基于TDS系列示波器的動(dòng)態(tài)能量測(cè)試系統(tǒng)

摘  要：動(dòng)態(tài)能量時(shí)域過程的捕捉與分析在工業(yè)過程監(jiān)測(cè)和產(chǎn)品質(zhì)量測(cè)試中有十分重要的意義和相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。本文介紹了一個(gè)以TDS1000/2000/3000B系列示波器為基礎(chǔ)構(gòu)成的動(dòng)態(tài)能量測(cè)試系統(tǒng)。它已成功地用于汽油機(jī)點(diǎn)火技術(shù)特性；電機(jī)過渡過程；電容、電感、電池充放電過程等方面的動(dòng)態(tài)能量時(shí)域過程的智能測(cè)試。
關(guān)鍵詞：示波器；電壓、電流探頭；時(shí)域過程；動(dòng)態(tài)能量

引言

    電能測(cè)量是一種成熟、常用而又重要的測(cè)試技術(shù)。它與能源利用、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)等重大課題都緊密相關(guān)。但是，通常所指的“電能測(cè)量”，其測(cè)試對(duì)象一般是直流或工頻電能量。他們都表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)信號(hào)。其數(shù)值是不隨時(shí)間變化或緩慢變化或周期變化的。一般來說采用各種電能計(jì)量儀表，按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測(cè)量某些參數(shù)數(shù)值即可。但是隨著科學(xué)應(yīng)用和現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，在許多實(shí)驗(yàn)研究，工業(yè)過程及產(chǎn)品測(cè)試中，能量的變化不再是穩(wěn)態(tài)過程，而表現(xiàn)為隨時(shí)間變化的突發(fā)性、隨機(jī)性和瞬時(shí)性，是典型的動(dòng)態(tài)時(shí)域過程。在實(shí)際中這樣的例子很多。例如，在工業(yè)過程的自動(dòng)化控制中電機(jī)運(yùn)行條件日趨復(fù)雜，表現(xiàn)為電機(jī)運(yùn)行過渡過程的大量增加。即為了執(zhí)行控制程序指令，電機(jī)必須頻繁的啟動(dòng)、停車、變速、換向、加載、卸載等等。又比如儲(chǔ)能器件（電容、電感及電池等）能量的充填與釋放，往往表現(xiàn)為一個(gè)單次瞬態(tài)時(shí)域過程。再一個(gè)典型例子是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火能量，它是一種占空比很小，脈沖沿十分陡峭并伴隨有強(qiáng)電磁干擾的時(shí)域過程。盡管穩(wěn)態(tài)能量和動(dòng)態(tài)能量的測(cè)試?yán)碚撌窍嗤?，都是電壓與電流在對(duì)應(yīng)時(shí)刻上相乘得到功率后再對(duì)時(shí)間積分，但測(cè)試技術(shù)的難度和設(shè)備的復(fù)雜程度卻大不相同。后者要求測(cè)試系統(tǒng)有足夠的帶寬，良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和很強(qiáng)的抗干擾能力。同時(shí)對(duì)捕捉到的信息必須及時(shí)存儲(chǔ)，然后分析、處理并獲得電壓、電流、功率和能量的時(shí)域波形，而不僅僅是某些時(shí)刻的參數(shù)值。要實(shí)現(xiàn)上述測(cè)試任務(wù)，目前沒有現(xiàn)成的動(dòng)態(tài)能量測(cè)試設(shè)備可供選擇，需要自己結(jié)構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)。在各種方法中，其首選方案是：電壓、電流探頭+臺(tái)式智能示波器+計(jì)算機(jī)+應(yīng)用測(cè)試程序。其中，示波器的正確選用是關(guān)鍵因素。

    美國Tektronix公司在2002年推出了TDS1000系列、TDS2000系列數(shù)字存儲(chǔ)示波器和TDS3000B系列數(shù)字熒光示波器。它們都屬于中、低檔價(jià)位的智能示波器，具有實(shí)時(shí)采樣速率高、智能功能較全、可配程控接口、抗電磁干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比好等共同特點(diǎn)。經(jīng)過反復(fù)的比較和實(shí)驗(yàn)，這些示波器在動(dòng)態(tài)能量測(cè)試中都有良好的穩(wěn)定性、適用性和抗干擾能力。同時(shí)，還給用戶提供了一個(gè)較大的價(jià)位選擇空間。應(yīng)該說，選擇上述示波器用于動(dòng)態(tài)能量時(shí)域過程測(cè)試是最佳方案之一。

    為了實(shí)驗(yàn)教學(xué)和工業(yè)產(chǎn)品測(cè)試的需要，我們構(gòu)建了基于TDS1000/2000/3000B系列示波器的動(dòng)態(tài)能量測(cè)試系統(tǒng)。經(jīng)過長期測(cè)試，它已成功的用于電機(jī)過渡過程能量測(cè)試，電容、電感、電池的充放電能量測(cè)試、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火能量測(cè)試。配以相應(yīng)的傳感器，這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)還能用于某些非電量瞬態(tài)能量時(shí)域過程的測(cè)試，如相機(jī)快門的機(jī)械能、沖擊溫升的熱能和快速運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)能等等。有理由認(rèn)為：這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)有一定的實(shí)用價(jià)值和良好的應(yīng)用前景。

