（电机与电器专业论文）电力变压器计算机辅助测试系统的研制.pdf

东南大学硕士学位论义 a b s t r a c t p o w e rt r a n s f o r m e ri so n eo f p r i m a r yh i g h v o k a g ee q u i p m e n t so fp o w e r n e t w o r k t h ev a r i a t i o no fr u n n i n gs t a t eo fp o w e rt r a n s f o r m e rg r e a t l ya f f e c t sp o w e rs y s t e m s o p e r a t i o ni nt h ea s p e c to fs a f e t y , s t a b i l i z a t i o na n de c o n o m y w i t ht h ed e v e l o p m e n t o f e l e c t r i ci n d u s t r y ，t h er e q u e s to ft r a n s f o r m e r sr e l i a b i l i t yb e c o m e sh i g h e ra n dh i g h e r t h em e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y o ft r a n s f o r m e r a c q u i r e sc o n s i d e r a b l ea d v a n c e m e n t i nt h i s p a p e r c o m p u t e r a i d e d t e s t i n gt e c h n o l o g y ( c a t ) i sa p p l i e d t o t r a n s f o r m e r s d e l i v e r y t e s ti no r d e rt o m a n u f a c t u r eas e to f c o m p u t e r - b a s e d t r a n s f o r m e ra u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e m ，w i t hw h i c ht h es h o r t a g eo ft r a d i t i o n a lm a n u a l t e s t i n gi sm a d eu pi nt h ev e r a c i t y , r e l i a b i l i t ya n df l e x i b i l i t y t h e r e f o r e ，t h es e c u r i t y a n d r e l i a b i l i t yo fp o w e r t r a n s f o r m e rr i s e s t h ep a p e rn a r r a t e st h em e t h o d so fh o wt h ec a t s y s t e mc a r r y so u tt h es e v e n t r a n s f o r m e r sd e l i v e r yt e s ti t e m s c o l l e c t i n ga n da dc o n v e r s i o no ft e s td a t ao ft h i s t e s t i n gs y s t e ma r ee x p a t i a t e di nt h et w oa s p e c t so fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e b a s i n go f e r r o rt h e o r y , t h ep a p e r p u t su p e r r o ra n a l y s i so ft e s td a t a i na d d i t i o n ，w i t hs o m ed a t a p r o c e s s i n gm e t h o d s ，r e s u l td a t aa l em a d e u s eo fs y n t h e t i c a l l y f o rt h er e s t r a i n i n go f n o i s es i g n a l si nt e s t ，h a r d w a r ef i l t e rc i r c u i ti sd e s i g n e da n dt h ee f f i c i e n c yo ft h ef i l t e r t i m u i ti sa n a l y s e di nd e t a i l b