CN113484593A - 一种用于大功率脉冲电源的数据采集系统 - Google Patents

一种用于大功率脉冲电源的数据采集系统 Download PDF

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唐波
张亚
田慧
堵文灿
栗保明
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Abstract

本发明公开了一种用于大功率脉冲电源的数据采集系统，包括硬件组件和软件单元；硬件组件包括高压探针、Rogowski线圈、光纤隔离仪、NI USB‑5133高速数字采集仪和上位机，软件单元采用LabVIEW开发，可灵活配置通道数、输入阻抗、采样率、触发方式等采集参数，能够在波形显示界面上实时显示脉冲功率电源模块充电电压波形，捕获并展示模块放电电流波形，同时满足一定的数据分析需求。本发明的数据采集系统具有结构简单、体积小巧、易于实现、清晰直观、可扩展性强、集成性高等优点，具有良好的应用前景。

Description

一种用于大功率脉冲电源的数据采集系统
技术领域
本发明涉及数据采集技术领域，尤其涉及一种用于大功率脉冲电源的数据采集系统。
背景技术
大功率脉冲电源由高压高频充电机、脉冲成形网络、测控单元、安全泄放与保护组件等部分组成。其中的脉冲成形网络是脉冲功率电源的核心单元，一般包含多个脉冲电源模块。脉冲电源模块由脉冲电容器，大功率晶闸管，高压硅堆、调波电感器等关键组件和外围器件组成。脉冲功率电源可通过充电机向电源模块的脉冲电容器充电储能，再通过电源模块的大功率晶闸管将能量释放到脉冲成形网络形成大脉冲电流，以供负载使用。
在实际应用中，需要采集大功率脉冲电源模块的充电电压和放电电流，以对脉冲功率电源的运行情况进行监控，确认运行状态；在故障发生时根据采集到的充电电压数据和放电电流数据进行分析，确定故障类型，以更好地维护脉冲功率电源，为脉冲功率电源系统优化提供依据，延长脉冲功率电源的使用寿命。现有的脉冲功率电源数据采集系统是采用PXI总线，连接数十个甚至上百个电源模块的电流传感器，连线复杂，体积庞大，并且不能实时查看到采集数据，需要在实验结束后将采集到的数据导入专业的分析软件进行数据分析，因此无法及时通过电压和电流数据发现脉冲功率电源运行过程中的问题。所以现有的脉冲功率电源数据采集系统仅适用单次放电的工况下，在脉冲功率电源连续放电工况下就存在极大的隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于大功率脉冲电源模块的数据采集系统，用以实时显示该模块的电压和电流波形。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于大功率脉冲电源模块的数据采集系统，包括硬件组件和软件单元；
所述硬件组件包括高压探针、Rogowski线圈、光纤隔离仪、NI USB-5133高速数字采集仪和上位机，所述上位机连接NI USB-5133高速数字采集仪，所述NI USB-5133高速数字采集仪连接光纤隔离仪，所述光纤隔离仪连接Rogowski线圈和高压探针；
所述高压探针用于获得脉冲功率电源的充电电压，并将充电电压数据发送给所述光纤隔离仪；所述Rogowski线圈用于获得脉冲功率电源模块的放电电流，并将放电电流数据发送给所述光纤隔离仪；所述光纤隔离仪对接收到的充电电压数据和放电电流数据进行光电隔离处理，并将充电电压数据和放电电流数据发送给所述NI USB-5133高速数字采集仪；所述NI USB-5133高速数字采集仪用于采集所述光纤隔离仪发送过来的数据，并将数据上传至所述上位机；
所述软件单元由LabVIEW进行开发，搭载于所述上位机上，用于管理所述硬件组件，包括采集设置、通道设置、触发设置、数据展示模块、保存设置和扩展接口功能
