 0 的时候我们可以使用该方程的线形部分，即： 删= o 0 4 5 0 & 什8 7 5 8 ( 2 8 ) 大连理工大学硕士学位论文 由式子( 2 7 ) 、 ( 2 8 ) 我们可以得出最终的式子为： 胁= ( 4 0 2 5 丁+ 7 8 19 2 2 0 5 妒 ( 2 9 ) 2 1 4 误差分析 误差主要产生自测量环节中的以下几个方面：输出误差、非线性误差、测量温度变 化、测量距离变化、干扰磁场。 输出误差理论上的输出值应该是殆= 沂一= g 事l ，g 是电流灵敏度( 删) ， ，是被测电流的大小。这当中存在的误差主要有：电流敏感度变化g 、补偿偏移电压 、线性误差以及干扰产生的输出电压。那么实际上的输出电压值为： 玩= ( g + g ) + k 疆+ 巧忆+ y 0 ( 2 1 0 ) 灵敏度误差g 又包括三个方面：传感器的计算误差( ) 。 = 比( g ) n ? ( g ) 一1 ( 2 1 1 ) 脚( g ) 和刀? ( g ) 可以从后面的电参数表中查到，温度变化敏感度系数兀g ( p p m 瓜) 和温度孔) ，传感器摆放问题引起的误差( ) 。所以最终的敏感度误差 可以表示为： g = + 刃g g ( 丁一2 5 ) + g d ( 2 1 2 ) 线性误差描述的是实际的输入输出与理想的直线状态的偏移，原因是由于传感器内 一个很小的磁场放大器的非线性动作引起的，其大小可以用下面的式子来表示： = 气b g ( 2 1 3 ) 占，是线性误差系数，曰是测量范围( t ) ，g 是灵敏度( ) 干扰磁场主要来自地磁和附近带电物体产生的磁场，如果干扰是静态的，则这类干 扰很好去除，可以在电流为零的时候定标，将此时传感器的输出电压视为干扰磁场产生 的电压，在计算时将其除去即可。当然，一般测量时，动态干扰并不强，在测量时做好 干扰的屏蔽就可以有效的减少动态的干扰。另外测量时应保证传感器与被测物体的距离 不变，一旦距离发生变化，则磁场产生的变化就产生了误差。 为了减少误差，测量时必须尽量保证传感器纵轴与被测电缆的线芯平行，并且尽量 选择外部干扰比较少，或者相对稳定的位置以及尽量在电缆平直处进行测量，若实在没 法保证在平直处测量，传感器的纵轴也要尽量与被测点的切线方向平行。 基于d s p 的电缆在线参数采集系统的研究 2 1 5 其他电路测量讨论 除了对电缆电流进行测量之外还可以对其他电路中的电流进行测量，其中的几种测 量的方法如图2 9 所示。这几种测量方式中，通电介质相对传感器的摆放位置有变化，相 应的测量距离就产生了变化，在计算时需要注意。 恭黼。 1 p c b 通电介质 通电介质 杰燃 1 p c b - 通电介质 图2 9 测量方法图 f i g - 2 _ 9m e t l l o do f m e 勰e m 饥t 除了被测电路的位置改变会对结果产生影响之外，被测电路的外形也会影响测量的 结果。当被测介质与传感器做在同一块p c b 板上时，传感器需要跨在被测介质的两侧， 那么如果被测介质的宽度超过了传感器两排脚宽度的时候应该将被测量的那段介质的 宽度进行适当缩减。这就产生了一个问题，缩减后的宽度与其余部分的宽度比也会影响 传感器的输出，一般来说宽度越小则灵敏度越高。此外，被测部分的直线长度也会影响 被测结果，直线长度越长对测量的准确性的提高越有利。 2 2 温度传感器 本课题采用的温度传感器是d s l 8 8 2 0 单总线温度传感器，该传感器是d a l l a s 公司 生产的d s l 8 2 0 温度传感器的升级产品【8 】。d s l 8 2 0 是世界上第一款支持“一线总线 接 口的温度传感器，在其内部使用了在板( o n b o 6 皿d ) 专利技术。全部传感元件及转换 电路集成在形如一只三极管的集成电路内。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻 大连理工大学硕士学位论文 松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。新一代的d s l 8 8 2 0 体积更小、 更经济、更灵活，可以充分发挥“一线总线”的优点。同d s l 8 2 0 一样，d s l 8 8 2 0 也支持 “一线总线”接口，测量温度范围为一5 5 + 1 2 5 ，在一1 0 + 8 5 范围内，精度为 o 5 。d s l 8 2 0 的精度较差，为2 。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输， 大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或 过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3 v 5 5 v 的电压 范围，使系统设计更灵活、方便。 