大功率点火能量测试台1

精品论文大功率点火能量测试台1罗军，廖俊必，高中有，吴瑞 四川大学制造学院测控系，成都（610065） E-mail: luojunchina摘要：针对被测的大功率点火器，用工控机、霍尔电流传感器、数字示波器及高压探头，构建了点火能量测试台。重点考虑了抗电磁干扰设计，用 LabVIEW 语言编制了软件，用数值 积分算法计算功率和能量。测试台功能齐全，使用方便，测试结果准确可靠，适用于飞机、汽车、电器产品等各类点火器的点火能量测试。关键词：点火器；霍尔电流传感器；示波器；点火能量；数值积分；抗干扰 中图分类号：TB9710. 引言随着汽车行业和飞机制造业的发展，大功率点火系统不断呈现，点火能量是点火系统必 检的一项重要参数。而目前国内对大功率火工品的能量测试研究还很少，测试手段仍是依靠 分流器和分压器的组合，临时搭建测试回路，工作效率低，精度受环境影响严重1。本文针对导弹点火器和飞机点火器等大功率试品，研制了基于工控机、霍尔电流传感器、 泰克示波器及高压探头，具有良好抗电磁干扰能力和拥有强大软件功能的测试台。使测试工 作更方便高效，测试结果更精确。1测试台结构及硬件1.1测试台系统机构整个测试台由 3mm 镀锌钢板加工制成，由工作台面和三个独立大箱体和若干分割小箱体 组成，箱体内分别安放被测件（点火电源、电缆、点火器、点火嘴）、测试单元（电流传感 器、高压探头、示波器）和处理单元（工控机、控制电路、打印机）等。系统如图 1 所示。测试台的布局根据安全、可靠、方便、可控原则安排，特别注意了抗电磁干扰措施，箱 体采用厚钢板制成，元器件都放在屏蔽箱内，信号传输线采用双层屏蔽线。测试台中各仪器都采用参数稳压电源供电，点火器还有单独的稳压供电电源，以免仪器 因供电电源不稳定而受干扰。点火电源根据点火器型号不同，需要设置限压值和限流值，并 由工控机通过控制电源到点火器的继电器开关，从而控制点火。点火时，回路电流穿过霍尔 电流传感器，测得点火电流。为不改变或尽可能小地影响被测环境，高压探头通过极细的探 针与点火嘴正极连接，测得点火电压。测到的电压电流送示波器显示，示波器数值再通过与工控机的通信送工控机处理。- 6 -电源控制电路点火器电流传 感器点火嘴高压探头打印机工控机示波器图 1 测试台系统结构1本项目得到军工预研项目（402050101）的资助。1.2霍尔电流传感器对瞬间脉冲大电流的测试是个难点，常用的测试仪器有分流器、互感器和 Rogowski 线 圈，但分流器存在趋肤效应，互感器响应慢，频带窄，Rogowski 线圈需要高精度积分器2,3,4,5。 而近年出现的霍尔电流传感器，是基于霍尔效应的，模块化的有源电子传感器。它把普通互 感器与霍尔器件、电子电路有机地结合起来，既发挥了普通互感器测量范围宽的优势，又利 用了电子电路反应速度快的长处，可对冲击电流等各种电流进行测量，精度高6。系统采用霍尔电流传感器发明者创建的 LEM 公司制造的磁平衡式霍尔电流传感器，它主 要有以下优点：（1）原边电流测试范围可达3000A，适合测试大功率点火器点火电流。（2）响应速度快，带宽从直流到 150KHz，通过反馈控制提高了精度，适合测试点火电 流。（3）非侵入式测量，连接方便，并且无插入式损耗，适合用来测试能量参数。（4）输入和输出间具有良好的电隔离,原级电路与次级电路之间的绝缘电压一般为 212kV ,可以有效地保护副边的测量设备和人身安全。（5）温度漂移低，线性度好（小于1%），规范，易安装。1.3泰克示波器及高压探头数字示波器是目前测试电压电流信号中最受青睐的仪器。美国泰克（Tektronix）公司 的示波器性能及测试技术在世界都处在领先地位。系统采用了泰克数字存储示波器及高压探 头，它们有如下特点7：（1）对于电压超过 2.5kV 的重载高性能测量，示波器标准配置的 P6015A 高压探头是行 业的标准。可以测量高达 20kV 的直流电压和高达 40kV 的脉冲，适合测试大功率电路电压。75MHz 的带宽能够捕捉快速变化的高压信号，以及在各类高电压测试中都非常可靠。（2）示波器数百兆的带宽，以及快速的上升时间，对于捕捉上升沿陡峭的高压脉冲信 号至关重要。（3）强大的触发功能，特别是预触发和单次捕获能力，能方便地同步捕获到点火瞬间 的电压和电流信号。（4）抗干扰能力强，实验证明泰克示波器在现场电磁干扰较强时，仍能正常可靠工作。 在测试点火器这样电磁环境复杂的现场中，泰克示波器是最佳选择。（5）支持多种存储方式和通信方式，可方便地与计算机通信，构建以计算机为核心的 控制系统及数据处理系统，极大地增强测试台的自动化程度和数据处理能力。1.4工控机测试环境电磁干扰强，故采用工控机。采用的工控机主要有以下特点：（1）机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。（2）机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击能力。（3）机箱内有专用底版，底版上有 PCI 和 ISA 插槽，配置带光电隔离的 RS232 串行通 讯卡，可实现计算机控制点火开关及与示波器通讯。（4）快速的运算、处理功能及庞大的存储空间，易于构建数据管理单元。2. 系统软件2.1软件功能软件编制的基本思想是使测试智能化、自动化，使软件功能丰富、使用简便、界面友好。 软件主要功能有以下：（1）控制功能：工控机控制示波器，对示波器进行设置；工控机控制固态继电器，控 制点火开关。