本申请与现有技术相比，其有益效果在于：本发明提供的数据采集系统，可灵活配置采集参数，在满足采集功能的基础上，采集系统的采集器使用NI USB-5133高速数字采集仪，NI USB-5133高速数字采集仪仅具有两个输入通道和一个复合通道，刚好能够采集大功率脉冲电源的充电电压和放电电流数据，接线简单清晰，满足大功率脉冲电源的采集需求的同时将采集器的体积缩小至现有PXI数据采集器的八分之一，大大缩小了数据采集系统的体积，小巧轻便，安装使用简单；采集系统的软件单元实时展示了大功率脉冲电源在充电过程和放电过程的电压和电流数据，能够使操作人员及时直观地、方便地观察到大功率脉冲电源的使用情况，以便及时分析和处理突发情况；采集系统预留扩展接口，可以将采集数据扩展至数据库系统和数据处理系统，增强了采集系统的可扩展性和集成性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对本实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的数据采集系统所适用的系统架构图。
图2是本申请实施例提供的数据采集系统的软件单元的使用逻辑流程图。
图3是本申请实施例提供的数据采集系统软件单元界面图。
具体实施方式
为实现大功率脉冲电源采集系统小型化、简单化、直观化、实时化的要求，本发明提供了一种用于大功率脉冲电源模块的数据采集系统，包括硬件组件和采集软件端，所述采集软件端用于管理所述硬件组件，包括配置硬件组件参数，控制硬件组件运行，展示并及时保存硬件组件获取的数据；
所述硬件组件包括高压探针、Rogowski线圈、光纤隔离仪、NI USB-5133高速数字采集仪和上位机，所述上位机连接所述NI USB-5133高速数字采集仪，所述NI USB-5133高速数字采集仪连接所述光纤隔离仪，所述光纤隔离仪连接所述Rogowski线圈和所述高压探针；
所述高压探针用于获得脉冲功率电源模块的充电电压，并将充电电压数据发送给所述光纤隔离仪；
所述Rogowski线圈用于获得脉冲功率电源模块的放电电流，并将放电电流数据发送给所述光纤隔离仪；
所述光纤隔离仪对接收到的充电电压数据和放电电流数据进行光电隔离处理，并将充电电压数据和放电电流数据发送给所述NI USB-5133高速数字采集仪；
所述NI USB-5133高速数字采集仪用于采集所述光纤隔离仪发送过来的数据，并将数据上传至所述上位机；
所述软件端由LabVIEW进行开发，搭载于所述上位机上，包括采集设置、通道设置、触发设置、数据展示模块和保存设置；
所述采集设置用于配置所述NI USB-5133高速数字采集仪，包括选择采集仪名称，配置输入阻抗、最大输入频率、最小采样率、最小记录长度和偏移量；
所述通道设置用于对所述NI USB-5133高速数字采集仪的通道0进行设置，包括配置采集数据的幅值范围、垂直偏移量、灵敏度和耦合方式；
可选的，所述通道设置还可用于对所述NI USB-5133高速数字采集仪的通道1进行设置，包括配置采集数据的幅值范围、垂直偏移量、灵敏度和耦合方式；
所述触发设置用于对所述NI USB-5133高速数字采集仪的触发功能进行设置，包括选择触发通道、配置触发方式、触发幅值和触发延迟；
所述数据展示模块用于实时在波形图表中展示采集到的数据，包括时间、幅值和峰值等参数；
所述保存设置用于对采集到的数据进行保存，包括选择数据保存的物理地址和自定义命名数据保存的文件名；
可选的，在数据保存之后还可以将数据保存至专门的数据库中进行整理；
可选的，在数据保存之后还可以将数据扩展至数据处理系统中进行分析。
所述NI USB-5133高速数字采集仪输入端连接所述光纤隔离仪，采集仪的CH 0通道和CH 1通道可分别采集大功率脉冲电源模块充电电压数据和放电电流数据；所述采集仪的输出端连接所述上位机，将采集到的大功率脉冲电源模块充电电压数据和放电电流数据上传至所述上位机进行处理；其中，所述NI USB-5133高速数字采集仪的PFI 1通道连接触发装置，用于控制采集系统的触发功能。
所述数据采集系统的软件端可实时展示大功率脉冲电源模块在充电过程和放电过程的电压和电流数据，所述软件端将采集到的充电电压和放电电流数据传送至波形图表控件，将程序整体放入循环结构中，通过设定循环结构的等待时间匹配所述采集仪的采样率，使得程序每采集一个数据就将该数据传入波形图表控件进行显示，形成电压和电流波形图，并显示当前电压值和电流峰值，实现实时展示充电过程和放电过程的电压和电流数据功能。
本发明提出的用于大功率脉冲电源模块的数据采集系统，可满足当前大功率脉冲电源模块的数据采集需求，该采集系统对硬件组件和软件端进行了优化，提高了数据采集系统的小巧性、直观性、可扩展性和集成性。
