（高电压与绝缘技术专业论文）非线性电介质交流特性测试硬件系统研制.pdf

n 尔涫胖t 人学t 半。守i 肇治殳 非线性电介质交流特性测试硬件系统研制 摘要 非线性电介质是指其电导率或相对介电常数随电场变化而变化的绝缘介 质。本文以实验室用非线性电介质交流特性测试系统为背景开展研究，对交 流电压下非线性电介质特性表征、测试方法及测试系统硬件设计等问题进行 了探讨，开发了实用的硬件系统。 论文首先对处于均匀电场下的 e 线性电介质进行电路建模，推导：i 5dj 电 压控制型非线性电阻和电压控制型非线性电容组成的非线性f 乜路在交流电压 激励下的响应电流方程，并提出采用场相关等效电导率和场相关相对介电常 数作为描述非线性电介质交流介电特性的参数。对于交流电场下非线性电介 质的j e 特性测试而言，本论文提出一种结合电流比较仪硬件补偿和时域非 线性模型最小二乘拟合信号软件分解的响应电流损耗分量提取方法。然后在 理论分析和测试方法探讨的基础上，开发了基于虚拟仪器技术的可编程信号 发生器和基于p b 5 0 的高压线性放大器，与试验变压器构成交流激励电压信 号源，而后设计并制作了以交流电流比较仪为核心的测试主回路和基于p c - - d a q 模式的信号采集系统。本文所开发的硬件系统和己开发的软件系统 组成一套实验室用非线性电介质交流特性测试系统。最后，对整套测试系统 进行了验证性实验，并完成了s i c 颗粒填充的l d p e 片状试样j e 特忭实 测。实验结果表明，浚测试系统能满足非线惟电介质交流特性实验测试的要 求。 关键词非线性电介质；测试系统；电流比较仪 竺尘兰矍三查兰二兰竺! 兰堡堡塞 d e v e l o p m e n to f h a r d w a r ei nt h ea cc h a r a c t e r i s t i c t e s t i n gs y s t e mf o rn o n l i n e a rd i e l e c t r i c s a b s t r a c t n o n 1 i n e a rd i e l e c t r i c sa r ct h o s em a t e r i a l s ，f o rw h i c ht h ee l e c t r i cc o n d u c t i v i t y o rr e l a t i v ed i e l e c t r i cc o n s t a n ta saf u n c t i o no fe l e c t r i cf i e l d t h ep u r p o s eo ft h i s p a p e rl i e s i n s t u d y i n g o na cc h a r a c t e r i s t i ct e s t i n gs y s t e mf o rn o n l i n e a r d i e l e c t r i c sb a s e do nl a b o r a t o r ya p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d t h ep a p e rf o c u s e so n r e s e a r c h i n gt h en o n 1 i n e a rd i e l e c t r i c sc h a r a c t e r i z a t i o n ，t h et e s t i n gm e t h o da n dt h e d e s i g no ft e s t i n gh a r d w a r es y s t e m t h es u i t a b l eh a r d w a r em e a s u r e m e n ts y s t e mi s d e v e l o p e d a tf i r s t ，an o n l i n e a rc i r c u i tm o d e lw i t hv o l t a g e - c o n t r o l l e dc o m p o n e n t s c o n n e c t e di np a r a l l e li sb u i l tf o rn o n - l i n e a rd i e l e c t r i e st od e d u c et h er e s p o n s e c u r r e n tf u n c t i o nu n d e rt h ee x c i t a t i o no fa cv o l t a g e i ti sp r e s e n t e dt h a tf i l e d d e p e n d e n te q u i v a l e n tc o n d u c t i v i t y a n d f i e l d d e p e n d e n t r e l a t i v ed i e l e c t r i c c o n s t a n ta r ee f f e c t i v ep a r a m e t e r st od e s c r i b en o n l i n e a rd i e l e c t r i c su n d e ra c