e s i d e s ，s o f t w a r ef i l t e rm e t h o d sa r ei n c l u d e di nt h ec a t p r o g r a m s f i n a l l y , t h ep a p e r n a r r a t e st h ed a t am a n a g e m e n tm e t h o di nt h ec a t s y s t e m a n d a p p l y st e s td a t at ot r a n s f o r m e r s f a u l t j u d g e m e n tw h e nt h e yl e a v ef a c t o r i e s k e y w o r d s c o m p u t e r a i d e d t e s t i n g ( c a t ) ，p o w e rt r a n s f o r m e r ，d e l i v e r yt e s t i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它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了谢意。 研究生签名：蛊! 墨塞日期：型型盟西 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：蔓、纽鱼导师签名：日期：油皈j 弓 一 查堕查兰堡圭兰竺堡苎 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ - - _ 一 第一章绪论 本章介绍测试技术的发展过程、计算机辅助测试系统的一般硬件结构及其应用于电力 变压器试验方面的研究现状，最后介绍了本文的主要研究内容。 1 i 测试技术的发展 测试是测量和试验的统称，通常包括测量、检验、估算、故障诊断等多层含义，它是人 类认识自然界的基本方法。测试与生产、科技的发展是相辅相成、互相促进的：测试是生产 实践和科学实验的基础，是保证产品质量和实验准确性的重要因素，生产实践和科学实验的 水平在很大程度上取决于测试水平的高低；而反过来，生产和科技的进步又为测试技术的发 展提供了必要的材料、工具和设备以及新的测试手段的依据。 随者生产和科学技术的发展，测试技术大致经历了以下四个主要发展阶段： ( i ) 人类发展早期阶段，生产力和科技水平低下，测量完全依赖人类自身器官进行。 如眼观、耳昕、鼻嗅等。这类早期原始的测试方法由于受人类自身条件的限制，带有很大的 局限性。 ( 2 ) 人工测试阶段，人们利用各种测量工具、测量仪器完成测试工作。测量工具和测 量仪器作为人类感觉器官的替代和延伸，获取测试结果信息。人的动作器官、感觉器官和思 维器官依然参与测试过程。如使用游标卡尺测量长度时，读数由人眼完成。该类测试由于受 人类自身生理限制和主观影响，测试质量不高，经济性受限制，尤其不适应测试速度快、测 量精度高、测试人员难于接近等情况的测试场台。 ( 3 ) 自动测试阶段，人的动作器官和感觉器官被自动测试装置所取代。人类的工作主 要是根据测试任务组建测试系统和编制测试软件。在自动调节装置或程序控制装置的控制 下，传感器将被预4 量转换为电萤，并进行自动显示和记录。自动测试较人工铡试相比，突出 的优点是排除了人工测试中不可避免的人类生理限制和主观影响，提高了测试准确性，在需 要快速、准确、实时、大量的测量场合尤其适合。自动测试技术已成为测试领域中一个活跃 的分支，是电测技术的一个重要发展方向。 ( 4 ) 计算机辅助测试( c a t ) 阶段。c a t 是一门综合性边缘学科，它主要涉及硬件、 软件和数学模型三方面的技术理论问题。硬件上包含计算机技术、传感测量技术、自动控制、 通讯工程及电路等多门学科的知识：软件包括程序和数据两方面；数学模型方面涉及模糊数 学、控制理论、智能工程、动态建模、可靠性数学概率论与随机过程等多个领域。 c a t 技术是指借助于计算机技术采进行在线测量的自动测试技术，它使用计算机及外部 测量设备取代人的感觉、动作功能和思维能力，利用虚拟仪器组成测试系统靠测量软件及 数字控制实现对被测对象的测试，充分利用计算机系统丰富的软、硬件资源代替测量仪器中 的大量硬件设备。更进一步，c a t 与智能技术如专家系统和人工种经网络等相结合，扩大 了c a t 的技术内涵与应用范围。 与传统人工测试相比，c a t 的优点突出表现在其具有较功能上。测试系统可以通过丰 富的软功能提高测试的准确性、可靠性，且投资小，收益大，经济性好。目前，c a t 技术 在科研和生产中已得到广泛应用。 东南大学硕士学位论文 1 2c a t 技术的研究现状 c a t 系统包括硬件和较件两部分，两者协同工作。c a t 系统的硬件结构一般如图1 1 。 