基于LabVIEW的电流和电压传感器性能测试系统设计

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 2.16MB 54 页 15积分

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摘要

随着现代工业不断升级和发展，电力设备的使用安全性受到越来越广泛的关

注，而广泛应用于各种电气装置、自动控制以及调度系统的电流和电压传感器，

其作用是感测被测量的变化并且不失真地将这种变化转换为相应的电量，从而达

到比较优良的控制和监测性能。

这些传感器的传感变换、传感采样、传感保护等功能在不同工况下的测试准

确与否，对所在应用系统的影响非常大，因此对这些电流和电压传感器进行高效

精确的测量是十分必要的，而作为具有范例性代表意义的电流和电压传感器性能

测试系统的设计研究，则是一个非常有价值的课题。

传统的电压表、电流表、万用表等检测仪表的测量结果是判断电流和电压传

感器质量和精度的重要手段，然而分别使用各种传统仪器仪表对电流和电压传感

器的各项性能和参数进行测量，不仅存在操作过程复杂、检测效率低等缺点，也

可能由于人为操作不当等因素对实验设备造成损坏。而虚拟仪器技术的出现和发

展，为电流和电压传感器的高效、自动测量提供了更为便利的测试条件。

本课题设计的电流和电压传感器性能测试系统，不仅可以实现程控电源给待

测电流和电压传感器输入信号，同时使用万用表或其他设备对传感器输出的信号

自动进行数据读取分析和信号处理、显示和后台记录，并针对测量精度较低的仪

器提出可以提高测量精度的算法和改进措施，从而真正做到了电流和电压传感器

的高效精确测量。

本课题设计的系统由硬件和软件两大部分组成，硬件主要由计算机、电源、

待测电流和电压传感器和测量设备组成，用于完成信号的产生和采集；软件部分

主要由驱动程序和应用程序组成：驱动程序可以实现对硬件的接口驱动及通信控

制，是在 LabVIEW 的 VISA 函数基础上编程实现的；应用程序则利用 LabVIEW

丰富灵活的交互界面进行程序控制、数据显示、存储和计算。

论文首先扼要分析了电流和电压传感器的原理和传统检测方法的不足之处，

然后根据三种不同的硬件情况，设计了三套基于 LabVIEW 的电流和电压传感器

性能测试系统，并提出一种在测量交流信号时可减小频谱泄露的幅值和相位自校

正算法和提高示波器测量精度的措施。最后，通过实验证明，基于虚拟仪器技术

的电流和电压传感器的性能测试系统，完全满足准确、高效的测量要求。

关键词：电压传感器电流传感器虚拟仪器测试技术信号处理

ABSTRACT

With the development of modern industry, the safety of electrical equipment has

been paid more and more attention. Current and voltage sensors as protective and

monitoring tools are widely used in various electrical devices, automatic control and

scheduling systems, their function is to sense the change of system under test, and

convert the change to corresponding signal without distortion. The sensing, sampling

and protection performances and measuring accuracy of such sensors is very important

for their applications. Therefore, research and development of performance testing

systems for current and voltage sensors are very valuable topic.

The measuring results of traditional voltmeter, ammeter and multimeter are very

important to judge the quality and accuracy of sensor under test, but they have the

disadvantages of improper operation, complex operation process and low detection

efficiency. It is easy to have a negative impact on the measurement results. Thus they

cannot meet the automation and intelligent testing requirements. The emergence and

development of virtual instruments provide a more convenient testing technology for

the efficient, automatic measurement of current and voltage sensors.

This paper current and voltage sensor performance test systems are introduced,

where the output signal of a programmable power supply can be generated for current

and voltage sensor under test, the output signal of the sensor can be measured with a

multimeter or other equipment and the measuring results are sampled by computer

automatically. The systems also offer data analysis, signal processing, display and

recording etc. In additionally an algorithm and some measures are proposed to improve

the measurement accuracy, thus efficient and precise measurements of current and

voltage sensors can be realized easily.

The automatic monitoring and control system is divided into two major parts of

hardware and software. The hardware is mainly composed of computer, power supply,

current or voltage sensor under test and measuring equipment, used to complete the

generation and acquisition of the signal. The software mainly includes the hardware

drivers and system application program. The driver is used to drive the hardware and

control communication, and is realized by LabVIEW VISA function programming.

System application program uses the diverse interface of LabVIEW to realize control,

display, storage, compute and other functions. The output signal of the sensor can be

analyzed, processed, displayed and recorded, to obtain relevant and useful parameters.

In this paper the principle of current or voltage sensor and the shortcomings of

traditional detection method are analyzed briefly. Then according to three different

hardware conditions, three sets of performance testing systems for current and voltage

sensor are designed with LabVIEW, and an algorithm and improving measures are used

to improve the measurement accuracy. Finally, experiment results are given, in order to

show that the application of virtual instrument technology to automatic measuring

system of current and voltage sensor fully meets the accurate and efficient measurement

requirement.

