郭洪巖，何慧，張秀勇，馬炎，杜雨豐，李俊簫，賈超

(北京振興計量測試研究所，北京100074)

0 引言

型號用特種交流電源是為特殊負載或場合而設計的，給特定型號產品供電的專用交流電源。由于型號用特種交流電源對電壓、電流和頻率穩(wěn)定度、帶載能力、紋波、相位以及失真度有特殊要求，使得在檢定此類電源時要比普通電源有更特殊甚至更嚴格的要求。

近年來，越來越多的特種交流電源被廣泛應用在國防武器裝備嚴重過程中，為各型號武器裝備提供持續(xù)穩(wěn)定、合乎要求的能量，是各型號設備不可或缺的“心臟”，在武器裝研制生產中具有重大作用。任何型號設備都需要供電，但是這種供電不是一般意義上的供電，由于其自身負載特殊或其所處場合特殊，普通電源無法滿足供電要求，這就需要采用經過特殊設計的電源。例如，某型號彈上電源變換器的研制、生產過程中就必須用到雙組三相中頻電源。電源變換器是武器裝備中不可缺少的關鍵部件，其功能主要是把裝備自身發(fā)電機產生的雙組三相中頻電整流成直流電，進而給裝備各模塊供電。所以電源變換器的質量關系到整個武器系統(tǒng)的質量。而某型號雙組三相中頻電源是生產、調試電源變換器的重要設備，對其進行定期周檢是保證其性能指標的重要手段。因此，型號用特種交流電源現(xiàn)場便攜式檢定裝置對整個武器系統(tǒng)起著至關重要的作用。

某型號雙組三相中頻電源體積大，且多安裝在武器裝備研制現(xiàn)場，在武器裝備研制過程中，根據(jù)研制進度和試驗需求，經常需要對中頻電源進行測試或計量。目前使用的檢定電源的標準儀器主要有臺式數(shù)字多用表、示波器、音頻分析儀，這些儀器體積和重量較大，不便于開展現(xiàn)場計量工作;且各個標準設備彼此之間接線較多且復雜，對計量過程準確性、可靠性和安全性有一定影響。因此，研制現(xiàn)場便攜式檢定裝置是十分有必要的。

1 方案設計

1.1 硬件設計

1.1.1 組成和原理

型號用特種交流電源現(xiàn)場便攜式檢定裝置的硬件基于PXI平臺開發(fā)，所用的硬件有:PXI機箱、PXI控制器、PXI數(shù)字多用表、PXI數(shù)字化儀(俗稱PXI示波器)以及交流負載。

本論文所采用的PXI總線是目前主流的虛擬儀器總線技術，其模塊化儀器的特性非常適合用于現(xiàn)場測量環(huán)境，并且易于系統(tǒng)集成。由PXI儀器設備等組成的平臺是業(yè)內領先的自動化測試與控制平臺。與基于傳統(tǒng)儀器組成的測試平臺相比，PXI測試平臺的測試效率更高，體積更小，成本更低，便于維護。型號用特種交流電源現(xiàn)場便攜式檢定裝置檢定原理圖如圖1所示。

圖1中被檢電源選擇檢定任務中所占比例較多的典型樣品ZPD-3中頻電源，該電源的輸出端通過航插和電纜連接到交流負載的輸入端，交流負載內部有電壓表和電流表，能夠實時測量交流電壓和交流電流(交流電壓也可用PXI數(shù)字表測量)，同時交流負載還帶有RS485接口，能夠接收上位機(PXI控制器)的指令進行測量，并將測量結果傳回上位機。

圖1 型號用特種交流電源現(xiàn)場便攜式檢定裝置檢定原理圖

1.1.2 硬件接口及電纜設計

型號用特種交流電源現(xiàn)場便攜式檢定裝置PXI機箱部分的硬件接口采用PXI板卡自身的接口，其中數(shù)字表模塊采用標準香蕉插座，從被檢電源輸出端通過香蕉插頭線可連接到PXI數(shù)字表模塊，進行交流電壓和頻率測量;示波器模塊采用標準BNC插座，從被檢電源輸出端通過示波器探頭可連接到PXI示波器模塊，進行失真度和相位測量。這樣可以避免因多次接線引入的噪聲信號以及有用信號的衰減，還可節(jié)省重復制作接口增加的額外成本。型號用特種交流電源現(xiàn)場便攜式檢定裝置交流負載部分的硬件接口采用航插加電纜的方式，所有的電纜靠近交流負載端都采用同樣的與負載相匹配的航插，另一端則采用與被檢電源相匹配的航插。通過設計制作不同的電纜，保證每一臺被檢電源都有相應的電纜可供連接至負載進行檢定。