f i e l d f o rj - ec h a r a c t e r i s t i cm e a s u r e m e n t ，t h ee x t r a c t i o nm e t h o do ft h e d i s s i p a t i o nc o m p o n e n ti nr e s p o n s ec u r r e n tc o m b i n i n gh a r d w a r ec o m p e n s a t i o n a n ds o f t w a r es i g n a ld e c o m p o s i t i o ni sg i v e n a f t e r w a r d s ，t h ea ce x c i t a t i o n v o l t a g es o u r e c ei sd e s i g n e db ya s s e m b l i n gt h ep r o g r a m m a b l es i g n a lg e n e r a t o r m a d eb a s e do r lv i r t u a li n s t r u m e n t ，t h el i n e a rh va m p l i f i e rm a d eb a s eo np b 5 0 a n dt h ee x p e r i m e n t a lt r a n s f o r m e r t h em a i nt e s t i n gc i r c u i ti sd e v e l o p e dw i t ht h e c o r eo fc u r r e n tc o m p a r a t o ra n dt h ep c + d a qt y p es i g n a la c q u i s i t i o nm o d u l ei s a s od e s i g n e d f i n a l l y , p r o v i n gt r i a l sa n dt h er e a lt e s ta r ec o m p l e t e df o rt h ew h o l e t e s i n gs y s t e m e x p e r i m e n t a lr e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h et e s t i n gs y s t e mm e e t st h e n e e d so f a cc h a r a c t e r i s t i ct e s tf o rn o n 1 i n e a rd i e l e c t r i c s k e y w o r d sn o n l i n e a rd i e l e c t r i c s ；t e s t i n gs y s t e m ；c u r r e n tc o m p a r a t o r i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文非线性电介质交流特性测试嫂 件系统研制是本人在导师指导下，在哈尔滨理1 ：大学攻读硕一i 学位期间独立 进行研究工作所取得的成果。抓：本人所知，论文中除已注明部分外1 ；包含他人已 发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文。 - 以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承于i - i 。 作者签名：夏鞑 日期：绷f 年3 月1 2h 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 非线性电介质交流特性测试硬件系统研制系本人在哈尔滨理工大学攻陵 硕十学位期问在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨1 1 1 ：人学所有，本论文的研究内容不得以其它t 位的名义发表。本人完全了解i 喻尔 滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，l 司意学校保留并向有关部门提交沦 文和电子版本，允许论文被查浏和借阅。本人授权1 1 6 滨理：j 大学u j 以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密必 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名 导师签名 夏綮 名蚜 只划：绷年o 月f 掣几 一期：0 6 年0 月拐| 1 畔自：泞珲t 人学t 学砷卜学n 论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景、目的及意义 所谓非线性电介质足指其极化率或相对介电常数随着外加电场变化而变化 的绝缘介质，如最为常见的无机非金属类的非线性电阻材料( 或器件) 和铁电 体等。从上个世纪八十年代开始，以环氧树脂为基料填加碳化硅制备而成的防 电晕漆在电机绝缘结构中得到广泛的应用“；以顺丁橡胶为基料填加碳化硅制 备而成的电阻应变片在x l p e 电缆终端和连接盒绝缘结构中也得到应用“。