大学本科大学方案(设计方案)撰写样本

1、辽宁科技大学本科生毕业论文第I页 介质损耗角检测系统的研究与设计 摘要 电力系统中检测高压设备的运行可靠性和发现电气绝缘方面缺陷，介质损耗角的测 量必不可少。介质损耗角是一项反映高压电气设备绝缘性能的重要指标。本文介绍了介 质损耗角的基本概念和其意义，简单分析了介质损耗角检测的传统方法，详细介绍了测 量介损角的数字测量方法一一基波相位分离法。提出了一种非同步采样条件下采用基波 相位分离法的补偿算法，即采用等时间间隔电压、电流信号进行采样，同时对信号周期 波动产生的误差进行补偿。基于该算法合理配置测量系统的硬件实现方案。采用美国国 家仪器公司（NI）研制开发的实验室虚拟仪器工程平台LabVIEW

2、，对其进行仿真和试 验。仿真和试验结果表明该算法在增加较少运算量的同时提高了介质损耗角的测量精 度。开发出的测量系统很好的实现了电容型设备介质损耗角的在线检测，它突破了传统 检测方法在数据处理、显示等方面的限制，并具备很高的智能度和性价比。 关键词：介质损耗角；虚拟仪器；labVIEW ;非同步采样算法 辽宁科技大学本科生毕业论文第II页 Research and desig n of measureme nt system of dielectric loss an gle Abstract It is indispensable to measure the dielectric loss

3、 angle in the process of measuring the work ing security of electric equipme nt and discoveri ng the defect of electrical in sulati on in the system of electric power. The dielectric loss plays an importa nt role to reflect the in sulated property of high voltage electric equipment. The concept and

4、significanee of dielectric loss angle is introduced in this paper. The traditional methods and a digital method called fun dame ntal harm onic phase separati on of measureme nt of dielectric loss an gle is an alyzed. An algorithm for fun dame ntal harm onic phase separatio n un der asynchrono ussamp

5、li ng is gave that the voltage and curre nt sig nals were sampled by equal time in tervals and errors caused by the sig nal period fluctuati on were compe nsated. The hardware impleme ntati on for a measuring system based on the algorithm was described in this paper. The scheme is simulated and test

6、ed by LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench), which is inven ted by NI co. The results of simulati on and tests show that measuri ng system inven ted impleme nt measureme nt of electric capacity equipme nt on lin e. It breaks the limit of han dli ng and show ing data in the tra

7、diti onal measureme nt, which has higher in tellige nt ability and ratio betwee n property and price. Key words： dielectric loss an gle; virtual in strume nts; LabVIEW ; asynchronous sampli ng 辽宁科技大学本科生毕业论文第IV页 目录 摘要 I ABSTRACT .n 1 绪论 .1 1.1电气设备的绝缘故障及其危害性 1 1.2在线监测绝缘状况在国内外的发展及趋势 1 1.3介质损耗及介质损耗角2 1.

8、3.1介质损耗的概念 .2 1.3.2介质损耗的基本形式 .2 1.3.3介质损耗角 .2 1.4介质损耗检测的意义及其注意问题 3 2虚拟仪器简介5 2.1 虚拟仪器概述 .5 2.2虚拟仪器的特点 5 2.3虚拟仪器技术的发展 6 2.4虚拟仪器的分类 .6 2.5虚拟仪器的应用8 2.6虚拟仪器技术的三个组成部分 8 2.7虚拟仪器技术的四大优势. .9 3 LABVIEW开发平台11 3.1LABVIEW 的发展11 3.2 LAB VIEW 的结构11 3.3 LabVIEW 的优势 .13 4介质损耗检测方法15 4.1电桥法15 4.2伏安法16 4.3自由轴法17 4.4相位差

9、法17 4.5过零点电压比较法.18 4.6基波相位分离法 .19 4.7介质损耗角的异频检测.20 5基于基波相位分离法的非同步采样补偿算法 21 6基于非同步采样补偿算法的在线检测VI设计 23 6.1虚拟信号发生器的设计23 6.2虚拟正弦电压、电流信号设计 24 6.3波形采样和测量模块 27 6.4公式运算模块 28 6.5程序线路连接图29 6.6介质损耗角的仿真测量 32 7介质损耗角检测系统的设计 33 7.1系统的总体结构 .33 7.2信号采集 .33 7.3信号处理 .33 7.4信号传输与通信 .34 7.5数据分析与判断和数据显示 .34 结论 .35 致谢 .36

10、参考文献37 辽宁科技大学本科生毕业论文 辽宁科技大学本科生毕业论文第27页 1绪论 1.1电气设备的绝缘故障及其危害性 电气设备是组成电力系统的基本元件，是保证供电可靠性的基础。无论是大型关 键设备如发电机、变压器，还是小型设备如电力电容器、绝缘子等，一旦发生失效，必 将引起局部甚至全部地区的停电。而导致设备失效的主要原因是其绝缘性能的劣化。绝 缘劣化有很多原因，不仅电应力可引起绝缘劣化，导致绝缘故障，而且机械力或热的作 用，或者和电场的共同作用，最终也会发展为绝缘性故障。例如，变压器短路故障产生 的巨大电磁力会引起绕组变形，使绝缘受损而导致发生匝间击穿；变压器内局部过热可 导致油温上升，使