測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成及主要特點(diǎn)

    基于TDS1000/2000/3000B系列示波器的動(dòng)態(tài)能量測(cè)試系統(tǒng)主要由電壓、電流探頭，TDS系列示波器，應(yīng)用測(cè)試軟件，計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備等組成。

    現(xiàn)以汽油機(jī)點(diǎn)火能量測(cè)試為例，說明測(cè)試系統(tǒng)的工作過程：首先高壓探頭將點(diǎn)火裝置輸出的脈沖高電壓進(jìn)行衰減后送給TDS系列示波器一個(gè)Y輸入通道，而電流探頭則將點(diǎn)火裝置輸出的脈沖小電流轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的脈沖小電壓輸入到TDS系列示波器另一個(gè)Y輸入通道。接著調(diào)整示波器的各項(xiàng)工作狀態(tài)參數(shù)，及時(shí)、正確地捕獲電壓、電流時(shí)域波形，并存入相應(yīng)的參考存儲(chǔ)器中。最后借助應(yīng)用測(cè)試軟件把示波器捕獲的數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)并進(jìn)行運(yùn)算處理，以獲得與能量相關(guān)的數(shù)據(jù)表和時(shí)域波形圖。如果需要，則將所需信息硬拷貝輸出或進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。

測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下：

  現(xiàn)對(duì)上面的測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖簡要說明如下：

1．被測(cè)裝置與器件

    被測(cè)裝置與器件主要是指產(chǎn)生電能量瞬時(shí)變化時(shí)域過程的被測(cè)對(duì)象。如：各類各型的汽油內(nèi)燃機(jī)的點(diǎn)火裝置；電動(dòng)機(jī)過渡過程中功率、能量隨時(shí)間的變化歷程；各種儲(chǔ)能器件（電容、電感、電池等）能量充填和釋放過程的產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)等等。其種類繁多、性狀各異，無法細(xì)述。

2．電壓、電流探極

    電壓、電流探頭主要完成電壓變比、阻抗變換、差分輸入、電壓/電流變換、初次級(jí)隔離等功能。從而給示波器提供保真度高、幅值適當(dāng)?shù)碾妷盒盘?hào)。TEK公司提供了性能齊全的電壓、電流探頭及其系統(tǒng)。除了示波器標(biāo)準(zhǔn)配置的電壓探頭之外，還可以選用各種專用探頭。如：P5200型高壓差分探頭、P6015A高壓探頭、AM503S電流探測(cè)系統(tǒng)、TCP202直流耦合電流探頭等。

3．TDS系列示波器

    TDS系列示波器主要是指TDS1000系列、TDS2000系列數(shù)字存儲(chǔ)示波器和TDS3000B系列數(shù)字熒光示波器。在智能示波器中，它們屬于中低檔層次的儀器。其采樣速率從2GS/s到5GS/s，實(shí)時(shí)帶寬從60MHz到500MHz，Y通道數(shù)為2到4個(gè)，有程度不同的智能功能并可以配置程控接口。更重要的是，在工作條件比較惡劣，現(xiàn)場(chǎng)存在較強(qiáng)的電磁干擾時(shí)，它們?nèi)匀荒軌蚍€(wěn)定可靠地工作。這在汽油機(jī)點(diǎn)火特性和電機(jī)過渡過程的測(cè)試實(shí)踐中已得到證實(shí)。我們?cè)鲞^多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)某些智能功能很強(qiáng)、價(jià)位很高的示波器在電磁干擾下會(huì)常常產(chǎn)生亂屏、死機(jī)等現(xiàn)象，無法正常工作。而動(dòng)態(tài)能量的測(cè)試必須在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，常常伴有較強(qiáng)共生和環(huán)境的電磁干擾。所以，抗干擾能力的優(yōu)劣是選擇示波器的首要因素之一。

4．應(yīng)用測(cè)試軟件

    應(yīng)用測(cè)試軟件的功能是實(shí)現(xiàn)示波器與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、分析和處理。我們知道，示波器捕獲的僅僅是電壓和電流波形。要獲得能量信息則必須先把電壓和電流波形逐點(diǎn)相乘，得到功率波形。然后再對(duì)時(shí)間積分，才能得到能量波形。一般的示波器測(cè)量軟件雖然功能較全，但并不提供能量測(cè)試功能。為此，我們開發(fā)了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的動(dòng)態(tài)能量測(cè)試軟件。其主要功能和特點(diǎn)是：它支持多種型號(hào)的示波器（TDS 200系列、TDS 1000系列  TDS 2000系列  TDS 3000B系列等）；使用最常用的計(jì)算機(jī)串口傳輸數(shù)據(jù)；它將示波器捕獲的電壓-時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中之后進(jìn)行處理，生成電壓、電流、能量、功率波形圖和對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表，并對(duì)波形圖實(shí)現(xiàn)光標(biāo)測(cè)量；還提供對(duì)應(yīng)于測(cè)試數(shù)據(jù)的專用數(shù)據(jù)庫和報(bào)表打印輸出功能?？蛇m用于汽油機(jī)點(diǎn)火技術(shù)特性及電機(jī)過渡過程，電容、電池充放電等動(dòng)態(tài)能量時(shí)域信號(hào)等方面的測(cè)試。

