介質損耗角檢測系統的研究與設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 一種基于 G 語言（Graphics Language,圖形化編程語言）的測試系統軟件開發平臺。虛擬儀器技術作為測試工程的一個新的研究方向，推動了測試技術的整體發展。LabVIEW 并不局限于虛擬儀器的開發，它的作用是為了大型復雜測試系統提供通用的軟件開發平臺。目前，LabVIEW 已經成為測試領域應用最廣泛和最有前途的軟件開發平臺之一。 LabVIEW 的發展自 NI 公司 1986 年正式推出 以來，經不斷改進和完善，現已發展至 版本，它包括控制與仿真、高級數字信號處理、統計過程控制、模糊控制、PDA和 PID 等眾多附加軟件包，可運行于 Windows、Linux、Macintosh 和 UNIX 等多種平臺，已成為測試界一種標準的軟件開發環境，廣泛應用于航空、航天、通信、汽車、電子半導體和生物醫學等眾多領域。不同領域的科學家和工程師都借助這個易學、易用的軟件來解決工作、工程中的各種測試應用課題。LabVIEW 已經成為目前應用最廣、發展最快、功能最強的圖形化軟件開發集成環境之一。 LabVIEW 的結構利用 LabVIEW 開發測試系統軟件，涉及兩個主要部分：前面板和流程圖（又稱程序框圖） 。前面板是指一些圖形化的測試界面，如圖所示，即測試程序開發完成后，用戶運行時所展現的各種測試交互接口，包括菜單、參數設置、結果顯示等。LabVIEW 前面板如圖 。圖 LabVIEW 前面板流程圖是指測試程序的內部運行結構，是測試系統結構、數據處理的流程，如圖所示。測試程序絕大部分工作是在流程圖中完成的。開發完成的測試程序在運行時流程圖是不可見的，它和文本式開發平臺（如 VC++）中的*.h、*.cpp 等文件的作用是一樣的，知識 LabVIEW 流程圖的開發是圖形化的，更簡單、高效、直觀。LabVIEW 流程圖如圖 。圖 LabVIEW 流程圖 LabVIEW 的優勢當今軟件日新月異，各種軟件開發平臺前涌后出。和大多數科學技術發展道路一樣，專業化已成為軟件發展的趨勢。用于測試工程的軟件開發平臺有很多，VC++、VB、Delphi 等傳統軟件開發平臺為眾多編程人員所熟悉，也可以用來開發測試軟件，但這種開發方式對測試人員要求很高，需要自己將各種數據處理方法用計算機語言實現，還要對用于數據通信的各種連接總線（如 RS23GPIB、USB 等）非常熟悉，絕大多數測試工程人員難以做到，或者需要花費大量的時間來研究，而懂得這些編程方法的人員又不一定懂得測試，因此用這種平臺開發測試工程軟件難度大、周期長、費用高、可擴展性差。順應形勢的發展，一些專業測試開發平臺紛紛推向市場，如 HPVEE、組態軟件平臺、TPS 平臺等，但這些平臺的專用性太強，可擴展性、通用性比較差。NI 公司作為測試領域最指明的公司之一，LabWindows/CVI 和 LabVIEW 是其推出的兩款專業測試軟件開發平臺。前者基于 C 的文本式編程，適合熟悉 C、C++編程的測試軟件開發人員使用；后者是 NI 公司開發的測試軟件旗艦產品，是圖形化編程環境的引領者，是測試軟件開發的趨勢。概括的說，LabVIEW 作為測試軟件開發平臺有如下特點和優點：（1）圖形化編程環境。LabVIEW 的基本編程單元是圖標，不同的圖標表示不同的功能模塊。用 LabVIEW 編寫程序的過程也就是多個圖標用連線起來的過程，連線表示功能模塊之間存在數據的傳遞。被連接的對象之間的數據流控制著執行程序，并允許有多個數據通路同步運行。其編程過程近似人的思維過程，直觀易學，編程效率高，無須編寫任何文本格式的代碼，易為多數工程技術人員接受。（2）可重用性高。LabVIEW 繼承并發展了結構化和模塊化程序設計概念，使測試程序能夠很好地體現分層性、模塊化，即可以把任意一個測試程序當作頂層程序，也可將其當做其他測試程序的子程序，這樣用戶就可以把一個復雜的應用任務分解為一系列、多層次的子任務。通過為每個子任務設置不同的功能，并將這些測試子程序進行適當的組合、修改、交叉和合并等，就可以在頂層最終建成一個所有應用功能的測試系統（3）開發功能高效、通用。LabVIEW 是一個帶有擴展功能庫和子程序庫的通用程序設計系統，提供數百種功能模塊（類似其他計算機語言的子程序或函數） ，包括算術運算、函數運算、信號采集、信號輸出、數據存取、信號分析處理、數據通信等功能模塊，涵蓋了測試的各個環節，用戶通過拖放及簡單的連線，接可以在極短的時間內設計好一個高效而使用的測試軟件，再配以響應的硬件就可以完成各種測試任務。這樣既節約了時間，又可提高測試的可控制性及測試速度。（4）支持多種儀器和數采硬件的驅動。LabVIEW 提供了數百種儀器的源碼級驅動程序，包括 DAQ、GPIB（IEEE488） 、PXI、VXI、RS232 ，根據需要還可以在LabVIEW 中自行開發各種硬件驅動程序，也可以通過動態鏈接庫（DLL）利用其他語言開發函數庫，從而進一步擴展其功能。