近 期国内外的研究苔发现聚乙烯和交联聚乙烯添加氧化锌、氧化铝等无机填料町 大大降低空b j 电衙的产生，该复合体系在固体绝缘高压直流电缆的绝缘中具订 潜在的应用”。为此，聚合物与无机填料复合绝缘的介电特性和微脱结构的研 究得到人们的重视。目前研究对象主要是聚合物填加氧化锌、氧化铝或碳化硅 的体系，其性能表现为电导率与电场的关系是非线性的。事实上，非线性电介 质的j 线性特性不仅表征在电导率上，同样极化率也可能是非线性的，电导率 与极化率均具有非线性才足具有普遍意义的非线性电介质。 以往研究非线性电介质大都以直流电压下测得的电压一电流特性为指标， 而这类非线性材料却在广泛应用在交流电场下和脉冲电场下，显然直流条件下 的电压一电流特性并不能全面反映非线性材料的行为。而目前用于描述绝缘材 料在交流下的表征参数和测试技术只适用于线性介质，所以，有必要有必要探 讨交流条件下非线性电介质的性能测试方法和表征参数。 聚合物绝缘介质为基料填加非线性无机材料粉未( 如氧化锌、碳化砖、钛 酸钡、氧化铝等) 的共混复合体系即为聚合物无机复合m 线性电介质，这炎 材料的突出优点是在不均匀电场下可自行均化电场的分南，且绝缘结构整体性 能不发生明显下降，为此又有智能绝缘材料之称”1 。 本课题的研究且是在探讨交流电压下非线性电介质特性表征和测试方法的 基础上研制实验室用测试系统的硬件部分。非线性电介质交流特性表征、相关 测试方法的研究和测试装置的研制为聚合物无机复合非线性绝缘介质的基础 理论研究、开发和应用奠定基础，既有理论意义又有工程意义。 睁尔泞理t 夫学丁学聊一 。学妒论文 l 。2 非线性电介质测试的国内外研究现状 1 2 1 水树老化后的x l p e 材料交流损耗电流的检测 存在水树老化的x l p e 绝缘材料表现出非线性效应，在强萨弦交变电场下 其泄漏电流中损耗电流发生波形畸变，包含有高次谐波分量。1 9 8 9 年， t t o k o r o 等人针对水树老化后的x l p e 交流损耗电流的检测研制出一套测试系 统”，系统的核心是流比器式高压电容电桥，系统示意图如图l - l a ) 所示。 1 8 、吨 1 8 2 a 椒 、 。 ， v ， 竺! ：兰要：当兰：耋竺丝兰 1 2 2 z n o 陶瓷材料的介电特性测试 1 9 9 7 年，s b o g g s 等人对用于避雷器的z n o 陶瓷材料的介电特性进行了测 试”。由于材料的热击穿特性，在强场下测试时采用脉宽为微秒级的脉冲电压 作为激励，通过冲击分压器和电流互感器柬提取激励电压和响应电流信号，模 拟信号经数字式示波器采集后送入计算机进行数据分析。为了能从响应电流中 推导出材料的电导率和介电常数，脉冲发生器需生成上升沿和下降沿具有不同 斜率的脉冲激励信号。脉冲测试电路示意图如下所示 图卜2 脉冲测试电路示意i 璺i f i g 1 2 t h e c i r c u i t d i a g r a m o f p u l s e t e s t 此套系统在低电场下测试介电常数较准确，而在高电场下测试电导宰较准确。 1 2 3 铁电薄膜材料的i v 特性测量 2 0 0 0 年，国内华中理工大学( 现为华中科技大学) 的刘梅冬等人对钇掺杂 p z t 铁电薄膜在三角波激励下的二矿特性曲线进行了测试1 。铁电材料足极化 率为非线性的电介质材料。其理论- v 特性如下图所示。 jl 贮 一m 一一仑 t 旷 一r + k r 图1 - 3 铁电材科的理论卜p 特性 f i g 1 3t h e o r e t i ci - v c h a r a c t e r i s t i co f f e r r o e l e c t r i em a t e r i a l s p 自： 声辟t 丸擘t 学帕l 学， 论史 测量- v 特性曲线的电路如图卜4 a ) 所示。其中，g 为铁电样品，凡为采 样电阻( 取1 0 1 0 0 q ) 。、巧分别表示加在示波器 y 轴上的电压。若考虑 示波器输入阻抗，则其等效电路如图卜4 b ) 所示，其中觅是示波器y 轴的输入 阻抗；c ，是与线性感应极化相对应的等效电容；届表示样品漏导及与松弛极化 损耗相对应的等效电阻；o 是与自发极化反转对应的非线性电容。 “l ， 玑，l a )b ) 图卜4 铁电材料的i - p 特性测譬电路及其等效电路 f i g 1 4 l - v c h a r a c t e r i s t i c t e s t i n gc i r c u i ta n de q u i v a l e n t c i r c u i t f o r f e 邝o e l e c 仃i c m a t e r i a l s 由上图可以写出 价，z 警+ 巳掣w ，j ( 1 1 ) 其中v ( o 一三角波激励电压，明砂= 以御；k 御一与自发极化反转对应的菲线性 电流。 对于三角波，若只考虑其半个周期，则育u o = k t ，则式( 1 1 ) 可写为 l t ) z - 7 + k c 。+ l 。( c 0 - 2 ) 假设样品的r x 足够大，且铁电体所备电极的面积足够小，则r 。一一， ，一0 ，以j 即能准确反映出自发极化反转过程。由 2 9 = j ：聊脚 ( 1 - 3 ) 可计算出材料的自发极化强度p “= q a ) ，其中a 为材料的有效电极面积。