信号 r f 薮喜h 甄譬 发生器 l = 1 一 被 工 业 状态1 i 驱动i一 人i 控制器r _ 1 机构i 7 测 机 +控 接 口对 制 机 象 1 7 幽一 一 图1 1c a t 系统硬件结构 通过c a t 系统的结构图可以了解其大致工作过程；p a 为传感器，将非电模拟量p 转换 为电模拟量a 。传感器输出信号经前置放大环节进行补偿、校正、放大后送往多路选择通道， 接下来由计算机控制多路选择通道具体选择哪一路测量信号输入到程控放大器，经程控放大 器输出符合数据采集板要求的输出信号，最后由数据采集板完成从模拟量到数字量的转换， 并将采集到的被测组件的信息存入工业控制计算机存储设备，完成整个数据采集过程。当自 动测试中需要调整被测组件时，可由计算机发送控制信号给状态控制器，状态控制器通过驱 动机构对被测组件进行相应的调整。 c a t 系统的软件部分包括程序、数据和相关的测试辅助信息。 常用数据包括；测试数据、数据处理中间数据、测试结果数据和数据处理用原始数据。 c a t 的程序一般由主程序和各种子程序组成。子程序有：数据采集输入子程序：数据处 理、分析、判断子程序：测试结果输出子程序；容错子程序；系统自检子程序和应急情况报 警、处理子程序。主程序负责协调各予程序配合工作，共同完成测试任务。 本文主要研究将c a t 技术应用于电力变压器试验，在这方面，国内不少单位已经做了许 多研究工作并取得了不错成果。如北京威特测试技术公司和包头飞天变压器有限公司于 1 9 9 3 年联合研制的电力变压器试验微机测控系统，实现了空载、负载试验、感应高压试验 和温升试验的微机控制；华南理工大学开发了计算机监控感应高压试验装置，可以实时记录 耐压过程的各电量并进行实时录波；天津铁路分局自行研制的变压器综合测试台，在国内率 先将微机技术、傅立叶变换及小波分析等综合技术应用于变压器试验与管理。类似的变压器 试验微机测试系统还有很多。本课题将c a t 技术应用于变压器全部出厂试验项目，并包含出 厂阶段的缺陷判断内容。 1 3 本文的主要工作 本文基于c a t 技术，研制微机型变压器自动涮试系统，在利用计算机辅助测试较传统模 2 东南大学硕士学位论文 拟测试具有多方面优势的基础上，完成变压器出厂试验的所有试验项目及辅助管理，并进一 步应用于缺陷判断的某些方面。 本文微机型变压器自动测试系统由硬件和软件两部分构成。系统硬件由工业控制机加计 算机内插扩展板卡和成品外部数字式测试仪器共同组成。内插板卡有h y - - 6 0 4 21 6 路隔离型 a d 采集板、h y - - 6 1 6 0 数字量信号输入输出板和c 1 0 4 pr s 2 3 2 扩展板等。成品外部数字式 测试仪器有直流电阻测试仪、绝缘电阻测试仪和变压比测试仪；系统在软件上采用了v i s u a l c + + 的面向对象编程技术，w i n d o w s 操作界面。a c c e s s 数据库管理。软件总体上包括自动测 试和试验数据判断两大部分，分别完成变压器出厂试验和试验结果数据分析及试验判断等功 能。 总体上说，本课题的主要工作内容在于实现变压器各出厂试验项目的自动化进程和测试 数据的高效管理以及在此基础上的缺陷判断，充分体现出现代计算机辅助测试技术较传统人 工测试相比在测试准确性、灵活性及高效性等方面的优越性，它代表着目前电子测量领域的 一个重要发展方向。 本文的主要内容包括： ( 1 ) 计算机辅助测试系统，从概念上介绍了c a t 系统的模型分类和技术指标，给出 了本课题中c a t 系统的具体构造和软件功能； ( 2 ) 数据采集与处理，即实现c a t 系统中的数据采集和信号的频域分析，并设计硬 件滤波电路抑制噪声； ( 3 ) 误差分析与数据处理，介绍了误差理论的知识及数理统计方法，并具体讲述本课 题采用的数据处理策略； ( 4 ) 变压器出厂试验c a t ，对整套测试系统的七个试验项目分项叙述，包括试验功 能的实现和试验结果判断。 东南大学硕士学位论文 第二章计算机辅助测试系统 变压器是电力系统中的主要电气设各，变压器试验质量的高低直接影响着供电安全与可 靠，提高试验准确度和可靠性对保证变压器的安全、可靠运行十分重要。c a t 技术具有试验 高准确性、高可靠性的优势，可以将c a t 技术应用于变压器试验。本章首先介绍有关c a t 的一些基础知识，然后针对实际应用构造具体的变压器试验c a t 系统。 2 1c a t 系统基本模型分类 针对各种具体测试任务，可以演变出多种多样的c a t 系统，c a t 基本模型如图2 1 ，其 数学模型基本可归结为三类。 u 图2 1c a t 基本模型 y i 类模型 x = ，：( u ，y ) 式中，x 为被测状态矩阵： u 为激励矩阵； y 为响应矩阵。 此类测试任务是根据激励矩阵u 和响应矩阵y 确定被测状态矩阵x ，可用于静动态参数 测定、产品质量检测和系统辨识建模等。 i i 类模型 u = 吒( x ，y ) 式中，u 为被测输入矩阵： x 为测试系统状态矩阵： y 为被控输出矩阵。 此类测试任务是根据输出矩阵y 和测试系统状态矩阵x 确定被测输入矩阵u ，可用于数 据采集、状态监控、图形分析、模式识别等。 