基于TDS系列示波器的动态能量测试系统

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基于TDS系列示波器的动态能量测试系统

摘  要：动态能量时域过程的捕捉与分析在工业过程监测和产品质量测试中有十分重要的意义和相当广泛的应用。本文介绍了一个以TDS1000/2000/3000B系列示波器为基础构成的动态能量测试系统。它已成功地用于汽油机点火技术特性；电机过渡过程；电容、电感、电池充放电过程等方面的动态能量时域过程的智能测试。
关键词：示波器；电压、电流探头；时域过程；动态能量

引言
    电能测量是一种成熟、常用而又重要的测试技术。它与能源利用、经济效益和环境保护等重大课题都紧密相关。但是，通常所指的“电能测量”，其测试对象一般是直流或工频电能量。他们都表现为稳态信号。其数值是不随时间变化或缓慢变化或周期变化的。一般来说采用各种电能计量仪表，按工业标准规定测量某些参数数值即可。但是随着科学应用和现代工业自动化技术的发展，在许多实验研究，工业过程及产品测试中，能量的变化不再是稳态过程，而表现为随时间变化的突发性、随机性和瞬时性，是典型的动态时域过程。在实际中这样的例子很多。例如，在工业过程的自动化控制中电机运行条件日趋复杂，表现为电机运行过渡过程的大量增加。即为了执行控制程序指令，电机必须频繁的启动、停车、变速、换向、加载、卸载等等。又比如储能器件（电容、电感及电池等）能量的充填与释放，往往表现为一个单次瞬态时域过程。再一个典型例子是汽油发动机的点火能量，它是一种占空比很小，脉冲沿十分陡峭并伴随有强电磁干扰的时域过程。尽管稳态能量和动态能量的测试理论是相同的，都是电压与电流在对应时刻上相乘得到功率后再对时间积分，但测试技术的难度和设备的复杂程度却大不相同。后者要求测试系统有足够的带宽，良好的动态响应和很强的抗干扰能力。同时对捕捉到的信息必须及时存储，然后分析、处理并获得电压、电流、功率和能量的时域波形，而不仅仅是某些时刻的参数值。要实现上述测试任务，目前没有现成的动态能量测试设备可供选择，需要自己结构测试系统。在各种方法中，其首选方案是：电压、电流探头+台式智能示波器+计算机+应用测试程序。其中，示波器的正确选用是关键因素。
    美国Tektronix公司在2002年推出了TDS1000系列、TDS2000系列数字存储示波器和TDS3000B系列数字荧光示波器。它们都属于中、低档价位的智能示波器，具有实时采样速率高、智能功能较全、可配程控接口、抗电磁干扰能力强、性价比好等共同特点。经过反复的比较和实验，这些示波器在动态能量测试中都有良好的稳定性、适用性和抗干扰能力。同时，还给用户提供了一个较大的价位选择空间。应该说，选择上述示波器用于动态能量时域过程测试是最佳方案之一。

    为了实验教学和工业产品测试的需要，我们构建了基于TDS1000/2000/3000B系列示波器的动态能量测试系统。经过长期测试，它已成功的用于电机过渡过程能量测试，电容、电感、电池的充放电能量测试、发动机点火能量测试。配以相应的传感器，这个测试系统还能用于某些非电量瞬态能量时域过程的测试，如相机快门的机械能、冲击温升的热能和快速运动物体的动能等等。有理由认为：这个测试系统有一定的实用价值和良好的应用前景。

测试系统构成及主要特点

    基于TDS1000/2000/3000B系列示波器的动态能量测试系统主要由电压、电流探头，TDS系列示波器，应用测试软件，计算机及其外围设备等组成。
    现以汽油机点火能量测试为例，说明测试系统的工作过程：首先高压探头将点火装置输出的脉冲高电压进行衰减后送给TDS系列示波器一个Y输入通道，而电流探头则将点火装置输出的脉冲小电流转换为相应的脉冲小电压输入到TDS系列示波器另一个Y输入通道。接着调整示波器的各项工作状态参数，及时、正确地捕获电压、电流时域波形，并存入相应的参考存储器中。最后借助应用测试软件把示波器捕获的数据传送给计算机并进行运算处理，以获得与能量相关的数据表和时域波形图。如果需要，则将所需信息硬拷贝输出或进行网络传输。
测试系统的结构框图如下：