下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。
实施例
图1是本申请实施例提供的数据采集系统所适用的系统架构图，参考图1，本实施例的硬件组件构成包括如下环节：
高压探针一端通过差分法接于大功率脉冲电源模块的电容两端，用于获得大功率脉冲电源模块的充电电压数据；高压探针另一端与光纤隔离仪相连，将大功率脉冲电源模块的充电电压数据传送给光纤隔离仪。
Rogowski线圈一端安装在大功率脉冲电源模块调波电感和负载之间，通过脉冲电流产生的磁场与Rogowski线圈相互作用在线圈内产生感应电压，该感应电压通过积分放大器形成与被测电流成比例的输出电压，从而得到大功率脉冲电源模块的放电电流数据；Rogowski线圈另一端与光纤隔离仪相连，将大功率脉冲电源模块的放电电流数据传送给光纤隔离仪。
光纤隔离仪的光发射端连接高压探针和Rogowski线圈，将接收到的模拟信号转换成光学数字信号，通过光纤传送至光接收端；光纤隔离仪的光接收端将光学数字信号还原成模拟信号，连接至NI USB-5133高速数字采集仪的输入端，将采集到的大功率脉冲电源模块的充电电压数据和放电电流数据输入至NI USB-5133高速数字采集仪，完成光电隔离功能。
NI USB-5133高速数字采集仪输入端连接光纤隔离仪，采集仪的CH 0通道和CH 1通道可分别采集大功率脉冲电源模块充电电压数据和放电电流数据；采集仪的输出端连接上位机，将采集到的大功率脉冲电源模块充电电压数据和放电电流数据上传至上位机进行处理。
其中，NI USB-5133高速数字采集仪的PFI 1通道可以连接触发装置，用于控制采集系统的触发功能。
上位机与NI USB-5133高速数字采集仪相连，用于接收采集到的大功率脉冲电源模块充电电压数据和放电电流数据，并通过搭载其上的基于LabVIEW开发的软件端进行控制和处理。
图2是本申请实施例提供的数据采集系统的软件端的使用逻辑流程图，参考图2，本实施例硬件组件连接好后，软件端的使用逻辑包括如下步骤：
①配置采集参数。通过软件端界面的设置窗口，设置选择采集仪名称，配置输入阻抗、最大输入频率、最小采样率、最小记录长度和偏移量；配置采集数据的幅值范围、垂直偏移量、灵敏度和耦合方式；选择触发通道、配置触发方式、触发幅值和触发延迟；
②进行保存设置。选择采集到的数据保存的物理地址，自定义命名数据保存的文件名；
③开始数据采集。运行软件，软件端将配置参数下发至NI USB-5133高速数字采集仪，并开始数据采集工作；
④大脉冲功率电源进行充电和放电，等待其工作结束；
⑤实时展示数据。将数据在软件端的波形图表中实时展示，形成电压和电流波形，同时在波形图表旁显示实时电压和峰值电流。
⑥停止数据采集。点击软件端上的停止按钮，结束数据采集过程；
⑦保存数据。数据采集结束后，弹出对话框询问是否保存数据，是则保存数据至预先设置好的物理地址，否则舍弃不保存此次采集数据；
⑧数据扩展。数据保存后，弹出对话框询问是否将此次保存的数据存放至数据库或数据处理系统，是则存放至相应位置，否则结束采集工作。
图3是本申请实施例提供的数据采集系统软件端界面图，参考图3，本实施例软件端的功能界面包括如下模块：
采集设置位于软件界面左上角，用于配置所述NI USB-5133高速数字采集仪，包括选择采集仪名称，配置输入阻抗、最大输入频率、最小采样率、最小记录长度和偏移量；
通道设置位于软件界面左中部分，用于对所述NI USB-5133高速数字采集仪的通道0进行设置，包括配置采集数据的幅值范围、垂直偏移量、灵敏度和耦合方式；
通道设置还可用于对所述NI USB-5133高速数字采集仪的通道1进行设置，同样包括配置采集数据的幅值范围、垂直偏移量、灵敏度和耦合方式；
触发设置位于软件界面左下部分，用于对所述NI USB-5133高速数字采集仪的触发功能进行设置，包括选择触发通道、配置触发方式、触发幅值和触发延迟；
保存设置位于软件界面左下角，用于对采集到的数据进行保存，包括选择数据保存的物理地址和自定义命名数据保存的文件名,同时数据将以CSV格式保存；
数据展示模块位于软件界面右边，用于实时在波形图表中展示采集到的充电电压数据和放电电流数据，包括时间、幅值和峰值等参数，使得操作人员能够直观地观察到大功率脉冲电源的工作情况。