i 类模型 y = e ( u ，x ) 式中，y 为被控输出矩阵； u 为控制矩阵： x 为系统状态矩阵。 此类测试任务是将控制矩阵u 施加在状态矩阵为x 的系统上，产生所需输出矩阵y ，用 于测试过程控制和可编程激励等。 本文的c a t 系统既实现了静态参数测定的功能，又可以用于数据采集、状态监控及图形 4 东南大学硕士学位论文 分析等，因此属于i 类和i i 类c a t 基本模型的综合。 2 2c a t 系统的主要技术指标 c a t 系统的主要技术指标包括质量指标和经济指标两方面。总体上，要求系统具有较高 的各项质量指标及较少的经济消耗，以获得良好的性能价格比。 2 2 1 主要质量指标 ( 1 ) 可测试性 测试系统中，由于人类认识水平所限、测试环境、噪声的影响和测试精度的局限等因素， 并不是所有的参数和故障都可以被测得。可测试性反应了故障能否被检测、隔离和辨识。检 测的任务是判断系统有无故障；故障隔离指判断有无故障并给出故障发生部位；故障辨识是 在故障检测和定位的基础上判断故障的大小程度。相应地，衡量可测试性的3 个定量指标为： 故障检测率、故障隔离率和故障辨识率。 故障检测率= 可检测的故障全部故障数 故障隔离率= 可隔离的故障全部故障数 故障辨识率= 可辨识的故障全部故障数 测试集指激励量u 和响应量y 的集合，在可测试性前提下确定最优测试集是测试系统的 一个基本模型问题，即确定c a t 系统的主要测量量。 ( 2 ) 确定性 测试的目的分为定性的判决和定量的估值两类。定性判决的结论有可能是错误的：定量 估值与真值之间也存在误差，不可能完全等于真值，因此，这两种情况都含有测试的不确定 性。造成测试不确定性的因素有：测量误差的存在、模糊测试中某些概念的模糊性和测试模 型的近似性等。将合格品判为超差或将超差品判为合格均为误检，误检率是衡量测试不确定 性的定量指标。 研究误差，掌握误差的规律，通过正确的数据处理方法减小误差，以提高测试的确定性， 优化判决与估值。也可通过增加投入，改良测试系统本身达到这一目的。测试确定性过低导 致误检会带来经济损失，但并非测试确定性越高越好，高的测试确定性意味着高成本，应进 行综合的技术经济分析，确定最佳测试确定性指标。 ( 3 ) 可靠性 测试系统中各元件自身可能出现故障，或由于操作的失误、环境的影响均可导致测试系 统不能正常工作甚至出现差错。衡量测试可靠性的定量指标有：可靠率、失效率和平均无故 障工作时间。 可靠率指测试系统在一定时间内完成规定测试任务的概率。可靠率r ( t ) 为： r ( f ) ：堂 n 0 式中，n 0 为0 时刻正常运行的系统数，n ( t ) 为t 时刻无故障的系统数。 失效率指t 时刻后单位时间t 内失效的系统数与t 时刻正常运行的系统数之比，失效 率 ( t ) 为： 撕) = 警n lrj f 5 东南大学硕士学位论文 或： 2 ( n ：一土d n ( t ) n ( f ) d t 失效率在系统正常运行时基本不变，可以看作一常数，在早期失效阶段和损耗失效阶段 失效率较高。可靠率r ( t ) 与失效率 ( t ) 的关系为： 一p ( r ) d r r ( r ) = e o 失效率为常数时，平均无故障运行时间t 恰好为失效率的倒数： l f 2 i 测试可靠性是测试系统的重要质量指标，可测试性和测试确定性都是建立在测试系统可 靠工作的基础上的。提高可靠性可以从系统硬件和软件两方面的可靠性着手，并使系统在非 正常工作状态下不造成误检，基本途径有： a 、提高测试系统各元件可靠性： b 、进行可靠性设计，如冗余设计、容错设计，采用各种自检措施等： c 、严格工艺过程； d 、加强可靠性工作的管理。 另外，提高测试可靠性的同时还应兼顾经济效益，确定经济上合理的可靠率。 2 2 2 经济指标 经济指标可以用总使用期运行费用( t l 0 c ) 来衡量。总使用期运行费用是指使用者 在系统使用期间要承担的总的费用消耗，包括：系统的原始价格、系统使用期内的维修和维 护费用、系统使用期内因测量误差引起的费用三个部分。系统原始价格又含有购买、运输、 安装及投入生产的费用。要取得低的t l 0 c ，应该在测量系统的原始价格、保养性和可 靠性之间作最佳平衡。t l 0 c 最低的系统即为经济指标最优的系统。 t l 0 c 的数学计算式如下： r l 0 c = c ，+ ( c r + ( c l4 - c p 风) 灯 t + ( c m + c l 乙) m r + 丁i c ( e ) p ( e ) d e 式中，c i ：系统原始价格， 岛、c ：每次修理的平均材料费和每次维护的平均材料费， c t 、c p ：每小时修理的人工费用和过程费用， t t 、t 一、t ：每次修理的平均修理时间、每次维护的平均维护时间和测试系统寿命， 、m ：平均每年故障次数和维护次数， t l c ( e ) p ( e ) d e ：系统使用期内因测量误差引起的费用。p ( e ) d ( e ) 表示测量误差 在区间 e ，d e 内的概率，其相应的每年费用损失是c ( e ) p ( e ) d ( e ) 。 