CN103149409B - 一种高精度电信号测量设备装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种高精度电信号测量设备装置和方法，装置包括控制器、电压调整模块和电流调整模块3个部分。本发明结构简单，在不增加很大成本的前提下，提高电信号测量设备的精度，当测量设备运行一段时间后测量值有所漂移后，重新进行检测、校准又可达到出厂时的精度，简单、可靠，具有较大的应用前景。

Description

一种高精度电信号测量设备装置和方法
技术领域
    本发明属于测试、测量技术领域，特别涉及一种高精度电信号测量设备控制装置。
背景技术
    电信号测量设备精度影响因素比较多，例如电网频率、电网电压波动、设备电子器件内部元器件的零漂移，不稳定等，因此在电信号测量设备为保证测试的精度和稳定性，必须要设置恰当的补偿环节，本发明在动态补偿方面是切实可行的，而且容易实现，可以实时进行补偿，特别对于提高测试电动汽车充电桩、充电机设备精度的作用是非常明显和有用的。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，利用查表方法，提供一种提高电信号测量设备精度的动态补偿和设备控制装置。
一种高精度电信号测量设备装置，本发明特征在于：包括控制器、电压调整模块和电流调整模块3个部分；其连接结构为：交流电输入到电信号测量设备输入端里，电信号测量设备输出端接待测设备的电源输入端，将待测设备的输出端接电信号测量设备另一个输入端内，电压调整模块、电流调整模块的控制信号输入端连接控制器，电压调整模块的2个电压测量端分别接电信号测量设备的输入端和输出端，电流调整模块的2个电流测量端分别接电信号测量设备的输入端和输出端，电压调节模块、电流调节模块的电压电流调节输出端接电信号测量设备的输出端。
本发明所述的控制器中晶振连接CPU及外围电路为：电压调整模块连接电压信号整流滤波、电压信号整流滤波连接电压频率转换电路，电压频率转换电路连接CPU及外围电路，电流调整模块连接电流信号整流滤波、电流信号整流滤波连接电流频率转换电路，电流频率转换电路连接CPU及外围电路，CPU及外围电路输出电压电流控制信号。
本发明装置采用的控制方法包括，控制器用于监测电信号测量设备输入电压、电流信号和输出电压、电流信号，并将这些信号转换为相应的频率信号，形成闭环控制，使输入电压、电流信号和输出电压、电流信号保持要求的精度；电压调整模块用于测量电信号测量设备中输入、输出的电压信号，并产生补偿电信号测量设备的电压信号；电流调整模块用于测量电信号测量设备中输入、输出的电流信号，并调节产生补偿电信号测量设备电阻非线性的电阻信号。
本发明所述的控制器包括电压-频率转换电路、电压信号整流滤波、电流-频率转换电路、电流信号整流滤波、CPU及外围电路。
其中，所述的控制器还包括存储在一个非易失存储器的一个补偿表，根据输入输出信号的不同，控制电压调整模块、电流调整模块输出相应的电压、电阻补偿信号，以保证电信号测量设备精度到达预先设计的要求。所述的补偿表为测量设备在检测过程中补偿计算得到的至少一组数据。
本发明所述的电压调整模块包括至少一个输入输出回路和2个电压传感器，其频率由外部晶振提供。
本发明所述的电压调整模块采用PWM波调制方法，控制器通过调节脉冲宽度从而达到调节电压输出值的大小。
本发明所述的电流调整模块包括至少一个输入输出回路和2个电流传感器。
本发明所述的电流调整模块包括至少一个精密电阻和继电器，通过控制器信号输出不同的补偿精密电阻值。
本发明把电信号测量设备看作一个黑匣子，对它最后输出的电压、电流信号进行补偿。一种高精度电信号测量设备控制装置包括控制器、电压调整模块和电流调整模块，控制器用于监测电信号测量设备输入电压、电流信号和输出电压、电流信号，在测量输出电压、电流信号时采用的为四端法测量，并将这些信号转换为相应的频率信号，形成闭环控制，使输入电压、电流信号和输出电压、电流信号保持要求的精度；电压调整模块用于测量电信号测量设备中输入、输出的电压信号，并产生补偿电信号测量设备的电压信号；电流调整模块用于测量电信号测量设备中输入、输出的电流信号，并调节产生补偿电信号测量设备电阻非线性的电阻信号，间接调整电流信号。