11、绝缘过热而发生裂解，最后发展为放电性绝缘故障。鉴于绝缘故障在 电力故障中所占的比重及其后果的严重性，电力运行部门历来十分重视电气设备的绝缘 监督。 1.2目前在线监测绝缘状况在国内外发展及趋势 20世纪60年代，美国最先开发监测和诊断技术，成立了庞大的故障研究机构。在 20世纪60年代初，美国即已使用可燃气体总量（TCG）检测装置，来测定变压器储油 柜油面上的自由气体，以判断变压器的绝缘状态，但这种装置对潜伏性故障无能为力。 针对这一局限性，日本等国研究使用气相色谱仪，在分析自由气体的同时，分析油中溶 解气体，有利于发现早期故障。但其主要缺点是要取油样，需要在实验室进行分析，试 验时间长，故不

12、能在线连续监测。20世纪70年代中期，能使油中气体分离的高分子塑 料渗透膜的发明和应用，解决了在线连续监测问题。20世纪70年代以来，前苏联的在 线监测技术发展也很快，特别是电容性设备绝缘监测和局部放电的在线监测。自20世 纪80年代，我国在线监测技术也得到了迅速发展，各省电力部门都研制了电容性设备 的监测装置，主要监测电力设备的介质损耗、电容值、三相不平衡电流2。从国内外发 展状况的总体来看，目前多数监测系统的功能还比较单一。今后在线监测技术的发展趋 势应是： （1）多功能多参数的综合监测和诊断，即同时监测能反映其电气设备绝缘多个特征 参数。 （2）对电站或变电站的整个电气设备实行集中监测和

13、诊断，形成一套完整的分布式 在线监测系统。 （3）不断提高监测系统的可靠性和灵敏度。 （4）在不断积累监测数据和诊断经验的基础上，发展人工智能技术，建立人工神经 网络专家系统，实现绝缘诊断的自动化。 1.3介质损耗及介质损耗角 对于电容型绝缘设备，通过对其介电特性的监测，可以发现尚处于早期发展阶段的 缺陷。反映介电特性的参数有介质损耗角正切tan：,电容值Cx和电流值I, tan：是设 备绝缘的局部缺陷中，由介质损耗引起的有功电流分量lr和设备总电容电流Ic之比3， 它对发现绝缘的整体劣化（例如，绝缘均匀受潮）较为灵敏，而对局部缺陷（即体积只 占介质中较小部分缺陷和集中缺陷）则不易用测tan方

14、法实现。 1.3.1介质损耗的概念 电介质在电场作用下（加电压后），要发生极化过程和电导过程4。有损极化过程中 有能量损耗；在电导过程中，电导性泄露电流流过绝缘电阻当然也有能量损耗。损耗程 度一般用单位时间内损耗的能量，即损耗功率表示。电介质出现功率损耗的过程称为介 质损耗。 显然，介质损耗过程随极化过程和电导过程同时进行，换句话说，由于极化、电导 过程的存在才有损耗过程。电介质损耗掉的能量也就是电能全部转变成了热能，使电介 质温度升高。若介质损耗过大，则电介质温度将升的过高，这将加速电介质的热分解与 老化，最终导致绝缘性能的完全失去。 1.3.2介质损耗的基本形式 （1）电导损耗是由泄露电流

15、流过电介质而引起的损耗。 （2）极化损耗是由有损极化引起的损耗。 （3）游离损耗是气体间隙的电晕放电以及液固体电介质内部气泡中的局部放电所引 起的附加损耗。 由于电介质的极化，电导过程很微弱，所以气体电介质的介质损耗是极小的，但是 液体固体电介质在运行过程中的介质损耗就不能忽略。在直流电压作用下，液体固体电 介质的电导损耗占主导，其余可忽略；在交流电压作用下，极化损耗就不能忽略。 1.3.3介质损耗角 介质损耗角是在交变电场下，电介质内流过的电流向量和电压向量之间的夹角(即 功率向量角？)的余角简称介损角5。如果取得试品的电流向量I和电压向量U，则 可以得到向量图: 1 图1.1介质损耗角等效

16、电路及电路图 介质损耗角(介损角)是一项反映高压电气设备绝缘性能的重要指标。介损角的变 化可反映受潮、劣化变质或绝缘中气体放电等绝缘缺陷，因此测量介损角是研究绝缘老 化特征及在线监测绝缘状况的一项重要内容。而在实际测量中，由于介损角很小，所以 需要测量系统有较高的测量精度，这样才能正确及时地反映介损角的变化。人们一直在 研究介损角测量方法，每种方法都有其自身的特点。随着电子工业及计算机的迅速发展 和广泛应用，数字化测量手段涌现出来，并且其运用的各种算法也有很多。数字化测量 方法求取介损角即对电压、电流信号进行数字化采样后在通过一定的算法求出介损角。 目前工业上常用的算法是基波相位分离法 1.4