根据总使用期运行费用的大小也可确定是否有必要购买某一测试装置。倒如，由于某测 试装置的使用使由于测量误差引起的费用大幅度降低，从而z l 0 c 减小，则应该购买该 装置。 6 垄堕查兰型主兰些笙苎 一一 2 3 变压器试验c a t 系统的构造 电力变压器出厂试验包括空载和负载试验、工频耐压试验、感应高压试验、直流电阻试 验、绝缘电阻试验和变压比试验，出厂试验计算机辅助测试系统的硬件结构如图2 2 。 1 流互感器r | 功率变送器r 1 波电路r f 采集板广 各 被 一陌慕云苫i 司 工 类 试 h | 鲨i h试 扩控 验 - - p变 切 电 压换 野 展 器 - - 电r s机 源 2 3 2路 糯艮 图2 2c a t 系统的构造 在综合考虑c a t 要求的主要性能指标的基础上，各硬件设备的选用如表2 1 。 表2 1 主要硬件设各列表 名称数量各注 工业控制机li f c 6 1 0 工业控制机 直流电阻测试仪 l 3 3 9 3 变压器直流电阻测试仪：量程：2 柚0 - 1 0 0 0 ；准确度：0 2 级 绝缘电阻表1p c 4 0 a 绝缘电阻表；量程：0 - 2 0 0 嗨q 及2 0 0 q 一2 0 0 0 呐q ，量程自动转换 变压比测试仪1_ s 町一i 型全自动变压比电桥：涮试范围 卜1 0 0 0 5 0 0 0 ：准确度：0 0 5 a d 采集扳2h y 一6 0 4 21 6 路a d 采集板；a d 转换分辨率：1 2 b i t s ：精度：0 2 i o 接口板 l h y - 6 1 6 0 数字量信号输入输出板#输入通道数：3 2 ；输出通道数：3 2 继电器板 2 1 1 1 r 一8 9 0 电磁继电器输出端子板；1 6 路电磁继电器输出 通用端子板2h y - s i o 通用接线端子扳。厢作a d 采集输入端子 r s 2 3 2 扩展板 lc 1 0 4 pr s 2 3 2 扩展板 中问继电器3 2线圈电压：2 4 v 直流；触点容量：2 2 0 v 5 a 交流 电压有效值变送器 3 输入：o - i o o v 交流；输出：o 5 v 直流：用于空、负载试验 电压平均值变送爨7 输入：o - l o o v 交流；输出；o _ 5 v 直流： 用于空、负载、工频耐压和感应高压试验 电流变送器7输入：o - s a 交流；输出：o _ 5 v 直流； 用于空、负载、工频耐压和感应高压试验 功率变送器2 输入：o - l o o v 交流o - 5 a 交流；输出o - 5 v 直流；用于空、负载试验 其中，t t y 6 0 4 2a d 采集板和直流电阻测试仪、绝缘电阻表、变压比测试仪为试验主要 硬件设备。h y 6 0 4 2a d 采集板可以提供1 6 路模拟量的采入及1 2 位精度的模数转换功能， 完成所有试验项目试验数据的采集和转换，通过h y 6 0 4 2a d 采集板，工业控制机便可方便 地得到试验结果数据；直流电阻测试仪、绝缘电阻表、变压比测试仪都属于成品外部数字式 测量仪器，分别完成对应试验项目的测量任务，c a t 系统对于这三个试验项目直接读取测试 7 东南大学硕士学位论文 仪的测量结果。 c a t 软件采用v i s u a lc + + 编程，变压器出厂试验计算机辅助测试软件实现的总体功能参 见图2 3 。 变压器出厂试验c a t 软件 文件测试资料设置帮助 图2 3 变压器出厂试验c a t 软件功能图 现场操作人员使用c a t 软件进行变压器出厂试验的大体步骤为：在待测变压器列表中选 择待测变压器，之后根据试验项目进行必要的电气接线，选择特定的试验项目菜单，通过程 序的试验人机界面完成试验，最后保存试验结果。此外，程序提供的诸多其它功能参见图 2 3 。变压器出厂试验报表的样式见附录。 8 东南大学硕士学位论文 第三章数据采集与处理 数据采集和数字信号处理是c a t 系统的一个重要组成部分。本章首先介绍数据的采集及 信号的频域分析，然后分析了c a t 系统中实际滤波电路的采用。 3 1 数据采集 数据采集是实现c a t 系统功能的基础。测试系统的传感器输出一般为在时间轴上连续的 模拟信号，而计算机能够直接进行处理的是离散数字信号。因此，首先要对连续信号进行采 样，得到离散的模拟信号，再通过a d 转换环节变为数字信号。 3 1 1 信号采样 在a d 转换前，要对信号进行采样。采样就是把一个对时间连续的信号变换成对时间离 散的信号，再通过a d 转换器将这些离散信号的幅值数字化，最后读入计算机。 采样开关如图3 1 ( a 所示，其输入信号为连续函数f ( t ) ，采样开关周期性的闭合，闭 合周期为t ，闭合时间为t ，得到输出采样函数f 。( t ) 。设闭合时间为t 足够短，采样函数 f 。( t ) 的图象如图3 1 ( b ) 。 f ( t )乓( t ) c l o 一 。扑。t 0 t2 t3 t4 t 玎盯7 r 盯 ( b ) ( a ) 采样开关 2 d 时，采样信号f 。( t ) 才可能不失真地恢复到原来的连续信号。