本发明提供的查表方法采用数字化的等分区间查表方法进行误差补偿，假设单独调节电压时，输入电压为V1，输出电压为V2，则在输出电压处的补偿电压值为V2-V1，即调节电压调整模块输出电压V2-V1，迭代补偿，直至使电信号测量设备达到预设的精度要求。本查表补偿方法被大量试验证明，其主要核心内容为：根据电信号测量设备精度要求，精度在比原设备高2个等级的要求内时，将所有误差分成2的幂次方个（至少2个）均匀的区间，每一个区间在设备出厂时或检测、校准时根据最小二乘法调节使误差值为预先设定的最小时，得到补偿表中的修正值，计算过程详见图5，当控制器通过查表后在对应区间寻找电压、电流的修正值，电流的修正值又换算为电阻的修正值，通过频率转换后将控制信号输出至电压调整模块、电流调整模块，最后使补偿值与原先值进行加减操作，以得到最后要求的数值，其中关键一点在于电压、电流两个补偿值，首先对电流进行修正，然后才对电压修正，同时把计算得到的补偿值记录在补偿表中，补偿表存储在一个非易失存储器上，有电压、电流两个补偿值，首先对电流进行修正，然后才对电压修正，即先控制电流调整模块输出电阻补偿信号，然后控制电压调整模块输出电压补偿信号，以保证电信号测量设备精度到达预先设计的要求。
当电信号测量设备修正后精度超过原设备2个等级要求时，则不设置等分区间，只设置上超和下超区间，上超区间和下超区间绝对值是一样的，即只有±两个额定值的区间，当经过修正后精度不超过2个等级要求时再通过等分区间进行补偿。
本发明采用软件化的数字方式进行等分区间查表补偿方法，然后通过电压调整模块和电流调整模块进行硬件动态补偿，建立了补偿电路，其控制电路非常简单，可靠性、精度得到很大的提高，而且数字化的处理过程稳定，当电信号测量设备运行一段时间后，信号产生偏移后，可再返厂或到检测、校准部门进行重新建立补偿表即可重新达到预设的精度，简单、可靠。
本发明的控制方法为：控制器用于监测电信号测量设备输入电压、电流信号和输出电压、电流信号，并将这些信号转换为相应的频率信号，形成闭环控制，使输入电压、电流信号和输出电压、电流信号保持要求的精度；电压调整模块用于测量电信号测量设备中输入、输出的电压信号，并产生补偿电信号测量设备的电压信号；电流调整模块用于测量电信号测量设备中输入、输出的电流信号，并调节产生补偿电信号测量设备电阻非线性的电阻信号，间接调整电流信号。
本发明优点在于，结构简单，在不增加很大成本的前提下，提高电信号测量设备的精度，当测量设备运行一段时间后测量值有所漂移后，重新进行检测、校准又可达到出厂时的精度，简单、可靠，具有较大的应用前景。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步解释。
附图说明
图1 本发明总结构图；
图2 控制器内部结构图；
图3 电流调整模块结构图；
图4超过误差范围时流程图；
图5 补偿值计算图。
具体实施方式
一种高精度电信号测量设备装置，本发明特征在于：包括控制器、电压调整模块和电流调整模块3个部分；其连接结构为：交流电输入到电信号测量设备输入端里，电信号测量设备输出端接待测设备的电源输入端，将待测设备的输出端接电信号测量设备另一个输入端内，电压调整模块、电流调整模块的控制信号输入端连接控制器，电压调整模块的2个电压测量端分别接电信号测量设备的输入端和输出端，电流调整模块的2个电流测量端分别接电信号测量设备的输入端和输出端，电压调节模块、电流调节模块的电压电流调节输出端接电信号测量设备的输出端。
本实用新型所述的控制器中晶振连接CPU及外围电路为：电压调整模块连接电压信号整流滤波、电压信号整流滤波连接电压频率转换电路，电压频率转换电路连接CPU及外围电路，电流调整模块连接电流信号整流滤波、电流信号整流滤波连接电流频率转换电路，电流频率转换电路连接CPU及外围电路，CPU及外围电路输出电压电流控制信号。