17、介质损耗检测的意义及其注意问题 (1) 在绝缘设计时，必须注意绝缘材料的tan：值。若tan值过大则会引起严重发 热，使绝缘加速老化，甚至可能导致热击穿。而在直流电压下，tan：较小而可用于制 造直流或脉冲电容器。 (2) tan值反映了绝缘的状况，可通过测量tan=f()的关系曲线来判断从良状态 向劣化状态转化的进程，故tan、；的测量是电气设备绝缘试验中的一个基本项目。 (3) 通过研究温度对tan值的影响，力求在工作温度下的tan：值为最小值而避开 最大值。 (4) 极化损耗随频率升咼而增大，尤其电容器米用极性电介质时，其极化损耗随频 率升高增加很快，当电源中出现高次（如 3次、5次）谐

18、波时，就很容易造成电容器绝 缘材料因过热而击穿。 （5）用于冲击测量的连接电缆，其绝缘的 tan：必须很小，否则所测冲击电压通过 电缆后将发生严重的波形畸变，影响到测量的准确性。 2虚拟仪器简介 2.1虚拟仪器概述 从20世纪70年代提出智能仪器的概念到目前最新发展的虚拟仪器的思想，人们对 测量仪器功能设计和应用的认识呈现出不断发展和深化的过程。从通用接口总线（GPIB） 到个人仪器，再发展到图型化编程环境 LabVIEW、HP、VEE等，使得虚拟仪器的思想 为工业界所接受，促进了相关硬件和软件技术的发展。“软件就是仪器”，它能最本质 地刻画出虚拟仪器的特征。 所谓虚拟仪器（virtual i

19、nstrument），就是在通用计算机平台上，用户根据需求来定 义和设计仪器的测试功能，其实质是充分利用计算机的最新技术来实现和扩展传统仪器 的功能。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结 合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着 计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经 出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操 作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。 2.2虚拟仪器特点 与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程序、处理能力、性能价格比、可操作性

20、等方 面都具有明显的技术优势，具体表现为： （1）智能化程度高，处理能力强。虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于 仪器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技 术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。 （2）复用性强，系统费用低。应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种 不同功能的测试分析仪器，如同一个高速数字采样器，可设计出数字示波器、逻辑分析 仪、计数器等多种仪器。这样形成的测试仪器系统功能更灵活、系统费用更低。通过与 计算机网络连接，还可实现虚拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。 （3）可操作性强。虚拟仪器

21、面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操 作显示界面。使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于 理解，测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送。测量完后还可打印，显示所 需的报表或曲线，这些都使得仪器的可操作性大大提高。 2.3虚拟仪器技术的发展 虚拟仪器从概念的提出到目前技术的日趋成熟，体现了计算机技术对传统工业的革 命。在虚拟仪器技术发展中有两个突出的标志，一是VXI总线标准的建立和推广；二是 图形化编程语言的出现和发展。前者从仪器的硬件框架上实现了设计先进的分析与测量 仪器所必须的总线结构，后者从软件编程上实现了面向工程师的图形化而非程序代码的 编程方式

22、，两者统一形成了虚拟仪器的基础规范。 （1）硬件技术的发展。要保证虚拟仪器具备与传统仪器匹配的实时处理能力和可靠 性，很重要的一点是取决于传输测量数据的总线结构。在虚拟仪器中，其分析功能是由 计算机来完成的或由计算机来控制的。因此，接口、总线的速度和可靠性是关键，VXI 总线标准的建立，使得用户可以像仪器厂商一样，从访问寄存器这样的低层资源来设计 和安排仪器功能，也使得用户化仪器功能设计得以实现。VXI总线的出现，使得虚拟仪 器设计有了一个高可靠性的硬件平台。目前已出现了用于射频和微波领域的高端VXI 仪器。当然，采用普通PC总线，尤其是工业PCI总线的虚拟仪器也在不断发展，这类 虚拟仪器主要

23、面向一般工业控制，过程监测和实验室应用。 （2）软件技术的发展。除了硬件技术外，软件技术的发展和有关国际标准的建立， 也是推动虚拟仪器技术发展的决定性因素之一，在GPIB接口总线出现以后，关于程控 仪器的句法格式、信息交换协议和公用命令的标准化，一直是人们关心的问题。标准程 序命令（SCPI）标准的建立，向解决程控命令与仪器厂家无关这一目标迈进了重要的一 步。随着虚拟仪器思想的深入，用户自己开发仪器驱动器已成为技术发展的客观要求。 过去仪器驱动都是由仪器厂家专门设计，缺乏标准，使得用户在仪器软件方面的投资得 不到保护。为此，国际上专门制定了虚拟仪器软件体系（VISA）标准，建立了与仪器接 口总