由 于u 御。以御，删o c q 阳，因此，将4 点接示波器的x 偏转轴，6 点接示波器的 y 偏转轴，就能在示波器上观察到铁电体的二矿特性。 1 2 4 热固性聚合物，无机填料复合材料的电性能测试 从2 0 0 0 年起，v a d o wb r 等人对热固性聚合物为基料( 聚酯类绝缘介 。皓警詈 ! ：兰耋二垒兰：兰尘! 篓竺丝塞 质) 填加 乍线性无机材料粉末( 如氧化锌、碳化硅、钛酸钡等) 的足混复合体 系在直流下的导电性和交流下的介电性能进行一系列测试j q l l l e l l l l l l l z l 。 直流下的测试系统原理图如图i - 5 所示，通过勃兰登堡直流发生器产生一 个直流激励电压作用于试品，然后借助与试品串联的皮可安培计来测量试品的 响应电流。 图卜5 商流f i i - 线性导电特性测试示意图 f i g 1 - 5 t h e t e s t i n gc i r c u i td i a g r a m o f n o n 4 i n e a rc o n d u c t i v i t yc h a r a c t e r i s t i cu n d e r d cc o n d i t i o n 图l 咱交流f l r 线性介电特性测试示意圈 f g i - 6 t h e t e s t i n g c i r c u i td i a g r a mo f n o n , 4 i n e a r a cd i e l e c t r i cc h a r a c l e r h ；t j cu t l d e r a cc o n d i t k ) n 哈尔泞理tk 学t 学硕卜学伊论文 交流下的测试系统如图卜6 所示，通过信号发生器产生一个工频交流信 号，经高压放大器放大后作用于安装在实验箱中的试品。高压放大器提供了自 身输出电压和输出电流的小信号映像输出，即交流激励电压和试品的响应电流 均可通过高压放大器的监控输出端子来获取。监控输出信号通过模数转换装冒 转化为数字量后，传输至计算机中进行分析和处理。 v a r l o wb r 等人在热固性聚合物无机复合 线性材料交流导电特。眭测试 时，仅仅测量了试品的响应电流随激励电压和填充料浓度变化的情况，简单地 分析了响应电流的电压一电流特性，未能进一步将响应电流中的损耗分昔和容 性分量分解开进行更深入地研究。 1 3 课题来源及主要研究内容 本课题来源于国家自然科学基金项目“聚合物无机复合作线性电介质测 试技术及其预电应力效应”，项目编号：5 0 4 7 7 0 5 2 e 0 7 0 2 0 2 “”。 本课题对非线性电介质的交流特性表征和测试方法丌展更为深入的探索研 究，首次对交流电压激励下热塑性聚合物，无机填料复合绝缘介质( s i c 掺杂的 l d p e 复合材料) 响应电流中的损耗分量进行提取和测量。 本论文的主要研究内容如下： l 、对非线性电介质的交流特性表征和测试技术进行探讨和研究； 2 、研制交流激励电压信号源，为测试提供各种交流激励电压信号； 3 、研制测试主回路，包括：交流测试用试样箱，交流高压电阻分压器、 交流电流比较仪与前置放大器： 4 、研制基于p c + d a q 模式的信号采集系统，为信号分析、处理提供通用 的硬件平台 5 、结合课题组开发的测试系统软件平台，验证测试系统的准确性： 6 、对热塑性聚合物无机填料复合绝缘介质进行交流实测。 呛尔泞理t 人学t 学蛳 学寸论文 第2 章非线性电介质表征与测试系统整体介绍 2 1 均匀交变电场下非线性电介质的表征 作为基础，酋先简要地回顾均匀交变电场下线性电介质的表征i 口1 题。霄于二 两个平板电极之日j 的线性电介质，可以用如图2 一l a ) 所示的线性等效电路柬描 述。 硼匕卜 a ) b ) 图2 一l 线性电介质材料的线性等效电路 f i g 2 - ll i n e a re q u i v a l e n tc i r c u i tf o rl i n e a rd i e l e c t r i cm a t e r i a l s 上图中，啪为交流激励电压；g 为等效电导；c 为等效电容；乙，。“，为损 耗电流分量；“j 为客性电流分量：j ，为响应电流：v 为激励电压向量： k 为损耗电流向量；厶为容性电流分量 当外加激励电压为正弦稳态信号，相量法可用于线性电介质的等效电路交 流响应特性的分析。图2 - 1 a ) q ，电路若用相量图来表述如图2 - l b ) 所示，从图中 可以看出由于损耗电流分量的存在，使得响应电流相量与激励电压相景的相角 差不再为9 0 。，此损耗分量由电介质的电导和松弛极化共h q 产生。激励电压相 量与响应电流相量之间相位差的余角艿定义为介质损耗角，廊介质损耗角的 正切值t a n 万等同为线性介质的损耗因数，用束表征线性电介质材料在交变电 场下的性能。 在交变电场下线性电介质材料的介质损耗和介电性能可用介质损耗角的汇 切值f 彻6 和动态相对介电常数岛束描述。对于图2 - 1 a ) 所示的等效电路，从 相壁图呵得出介质损耗角的正切值t a t ? 万的关系式 ， 竺兰蒌耋：盎：耋竺：竺芝兰 枷扣昙 ( 2 _ 1 ) 式中激励电压角频率。 考察置于两个平板电极之间的非线性电介质，可以用如下所示的 线性等 效电路柬摇述。 