1.2 軟件設計

1.2.1 軟件概述

本論文的PXI總線平臺運行Windows 7操作系統(tǒng)，可以使用各種通用的應用軟件與編程語言，如Lab-VIEW，C，C++等，考慮到軟硬件要結合緊密，以及軟件開發(fā)效率，本文的編程語言選用LabVIEW圖形化編程語言，該技術途徑可以實現(xiàn):

1)對硬件接口(GPIB接口、串口、LAN接口等)具有良好的支持性;

2)具有模塊化的編程方式，可以靈活地實現(xiàn)軟件功能配置;

3)具有強大的圖形化處理功能，在信號采集、處理以及波形顯示、分析方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。

型號用特種交流電源現(xiàn)場便攜式檢定裝置的程序流程圖如圖2所示。

圖2 型號用特種交流電源現(xiàn)場便攜式檢定裝置程序流程圖

PXI控制器運行型號用特種交流電源現(xiàn)場便攜式檢定裝置軟件，通過RS485接口與交流負載通信，整個檢定過程如下:

1)用合適的航插和電纜將被檢電源輸出端連接到交流負載的輸入端，確認無誤后開機上電。

2)運行型號用特種交流電源現(xiàn)場便攜式檢定裝置軟件，發(fā)送指令控制交流負載設置模式，比如設置為115V/7A。

3)發(fā)送指令控制交流負載測量空載電壓，回讀測量值，并將測量值存入計算機緩存區(qū)。

4)發(fā)送指令控制交流負載加載，測量滿載載電壓和電流，回讀測量值，并將測量值存入計算機緩存區(qū)。

5)用本軟件創(chuàng)建的公式計算出負載調整率。

6)從被檢電源輸出端通過示波器探頭連接到PXI示波器模塊，進行失真度測量，并暫存測量值。

7)從被檢電源輸出端通過香蕉插頭線連接到PXI數(shù)字表模塊，進行頻率測量，并暫存測量值。

8)通過自動檢測軟件，將計算機緩存區(qū)的測量值寫入檢定記錄對應的表格中，最終生成檢定記錄和證書。

1.2.2 相位測量軟件

三相中頻電源在航空器材的生產調試中不可或缺，其三相相電壓間相位是衡量三相供電系統(tǒng)平衡供電的重要指標，相位測量是三相中頻電源的重要測量項目之一。目前，國內外用于測量電壓間相位的方法主要是三電壓表法和過零鑒相法。三電壓表法只需用到數(shù)字電壓表，但相位測量精度有限;而以過零鑒相法為原理的儀器主要有示波器和相位計等。示波器靠人眼讀取兩波形過零點時刻，這樣帶入了較大的人眼讀數(shù)誤差，使得整體精度不高，而且體積和重量較大，不便攜帶。相位計精度較高，但是價格昂貴，而且對使用環(huán)境要求高，一般只適合在實驗室使用，此外，較大的體積和重量同樣影響其便攜性。

目前，數(shù)字化儀(即PXI示波器模塊)分辨率高、準確度高、線性好，是使用過零鑒相法測量相位的首選。本系統(tǒng)采用NI公司生產的基于PXI總線的PXI-5124型數(shù)字化儀是其中的典型代表，具有150 MHz帶寬，200 MS/s的實時采樣率，以及雙通道12Bit分辨率，準確度高、線性好，完全滿足本論文要求。軟件基于LabVIEW平臺開發(fā)，測量方法為過零鑒相法，并據(jù)此設計軟件算法，最終實現(xiàn)對三相中頻電源任意兩相之間相位的自動測量，具體設計過程如下:

1)配置數(shù)字化儀的兩個通道同時采集信號;

2)編程尋找信號A幅值過零時刻點t1;

3)編程尋找信號B幅值過零時刻點t2;

4)計算t2與t1的時間差并除以周期T再乘以360得到相位角;