24、线无关的标准I/O软件，与Labview、HP VEE、Labwindows等先进开发环境软件 相适应。开发一个用户定制的虚拟仪器在软件技术上已经成熟。可以预计，未来电子测 量仪器和自动化测试技术的发展还将更多地渗透虚拟仪器的思想。 2.4虚拟仪器的分类 虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型： （1）PC总线插卡型虚拟仪器。这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与 专用的软件如LabVIEW相结合（注：美国NI公司的LabVIEW是图形化编程工具，它 可以通过各种控件自已组建各种仪器） 构成测试系统，它充分利用计算机的总线、机箱、 电源及软件的便利。但是受 PC机箱

25、和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声 电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。另外，ISA总线 的虚拟仪器已经淘汰，PCI总线的虚拟仪器价格比较昂贵。 （2）并行口式虚拟仪器。最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它 们把仪器硬件集成在一个采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测 试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、 频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。美国LINK 公司的DS0-2XXX系列虚拟仪器,它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连， 方便野 外作业，又可与台式

26、PC机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。由于其价格低廉、 用途广泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。 （3）GBIB总线方式的虚拟仪器。GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器早期的发 展阶段。它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的 GPIB系统由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台BPIB形式的仪器通过GPIB电缆 连接而成。在标准情况下，一块 GPIB接口可带多达14台仪器，电缆长度可达40米。 GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很多 方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。GPIB测量系统的结构和命

27、令简单， 主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。 （4） VXI总线方式虚拟仪器。VXI总线是一种高速计算机总线 VME总线在VI领 域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的 RFI/EMI屏蔽。由于它的标 准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂 家支持的优点，很快得到广泛的应用。经过十多年的发展，VXI系统的组建和使用越来 越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。有其他 仪器无法比拟的优势。然而，组建 VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器， 造价比较高。 （5）P

28、XI总线方式虚拟仪器。PXI总线方式是PCI总线内核技术增加了成熟的技术 规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的，增加了多板发 总线，以使用于相邻模块的高速通讯的局总线。PXI的高度可扩展性。PXI具有8个扩 展槽，而台式PCI系统只有34个扩展槽，通过使用PCI PCI桥接器，可扩展到256 个扩展槽，台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形 成未来的虚拟仪器平台。 总的来说，虚拟仪器的发展过程有两条线：一、GPI4VSI-PXI总线方式（适合 大型高精度集成系统）GPIB于1978年问世，VXI于1987年问世，PXI于1997年问世；

29、二、PC插卡一并口式一串口 USB方式（适合于普及型的廉价系统，有广阔的应用发展 前景）PC插卡式于20世纪80年代初问世，并行口方式于1995年问世，串口 USB方 式于1999年问世。 综上所述，虚拟仪器的发展取决于三个重要因素：（1）计算机是载体，（2）软件是 核心，（3）高质量的A/D采集卡及调理放大器是关键。 2.5虚拟仪器的应用 虚拟仪器的功能和性能已被不断地提高，如今在许多应用中它已成为传统仪器的主 要替代方式。随着PC、半导体和软件功能的进一步更新，未来虚拟仪器技术的发展将 为测试系统的设计提供一个极佳的模式， 并且在测量和控制方面都有无以伦比的强大功 能和灵活性。可广泛应用于

30、电子测量、振动分析、声学分析、故障诊断、航天航空、军 事工程、电力工程、机械工程、建筑工程、铁路交通、地质勘探、生物医疗、教学及科 研等诸多方面。 虚拟仪器的各种优点让用户可以放心地舍弃旧的传统测量设备，接受更新型、以计 算机为基础的虚拟仪器系统。由于计算机的性能价格比不断改进，使虚拟仪器的价格更 为大众化，用户不必再受限于传统仪器的使用限制和昂贵的价格，进一步降低了使用成 本，减少了系统的开发费用和系统的维护费用。此外，新型笔记本电脑又把虚拟仪器的 便携性和强大功能推向一个新的水平。所有这些必将加快虚拟仪器的发展，使它的功能 和应用领域不断增强和扩大。 2.6虚拟仪器技术的三个组成部分 （1

31、）高效的软件。软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用正确的软件工具并通 过设计或调用特定的程序模块，工程师和科学家们可以高效地创建自己的应用以及友好 的人机交互界面。提供的行业标准图形化编程软件一一LabVIEW，不仅能轻松方便地完 成与各种软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力，设置数据处理、转换、存 储的方式，并将结果显示给用户。此外，还提供了更多交互式的测量工具和更高层的系 统管理软件工具，例如连接设计与测试的交互式软件 SignalExpress用于传统C语言的 LabWindows/CVI、针对微软 Visual Studio 的 Measurement Studio等等，均可

