基于虚拟仪器的传感器性能测试系统

赵鹏程， 苏靖棋, 徐振宇

(1.华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206；

2.北京四方继保自动化股份有限公司，北京 100085)

0 引 言

虚拟仪器(virtual instrument,VI)是20世纪80年代末由美国国家仪器公司提出的新的仪器概念，它是计算机技术、测量仪器技术和软件技术高速发展共同孕育出的一项革命性新技术[1]。虚拟仪器是指通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来，用户可通过友好的图形界面操作计算机，就像在操作自己定义、自己设计的单个仪器一样，从而完成对被测量的采集、处理、分析、判断、显示、数据存储等[2]。虚拟仪器技术的广泛应用起源于各行各业的测量和测试系统，无论是对电气量，还是对非电气量都可以进行测量[3，4]。虚拟仪器在电力系统中的相角测量、参数测量与分析、设备校验与测试、状态监测等领域也有着广泛的应用[5]。

本文结合傅里叶级数算法和软件滤波技术，设计了基于虚拟仪器技术的测试系统，对传感器的性能进行验证，同时通过对电流传感器性能的验证实验证明本测试系统能较好地检测传感器性能。

1 傅里叶级数算法

傅里叶级数算法的基本思路来自傅里叶级数，算法本身具有滤波作用。它假定被采样的模拟信号是一个周期时间函数，除基波外还含有不衰减的直流分量和各次谐波[6]，它表示为

(1)

式中n=0,1,2…;an和bn分别为各次分量的正弦和余弦项的幅值，其中,b0为直流分量的值，a1,b1分别为基波分量的正、余弦项的振幅。

根据傅氏级数的原理，可以求出a1,b1分别为

(2)

(3)

其中，x(t)中的基波分量经三角变换可写为

(4)

(5)

(6)

在计算机计算时，式⑵、式⑶的积分可以用梯形法近似计算。设采样周期Ts=2π/N，N为一个基波周期的采样点数，xk为第k次采样值(k=0,1,…,N)，则式⑵、式⑶可以表示为

(7)

(8)

式中x0,xN分别为k=0和k=N时的采样值。

傅氏算法本身具有较强的滤波作用，它能把基波与各次谐波分开，能完全滤掉各种整次谐波和纯直流分量，对高频分量和按指数衰减的非周期分量所包含的低频分量也有一定的抑制作用。系统通过采集卡采集传感器输出模拟量，利用傅氏算法计算基频分量的幅值。

2 测试系统总体设计

传感器性能测试通过数据采集卡采集传感器二次侧的输出信号，对信号进行分析和处理，当传感器一次侧的信号发生微弱变化时，传感器应能感知信号的变化情况，其二次侧的信号也应发生变化，通过虚拟仪器分析变化前后的信号值，对传感器的性能(线性度、分辨率、灵敏度等)进行评估，以达到测试的目的。

图1为测试系统的系统结构图，系统主要由测试用传感器、信号调理部分、多功能数据采集卡和计算机等部分组成。

图1 系统整体结构

虚拟仪器采用美国NI公司的PXI—1042Q，用于采集和处理数据。输入信号来自传感器的二次侧，其中可能含有部分的干扰信号，可通过软件滤波进行过滤，传感器输出通过SCB—68接线盒与数据采集卡相连，数据采集卡采用美国NI公司的 PXI—6289，NI PXI—6289是一种高精度多功能M系列数据采集板卡。

3 系统软件

本系统的软件通过基于图形化编程语言(G语言)LabVIEW[7]来实现。采集到数据后通过软件对数据进行滤波、分析、判断、计算等。系统主模块实现初始化操作和数据采集任务，对于正余弦周期型信号，通过调用子模块中的傅氏算法求解出信号的各系数，最终求解信号的幅值；直流信号可直接滤波(均方根法滤波)或者以其他滤波方式(可自选)，滤波后的信号值为其幅值。数据采集设置采样信息包括采样频率和采样点数，数据采集模块获取数据采集卡采集到的信号，采集的信号在波形图中显示。

傅式算法子vi作为单独的子模块实现，算法程序框图如图2所示。

图2 傅氏算法程序框图

将主模块中采集到的数据传到傅式算法子vi中求系数，最终在主模块中利用公式节点解出幅值和有效值，在系统前面板中使用波形图表显示并记录前期已测数据的幅值，并连续观测信号的幅值变化情况，最后通过调用结果分析子模块对信号的幅值变化情况进行分析。对于直流信号，将滤波后的信号加入计算结果中进行分析和处理。系统通过前面板的停止按钮控制，采集和处理后的数据保存在计算机中。系统流程图见图3所示。