图2 - 2 菲线性电介质材料的1 r 线性苜效电路 f i g 2 - 2n o n - l i n e a re q u i v a l e n tc i r c u i tf o rn o n 1 i n e a rd i e l e c t r i cm a t e r i a l s 上图中，g r 叼为与外加电压相关的非线性等效电导：c r 功为外加电压相关 的非线性等效电容；n ，为损耗电流分量：一，为容性电流分量；f i t ) 为响 应电流。 非线性电介质采用电路集中参数来建模时，可以等效为一个电压拧制型 f 线性电导与一个电压控制型非线性电容并联的电路模型。对于这个非线性电路 丽占，相鼍法描述不再适用，而基于时域的表述方式不失为一种町i r 的疗法。 由图2 2 ，若不考虑温度的影响，可以得到时域的损耗电流和容性电流麦 达式 绉( r ) = g p ( r ) 矿( t )( 2 2 ) 拍) ：掣 ( 2 - 3 ) 对于非线性电路，基尔霍夫k c l 电路定律仍然成立，所以响应电流可得 币) = ( ，) + 0 ( ，)( 2 4 ) 因为非线性电介质是处于平板电极的均匀交变电场中( 忽略边缘效应和局 放的影响) ，如果已知其具体几何尺寸 材料的有效电极面积和厚度) ，那么由 公式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 可以推导出损耗电流和容性电流密度的表达式 一8 t；。峄；上季 坠尘童矍：垒兰三兰竺：兰竺丝兰 j r ( t ) = 口【“门j e “j ( 2 5 ) 胂，= e o e r 训+ 勺- 州- - & 即- - 扎一 ( 2 - 6 ) 式中r r ，损耗电流密度；厶，容性电流密度： e r f ，宏观平均电场强度；“日，以场帽关等效电导率； 【e “刀场相关相对介电常数。 根据基尔霍夫k c l 电路定律，由公式( 2 - 5 ) 和( 2 6 ) 可以确定响应电流密度 和场强的关系； m 却+ 枞即扣。掣即， ( 2 7 ) 进一步可确定响应电流的电流密度一场强特性f i t ) 一吖 。 如果响应电流中的损耗电流分量和容性电流分量能通过某种方法准确分解 丌的话，再结合交流激励电压和材料的几何尺寸可以得到两个电流分晕的电流 密度一场强特性k 一和丘一。 综上所述，对于交变电场作用下的非线性电介质而苦，其介电特性可用场 相关等效电导率一吖，门和场相关相对介电常数矗f ，门柬作为表征参数，并町 通过电流密度一场强特性，。一e 和丘一e 来日j 接反映。 2 2 待测量和测试方法的确定 在聚合物无机复合非线性电介质的交流特性的研究中，若暂不考虑环境 温度变化对其性能的影响，最受关注的问题就是外施激励电场和无机半导体颗 粒的填充浓度对材料的介电性能和电流密度一场强特性的影响规律。测试中需 要直接测得特征电气量是交流激励电压和非线性电介质在交流电压激励下的响 应电流，并且这两个量必须严格同步测量，以满足它们之问的时问关联性。然 后再结合非线性电介质试样相应的几何尺寸( 有效电极面积和厚度) 来计算得 出试样的宏观平均场强和电流体密度。 对于聚合物无机复合1 线性电介质交流特性测试技术的研究，天键在f 如何有效地将响应电流中容性分量和损耗分量分开。一般情况下响应电流中容 性电流分量比损耗电流分量要高出若干个数量级1 “，若不对容性电流分量进行 补偿，则给测试系统软件上的信号分解处理带柬很大难度。由于非线性绝缘介 质的非线性效应比水树老化后的x l p e 材料要明显，其响应电流中损耗分量畸 变严重，谐波含量商。故基于流比器式电容电桥测试技术不适用于非线性电介 质响应电流的分解处理。这垦提出一种结合电流比较仪硬件补偿和时域作线性 模型最小二乘拟合信号软件分解的响应电流损耗分量提取方法，具体实现如 下：先采用标准电容器在与相同的激励电压作用下产生一个确定的标准容性电 流，通过交流电流比较仪对响应电流中的容性分量进行补偿，其目的足使响应 电流中容性分量尽可能衰减。当电流比较仪的输出信号幅值为最小时，补偿效 果最好。补偿后的响应电流进入数据采集通道蘑化为数字昔，以便处理机进行 信号处理。当同步采集到激励电压和补偿后的响应电流后，采用基于时域 线 性模型的最小二乘拟合信号分解法对响应电流进行分解处理，从而提取出损耗 电流分量并得到残余的容性分量”。进一步，可以用韵面所确定的标准容性电 流在时域上叠加后面分解出的残余容性分量来重构响应电流的容性电流分量。 2 3 测试系统的总体结构 目i j 在非线性电介质交流特性测试方面，国内外尚未制订统一的标准。参 考国外电介质电性能测试实验，发现电介质电性能测试系统中一般包含了以下 几个功能模块：激励信号源、试样与电极系统、信号采集模块以及信号分析处 理模块。根掘测试仪器的发展趋势，本测试系统结合传统电介质性能测试疗法 和现代最新测试技术，以可编程信号发尘器、高压线性放大器与试验变j i ：器的 组合作为交流激励电压源，以交流电流比较仪为核心搭连测试主叫路，以p c + d a q 作为信号采集的硬件平台，采用l a b v i e w 软件平台丌发集激励控制、 信号采集、信号预处理、信号分解和图形显示等功能于一体的测试系统软件。 