32、满足客户对 高性能应用的需求。有了功能强大的软件，您就可以在仪器中创建智能性和决策功能， 从而发挥虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势。 （2）模块化的I/O硬件。面对如今日益复杂的测试测量应用，已经提供了全方位的 软硬件的解决方案。无论您是使用 PCI, PXI, PCMCIA, USB或者是1394总线，都能提 供相应的模块化的硬件产品，产品种类从数据采集、信号条理、声音和振动测量、视觉、 运动、仪器控制、分布式I/O到CAN接口等工业通讯，应有尽有。高性能的硬件产品 结合灵活的开发软件，可以为负责测试和设计工作的工程师们创建完全自定义的测量系 统，满足各种独特的应用要求。 （3）用于集成的

33、软硬件平台。专为测试任务设计的 PXI硬件平台，已经成为当今测 试、测量和自动化应用的标准平台，它的开放式构架、灵活性和PC技术的成本优势为 测量和自动化行业带来了一场翻天覆地的改革。PXI作为一种专为工业数据采集与自 动化应用度身定制的模块化仪器平台，内建有高端的定时和触发总线，再配以各类模块 化的I/O硬件和相应的测试测量开发软件 ，您就可以建立完全自定义的测试测量解决 方案。无论是面对简单的数据采集应用，还是高端的混合信号同步采集，借助PXI高性 能的硬件平台，您都能应付自如。这就是虚拟仪器技术带给您的无可比拟的优势。 2.7虚拟仪器的四大优势 （1）性能高。虚拟仪器技术是在 PC技术的

34、基础上发展起来的，所以完全“继承” 了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件 I/O,使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的 因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。 （2）扩展性强。这些软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于当前的技术中。 得益于软件的灵活性，只需更新您的计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少 的、甚至无需软件上的升级即可改进您的整个系统。在利用最新科技的时候，您可以把 它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。 （3） 开发时间少。在驱动和应用两个层面上，

35、 NI高效的软件构架能与计算机、仪 器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。 设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户 的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使您轻松地配置、创建、发布、维护和修 改高性能、低成本的测量和控制解决方案。 (4) 无缝集成。虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功 能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而 连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备 提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复 杂性。 3 LabVIEW开发平台 LabVIEW是

36、美国国家仪器公司（NI）的创新软件产品，其全称是实验室虚拟仪器 工程平台（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）,是一种基于 G 语言 （Graphics Lan guage图形化编程语言）的测试系统软件开发平台。虚拟仪器技术作为测 试工程的一个新的研究方向，推动了测试技术的整体发展。LabVIEW 并不局限于虚拟 仪器的开发，它的作用是为了大型复杂测试系统提供通用的软件开发平台。目前， LabVIEW已经成为测试领域应用最广泛和最有前途的软件开发平台之一。 3.1 LabVIEW 的发展 自NI公司1986年正式推出LabVI

37、EW1.0以来，经不断改进和完善，现已发展至 8.2版本，它包括控制与仿真、高级数字信号处理、统计过程控制、模糊控制、PDA和 PID等众多附加软件包，可运行于 Windows、Linux、Macintosh和UNIX等多种平台， 已成为测试界一种标准的软件开发环境，广泛应用于航空、航天、通信、汽车、电子半 导体和生物医学等众多领域。不同领域的科学家和工程师都借助这个易学、易用的软件 来解决工作、工程中的各种测试应用课题。LabVIEW已经成为目前应用最广、发展最 快、功能最强的图形化软件开发集成环境之一。 3.2 LabVIEW 的结构 利用LabVIEW开发测试系统软件，涉及两个主要部分：

38、前面板和流程图（又称程 序框图）。 前面板是指一些图形化的测试界面，如图所示，即测试程序开发完成后，用户运 行时所展现的各种测试交互接口，包括菜单、参数设置、结果显示等。 LabVIEW 前面板如图3.1 图3.1 LabVIEW前面板 流程图是指测试程序的内部运行结构，是测试系统结构、数据处理的流程，如图所 示。测试程序绝大部分工作是在流程图中完成的。开发完成的测试程序在运行时流程图 是不可见的，它和文本式开发平台（如 VC+）中的*.h、*cpp等文件的作用是一样的, 知识LabVIEW流程图的开发是图形化的，更简单、高效、直观。 LabVIEW流程图如图3.2。 图3.2 LabVIEW

39、流程图 3.3 LabVIEW 的优势 当今软件日新月异，各种软件开发平台前涌后出。和大多数科学技术发展道路一样， 专业化已成为软件发展的趋势。 用于测试工程的软件开发平台有很多， VC+、VB、Delphi等传统软件开发平台为 众多编程人员所熟悉，也可以用来开发测试软件，但这种开发方式对测试人员要求很高， 需要自己将各种数据处理方法用计算机语言实现，还要对用于数据通信的各种连接总线 （如RS232、GPIB、USB等）非常熟悉，绝大多数测试工程人员难以做到，或者需要 花费大量的时间来研究，而懂得这些编程方法的人员又不一定懂得测试，因此用这种平 台开发测试工程软件难度大、周期长、费用高、可扩展