2 2 1温度传感器的参数及构造 温度传感器d s l 8 8 2 0 的内部结构如图2 1 0 所示： 1 -r r l 一一器l 。 灵被元件 5 7 6 4 位 0 _ l r o m 蒿谴 低溢触发嚣t ll l 和单 缀存1 一i 一。ll 线接 储存器 歹z _ l 电 口 ! l 高温触发嚣硝i 源 l il 检 1 测 _ 8 位锾配生成墨 配置寄存嚣 图2 1 0d s l 8 8 2 0 内部结构图 f i g 2 1 0 i 劬e r i o rc o n 丘g u 朋畸o no f d s l 8 8 2 0 其内部有一个6 4 位只读存储器存储器件的唯一片序列号。高速暂存器含有两个字节 的温度寄存器，这两个寄存器用来存储温度传感器输出的数据。除此之外，高速暂存器 提供一个直接的温度报警寄存器( t h 和t l ) ，和一个字节的配置寄存器。配置寄存器 允许用户将温度的精度设定为9 、1 0 、1 1 、或者1 2 位。t h ，t l 和配置寄存器是非易失性 的可擦除程序寄存器( e e p r o m ) ，所以存储的数据在器件掉电时不会丢失。 d s l 8 8 2 0 具有独特的单线接口，仅需要一个端口引脚进行通讯。无需外部器件，可 通过数据线供电。温度关系表见表2 3 ，上电复位时温度寄存器默认值为+ 8 5 。当用户 设定传感器的精度为9 、1 0 、1 1 和1 2 位的时候响应增量分别为o 5 、o 2 5 、0 1 2 5 和 0 0 6 2 5 ，在上电状态下默认的精度是1 2 位。 基于d s p 的电缆在线参数采集系统的研究 表2 3d s l 8 8 2 0 温度关系表 t a b 2 3 t 唧强岫佗d a t a 陀l a t i o 璐h i p 温度数据输出( 二进制)输出数据( 十六进制) + 1 2 5 0 0 0 00 1 1 11 1 0 10 0 0 00 7 d o h + 8 5 0 0 0 00 1 0 10 1 0 l0 0 0 0 0 5 5 0 h + 2 5 0 6 2 5 0 0 0 00 0 0 11 0 0 10 0 0 1 0 1 9 l h + 1 0 1 2 5 0 0 0 00 0 0 01 0 1 00 0 1 0 0 0 a 2 h + 0 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 0 b h 00 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 00 0 0 0 h 一0 5 1 1 1 11 1 1 11 1l l1 0 0 0f f f 8 h 1 0 1 2 5 l l l l1 l1 11 0 1 01 1 1 0f f 5 e h 一2 5 0 6 2 5 1 1 1 11 1 1 0 0 1 1 01 1 1 1f e 6 e h 一5 5 1 1 1 11 1 0 01 0 0 10 0 0 0 f c 9 0 h 2 2 2 温度传感器的使用 d s l 8 8 2 0 的外形如图2 1 1 所示： 哆 底部视图 暑g 多 图2 1 1d s l 8 8 2 0 外型图 f i g 2 1 l 田地6 9 m eo f d s l 8 8 2 0 三个脚的功能分别是：g n d 接地；d q 是数据输入输出脚，对于单线操作( 寄生电 源模式) 该引脚也同时提供芯片所需的电源；v d d 是外部电源输入引脚，当芯片工作在 外部电源模式时，该引脚用于电源的输入，在寄生电源模式的时候该引脚必须接地。 大连理工大学硕士学位论文 本系统采用的是寄生电源模式，d s l 8 8 2 0 与微处理器的连接如图2 1 2 所示。 + 3 3 v 图2 1 2d s l 8 8 2 0 与微处理器连接图 f i g 2 1 2c 咄c t i b 咖e d s l 8 8 2 0 锄dm c u 与微处理器连接的单总线同时经一个4 7 k 的上拉电阻，因为微处理器( d s p ) 使用 的是+ 3 3 v 电源，为了省去电平转换的麻烦，上拉电阻也接到+ 3 3 v 电源上。当总线是高 电平的时候d s l 8 8 2 0 可以汲取电能，汲取的电能被部分储存在电容当中，以备在总线处 于低电平的时候对芯片提供电能。 d s l8 8 2 0 的测温原理如图2 1 3 所示： 预詈 斜率累加器 计数比较器 高温度系数震荡器减法计数器2 卜_ 一叫减到。 图2 1 3d s l