2 3 1 系统硬件的总体结构 根据测试系统的功能，整个测试系统硬件部分可以划分为三个主要部分： 交流激励电压信号源，包括可编程信号发生器、高压线性放大器与高压试验变 压器；测试主回路，包括测试用试样箱、交流电阻分压器、交流电流比较仪和 i ； 冒放大器：基于p c + d a q 模式的信号采集系统( 数据采集卡+ p c 机) 。此 外还有若干辅助功能模块。确定测试系统硬件整体组成框架如图2 3 所示。 交流激励电压信号电源的作用足提供测试所需的各种典型交流高压激励信 号，并能有效消除电网中电压凿波对测试的影响。 测试用试样箱的作用是为被测材料试样提供一个标准的测试环境。试样箱 内装有三电极系统，一次可对一个片状试样进行交流特性测试。 哈i ：泸理t 人学t 学嘶- 1 擘f 论文 交流电阻分压器的作用足将交流高压激励信号按一定比例变换为低电压信 号，以方便p c 机内部的采集卡进行信号采集。 豳2 3 非线性电介质交流特性测试系统原理| ! | f i g 2 - 3o u t l i n eo f t h ea c c h a r a c t e r i s t i ct e s t i n gs y s t e mf o rn o n l i n e a rd i e l e c t r i c s 交流电流比较仪的作用是对试样在交流电压激励下生成的响应电流中容性 分量进行补偿，以减小容性分量和损耗分量在幅值上的数量级差距，为p c 机 上的信号分解处理降低难度。 前置放大器是连接交流电流比较仪和数掘采集卡的接口电路，它的作用足 将电流比较仪在不平衡状态下的微弱输出信号进行放大，对信号中包含的于扰 噪声进行抑制以及对电流比较仪输出进行阻抗匹配。 基于p c + d a q 模式的信号采集系统的功能是严格同步采集激励电压信号 和补偿后的响应电流信号，并对所采集的信号进行模数转换，以便测试系统 软件对量化后的信号进行分析和处理。p c 机上的测试软件町以实时显永所采 集到的信号和相关数据图像，同时还能对所采集到的信号和图像进行保存、打 印等操作。 辅助模块中的标准电容器与试样承受相同的交流激励电压，提供一个确定 的标准容性电流给电流比较仪，以便对试样响应电流中容性分量进行补偿。 辅助模块中的过电压保护装置对测试系统中与试样箱和标准电容器无电气 隔离的交流电流比较仪等设备提供过电压保护，防止由于试样击穿导致测试系 统内部产生过电压引起仪器设备损坏。 2 3 2 系统软件的总体结构 测试系统软件的主要功能足：面向测试人员提供一个友好的虚拟仪器操作 呛尔泞理t 人学t 学硕 。学n 论定 软面板。在此基础上，控制数掘采集g - 同步采集试样的特征电气量，设酉备种 相关试验参数，分析和处理采集的数掘，修正测试系统的误差，驱动外【鞠器件 完成显示和打印等功能。测试系统的软件采用荚囤n i 公司的l a b v i e w 图形化 虚拟仪器开发平台。在整个虚拟仪器软件开发中，两路模拟特征电气量的同步 采集以及响应电流中两个分量的准确提取和测量是关键点。测试系统软件的总 体结构如图2 4 所示。 2 4 本章小结 设置各种参数 j 同步采集电臣和响应电流信号 j 信号滤破与平屑处理 j 数据记录与图形显示 j 信号分解、误差修正与波形重构 j 屏存结果与打印报告 图2 - 4 测试系统软竹流科| 墨i f i g 2 4f l o wc h a r to f t e s t i n gs y s t e ms o f t w a r e 本章首先给出了非线性电介质交流特性的表征：然后提出了实用的 # 线性 电介质特征电气量测试方法：最后对整套测试系统的总体结构进行了简要介 绍。 哈尔渍理t 夫学t 学砷1 学位论文 第3 章交流激励电压信号源的设计与制作 3 1 概述 无论是进行传统的电力设备电气绝缘性能测试还是目前处于探索之中的非 线性电介质交流特性研究，人们部需要一套满足测试要求的高压试验电源，它 的作用在于提供所需的各种测试电压信号。在本测试系统中，要求对非线性电 介质试样施加交流激励电压，且电压的波形稳定，频率和幅值在一定范围内可 调，以便对试样在各种交流激励电压下产生的响应电流进行分析，为研究推线 性电介质的交流特性提供一种途径。此外，要求本系统的交流激励电压信号源 的输出波形类型可变，且驱动容性负载能力强。 在高压试验室中，传统的交流高电压试验所采用的小容量试验电源一般由 自祸调压器和高压试验变压器组成。采用这种组合方式的试验电源价格较低 廉，漏抗较小，携带较方便，一般情况下能满足试验窄在t 频交流电下的绝缘 性能测试，但是其输出电压受电嘲电能质量不高( 频率波动较大，幅值个稳 定，波形畸变) 的严重制约，不能作为非线性电介质性能测试信号源束使用。 为此，本论文自行设计了一套交流激励电压信号源，采用呵编稃信号发， 器+ 交流高压线性放大器+ 高压试验变压器的组合模式( 见图3 - 1 ) ，彻底消除 了自耦调压器直接依赖电网供电的缺陷。 町编程信号 发生嚣 激励信号凉 交流尚砖线 悍波夫器 岛胩试验 变肚器 图3 一l 交流激励电压信号源的结构椎图 f i g 3 - lb l o c kd i a g r a mo f t h ea ce x c i t i n gv o l t a g es i g n a ls o t l l c e 输出 巾尔泞坤t 入学t 学母t 学p 论义 3 2 可编程信号发生器的设计 3 2 i 引言 目前在电力系统测试、电磁场检测、工业测量以及仪器仪表校验等领域 中，信号发生器是必不可少的，而且还往往要求信号的频率、幅度、相位等都 能进行调节。