40、性差。顺应形势的发展，一些专 业测试开发平台纷纷推向市场，如 HPVEE、组态软件平台、TPS平台等，但这些平台 的专用性太强，可扩展性、通用性比较差。 NI公司作为测试领域最指明的公司之一，LabWindows/CVI和LabVIEW是其推出 的两款专业测试软件开发平台。前者基于 C的文本式编程，适合熟悉C、C+编程的测 试软件开发人员使用；后者是 NI公司开发的测试软件旗舰产品，是图形化编程环境的 引领者，是测试软件开发的趋势。 概括的说，LabVIEW作为测试软件开发平台有如下特点和优点： （1）图形化编程环境。LabVIEW的基本编程单元是图标，不同的图标表示不同的 功能模块。用Lab

41、VIEW编写程序的过程也就是多个图标用连线起来的过程，连线表示 功能模块之间存在数据的传递。被连接的对象之间的数据流控制着执行程序，并允许有 多个数据通路同步运行。其编程过程近似人的思维过程，直观易学，编程效率高，无须 编写任何文本格式的代码，易为多数工程技术人员接受。 （2）可重用性高。LabVIEW 继承并发展了结构化和模块化程序设计概念，使测试 程序能够很好地体现分层性、模块化，即可以把任意一个测试程序当作顶层程序，也可 将其当做其他测试程序的子程序，这样用户就可以把一个复杂的应用任务分解为一系 列、多层次的子任务。通过为每个子任务设置不同的功能，并将这些测试子程序进行适 当的组合、修改

42、、交叉和合并等，就可以在顶层最终建成一个所有应用功能的测试系统 （3）开发功能高效、通用。LabVIEW 是一个带有扩展功能库和子程序库的通用程 序设计系统，提供数百种功能模块（类似其他计算机语言的子程序或函数），包括算术 运算、函数运算、信号采集、信号输出、数据存取、信号分析处理、数据通信等功能模 块，涵盖了测试的各个环节，用户通过拖放及简单的连线，接可以在极短的时间内设计 好一个高效而使用的测试软件，再配以响应的硬件就可以完成各种测试任务。这样既节 约了时间，又可提高测试的可控制性及测试速度。 （4） 支持多种仪器和数采硬件的驱动。LabVIEW提供了数百种仪器的源码级驱动 程序，包括 D

43、AQ、GPIB （IEEE488）、PXI、VXI、RS232,根据需要还可以在 LabVIEW 中自行开发各种硬件驱动程序，也可以通过动态链接库（DLL ）利用其他语言开发函数 库，从而进一步扩展其功能。 （5）查错、调试能力强大。LabVIEW的查错、调试功能也非常强大。程序查错无 须先编译，只要有语法错误，LabVIEW 就会自动显示并给出错误的类型、原因及准确 位置。进行程序调试时，既有传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行等，又有独 到的高亮执行工具，就像电影中的慢镜头一样，使程序动画式执行，利于设计者观察程 序运行细节。同时可以在任何位置插入任意多的数据探针，程序在调试状态下运行

44、时， LabVIEW 会给出各探针的具体位置，通过观察数据流的变化情况、程序运行的逻辑状 态，就可以来寻找错误、判断原因，从而大大缩短程序调试时间。 （6）支持多种操作系统。LabVIEW支持多种系统平台，在任何一个平台上开发的 LabVIEW应用程序都可以直接移植到其他平台上。 （7）网络功能强大。LabVIEW支持常用网络协议，如传输控制协议（TCO/IP）和 用户数据报协议（UDP），方便网络、远程测控系统的开发。 （8）开放性强。LabVIEW 具有很强的开放性，是一个开放的开发环境，能和第三 方软件轻松连接，通过 LabVIEW 可以把现有的应用程序和.NET组件、ActiveX、D

45、LL 等相连，可以和MATLAB混合编程，也可以在LabVIEW中创建能在其他软件环境中调 用的独立执行程序或动态链接库。 4介质损耗角检测的方法 4.1电桥法 电桥法历史悠久，具有较高的灵敏度。典型代表是西林电桥。用交流电桥平衡 时，比较桥臂阻抗即可得到被测参数。测量原理图如图4.1所示。 图4.1西林电桥测量介质损耗角原理图 图4.1中，Cx、Rx为被测试品阻抗；Cn为标准电容器容抗；C4、R4为标准可变电 容和固定标准电阻并联阻抗；R3为可调标准电阻；G为灵敏电流记 根据电桥原理可得： ZaZn二乙乙(4.1) 其中，Zx为被测试品阻抗；Zn为标准电容器的容抗；Z3为标准电阻；Z4为标准

46、可变电容 C4和固定标准电阻R4并联阻抗。因此可得： Za=F3乙二(4.2) jCn 乙=R4 j C4 = 氏(4.3) R 1 j C41 j C4R4 被试品阻抗Zx可以等值为电阻与电容串联，也可以等值为电阻与电容的并联。 (1)当Rx与Cx串联时,有 Z=RX1 j CxRx j Cx j Cx 4.4) 将以上各阻抗值代入式（4.9）中 *1+他CxRx y R4、 J jCx 人1 + 血。4只4 j 经整理，根据复数运算规律，实部=实部，虚部=虚部，可得 R3 j C4 4.5) Cx =Cn R R3 C4 Rx 二 Rs 二- Cn 4.6) R=R3C4/ Cn 从串联等