5．計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備

    計(jì)算機(jī)的軟硬件資源及其外圍設(shè)備是運(yùn)行應(yīng)用測(cè)試軟件和完成數(shù)據(jù)硬拷貝的基礎(chǔ)。不必祥述。

三．測(cè)試數(shù)據(jù)及其分析

    使用以TDS系列示波器為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)能量測(cè)試系統(tǒng)對(duì)汽油機(jī)點(diǎn)火特性、電動(dòng)機(jī)過渡過程、儲(chǔ)能器件的充放電波形完成了多次測(cè)量。對(duì)它們的能量時(shí)域過程進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。獲得了眾多的測(cè)試數(shù)據(jù)。下面給出幾組典型的測(cè)試波形并進(jìn)行簡要分析。

圖（2） 摩托車火花電壓、電流波形圖           圖（3）動(dòng)態(tài)能量測(cè)試軟件主界面

圖（4）汽車點(diǎn)火能量波形圖            圖（5）直流電機(jī)啟動(dòng)電壓、電流波形圖

    圖（2）給出了摩托車點(diǎn)火線圈產(chǎn)生的次級(jí)高壓擊穿三極放電探針空氣間隙，形成火花放電時(shí)捕獲的電壓電流波形。其電壓峰值高達(dá)十幾仟伏，電流峰峰值僅有四百毫安，持續(xù)時(shí)間不到三百微妙。是一個(gè)典型的瞬態(tài)小能量時(shí)域過程。電壓波形是由P6015高壓探頭測(cè)得，電流波形由TCP202電流探頭得到。使用TDS3012B數(shù)字熒光示波器，通過本機(jī)軟驅(qū)獲得上述波形。

    圖（3）、圖（4）是用我們開發(fā)的動(dòng)態(tài)能量測(cè)試軟件把TDS1002數(shù)字存儲(chǔ)示波器捕獲的波形數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，然后進(jìn)行運(yùn)算、處理得到的。前者是軟件的主界面，包括由電壓、電流各自的2500個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，運(yùn)算得到的功率、能量數(shù)據(jù)組成得數(shù)據(jù)表，以及實(shí)施連接、數(shù)據(jù)存取、打開數(shù)據(jù)庫等人機(jī)交互功能組成。后者則是一個(gè)典型的汽車點(diǎn)火能量時(shí)域波形圖。它有一個(gè)陡峭的能量上升沿。在不到兩毫秒的時(shí)間間隔內(nèi)，能量從零上升到九十毫焦耳?？梢院芊奖愕氖褂霉鈽?biāo)對(duì)能量波形進(jìn)行定量測(cè)試。

    圖（5）是使用TDS1002數(shù)字存儲(chǔ)示波器捕獲的直流電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電壓、電流波形圖。它是通過Tektronix公司的WSTRO波形測(cè)量軟件完成數(shù)據(jù)傳輸和處理的?？梢钥吹?，這個(gè)直流伺服電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流高達(dá)四安培，是穩(wěn)態(tài)電流的十倍。

四：結(jié)語
    綜上所述，筆者有如下看法：
    1．隨著工業(yè)過程控制的日益復(fù)雜化和科學(xué)應(yīng)用技術(shù)不斷發(fā)展的需要，動(dòng)態(tài)電能量測(cè)試將顯得越來越重要。因此，研究動(dòng)態(tài)電能量的測(cè)試方法，開發(fā)其測(cè)試設(shè)備是必要的。對(duì)于降低能源消耗，保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益都有一定的實(shí)際意義。
    2．在動(dòng)態(tài)能量測(cè)試過程中，如何提高測(cè)試設(shè)備的抗干擾能力，是一個(gè)十分重要的問題。實(shí)踐證明，TDS1000/2000/3000B系列示波器有較強(qiáng)的抗干擾能力?？梢杂糜谥T如點(diǎn)火能量、電機(jī)過渡過程等有較大電磁干擾的測(cè)試中。
    3．當(dāng)動(dòng)態(tài)電能量測(cè)試用于產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，如何在保證抗干擾能力的同時(shí)提高檢測(cè)效率是一個(gè)需要進(jìn)一步解決的問題。

參考資料
[1] Tektronix公司關(guān)于TDS1000/2000/3000B系列示波器的產(chǎn)品資料