目前，市场上信号源种类繁多，按照输出波形可分为正弦信号发 生器、脉冲信号发生器、函数信号发生器、噪声信号发生器等。这些传统信号 发生器通常由控制按钮以及波形发生电路、数模转换电路、显示模块等组成。 其原理框图如图3 - 2 所示。操作人员只能通过固定的丌关控制芯片调用十l i 应的 子程序，然后经d a 转换电路控制波形发生电路，这样就可以得到相应频率的 信号。 图3 - 2 信号发生器原理框燃 f i g 3 2d i a g r a mo f t h es i g n a lg e n e r a t o r 可编程信号发生器是基于虚拟仪器技术设计丌发的。虚拟仪器足汁算机技 术和仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器，它由通用计算机、应用软件 和仪器硬件三大要素构成。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件育 机的融合为一体，从而把计算机强大的处理能力和仪器硬件的测霆、拧制能力 结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积。虚拟仪器的应用提出了“软 件即仪器”的概念”“。与传统信号发生器相比，基于虚拟仪器的可编程信号发 生器具有性价比高，开发、维护、升级简单，研制周期短等特点。 3 2 2 信号发生器的构建 可编程信号发生器是基于l a b v i e w 软件平台丌发的。l a b v i e w 是一种图 形化的编程语占，它广泛地被工业界、学术界和研究实验宅所接受，能够实现 标准的数据采集和仪器控制功能。l a b v i e w 集成了与符合g p i b 、v x i 、r s 一 2 3 2 和r s - - 4 8 5 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。这是一个功能强大 瞬；j ：泞辨t 入学t 学嘶i 学位伶殳 且灵活的软件，利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得 编程及使用过程十分简单、生动有趣。 下面洋细阐述基于l a b v l e w 的可编程信号发生器实现方法： 1 ，功能设计 该虚拟信号发生器可以产生正弦、余弦、三角波、锯齿波，方波信号，指 标如下： ( 1 ) 频率范围：1 1 0 0 k h z ，可选： ( 2 ) 初始相位：o 1 8 0 。，可选； ( 3 ) 波形峰值：0 1 1 0 v ，可选； ( 4 ) 生成波形的总点数：n = 8 1 0 0 0 0 0 周期，可选： 2 、前面板设计 ( i ) 输入型数字控件：本控件用束设置生成波形的频j 窖z 、幅值、仞始 相位，总采样点数s 、采样频率只以及d a q 2 0 0 5 的d a 参数。 ( 2 ) 输出显示型图形控件：本控件用来显示所产生的信号波形。 注意：设置参数应考虑到采样频率e ，数字频率工，一个周期采样点数n p4 与总采样点数s 应满足关系式：= 二。 ，l n ( 3 ) 两个控制开关( 开始和停止) 所设计的虚拟面板如图3 3 所示： 虚拟信号发生器 f r t t y 詈，苎竺 o f e t m 秘一 一一 t 。 i 月m 口m h 泸 藉霜i 螋 删哩一：1 m ：b f 磐”9 ”盎一：眷为 曰日 b m o 柚m o 因 02 0 0 08 0 0 01 图3 - 3 可编稃信号发生器虚拟面板 f i g 3 - 3v i r t u a lp a n e lo f t h ep r o g r a m m a b l es i g n a lg e n e r a t o r 略：滨理t 大学t 学硕卜学 f ，论文 3 、应用程序的设汁 利垌l a b v i e w 7 0 开发的信号发生器图形化应用框图程序如下所示： 图3 4 信号发生器土框图稃序 f i g 3 - 4m a i nb l o c kp r o g r a mo f t h es i g n a lg e n e r a t o r 首先利用设置好的各种波形参数通过自带的波形发生器模块产尘一个 w a v e f o r l n ，输入到采集卡d a 模块中，根据设置的判断条件进行逻辑判断， 产生我们需要的信号波形。 4 、硬件平台设计 l a b v i e w 很容易通过软件来实现虚拟信号的发生，但是虚拟信号需要输 出来提供给用户使用。在l a b v i e w 中是通过数据采集卡向用户提供信号输出 的。“软件+ d a 卡= 信号发生器”，这就是可编程信号发生器的模型。 d a 卡有很多类型，本论文选用的是一款不需要丌发协议固件和驱动稃序 的采用p c i 总线接口、具有d a 输出功能的数掘采集卡d a q - - 2 0 0 5 。它具有 2 通道1 2 位的d a 输出，最大采样率可达1 m s s ，最大输出电流为+ 5 m a ( a c r m s ) 。通过接1 3 程序模块可以指定和控制d a 转换器操作模式以及输出通道的 参考源，这样可充分利用d a 转换器的乘法特性。