47、值电路可知，其介质损耗因数tan.的公式为 tan CxRx (4.7) 将式(4.6)代入式(4.7)，得 tan: - C4R4 (4.8) （2）当为并联等值电路时，其公式计算方法与上述同，亦可得出公式 Cx = CoR3/R4 (4.9) tan - C4R4 (4.10) 电桥法的优点是较准确，可靠。但是要求比较严格，工艺烦琐，并且监测前要对低 压桥臂（R3、C4、R4）进行调整，使G指向零点，所以增加了操作的复杂性。 4.2伏安法 基本原理是根据被测试品的端电压向量和流过被测试品电流向量之比，可得到被测 试品的阻抗向量，根据Zx的实部和虚部，进一步计算求得介质损耗tan、：。 4.

48、3自由轴法 自由轴法测量介损角的原理图如图4.2所示 x 图4.2自由轴法测量介损角原理图 设加在试品上的电压信号 Ux =Uxm sin，t 试品上的电流信号转为电压信号 Us 二虫皿 sin（ .t J 当把它们在to时刻的向量作为参考向量时有 ( 4.11) ( 4.12) U X =Uxm cos to jU XM Sin - -tg (4.13) U s =U sm cos( to) jU sm sin( to ) (4.14) Us Ux U - U xm sin( tg n 2) u 2 - u xm sin ；： t0 U3 =Usm Sin(to W ：卜 n2) U4 二U

49、smSin(弋) (4.15) U3JU4U1U3U2U4.U1U4U2U3 22J 22 U1JU2U12U22U12U22 (4.16) tan、， UjU4 _u2u3 (4.17) 可得到介质损耗角 由于Us的相对位置以及它们的模不变，所以tan：是固定的。用软件方便实现对向 量在X轴、丫轴数据上的采集，硬件构成简单，使复杂的测量系统简单化，便于实现。 使用这种方法明显优于电桥法。但由于影响电力设备介质损耗角的变化的因素有很多， 例如：温度、频率、电压等，并且波形不准、外界电磁场的干扰、元件的误差都会造成 测量不准。所以要增加许多措施来减少这些误差。 4.4相位差法 设加在试品上的电压

50、、电流信号分别为 u(t) =Um sin(- t u) ( 4.18) i(t) =Im sin( t J ( 4.19) 则 、二冗/2-（ - u）二冗/2-二 ( 4.2O) 利用采样电路测出电流和电压的过零点，通过逻辑转换形成一定宽度的时间信号 ：t ,并且脉冲宽度反映相位差，最后通过测量方波的宽度来求出试品的介损值。相位差 法的原理图如图4.3所示。 图4.3相位差法原理图 相位差法在国内应用比较广泛，其优点是不更改设备的运行情况，直接测出ta n、：, 但是利用相位差法测量的过程中，误差来源多，如频率的变化有可能造成很大误差， 电压互感器引起的固有相差、信号中谐波的影响、两路信号

51、在处理过程中存在时延差、 整形波形引起的误差，并且还有温度等其他外界因素都可能引起误差，因此这种方法对 电子器件的要求较高。 4.5过零点电压比较法 设两个被测量 S = As in(4.21) U2 二 A2sin( t )(4.22) 4.23) 4.24) 4.25) U3 二U2-Ui = A2sin(，t J-Asin，t( 令Ai=A2=A即幅值相等，则 U3 =2As in C/2) cos(t / 2)( 当 t=0 时，U3 =Asin.，所以 :.二sin(U3/A)( 通过测过零点附近的电压差和电压幅值，即可求出。 过零点电压比较法的抗干扰能力加强，但是它所要求的条件十分

52、苛刻。两个正弦波 的相位差要小；两个正弦波的幅值要相等；两个正弦波的频率要相等；两个正弦波的谐 波分量要相等；测量时要将电压向量移相 900。 4.6基波相位分离法 在理想情况下，如设在试品两端的电压、电流表达式为 u sin( t ui)(4.26) i - I1 sin(- t i1)(4.27) 式中：u1 i1表示电压、电流基波初相角。由此可得介质损耗角一 n(u-i)。 2 但是在实际测量中，尤其是在线测量中，电压、电流中含有高次谐波分量。基波 相位分离法利用三角函数的正交性，通过将采样信号与基波频率的正弦样品函数进行周 期积分，消除了直流分量和谐波分量的影响，最终得到基波分量的幅值

53、和相位特殊信息。 设电压信号为u二U sin(7 S)，其中U为电压信号的幅值，为角频率，:为相 角。 人2 n皿 令A ucos td t =U sin u(4.28) 2n B usin td t=Ucos u(4.29) 则电压基波初相角的正切值tan u =，所以 B u -arctanA(4.30) B 设电流信号为i二I sin(t)，其中U为电压信号的幅值，为角频率，为相角 2 n C = 0 I cos，td，t = I n sin i (4.31) 2 n D Isin td t =丨 n 叭( 4.32) 则电流基波初相角的正切值tan匚=C，所以 D .arctan C