应该指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于大功率脉冲电源模块的数据采集系统，其特征在于，包括硬件组件和软件单元；
所述硬件组件包括高压探针、Rogowski线圈、光纤隔离仪、NI USB-5133高速数字采集仪和上位机，所述上位机连接NI USB-5133高速数字采集仪，所述NI USB-5133高速数字采集仪连接光纤隔离仪，所述光纤隔离仪连接Rogowski线圈和高压探针；
所述高压探针用于获得脉冲功率电源的充电电压，并将充电电压数据发送给所述光纤隔离仪；所述Rogowski线圈用于获得脉冲功率电源模块的放电电流，并将放电电流数据发送给所述光纤隔离仪；所述光纤隔离仪对接收到的充电电压数据和放电电流数据进行光电隔离处理，并将充电电压数据和放电电流数据发送给所述NI USB-5133高速数字采集仪；所述NI USB-5133高速数字采集仪用于采集所述光纤隔离仪发送过来的数据，并将数据上传至所述上位机；
所述软件单元由LabVIEW进行开发，搭载于所述上位机上，用于管理所述硬件组件，包括采集设置、通道设置、触发设置、数据展示模块、保存设置功能。
2.根据权利要求1所述的用于大功率脉冲电源模块的数据采集系统，其特征在于，所述数据采集系统的软件单元的采集设置用于配置所述NI USB-5133高速数字采集仪，包括选择采集仪名称，配置输入阻抗、最大输入频率、最小采样率、最小记录长度和偏移量。
3.根据权利要求1所述的用于大功率脉冲电源模块的数据采集系统，其特征在于，所述数据采集系统的软件单元的通道设置用于对所述NI USB-5133高速数字采集仪的通道0进行设置，包括配置采集数据的幅值范围、垂直偏移量、灵敏度和耦合方式。
4.根据权利要求3所述的用于大功率脉冲电源模块的数据采集系统，其特征在于，所述数据采集系统的软件单元的通道设置还用于对所述NI USB-5133高速数字采集仪的通道1进行设置，包括配置采集数据的幅值范围、垂直偏移量、灵敏度和耦合方式。
5.根据权利要求1所述的用于大功率脉冲电源模块的数据采集系统，其特征在于，所述数据采集系统的软件单元的触发设置用于对所述NI USB-5133高速数字采集仪的触发功能进行设置，包括选择触发通道、配置触发方式、触发幅值和触发延迟。
6.根据权利要求1所述的用于大功率脉冲电源模块的数据采集系统，其特征在于，所述数据采集系统的软件单元的数据展示模块用于实时在波形图表中展示采集到的数据，包括时间、幅值和峰值这些参数。
7.根据权利要求1所述的用于大功率脉冲电源模块的数据采集系统，其特征在于，所述数据采集系统的软件单元的保存设置用于对采集到的数据进行保存，包括选择数据保存的物理地址和自定义命名数据保存的文件名。
8.根据权利要求1所述的用于大功率脉冲电源模块的数据采集系统，其特征在于，所述数据采集系统的软件单元在数据保存之后还可以将数据保存至专用的数据库中进行整理，以及将数据扩展至数据处理系统中进行分析。
9.根据权利要求1所述的用于大功率脉冲电源模块的数据采集系统，其特征在于，所述NI USB-5133高速数字采集仪输入端连接所述光纤隔离仪，采集仪的CH 0通道和CH 1通道可分别采集大功率脉冲电源模块充电电压数据和放电电流数据；所述采集仪的输出端连接所述上位机，将采集到的大功率脉冲电源模块充电电压数据和放电电流数据上传至所述上位机进行处理；其中，所述NI USB-5133高速数字采集仪的PFI 1通道连接触发装置，用于控制采集系统的触发功能。
10.根据权利要求1所述的用于大功率脉冲电源模块的数据采集系统，其特征在于，所述数据采集系统的软件单元可实时展示大功率脉冲电源模块在充电过程和放电过程的电压和电流数据，所述软件单元将采集到的充电电压和放电电流数据传送至波形图表控件，将程序整体放入循环结构中，通过设定循环结构的等待时间匹配所述采集仪的采样率，使得程序每采集一个数据就将该数据传入波形图表控件进行显示，形成电压和电流波形图，并显示当前电压值和电流峰值，实现实时展示充电过程和放电过程的电压和电流数据功能。
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