在d a q 2 0 0 5 中可以利用内 鼍1 0 v 参考或者外部参考输入，d a 输出的范围直接与参考源相关，d a 转 换器中二进制编码乘以参考源就可以产生模拟输出。当使用内置1 0 v 参考时， 在双极性输出模式下量程范围是一l o v + 9 9 9 5 1 v ，在单极性模式下是o v 略句：泞理丁大学t 学顾 哗p 论文 9 9 9 7 6 v ；当使用外部参考源时，我们可以通过连接不同的参考源实现不同的 输出范围，例如如果连接一个5 v 直流参考源会得到4 9 9 7 6 v 到+ 5 v 的量程， 这种转换特性取决于负参考电压的大小。需要注意的是外部参考源的范围应该 在l o v 之日j 。表3 - 1 和3 2 阐述了数字编码和输出电压之问的关系。 表3 - 1 戡极性输出编码炭( 选扦内置参考游，参考电序为l o v ) t a b l e3 - 1b i p o l a r o u t p u tc o d e t a b l e ( v m t = l o v i f i n t e r - r e f e r e n c e i ss e l e c t e d ) 数字绷码 桉f “输出 1 1 1 l l l l l l l l l 参考电庠x ( 2 0 4 7 2 0 4 8 ) v l 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 参考电i f , ( 1 2 0 4 8 ) v l o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0o v 0 l l “l l l l l l l一参考电压x ( 1 2 0 4 8 ) v o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 一参考电压v 表3 - 2 单极性输出编码表( 选择内置参考源，参考电压为l o v ) t a b l e 3 - 2 u n i p o l a r o u t p u t c o d e t a b l e ( v m f = 1 0 v i f i n t e r - r e f e r e n c e i ss e l e c t e d ) 数字编码模拟输出 l l l l i l l l l l l l 参考电斥( 4 0 q 5 4 0 9 6 ) v 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0参考电序x ( 2 0 4 8 4 0 9 6 ) v 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 l 参考电i f , ( 1 4 0 9 6 ) v 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 v d a 转换需要初始化触发源，当触发条件满足的时候就会丌始数据输出。 在d a 转换开始前，d a 数据从主机主存上转移到采集卡上的数掘缓冲区中。 d a q 2 0 0 5 具有两种d a 转换模式；软件更新和定时波形产生。每种模式都可 以单独运用到d a 通道。这罩简单介绍程序使用的软件更新转换模式，它是产 生d a 输出比较简单的方式。首先，需要指定d a 输出通道，设置输出极性 ( 单极性或双极性) 以及参考源( 内置1 0 v 或外部参考源) ；然后通过软件编 程把数字编码更新到d ，a 数字寄存器中。 d a q - - 2 0 0 5 提供了极其丰富的软件驱动支持，丌发者不需要了解任何底 层的硬件协议、固件程序以及驱动程序，就可以在v b ，v c + + ，d e l p h i ， b c 5 ，l a b v l e w 等编程语占环境中，方便快捷地调用厂商提供的d l l 控件进 行二次开发。 5 、输出波形实测 图3 - 5 是利用t r e k g b 3 0 1 2 b 示波器观察到的虚拟信号发生器输出的正弦 波( 频率为2 5 h z ，峰值为i v ) 。 i 垄l3 - 5 实际正弦波输出波形 f i g 3 - 5r e a lo u t p u to f s i n ew a v e f o r m 3 3 交流线性高压放大器的设计与制作 高压放大器广泛应用于扫描隧道显微镜、扫描探针显微镜、磁阻效应i 煲4 试 仪等各种自动测量仪表中，也在电介质测试、核磁共振、等离子体探针测试等 许多实验中得以应用”。交流线性高压放大器是 线性电介质交流特性测试用 高压激励信号源中的功率放大部分，它的作用是把信号发尘器的小信号进行功 率放大然后驱动高压试验变压器从而产生与信号发生器输出波形相同或相近的 高压激励信号。电介质电性能测试中经常使用该设备柬产尘作用于电介质材料 的交流激励，由于国内尚无商品化产品，国外同类仪器价格不稚，为此，本论 文研制了适用于实验室条件下的交流线性高压放大器 3 3 1 复合放大器设计 电介质性能测试对仪器的驱动能力、线性度、失调电压、偏冒电流、温度 漂移和转换速率有严格要求，经过仔细的选型工作，采用前级驰动器o p a l 7 7 和功率升压放大器p b 5 0 构成闭环负反馈结构的复合功率放大器”。在此甚础 之上，用功率复合放大器、辅助外围器件、直流电源、散于丸模块、数值口示模 块和机壳共