本发明装置采用的控制方法包括，控制器用于监测电信号测量设备输入电压、电流信号和输出电压、电流信号，并将这些信号转换为相应的频率信号，形成闭环控制，使输入电压、电流信号和输出电压、电流信号保持要求的精度；电压调整模块用于测量电信号测量设备中输入、输出的电压信号，并产生补偿电信号测量设备的电压信号；电流调整模块用于测量电信号测量设备中输入、输出的电流信号，并调节产生补偿电信号测量设备电阻非线性的电阻信号。
本发明所述的控制器包括电压-频率转换电路、电压信号整流滤波、电流-频率转换电路、电流信号整流滤波、CPU及外围电路。
其中，所述的控制器还包括存储在一个非易失存储器的一个补偿表，根据输入输出信号的不同，控制电压调整模块、电流调整模块输出相应的电压、电阻补偿信号，以保证电信号测量设备精度到达预先设计的要求。所述的补偿表为测量设备在检测过程中补偿计算得到的至少一组数据。
本发明所述的电压调整模块包括至少一个输入输出回路和2个电压传感器，其频率由外部晶振提供。
本发明所述的电压调整模块采用PWM波调制方法，控制器通过调节脉冲宽度从而达到调节电压输出值的大小。
本发明所述的电流调整模块包括至少一个输入输出回路和2个电流传感器。
本发明所述的电流调整模块包括至少一个精密电阻和继电器，通过控制器信号输出不同的补偿精密电阻值。
结合图1所示的实例来实现本发明的目的，控制方法的构成和连接方法为：交流电输入到电信号测量设备输入端里，电信号测量设备输出端接待测设备的电源输入端，将待测设备的输出端接电信号测量设备另一个输入端内，电压调整模块、电流调整模块的控制信号输入端连接控制器，电压调整模块的2个电压测量端分别接电信号测量设备的输入端和输出端，电流调整模块的2个电流测量端分别接电信号测量设备的输入端和输出端，电压调节模块、电流调节模块的电压电流调节输出端接电信号测量设备的输出端。电压调整模块包括多个至少输入输出回路2个电压传感器，电流调整模块包括多个至少输入输出回路2个电流传感器。
如图2所示，控制器中频率是由外部晶振提供，具体晶振连接CPU及外围电路，电压调整模块连接电压信号整流滤波、电压信号整流滤波连接电压频率转换电路，电压频率转换电路连接CPU及外围电路，电流调整模块连接电流信号整流滤波、电流信号整流滤波连接电流频率转换电路，电流频率转换电路连接CPU及外围电路，CPU及外围电路输出电压电流控制信号。CPU及外围电路输出电压电流控制信号，其电压控制信号输出至电压调整模块、电流控制信号应该输出至电流调整模块。
本发明在具体实施过程中，电压调整模块、电流调整模块采用四端法分别对交直流电压电流信号进行取样，为保证电信号测量设备有更高的可靠性和精度，把取样的电压电流信号转换成频率信号后发送至控制器进行处理，其中电压频率转换电路，采用AD652芯片，它是单片电荷平衡时电压频率转换器件，不采用高质量的低温漂的电容构成单稳态多谐振荡作为基本定时电路，而采用外部时钟定时，更加稳定，线性度更好。电压调整模块采用PWM波调制方法，控制器通过调节脉冲宽度从而达到调节电压输出值的大小。电流调整模块包括多个精密电阻和继电器，通过控制器信号输出不同的补偿精密电阻值。
如图3所示，假设电信号测量设备的电流测量范围小于800A时，电流调节模块可采用图3的结构进行调节，最大调节电流为15A，最小调节为0.1A，控制器经过驱动电路发送查找补偿表得到的控制信号至继电器，继电器操作不同的开关从而调节回路中的电阻值，从而改变电信号测量设备的电流输出。每一个电流调节值下可设置多个相同阻值的电阻，这样可以扩大调节范围，在图3中只有2个电阻。
如图4所示，当电信号测量设备修正后精度超过原设备2个等级要求时，则不设置等分区间，只设置上超和下超区间，上超区间和下超区间绝对值是一样的，即只有±两个额定值的区间，当在0.1倍U输出、0.1倍I输出内调节误差值，如果调节后误差值能够落在比原设备高2个等级的误差范围要求内，则进入图5的计算，同时通过等分区间进行查表补偿，如果不能落在比原设备高2个等级的误差范围要求内，则继续进行误差值调节，直至调节后误差值落在比原设备高2个等级的误差范围要求内。