1.2.3 失真度測量軟件

失真度是表征交流電信號的一項重要指標。由于整個電網存在大量的感性負載，以及交流電源本身大量采用的非線性元器件，使得輸出的交流電帶有大量的諧波成分，所以在電源輸出端必須加濾波電路，失真度測量就是衡量濾波效果好壞的核心方法。

基于PXI總線的失真度測量系統(tǒng)體積小、精度高、價格適中，具有良好的便攜性和環(huán)境適應能力，尤其適用于現(xiàn)場計量，而且通過控制主機能夠與其他的設備通信，接收指令進行程控操作，并將測量數(shù)據(jù)上傳至上位機。

失真度測量基于PXI總線的PXI-5124型數(shù)字化儀，具有150 MHz帶寬，200 MS/s的實時采樣率，軟件基于LabVIEW平臺開發(fā)，測量方法為頻譜分析法，并據(jù)此設計軟件算法，具體設計過程如下:

1)配置數(shù)字化儀的一個通道采集信號;

2)根據(jù)采集的信號選定相應的窗函數(shù)并加窗處理;

3)進行快速傅里葉變換(FFT)，并對各點相對于最大值進行歸一化處理;

4)編程尋找基波頻率點及其幅值;

5)在各諧波頻率點附近尋找最大各諧波幅值;

6)由失真度定義計算出失真度。

2 測量能力及結論

2.1 電壓和頻率測量能力

型號用特種交流電源現(xiàn)場便攜式檢定裝置的電壓和頻率采用七位半的PXI-4071數(shù)字多用表模塊測量，其電壓和頻率的測量準確度能夠達到0.01%，而被檢設備的電壓和頻率指標都處于0.5%至1%之間，根據(jù)計量標準與被檢設備的三分之一法則，即計量標準的準確度等級應小于等于被檢設備準確度等級的三分之一，可知本裝置的電壓和頻率測量能力完全能夠滿足要求。

2.2 電流測量能力

型號用特種交流電源現(xiàn)場便攜式檢定裝置的電流采用交流負載上的五位半電流表測量，其電流測量準確度能夠達到0.1%，而被檢電源的電流指標都大于等于1%，同樣根據(jù)計量標準與被檢設備的三分之一法則，可知本裝置的電流測量能力完全能夠滿足要求。

2.3 相位測量能力

通過采用兩臺美國福祿克公司生產的9100型多功能校準源作為相位標準，產生具有一定相位角的同步信號u(A)和u(B)，同時以400 Hz為中心頻率選取6個頻率點(10 Hz，50 Hz，100 Hz，400 Hz，500 Hz，1 kHz)進行測量，相位測量結果如表1所示。

表1 相位測量結果

由表1可見，10 Hz頻率點相位誤差在0.3°以內，其他頻率點相位誤差在0.2°以內，而被檢電源的相位指標都大于等于2°，說明基于PXI-5124型數(shù)字化儀開發(fā)的相位自動測量系統(tǒng)準確度高，穩(wěn)定性好，頻率響應較好，完全能夠實現(xiàn)對型號用特種交流電源相位的測量，同時能夠滿足10 Hz～1 kHz中頻帶較高精度的相位測量要求。

2.4 失真度測量能力

本裝置失真度測量能力驗證所用標準信號源名稱為:低失真度測量儀檢定裝置，型號為:DSJ-90A，生產廠家為:浙江省計量測試技術研究所。對比的標準測量設備為美國安捷倫公司生產的8903B型音頻分析儀。

表2 失真THD(%)測量結果

由表2可見，各頻率點的失真度測量準確度都在0.5%以內，最常用的400Hz、3%點甚至達到了0.03%，部分點還優(yōu)于8903B，說明基于PXI-5124型數(shù)字化儀開發(fā)的失真度自動測量系統(tǒng)準確度高，穩(wěn)定性好，頻率響應較好，完全能夠實現(xiàn)對型號用特種交流電源失真度的測量，同時能夠滿足10Hz～100kHz頻帶較高精度的失真度測量要求，具有較好的應用前景。

3 結束語

本文介紹了型號用特種交流電源現(xiàn)場便攜式檢定裝置設計方案，硬件基于PXI總線儀器，軟件基于LabVIEW平臺開發(fā)，實現(xiàn)對型號用特種交流電源的現(xiàn)場檢定，并且操作簡便、省時省力，使檢定時間縮短，效率提高，這對保證軍用電源的檢定質量、提高工作效率、減輕勞動強度具有重要意義。

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