通常，把最 低允许采样频率f s = 2 f 称为奈奎斯特频率，l = n d 成为奈奎斯特间隔。 香农采样定理也称为时域采样定理，根据时域与频域的对偶性，频域采样定理内容为： 对一个在时间区间( - t ，t ) 之外为零的有限时间信号f ( t ) ，当满足： f 上 。一2 t 。 时，其频谱函数f ( ju ) 可唯一的由其在均匀间隔f 8 上的样值点f ( j n u 。) 来确定。 采样定理规定了计算机辅助测试数据采集系统的最低采样频率，为系统设计时确定实际 采样频率提供了理论依据。由于连续信号f ( t ) 中噪声的影响，最高频率往往难以确定，且 不可能取得所有采样值后再做计算分析，所以实际采样频率要高于理论值，一般取信号最高 频率的5 1 0 倍。 变压器c a t 系统中，所测电压、电流量多为工频5 0 h z ，只在感应高压试验时存在两倍 工频的电压、电流量，因此，采样频率大于l k h z 就已满足要求，h y 6 0 4 2a d 采集板采样频 率远远高于这一指标。 3 1 2 采样一保持电路 信号采样时采样开关的闭合时间为t ，这一时间间隔用来满足a d 转换环节完成数模 转换所需要的时间。实际使用中，采样开关闭合时间可能很短，需要额外的信号保持电路， 把采样时刻输入模拟信号的幅值存储起来，使其值在完成模数转换过程中不发生变化，保 证转换精度。采样保持电路示意图如图3 2 。 v l 圈3 2 采样一傈持电路 0 圈中a ，a 2 分别为输入放大器和输出放大器，岛为保持电容，s 为采样保持控制信号控 制下的采样开关，v ，为输入信号，v 口为输出信号。a i 有很高的输入阻抗保证采样保持电路不 影响输入信号。a 暑也具有高的输入阻抗使c h 在保持阶段不易泄漏电荷。一般，两个放大器 增益的乘积为1 ，使输出信号与输入信号相等。 东南大学硕士学位论文 该电路的工作过程为：t 。时刻采样开关s 闭合，电容c “迅速充电，此时v 。一v t 。t l 时刻 s 断开，设a 2 的输入阻抗为无穷大，则保持电容c h 没有放电回路，维持其两端电压不变， 即保证输出信号等于采样时的输入信号不变，该信号随后送入a d 转换器。 3 1 3 信号的a d 转换 自动测试系统中，被测物理量均为模拟量，而测试系统的中心一计算机只能处理数字信 号，因此，a d 转换是自动测试系统不可缺少的环节。 为满足不同测试任务的需要，a d 转换器的原理有多种多样，新的设计思想也不断出现。 目前常用的a d 转换器有：并行a d 转换器、_ 双积分m d 转换器和逐次逼近a d 转换器。 并行“d 转换器的原理是将输入电压与固定等级的电压进行比较，确定输入电压的等 级完成信号的数字化过程。转换速度快，但由于固定等级数目的限制，难以提高分辨率。 双积分a d 转换器是将输入电压和参考电压分别积分，转换成时间即脉冲数进行比较。 其优点是抗干扰能力强，转换精度高，对元器件稳定性要求不高。 逐次逼近a d 转换器是从高位到低位逐位增加转换位数，产生不同的己知参考电压，将 输入电压与这些参考电压比较而完成转换。由于其转换精度高，速度较快，转换时间固定， 易与微机接口，因此得到了广泛的应用。逐次逼近a d 转换器原理圈如图3 3 。 图3 3 逐次逼近a d 转换器原理图 工作过程为：移位寄存器把数字量从高位到低位逐位送给输出寄存器，输出寄存器为 d 转换器提供输入量，比较器c 将待转换模拟电压v ，与d a 转换嚣的一系列已知输出电压 逐次进行比较，完成转换，转换结果保存在输出寄存器中。四位逐次逼近a d 转换器转换过 程如图3 4 。其中，v s 为d a 转换器参考电压，v ，为模拟输入信号。v 0 为d a 转换器输出电 压。 四个脉冲后转换结束，输出寄存器的状态b 4 8 3b 2b 1 按从高位到低位的顺序依次为l 0 0 1 。 3 1 4 信号的多路传输 通常，测试系统中需要测量的物理量有多个，为每一物理量的测量建立一个完全独立的 测试系统是不合理、不经济的。为此，需要用到多路传输技术。利用同一信道同时传输多路 信号就叫做多路传输。多路传输是广泛使用的传输方式，它充分利用测试系统的硬件设备和 信道传输能力，降低了测试系统的成本。 多路传输的方法有两种：分时多路传输和分频多路传输。 分时多路传输的理论基础是采样定理，即根据不低于奈奎斯特频率的离散采样序列便 可完全恢复原连续信号。4 通道分时多路传输示意图如图3 5 。 查堕奎堂堡主兰篁堡苎一 v 0 1 2 v r ，1 6 1 0 v 1 6 9 v r ，1 6 8 v r ，1 6 图3 。4 逐次逼近a d 转换 t 簸：女塑在嚣： 输入3 k lk 2 g l 一输出3 输入4 0 l 一输幽 图3 5 分时多路传输 工作时，开关k 。、k 2 以大于最高信号频率两倍的频率同步循环地指向位置“l ”、“2 ”、 “3 ”、“4 ”，对4 路信号分别进行采样和分配，之后根据4 路输出解调出原信号。 分频多路传输的理论基础是频率划分原理。使用不同的载波频率，将各路输入信号搬到 不同的频段，使各路调制波的频谱不发生重迭并留有一定间隔，通过同一信道传输。