（2）通信功能：示波器与工控机通信，把示波器的数据传给工控机。（3）数据处理：对测试数据预处理，包括中值滤波、无相位平均滑动滤波，选择点火 波形，获取电压和电流的特征值（最大值、最小值、持续时间等）。（4）计算功能：计算功率和能量，电压与电流对应相乘得功率，在点火时间上对功率 积分得能量，即：t 2nW = t1 uidt = uit0(1)u、i 为各采样点电压和电流，t1、t2 为点火初始和结束时间，n 为采样点个数，t为采样点时间间隔。 传感器和示波器的高速采样率保证了数值计算结果的精度。（5）人选功能：用户设置，数据存储，生成报表及打印等。2.2测试软件编程测试软件主要要解决通信和波形计算两个大问题，故利用美国 NI 公司图形化编程语言 LabVIEW 开发。LabVIEW 提供了各种仪器通信总线标准的功能函数和驱动程序，应用了 VISA 节点，非常方便地设计出工控机与示波器之间的串口通信程序8,9,10。另外 LabVIEW 可特别 好地模拟示波器的操作面板和实时动态图形化显示，拥有强大的分析处理波形数据的功能。软件功能丰富，设计成多个按钮供用户点击选用，所以主要采用 LabVIEW 中的事件触发 结构编程。图 2 是主功能程序的流程图。3. 抗干扰措施测试系统主要有火花和电缆两个干扰源。采取的抗电磁干扰措施包括：（1）采用抗电磁 干扰能力强的仪器，如工业控制计算机、Tektronix 示波器和 LEM 传感器；（2）屏蔽与接地；（3）由参数稳压电源给系统供电；（4）信号传输线采用同轴线缆；（5）软件滤波。3.1屏蔽屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效方法。采用 3mm 镀锌钢板做成屏蔽箱体，点火器、点火 嘴、点火线缆都放在屏蔽箱内，箱体封闭好，尽量形成法拉第笼11。同时，工控机和电流传 感器也被放在各自封闭的屏蔽盒内。对于显示器和示波器采用 5/6 面屏蔽，即在立体空间里， 除用户观察的面板不被屏蔽，其余五个面被屏蔽。对于电压和电流传输线，采用双芯屏蔽线。3.2接地系统的接地有：（1）交流地，交流电的零线要良好接地，保证示波器正常运行。（2）屏 蔽地，所有屏蔽箱都接地，这是抑制噪声和防止干扰的重要手段。（3）安全地，为防止静电积累，各机壳都要良好接地，使所有的电荷都最终导入大地。（4）信号地，为测试准确，电压探头和电流传感器必须具备一个稳定的基准电位，从而不至于浮动而引起信号误差。 在实际测试过程中，当接线不当或不注意，引发意外放电时，造成示波器死机。这是由于释放到测试台面上的高压脉冲信号通过地，形成地环电流干扰造成。所以还需要注意接地 方式，对于传感器和探头的地要远离单点接地点或与其隔离，避免瞬间大电流干扰信号地。滤波？No启动YesNo硬件自检 通过？Yes滤波设置计算、显示示波器设置点火保存、No打印？Yes数据传输保存、打印波形No完整？Yes再测？No结束Yes图 2 程序流程图4. 测试结果分析选择型号为 DH-24 的飞机点火器的测试结果进行分析。图 3 是点火电压和电流的原始数 据波形图，通道 1 对应的是电压波形，通道 2 对应的是电流波形，因为有干扰，波形上都有 毛刺，通过数字滤波可去除。点火嘴被击穿瞬间，电压和电流的峰值分别为千伏、千安级， 但持续时间只有 40 微妙左右，其它型号点火器持续时间一般更短，是典型的瞬态大功率时 域过程12。通过多次测量及计算，得此型号点火器平均点火能量为 2.5 焦耳。此点火器储能电容为3uF,放电管击穿电压为 3000V，所以点火时释放电能为：W = 1 C U 2 = 1 3 10 6 9 106 =13.5(J)（2）2其电能利用效率：=22.5 100% = 18.5%13.5（3）符合此型号点火器电能利用效率为 15%到 20%之间的标准。图 3 电压、电流波形系统精度主要有电压、电流测试精度保证，霍尔电流传感器总精度为0.3%，示波 器及探头的精度为 2%，均符合国家标准 GB311/83 规定的对冲击电流测量误差不大于 3%的要 求13。5. 结论目前还没有专门的点火能量测试仪器，本文利用数值积分算法，采用目前先进的测试仪 器和方法，采集电压和电流信号，计算得到了功率和能量。针对干扰强烈的复杂电磁环境， 测试台充分考虑并设计了抗干扰措施。根据现代智能仪器设计理念，测试台结构简洁，操作 方便，软件功能丰富，测试自动化、人性化。测试台可用在飞机、导弹、汽车、避雷器等多 大功率测试领域，也可用来测试其他各种电压电流信号，测试方便，结果可靠。参考文献1 姚学玲，陈景亮，孙伟. 冲击电流测试系统中测量误差的试验研究J. 高电压技术, 2006, 32(3):12-152 Johansen ML, Svendsen F, Wester K. 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Testing-bench can be used to test ignition energy in airplane, car and electric appliances igniters.Keywords: igniter; hall current-transducer; oscilloscope; ignition energy; numerical integration;anti-interference作者简介：罗军（1983-），男，硕士研究生，主要研究方向为测试技术与仪器。