如图5所示，补偿表中补偿值的计算过程如下：首先根据预先设计的误差值判断在等分均匀化的哪个区间，然后根据将误差δ表述为U输出、I输出的函数，如δ=f(U输出)*f(I输出) ，先调节I输出，后调节U输出，构成双重循环进行调节，直至得到合适的与硬件相配合的修正值，并将补偿值填入这个补偿区间。电信号测量设备在校准或检测过程中利用图5得到补偿表，在实际测量其他设备的过程中直接从补偿表内取出已经固定好的数据进行补偿，在策略过程中如果设备出现老化或测量误差偏大的情况下可采取多次校准的方法。
图4和图5也可理解为，电信号测量设备修正后精度超过原设备2个等级要求时，将误差δ表述为U输出、I输出的函数，在0.1倍U输出、0.1倍I输出内调节误差值，直至调节后误差值落在比原设备高2个等级的误差范围要求内，此时进行查表补偿，而该补偿表是在出厂时通过图5的计算过程建立的。

Claims (8)

1.一种高精度电信号测量设备装置，其特征在于：包括控制器、电压调整模块和电流调整模块3个部分；其连接结构为：交流电输入到电信号测量设备输入端里，电信号测量设备输出端接待测设备的电源输入端，将待测设备的输出端接电信号测量设备另一个输入端内，电压调整模块、电流调整模块的控制信号输入端连接控制器，电压调整模块的2个电压测量端分别接电信号测量设备的输入端和输出端，电流调整模块的2个电流测量端分别接电信号测量设备的输入端和输出端，电压调整模块、电流调整模块的电压电流调节输出端接电信号测量设备的输出端；所述的控制器中晶振连接CPU及外围电路，电压调整模块连接电压信号整流滤波、电压信号整流滤波连接电压频率转换电路，电压频率转换电路连接CPU及外围电路，电流调整模块连接电流信号整流滤波、电流信号整流滤波连接电流频率转换电路，电流频率转换电路连接CPU及外围电路，CPU及外围电路输出电压电流控制信号；所述的控制器包括电压-频率转换电路、电压信号整流滤波、电流-频率转换电路、电流信号整流滤波、CPU及外围电路。
2.根据权利要求1所述的一种高精度电信号测量设备装置，其特征在于：所述的电压调整模块包括至少一个输入输出回路和2个电压传感器，其频率由外部晶振提供。
3.根据权利要求1所述的一种高精度电信号测量设备装置，其特征在于：所述的电压调整模块采用PWM波调制方法，控制器通过调节脉冲宽度从而达到调节电压输出值的大小。
4.根据权利要求1所述的一种高精度电信号测量设备装置，其特征在于：所述的电流调整模块包括至少一个输入输出回路和2个电流传感器。
5.根据权利要求1所述的一种高精度电信号测量设备装置，其特征在于：所述的电流调整模块包括至少一个精密电阻和继电器，通过控制器信号输出不同的补偿精密电阻值。
6.根据权利要求1所述的一种高精度电信号测量设备装置，其特征在于：装置采用的控制方法包括，控制器用于监测电信号测量设备输入电压、电流信号和输出电压、电流信号，并将这些信号转换为相应的频率信号，形成闭环控制，使输入电压、电流信号和输出电压、电流信号保持要求的精度；电压调整模块用于测量电信号测量设备中输入、输出的电压信号，并产生补偿电信号测量设备的电压信号；电流调整模块用于测量电信号测量设备中输入、输出的电流信号，并调节产生补偿电信号测量设备电阻非线性的电阻信号，间接调整电流信号。
7.根据权利要求6所述的一种高精度电信号测量设备装置，其特征在于：补偿电信号测量设备的电压信号采用软件化的数字方式进行等分区间查表补偿方法，然后通过电压调整模块进行硬件动态补偿，建立了补偿电路，当电信号测量设备运行一段时间后，信号产生偏移后，可再返厂或到检测、校准部门进行重新建立补偿表即可重新达到预设的精度。
8.根据权利要求6所述的一种高精度电信号测量设备装置，其特征在于：补偿电信号测量设备电阻非线性的电阻信号采用软件化的数字方式进行等分区间查表补偿方法，然后通过电压调整模块和电流调整模块进行硬件动态补偿，建立了补偿电路，当电信号测量设备运行一段时间后，信号产生偏移后，可再返厂或到检测、校准部门进行重新建立补偿表即可重新达到预设的精度。
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