之后采 用一系列不同截止频率的带通滤波器对各路信号进行分离，最后解调出原信号。4 通道分频 多路传输示意图如图3 6 。 i 翌塑! 卜_ 一 匝卜 加 信道 法 调勰3 卜 器 陌翮一 图3 ，6 分频多路传输 3 1 5 本文的数据采集系统 变压器c a t 数据采集系统的主要工作是由b y 6 0 4 21 6 路光电隔离型a d 采集板完成的 其工作原理框图如图3 7 。 h y - 6 0 4 2 板与i i 瑚- p cx t a t 总线兼容，可直接插入微型计算机任意扩展槽中使用。 h y 一6 0 4 2 板的主要性能及技术指标如下： 1 1 2b i t ( 4 0 9 6 ) a d 转换分辨率，转换时间1 0 us ： 2 可承受直流1 0 0 0 v 隔离电压： 3 提供1 6 路单端输入1 6 路伪双端输入8 路双端输入三种模拟信号输入方式； 东南大学硕士学位论文 图3 7h y - 6 0 4 2 板工作原理框图 4 模拟电压输入范围：0 5 v 、o 一1 0 v 、一5 v 一+ 5 v 、一1 0 v 一+ 1 0 v 5 支持软件触发、定时触发和外触发三种a s 触发方式； 6 支持软件查询、中断申请等效据传输方式； h y - 6 0 4 2 板信号输入插座定义如图3 8 。 c h 0 0 ( a d h 0 ) c h 0 8 ( a 删 c h o l ( a d h t ) c h 0 9 ( a d l i ) c h 0 2 ( a d h 2 ) c h l 0 ( a t o l 2 ) c h 0 3 ( a d h 3 ) c h l 1 ( j v d l 3 ) c h 0 4 ( a 硼) c h l 2 ( 剧d l 4 ) c h 8 5 ( a ，d h 5 ) c h l 3 ( a d l s ) c h 0 6 ( a d h 6 ) c h l 4 ( 由d i 固 c h 0 7 ( a ，d h t ) c h l 5 ( 削d l 7 ) p d r j d t r g d g n d 图3 8h y 一6 0 4 2 板信号输入插座 图中，c h 0 0 c h l 5 ：单端或伪双端模拟量输入接线端 a d h o - - a d h 7 ：双端模拟量输入正接线端； 1 3 4 5 2 4 6 8m挖hm掩加船m拍嚣加弛弭拍弦如 ，7 0n埒坷坶孔玎巧酊卸孔药卯剪 查堕奎兰堡圭兰堡垒苎 a d l o - - a d l 7 ：双端模拟量输入负接线端； a g n d ：模拟地； d g n d ：数字地； p d r i ：伪双端输八时信号地接线端： d t r g ：数字外触发和定时器外部控制输入端。 本c a t 系统中h y 一6 0 4 2 板采用1 6 路单端输入方式，输入信号电压为o - - 5 v ，使用软件 触发方式，以下给出c 语言编制的c a t 数据采集过程。 # i n c l u d e # i n c l u d e # i n c l u d e v o i dm a i n ( v o i d ) i n tb a s e a d d r = 0 x 2 8 0 ：设置板基地址为0 x 2 8 0 i n ta d 1 6 ，i ，d e l a y c o u n t ，s t a t e ： f l o a ta d v a l u e 1 6 ： i n p ( b a s e h d d r + 4 ) ：清中断申请、a d 完成标志。避免引起系统误搡作 o u t p ( b a s e a d d r ，o ) ：写板控制字，禁止定时触发和外触发 o u t p ( b a s e a d d r + l ，0 x o ) ：切换模拟输入通道，设置增益 f o r ( d e l a y c o u n t = o ：d e l a y c o u n t 7 0 ：d e l a y c o u n t + + ) ： 延时2 一1 0us o u t p ( b a s e a d d r + 2 ，o x o ) ：使用软件触发a d d o s t a t e = i n p ( b a s e a d d r ) ：读a d 转换完成位未完成则继续查询 ) w h i l e ( ! ( s t a t e & o x 4 0 ) ) ： i n p ( b a s e a d d r + 4 ) ：清k i d 完成标志 f o r ( i = o ：i 1 6 ；i + + ) o u t p ( b a s e a d d r + 1 ，( i + i ) 1 6 ) ：切换模拟输入通道，设置增益 f o r ( d e l a y c o u n t = 0 ：d e l a y c o u n t 7 0 ：d e l a y c o u n t + + ) ： 延时2 - - 1 0 us o u t p ( b a s e a d d r + 2 ，o