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        衰減振蕩波振蕩頻率的測量不確定度分析

        2016-05-14 13:30:47孫晶星許金祥孫睿陽
        山東工業(yè)技術(shù) 2016年4期

        孫晶星 許金祥 孫睿陽

        摘 要:目的:介紹衰減振蕩波振蕩頻率測量不確定度分析和評定過程。方法:結(jié)合實(shí)例,討論阻尼振蕩波振蕩頻率主要的不確定度來源。結(jié)果:針對振蕩頻率為100kHz的阻尼振蕩波,水平時間刻度分別取2μs/div、4μs/div及5μs/div時,振蕩頻率的相對擴(kuò)展不確定度分別為1.63%、3.24%及4.05%。結(jié)論:測量振蕩頻率時應(yīng)當(dāng)盡可能使振蕩周期波形完全展開在示波器屏幕上,可以減少人員讀數(shù)引入的不確定度。

        關(guān)鍵詞:衰減振蕩波;阻尼振蕩波;振鈴波;振蕩頻率;不確定度

        DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.010

        1 引言

        衰減振蕩波包含阻尼振蕩波和振鈴波兩大類:出現(xiàn)在設(shè)備端子上的阻尼振蕩波主要是在電廠、高中壓變電站及重工業(yè)設(shè)備中由于開關(guān)操作出現(xiàn)重復(fù)而引起的;振鈴波是一種由于電氣網(wǎng)絡(luò)和電抗負(fù)載的切換以及電源電路故障和絕緣擊穿或雷擊而感應(yīng)到低電壓電纜中所產(chǎn)生的典型的震蕩瞬態(tài)現(xiàn)象,通常出現(xiàn)在供電網(wǎng)絡(luò)(高壓、中壓、低壓)以及控制、信號線中。

        阻尼振蕩波發(fā)生器和振鈴波發(fā)生器是電磁兼容抗擾度試驗(yàn)中用到的試驗(yàn)儀器之一,廣泛應(yīng)用于研發(fā)、制造等部門。兩者都是主要由直流高壓發(fā)生器、充電電路、振蕩電路線圈、阻抗轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)、控制及信號顯示等部分組成(內(nèi)置單相/三相電源線耦合/去耦網(wǎng)絡(luò))。

        運(yùn)行狀態(tài)下的電子電氣設(shè)備和系統(tǒng)遭受阻尼振蕩波或振鈴波的干擾,可能影響可靠運(yùn)行,因此有必要對其進(jìn)行阻尼振蕩波和振鈴波抗擾度實(shí)驗(yàn)。振蕩頻率是衰減振蕩波的一個基本參數(shù),本文討論校準(zhǔn)衰減振蕩波發(fā)生器輸出波形的振蕩頻率測量不確定度。

        2 測量原理與方法

        同連接待校準(zhǔn)阻尼振蕩波發(fā)生器、高壓差分探頭和示波器,按照差分探頭的衰減比例,可以估算所測電壓的大?。ㄈ纾捍W枘嵴袷幉òl(fā)生器輸出為+1kV,衰減比例×1000,那么輸入到示波器端口的開路電壓第一峰值電壓為+1V,示波器垂直分度選擇200mV/div)。調(diào)整示波器水平參數(shù)設(shè)置(如振蕩頻率選擇100kHz,水平分度選擇4μs/div或者5μs/div;如振蕩頻率選擇1MHz,水平分度選擇400ns/div或者500ns/div),讓波形的第一峰、第二峰、第三峰、第四峰完全顯示在示波器屏幕上,記錄阻尼振蕩波波形第三過零點(diǎn)與第五過零點(diǎn)之間的時間間隔[1,2],求倒數(shù)得到振蕩頻率。

        為了減小人員讀數(shù)誤差引入的不確定度,也可以調(diào)整水平參數(shù)設(shè)置(如振蕩頻率選擇100kHz,水平分度選擇2μs/div;如振蕩頻率選擇1MHz,水平分度選擇200ns/div),讓波形的第二峰、第三峰、第四峰完全顯示在示波器屏幕上,記錄阻尼振蕩波波形第三過零點(diǎn)與第五過零點(diǎn)之間的時間間隔,求倒數(shù)得到振蕩頻率。

        T1——上升時間(75 ns);

        T——振蕩周期(對于100 kHz,10μs;對于1 MHz,1μs)

        連接待校準(zhǔn)振鈴波發(fā)生器、高壓差分探頭和示波器,按照差分探頭的衰減比例,可以估算所測電壓的大?。ㄈ?.1中設(shè)置),調(diào)整示波器水平參數(shù)設(shè)置,讓波形的第一峰、第二峰、第三峰完全顯示在示波器屏幕上(如振蕩頻率100kHz,水平分度選擇2μs/div),記錄振鈴波形第二過零點(diǎn)與第四過零點(diǎn)之間的時間間隔[3,4],求倒數(shù)得到振蕩頻率。

        T1——上升時間(0.5μs);T——振蕩周期(10μs);

        示波器采樣方式設(shè)定。如果示波器采樣率足夠高,示波器可以選擇實(shí)時采樣方式(real-time sampling mode);一般情況下示波器都具有內(nèi)插值功能,測量正弦特征的脈沖波形,示波器應(yīng)當(dāng)選擇正弦插值方式(sin(x)/x interpolation)[5,6];而測量非正弦特征的脈沖波形,示波器應(yīng)當(dāng)選擇線性插值方式(linear interpolation)[5,6],并不是像文獻(xiàn)[7]中所論述的都需要使用正弦插值的方式。

        對于阻尼振蕩波和振鈴波而言,測試采用正弦插值方式。

        3 阻尼振蕩波發(fā)生器頻率測量結(jié)果不確定度的評定。

        3.1 建立數(shù)學(xué)模型

        式中:--被測發(fā)生器脈沖波形單個振蕩周期,也就是波形第三過零點(diǎn)與第五過零點(diǎn)之間的時間間隔。

        式中:T--示波器測得單個振蕩周期;

        --示波器時間間隔引入的影響量;

        --示波器采樣速率引入的影響量;

        --人員讀數(shù)引入的影響量。

        3.2 單個振蕩周期不確定度主要來源于以下幾個方面

        示波器測量時間間隔誤差引入的不確定度(包含示波器時基準(zhǔn)確度引入的不確定度),示波器采樣速率引入的相對不確定度,測量人員讀數(shù)引入的不確定度,重復(fù)測量引入的測量結(jié)果不確定度。其標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為:u1、u2、u3、uA;相對不確定度分別為u1rel、u2rel、u3rel、uArel。

        參考文獻(xiàn):

        [1]IEC61000-4-12:2002 Electromagnetic compatibility(EMC) Part 4: Testing and measurement techniques-Section 12: Oscillatory waves immunity test.

        [2]GB/T 17626.12-1998,電池兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 振蕩波抗擾度試驗(yàn).

        [3]Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-12: Testing and measurement techniques - Ring wave immunity test (IEC 61000-4-12:2006).

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