Key Word:Voltage sensor,Current sensor,Virtual Instrument,

Testing technology,Signal processing

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ..................................................... 1

1.1 课题的研究背景与意义 ..................................... 1

1.2 国内外研究现状 ........................................... 2

1.3 虚拟仪器技术与 LabVIEW 简介 ............................... 2

1.4 课题研究的主要内容及论文框架 ............................. 4

第二章电流和电压传感器特性及其测量方法 ......................... 6

2.1 传感器特性介绍 .......................................... 6

2.1.1 线性度 ............................................ 6

2.1.2 迟滞特性 .......................................... 6

2.1.3 重复性 ............................................ 7

2.2 传感器测量方法 .......................................... 7

2.3 本章小结 ................................................. 8

第三章基于 BD-4D 单相交直流校表仪的电流和电压传感器性能测试系统 . 9

3.1 BD-4D 型单相交直流校表仪简介 ............................. 9

3.2 系统整体结构介绍 ........................................ 9

3.3 系统软件部分介绍 ........................................ 10

3.3.1 数据通信程序设计 ................................. 12

3.3.2 应用程序设计 ..................................... 13

3.4 本章小结 ................................................ 17

第四章基于 XF30JZ100 校表仪和 Agilent 34401A 万用表的电流传感器性能

测试系统 ........................................................... 18

4.1 XF30JZ100 型交直流电流校准仪介绍 ........................ 18

4.2 Agilent 34401A 数字万用表介绍 ........................... 18

4.3 系统整体结构介绍 ....................................... 19

4.4 系统软件部分介绍 ........................................ 20

4.4.1 XF30JZ100 型交直流电流校准仪与计算机通信程序设计： 20

4.4.2 Agilent 34401A 数字万用表和计算机间通信程序设计 ... 23

4.4.3 系统应用程序设计 ................................. 23

4.5 本章小结 ................................................ 30

第五章基于 XF30JZ100 校表仪和 Agilent DSO1024A 示波器的电流传感器性

能测试系统 ......................................................... 31

5.1 Agilent DSO1024A 数字示波器介绍 ........................ 31

5.2 系统整体结构介绍 ....................................... 31

5.3 系统软件部分介绍 ........................................ 32

5.3.1 AgilentDSO1024A 示波器与计算机间通信程序设计： .... 32

5.3.2 本系统应用程序的设计： ........................... 33

5.3.3 一种减少频谱泄露的幅值和相位自校正算法 ........... 34

5.4 本章小结： .............................................. 39

第六章系统测试及误差分析 ...................................... 40

6.1 软件调试 ............................................... 40

6.2 实验结果 ............................................... 40

6.3 提高精度的措施 ......................................... 42

6.4 本章小结 ............................................... 44

第七章总结与展望 .............................................. 45

7.1 总结 .................................................... 45

7.2 展望 .................................................... 45

附录............................................................47

参考文献 ....................................................... 48

第一章绪论

1.1 课题的研究背景与意义

随着现代工业不断升级和发展，电力设备的使用安全性受到逐步重视。电流

和电压传感器作为一种兼具保护性和监控作用的工具，广泛应用于各种电气装

置、自动控制以及调度系统。因其具有传感检测、传感采样、传感保护等功能，

这些传感器在不同工况下的测试准确与否，对所在应用系统的影响非常大，所以

对其进行高效而又精确的测量很有必要。

当代社会各种检测仪表如电压表、电流表和频率计等被广泛应用于工业、教

学和生活中各个领域。这些仪表设备的测量结果往往是分析设备工作状态、检测

设备正常与否的重要依据，也是保证系统安全、稳定运行，从而实施各类精确控

制的前提条件[1-2]。然而使用传统的检测方法对电流和电压传感器的各项性能和参

数进行测量时，不仅存在操作过程繁杂、效率低等缺点，也可能由于人为操作不

当等因素对实验器材造成损坏。而且，传统仪器体积庞大，功能单一，不利于多

种参数的测量[3]；而虚拟仪器技术的出现和发展，为电流和电压传感器的高效、

自动测量提供了便利。

虚拟仪器技术主要以高效灵活的软件结合高性能的模块化硬件，来完成各种

测试、测量和自动化的应用[4]，它的核心为现代计算机技术，通常结合自动控

制、传感器、现代信号处理等技术，可以根据用户的要求由软件来定义通用测量

硬件的功能。虚拟仪器技术依靠现代计算机的高速计算能力和强大存储容量可以

快速实现对信号的各种操作，并通过显示屏显示结果。LabVIEW 作为一个典型虚

拟仪器技术开发平台，是一个高效的图形化程序设计环境，主要用于仪器控制、

数据采集、数据分析等领域，其类型丰富的函数库，非常便于搭建各种功能强大

的测试系统。

本文提出设计一种基于 LabVIEW 的电流和电压传感器性能测试系统，软件

主体是由在 LabVIEW 环境下编写的程序实现的，采用模块化的设计思路，按传

感器不同输入输出量，将应用程序按功能划分为带电流输出的电流传感器、带电

压输出的电流传感器、带电流输出的电压传感器、带电压输出的电压传感器，每

种传感器又分别有交直流两种情况。本系统可以实现对电流和电压传感器进行高

效精确测量的自动测试，能够通过程序控制并测量各种传感器的参数，对不同输

入参数的传感器对应的输出参数进行读取并进行数字信号处理，判断传感器精度

是否符合要求，多种测量模式可以测量传感器不同特性，具有很强的使用价值。

相比于传统检测仪表设备，本课题设计的电流和电压传感器性能测试系统具有功

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摘要随着现代工业不断升级和发展，电力设备的使用安全性受到越来越广泛的关注，而广泛应用于各种电气装置、自动控制以及调度系统的电流和电压传感器，其作用是感测被测量的变化并且不失真地将这种变化转换为相应的电量，从而达到比较优良的控制和监测性能。这些传感器的传感变换、传感采样、传感保护等功能在不同工况下的测试准确与否，对所在应用系统的影响非常大，因此对这些电流和电压传感器进行高效精确的测量是十分必要的，而作为具有范例性代表意义的电流和电压传感器性能测试系统的设计研究，则是一个非常有价值的课题。传统的电压表、电流表、万用表等检测仪表的测量结果是判断电流和电压传感器质量和精度的重要手段，然而分别使用各种传...

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