  现对上面的测试系统结构框图简要说明如下：
1．被测装置与器件
    被测装置与器件主要是指产生电能量瞬时变化时域过程的被测对象。如：各类各型的汽油内燃机的点火装置；电动机过渡过程中功率、能量随时间的变化历程；各种储能器件（电容、电感、电池等）能量充填和释放过程的产品质量检测等等。其种类繁多、性状各异，无法细述。
2．电压、电流探极
    电压、电流探头主要完成电压变比、阻抗变换、差分输入、电压/电流变换、初次级隔离等功能。从而给示波器提供保真度高、幅值适当的电压信号。TEK公司提供了性能齐全的电压、电流探头及其系统。除了示波器标准配置的电压探头之外，还可以选用各种专用探头。如：P5200型高压差分探头、P6015A高压探头、AM503S电流探测系统、TCP202直流耦合电流探头等。
3．TDS系列示波器
    TDS系列示波器主要是指TDS1000系列、TDS2000系列数字存储示波器和TDS3000B系列数字荧光示波器。在智能示波器中，它们属于中低档层次的仪器。其采样速率从2GS/s到5GS/s，实时带宽从60MHz到500MHz，Y通道数为2到4个，有程度不同的智能功能并可以配置程控接口。更重要的是，在工作条件比较恶劣，现场存在较强的电磁干扰时，它们仍然能够稳定可靠地工作。这在汽油机点火特性和电机过渡过程的测试实践中已得到证实。我们曾做过多次实验，发现某些智能功能很强、价位很高的示波器在电磁干扰下会常常产生乱屏、死机等现象，无法正常工作。而动态能量的测试必须在现场进行，常常伴有较强共生和环境的电磁干扰。所以，抗干扰能力的优劣是选择示波器的首要因素之一。
4．应用测试软件
    应用测试软件的功能是实现示波器与计算机之间的数据传输，并对数据进行运算、分析和处理。我们知道，示波器捕获的仅仅是电压和电流波形。要获得能量信息则必须先把电压和电流波形逐点相乘，得到功率波形。然后再对时间积分，才能得到能量波形。一般的示波器测量软件虽然功能较全，但并不提供能量测试功能。为此，我们开发了具有完全自主知识产权的动态能量测试软件。其主要功能和特点是：它支持多种型号的示波器（TDS 200系列、TDS 1000系列  TDS 2000系列  TDS 3000B系列等）；使用最常用的计算机串口传输数据；它将示波器捕获的电压-时间数据传输到计算机中之后进行处理，生成电压、电流、能量、功率波形图和对应的数据表，并对波形图实现光标测量；还提供对应于测试数据的专用数据库和报表打印输出功能。可适用于汽油机点火技术特性及电机过渡过程，电容、电池充放电等动态能量时域信号等方面的测试。
5．计算机及其外围设备
    计算机的软硬件资源及其外围设备是运行应用测试软件和完成数据硬拷贝的基础。不必祥述。

三．测试数据及其分析
    使用以TDS系列示波器为基础的动态能量测试系统对汽油机点火特性、电动机过渡过程、储能器件的充放电波形完成了多次测量。对它们的能量时域过程进行了大量的实验研究。获得了众多的测试数据。下面给出几组典型的测试波形并进行简要分析。
       
图（2） 摩托车火花电压、电流波形图           图（3）动态能量测试软件主界面
  
   
图（4）汽车点火能量波形图            图（5）直流电机启动电压、电流波形图

    图（2）给出了摩托车点火线圈产生的次级高压击穿三极放电探针空气间隙，形成火花放电时捕获的电压电流波形。其电压峰值高达十几仟伏，电流峰峰值仅有四百毫安，持续时间不到三百微妙。是一个典型的瞬态小能量时域过程。电压波形是由P6015高压探头测得，电流波形由TCP202电流探头得到。使用TDS3012B数字荧光示波器，通过本机软驱获得上述波形。
    图（3）、图（4）是用我们开发的动态能量测试软件把TDS1002数字存储示波器捕获的波形数据传输到计算机上，然后进行运算、处理得到的。前者是软件的主界面，包括由电压、电流各自的2500个数据点，运算得到的功率、能量数据组成得数据表，以及实施连接、数据存取、打开数据库等人机交互功能组成。后者则是一个典型的汽车点火能量时域波形图。它有一个陡峭的能量上升沿。在不到两毫秒的时间间隔内，能量从零上升到九十毫焦耳。可以很方便的使用光标对能量波形进行定量测试。
    图（5）是使用TDS1002数字存储示波器捕获的直流电机启动时的电压、电流波形图。它是通过Tektronix公司的WSTRO波形测量软件完成数据传输和处理的。可以看到，这个直流伺服电机启动时电流高达四安培，是稳态电流的十倍。
四：结语
    综上所述，笔者有如下看法：
    1．随着工业过程控制的日益复杂化和科学应用技术不断发展的需要，动态电能量测试将显得越来越重要。因此，研究动态电能量的测试方法，开发其测试设备是必要的。对于降低能源消耗，保证产品质量和提高企业经济效益都有一定的实际意义。
    2．在动态能量测试过程中，如何提高测试设备的抗干扰能力，是一个十分重要的问题。实践证明，TDS1000/2000/3000B系列示波器有较强的抗干扰能力。可以用于诸如点火能量、电机过渡过程等有较大电磁干扰的测试中。
    3．当动态电能量测试用于产品质量检测时，如何在保证抗干扰能力的同时提高检测效率是一个需要进一步解决的问题。

参考资料
[1] Tektronix公司关于TDS1000/2000/3000B系列示波器的产品资料