（5）查錯、調試能力強大。LabVIEW 的查錯、調試功能也非常強大。程序查錯無須先編譯，只要有語法錯誤，LabVIEW 就會自動顯示并給出錯誤的類型、原因及準確位置。進行程序調試時，既有傳統的程序調試手段，如設置斷點、單步運行等，又有獨到的高亮執行工具，就像電影中的慢鏡頭一樣，使程序動畫式執行，利于設計者觀察程序運行細節。同時可以在任何位置插入任意多的數據探針，程序在調試狀態下運行時，LabVIEW 會給出各探針的具體位置，通過觀察數據流的變化情況、程序運行的邏輯狀態，就可以來尋找錯誤、判斷原因，從而大大縮短程序調試時間。（6）支持多種操作系統。LabVIEW 支持多種系統平臺，在任何一個平臺上開發的LabVIEW 應用程序都可以直接移植到其他平臺上。（7）網絡功能強大。LabVIEW 支持常用網絡協議，如傳輸控制協議（TCO/IP）和用戶數據報協議（UDP） ，方便網絡、遠程測控系統的開發。（8）開放性強。LabVIEW 具有很強的開放性，是一個開放的開發環境，能和第三方軟件輕松連接，通過 LabVIEW 組件、ActiveX、DLL等相連，可以和 MATLAB 混合編程，也可以在 LabVIEW 中創建能在其他軟件環境中調用的獨立執行程序或動態鏈接庫。4 介質損耗角檢測的方法 電橋法電橋法歷史悠久，具有較高的靈敏度。典型代表是西林電橋 [7]。用交流電橋平衡時，比較橋臂阻抗即可得到被測參數。測量原理圖如圖 所示。 Cx Rx Cn G U2 U1 R3 C4 R4 圖 西林電橋測量介質損耗角原理圖圖 中，C x、R x 為被測試品阻抗；C n 為標準電容器容抗；C R 4 為標準可變電容和固定標準電阻并聯阻抗；R 3 為可調標準電阻； G 為靈敏電流記根據電橋原理可得： Z3Zn=ZxZ4 () 其中，Z x 為被測試品阻抗；Z n 為標準電容器的容抗； Z3 為標準電阻；Z 4 為標準可變電容 C4 和固定標準電阻 R4 并聯阻抗。因此可得： Z3=R3 Zn= 1jnC?() Z4= = ()4j1C??4j被試品阻抗 ZX 可以等值為電阻與電容串聯，也可以等值為電阻與電容的并聯。(1)當 Rx 與 Cx 串聯時,有ZX= = ()XCR?j1?XRj將以上各阻抗值代入式()中= ()?????????????4j1j1RX34jC?經整理，根據復數運算規律，實部=實部，虛部=虛部，可得 ()4Xn3nCR?????RX=R3C4/Cn從串聯等值電路可知，其介質損耗因數 的公式為 ta? tanxCR???()將式()代入式()，得 4tanCR???()（2）當為并聯等值電路時，其公式計算方法與上述同，亦可得出公式CX=C0R3/R4 () 4tan???() 電橋法的優點是較準確，可靠。但是要求比較嚴格，工藝煩瑣，并且監測前要對低壓橋臂（R C R 4）進行調整，使 G 指向零點，所以增加了操作的復雜性。 伏安法 基本原理是根據被測試品的端電壓向量和流過被測試品電流向量之比，可得到被測試品的阻抗向量，根據 Zx 的實部和虛部，進一步計算求得介質損耗 。tan? 自由軸法 自由軸法測量介損角的原理圖如圖 所示。U4 US U2 Ux U3 U1圖 自由軸法測量介損角原理圖設加在試品上的電壓信號 ()sinXMt??試品上的電流信號轉為電壓信號 ()si()SUt??當把它們在 t0 時刻的向量作為參考向量時有 (). 00cossinXMXMtjt?? (). ()()S S????則 ()102340sin(π/2)i/s()XMSUtt???? ().?? ()1324tan???可得到介質損耗角 。?由于 US 的相對位置以及它們的模不變，所以 是固定的。用軟件方便實現對tan?向量在 X 軸、Y 軸數據上的采集，硬件構成簡單，使復雜的測量系統簡單化，便于實現。使用這種方法明顯優于電橋法。但由于影響電力設備介質損耗角的變化的因素有很多，例如：溫度、頻率、電壓等，并且波形不準、外界電磁場的干擾、元件的誤差都會造0t?成測量不準。所以要增加許多措施來減少這些誤差。 相位差法設加在試品上的電壓、電流信號分別為 ()()sin()MuutUt???? ()iiI則 ()π/2()π/2iu????利用采樣電路測出電流和電壓的過零點，通過邏輯轉換形成一定寬度的時間信號，并且脈沖寬度反映相位差，最后通過測量方波的寬度來求出試品的介損值。相位t?差法的原理圖如圖 所示。tt t t? t圖 相位差法原理圖 相位差法在國內應用比較廣泛，其優點是不更改設備的運行情況，直接測出 ,tan?但是利用相位差法測量 的過程中，誤差來源多，如頻率的變化有可能造成很大誤差，?U(t)I(t)電壓互感器引起的固有相差、信號中諧波的影響、兩路信號在處理過程中存在時延差、整形波形引起的誤差，并且還有溫度等其他外界因素都可能引起誤差，因此這種方法對電子器件的要求較高。 過零點電壓比較法