x o ) ；使用软件触发a d d o f s t a t e = i n p ( b a s e a d d r ) ：读a d 转换完成位，未完成则继续查询 ) w h i l e ( ! ( s t a t e t t o x 4 0 ) ) ： a d i = i n p ( b a s e a d d r + 3 ) + ( ( i n p ( b a s e a d d r + 4 ) & o x o f ) 8 ) ；读第i 次转换结果 ) f o r ( i = o ：i 1 6 ：i + + ) a d y a l u e = ( f l o a t ) a d i 十5 0 4 0 9 6 0工程计算o 一5 v f o r ( i = o ；i 1 6 ：i + + ) a d i = o ： ) 3 2 信号的频域分析 c a t 系统对采集进来的试验数据进行分析，为方便起见，可以将时域信号变换到频域进 1 4 东南大学硕士学位论文 行分析。 3 z 1 信号的傅立叶分解 傅立叶分解即：对任何周期信号，当满足狄利克雷充分条件时，都可以分解为收敛的三 角级数。 狄利克雷充分条件是：( 1 ) 函数在任意有限区间连续，或只有有限个第类间断点或可 去间断点；( 2 ) 函数在一个周期内只有有限个极大值或极小值。 变压嚣c a t 系统中所测连续的电压、毫流信号都满足狄利克雷充分条件。将这些屯压、 电流信号变换到频域进行分析是可行的。 设周期信号f ( t ) ，其周期为t ，角频率q = 2 t ，它可以分解为： ，o ) - t “十c o s n n t + b n s i n n q t 式中，n 。= 睾i f ( t ) d t t ，2 旷手旦( f ) c 0 鲫蛐，肛l 2 ，3 驴手一旦s i 棚胁，肛l 2 3 将上式中同频率项合并，可写成如下形式： ，( f ) = 粤+ 妻ac 。s ( 衄+ 以) 式中，厶= a o r ：i a n = 、4 ：+ ，n = 1 ，2 ，3 或= 一a r c t a n ( b 。a 。) ，忍= 1 ，2 ，3 ， 由于三角函数形式的傅立叶级数运算不方便，因此常将信号分解为指数形式傅立叶级 数，其形式如下： 厂( f ) = 巳e 神 式中，c 。为复傅立叶系数， r ，2 e = i 1 肛( f 弦一阚破，斥：0 ，l ，2 i f | 2 当周期信号的周期t 趋于无穷大时，在后周期到来之前，前一周期的作用已完全消失， 因此可以将信号作为非周期信号来处理。非周期信号的傅立叶变换及其逆变换如下式： 一 ，( j 叨2i f ( t ) i e - “d t 1 5 查堕查兰堡主兰垡堡塞 f ( t ) 2 磊1 f ( j d - o ) 咖 式中，f ( t ) 、f ( j u ) 分别为非周期信号的原函数和傅立叶变化函数。 非周期信号f ( t ) 存在傅立叶变换函数f ( ju ) 的充分条件是：f ( t ) 在无限区间内绝对可 积，即： ，( f ) f 破 l c 。( x ) 也可以用递推的方法求得： q ( 工) = xc o ( 工) = 1 lc 。+ l ( 算) = 2 x c ( x ) 一c 。一l ( 工) 上述为两种常用低通滤波器的逼近函数，通过对低通滤波器的原型交换，可以分别求得 高通、带通和带阻滤波器的逼近函数，并确定其传递函数g ( s ) ，完成相应滤波器的设计任 3 3 2 数字滤波 数字滤波器通常是一台数字计算机，其输入和输出信号均为数字信号，它不需要增加额 外的硬件设备，是种程序滤波。数字滤波的实质是：利用计算机本身的运算功能，通过一 定的滤波算法，如程序限幅滤波法，处理输入信号的采样值，减少干扰，提高有用信号在信 号中的比重。 根据时域特性，数字滤波器可分为无限冲激响应数字滤波器和有限冲激响应数字滤波器 两类，它们的单位采样响应分别为无限长序列和有限长序列；根据频域特性，数字滤波器分 为低通、高通、带通和带阻四种类型。低通、高通、带通和带阻的概念是对于角频率。在o n 的范围内而言，其本身是具有周期性的，这四种类型数字滤波器的幅频及相频特性与相应 的模拟滤波器类似。 前面已说到，数字滤波实质是一种程序滤波，以下分别介绍数字滤波中常用的时域滤波 和频域滤波方法。 ( 1 ) 时域滤波 对域滤波常用移动平均法，它能起到滤波作用的根据是；信号中的随机误差多数情况下 可近似认为是白噪声，而白噪声的均值为零。 移动平均即是用k 点及其前后各m 个数据的平均值作为平滑后的k 点数据： 弘丽1 ；妻以“ 1 9 东南大学硕士学位论文 式中，x k 为平滑后的k 点数据，x - + - 为原始试验数据。 移动平均法对平均区段内2 m + 1 个数据点同等对待。直观认为，越靠近区段中心的数据 对中心点数据的平滑影响越大，因此就有加权移动平均法： x 。：士壹q k ： c o i “ 式中，一l 和v 分别为权系数下限和权系数上限，m 。为权系数，越靠近平均区段中心权系数 越大，u 。可查表得。 ( 2 ) 频域滤波 频域滤波分为时域