54、4.33) 在实际测量时，将式（4.28） （；i- ；：u） (4.29) (4.31) (4.32) 离散化 设米样间隔为 4.44) Ts,被 测信号的基波周期为T,且T=NT,贝U有 N A A u(k)cos( k z0 N） N J B u(k)s in( k=0 N) (4.45) N C 八 u(k)cos( k =0 N J D -i(k)sin( k=0 2叫 N ) (4.46) U（k）为采样点k上的电压值，遡乍）、（号）分别为采样点k上的基波正弦、余弦 样品函数值，他们已作为常量数据存放在存储单元中。所以 nn （1 fu） （arctan arctan ）（4.47

55、） 22BD 基波相位分离法实现起来硬件电路简单，采样点数越多的，测量精度越高，同时克 服了一般测量中高次谐波干扰带来的影响。但是这种方法要求电压、电流这两路信号采 集的同时性，并且必须保证在一个共频周期内均匀采集到整数个点（即电压、电流信号 周期必须是采样间隔的整数倍），如果达不到，则会引起较大误差。因此在此法的基础 上引进一种新的算法一一即采用等时间间隔对电压、电流信号进行采样，同时对信号周 期波动产生的误差进行补偿，也就是非同步采样算法。 4.7介质损耗角的异频检测 异频检测是由国外引进的一种新的抗干扰方法。其原理是在介质损耗测量过程中， 试验电源频率偏离干扰电源频率（主要是共频电源的干

56、扰），通过频率识别或滤波技术, 排除干扰频率的影响。 5基于基波相位分离法的非同步采样补偿算法 设Ts（采样时间间隔）不变，但T = NTs，设T=（N M e）TS，其中M为整数，M輕：N， e为正的纯小数，M、e反映了信号周期的波动9。当M =0、E=0时为同步采样。 设电压信号为u二U sin（7 ，其中U为电压信号的幅值， 为角频率，为相角。 2 n A = ucos td t =U n sin u (5.1) ，为角频率，为相角 2 n B = j usin td t =U n cosu 设电流信号为i =1 sint ：），其中U为电压信号的幅值, 2 n C = I cos td

57、 t = i n sin i 2 n D isin td n co (5.2) 对上面算式离散化，得 N:：；M 1 A 二、u(k)cos( K =0 2n N M -e k) eu(N M )cos(2 n ) 5.3) N -M d B 二u(k)sin( K =0 2 n N M -e k) eu(N M )sin(2 n ) 5.4) N:：Ml 7 i(k)cos( K 2n N M -e k) ei(N M )cos(2 n ) 5.5) N -M J D 八 i(k)sin( K =0 2n N M -e k) ei(N M )sin(2 n ) 5.6) 式中：等式右边第一项

58、为 N+M个采样值与样品函数的乘积和，第二项为采样间隔小数 部分的乘积项。由公式（5.3） （5.4） （5.5） （5.6）可见，与同步采样相比，A、B、C、D 中不仅是多了几个乘积项，各采样点处的样品值也发生了偏差。利用泰勒级数，省去高 阶项，有以下近似等式成立： 2n k cost e ):cos t 2 n 2 k .2 k2妖、丄 2 冗M+e)k )_()sin( ) ： cosf )sin N N M e N NN N2 N) sin(代 W ( 2 k N M e ,in津）_亠骨cos N N2 k、 N) (5.7) 将公式（5.7）代入式（5.3）中得 N2 Af(k)c

59、os竽)2 譽 /I u(k)sin(普)ei(N M)二匚化隔令) 7N N 7N7N 、u(k N )cos( 2nk) 2nM2 e)p k u(k)s in( 2 *)、k u(k N)si n( 2 水) 7NNk卫Nk 卫N (5.8) eu(N M) 由于MvvN,式(5.8)方括号中第二项与第一项相比很小，且方括号外面又有一个很小 的系数，因此可将该项略去。从而得到 N丄2* A 二、u(k)cos( k-0 扎5)哄普)+2讪+ e) N kjN N2水 ku(k)sin() eu(N M) ( 5.9) yN 将公式(5.7) 代入式(5.4)中得 N M 1 B 八u(k

60、)sin(-) kgN 2 n k u(k)cos()二 N N.丄2水 二 u(k)sin()亠一 u(k N)sin( k 0N 2 nM+ e)Fk k N2 2水 N 2水 M 4 u(k)cos( ) k u(k N)cos(j2nk) k=0N (5.10) 同上面的化减方法可得 N1 2 nk B 八 u(k)sin()- 工 u(k N )sin( k =0Nk =0 2 nk2 n M e) N2 、ku(k)cos(2 水 k=0 N)( 5.11) 同理可得 2妝 M -12 .k2nM+ a)” C = i(k)cos) i(k N)cos(=)ki(k)sin( )