图3 测试系统流程图

4 实验结果

通过电流传感器(DSH—CT10A/10 mA)感应电流i作为测试系统信号源进行验证。采用虚拟仪器的信号输出作为源(交流50 Hz)，虚拟仪器信号输出DA为16位，可输出稳定信号，通过程序控制信号源输出。负载电阻为440 Ω，通过改变虚拟仪器采集卡的输出信号幅值，回路中电流发生变化，传感器感应知线路的电流变化，以此验证传感器性能。传感器二次测连接与一次侧连接阻值相同的负载，由于采集卡采集的是电压信号，因此,需要将传感器输出的电流信号转换为电压信号，采集卡采集传感器负载端的信号，并将信号输出至计算机进行分析处理。图4为数据采集卡采集到的传感器输出的信号。传感器一次测阻抗值远小于负载电阻可忽略不计，当回路中电流会发生微小变化时，传感器感知此变化并将信号通过采集卡输入计算机中，通过测试系统程序分析，从而测试验证传感器的性能是否到达预期要求。

图4 传感器输出信号

图4中(a),(b),(c)的采样率分别为1,10,100 kHz；采集卡每次采集5个工频周期数据，傅里叶级数算法对于同频率的信号在不同的初相位计算得到的有效值不变，因此,可从中选取一个工频周期的数据利用傅里叶级数算法计算幅值。

傅氏算法对数据进行运算求出传感器输出信号的幅值，其运算结果在波形图中显示，连续监测幅值变化最终评估传感器的性能是否符合要求。信号源从1～5 V等间隔变化时，不同采样率(1，10，100 kHz)的传感器输出信号幅值变化情况如图5所示。

图5 幅值变化情况

由图5可知，当电流发生微小变化时，电流传感器能敏感的监测到信号的变化，同时看出对于不同的采样率，通过算法计算得到的幅值精度也不同，采样率越高，计算得到的幅值越稳定，可辨别微小的变化情况，对传感器性能评估效果也越好；反之,低采样率得到的幅值振动较大，微小的变化也将难以辨别。通过性能评估模块证实该传感器具有很好的分辨率和灵敏度。

由上述结论，由针对100 kHz采样率，对图5 中(c)进行分析和评估，当源输出电压幅值在1～5 V等间隔变化时，采集得到传感器二次侧的输出幅值如表1所示。

表1 输出与输入幅值

由于两侧负载相同，可通过电压幅值变化对电流传感器灵敏度计算。通过评估模块分析计算得到实验传感器灵敏度为0.001±4×10-6，误差为0.4 %，同时改变信号源幅值对传感器分辨率进行测试，变化量Δy为1,0.1,0.05,0.04,0.03,0.02,0.01 V。多次实验计算得到实验电流传感器分辨率为0.05 mA。实验结果如图6所示。

图6 幅值变化图

5 结 论

本文设计了基于虚拟仪器的测试系统，实验验证表明:该系统能检测传感器的敏感度和分辨率等性能；实验传感器灵敏度测试结果为0.001±4×10-6，分辨率为0.05 mA,受到外界干扰和采集卡输入输出精度的影响，测试误差约为0.4 %;同时测试过程中可以看出：采集卡采样率对测

试结果也有重要影响，采集卡采样率设置越高，监测到的信号处理后变化情况越明显，信号幅值的振动也越小。

参考文献:

[1]潘莹玉.虚拟仪器及其应用[J].电力自动化设备,1999,19(1):44-46.

[2]路亚峰,陈义军,温新岐,等.虚拟仪器技术研究现状与展望[J].理论与方法,2010,29(11):35-37.

[3]秦树人.虚拟仪器——测试仪器从硬件到软件[J].振动测试与诊断,2000,20(1):1-6.

[4]陈隆道,周 箭,许 昌.虚拟仪器——测试技术的新领域[J].科技通报,1999(1): 24-29.

[5]艾 欣,杨以涵,周孝信.虚拟仪器技术及其在电力系统中的应用[J].电力系统自动化,2001(15):54-57.

[6]杨奇逊,黄少锋.微型机继电保护基础[M].北京:中国电力出版社,2007.

[7]郑对元.精通LabVIEW虚拟仪器程序设计[M].北京: 清华大学出版社,2012.