接觸電流測(cè)試儀器450A的設(shè)計(jì)和應(yīng)用分析

1．引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們使用的家用電器越來(lái)越多，品種和范圍也越來(lái)越廣，家用電器安全的重要性不言而喻。

而防觸電是所有安全標(biāo)準(zhǔn)中最基本也是最重要的要求，家電產(chǎn)品的接觸電流就是關(guān)于電器安全方面要求的內(nèi)容之一，在中國(guó)強(qiáng)制認(rèn)證（簡(jiǎn)稱CCC認(rèn)證）中也是產(chǎn)品安全型式認(rèn)可試驗(yàn)的主要測(cè)試項(xiàng)目，以及生產(chǎn)企業(yè)確認(rèn)檢查的測(cè)試項(xiàng)目。450A接觸電流測(cè)試儀就是一款專業(yè)用于測(cè)量接觸電流的儀器。

2．定義

接觸電流：當(dāng)人體或動(dòng)物接觸一個(gè)或多個(gè)裝置的或設(shè)備的可觸及零部件時(shí)，流過他們身體的電流。

模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)：模擬人接觸裝置時(shí)的一個(gè)等效阻抗網(wǎng)絡(luò)。

虛擬示波器：基于計(jì)算機(jī)的波形數(shù)據(jù)采集儀器。

3．模擬人體阻抗測(cè)試網(wǎng)絡(luò)

產(chǎn)品的接觸電流信號(hào)波形是非正弦波，諧波頻率超過100Hz，見圖1所示。對(duì)于是非正弦的波形，測(cè)量其峰值電流相對(duì)人體阻抗更準(zhǔn)確。

由于接觸電流是指當(dāng)人接觸到產(chǎn)品時(shí)流過人體的電流，而人體可以看成是一個(gè)阻抗網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)阻抗網(wǎng)絡(luò)由電阻電容通過一定的連接方式組成。等效來(lái)看接觸電流就是流過這個(gè)阻抗網(wǎng)絡(luò)的電流，這樣我們就可以模擬一個(gè)等效的測(cè)試環(huán)境來(lái)對(duì)接觸電流進(jìn)形測(cè)量。

在接觸電流的測(cè)試過程中，有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：等效的人體阻抗網(wǎng)絡(luò)和流過這個(gè)網(wǎng)絡(luò)電流的峰值。等效的人體阻抗網(wǎng)絡(luò)即模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)，在國(guó)際上通行的比較能模擬真實(shí)情況的有7種，如圖2為其中比較常用的5種模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)，測(cè)量流過阻抗網(wǎng)絡(luò)的電流也就是接觸電流。450A接觸電流測(cè)試儀是中國(guó)賽寶實(shí)驗(yàn)室研制的一款測(cè)量流過模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)電流的測(cè)試儀器，它內(nèi)部集成了以上5種用于測(cè)試的模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)之間可自由進(jìn)行切換，網(wǎng)絡(luò)的切換通過單片機(jī)進(jìn)行控制。

由于要對(duì)人體的阻抗進(jìn)行模擬，所以對(duì)模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)參數(shù)要求較高，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)所使用的電阻為無(wú)感電阻且較高的熱穩(wěn)定性，精度在1％以內(nèi)，電容也使用品質(zhì)較好的而且精度為1％的。如圖2網(wǎng)絡(luò)1，45OA測(cè)試儀器中，設(shè)計(jì)該網(wǎng)絡(luò)用電阻采用的是國(guó)外進(jìn)口的無(wú)感高功率電阻，精度為1％，電容采用是PHILIP公司的，精度為1％。在450A內(nèi)部的其他測(cè)試絡(luò)的設(shè)計(jì)上也選用同標(biāo)準(zhǔn)的元的件，達(dá)到較高的技術(shù)要求。

除了滿足元器件精度要求外，網(wǎng)絡(luò)的頻率特性在設(shè)計(jì)也是非常重要的，只有在一定的頻率范圍內(nèi)滿足輸入輸出要求的網(wǎng)絡(luò)才算是合格的。由于在設(shè)計(jì)電路時(shí)，電路板走線的長(zhǎng)短和方向會(huì)對(duì)高頻信號(hào)產(chǎn)生影響，還有元器件的放置位置也會(huì)有影響，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，當(dāng)信號(hào)頻率去到幾百千赫茲甚至上兆赫茲時(shí)，信號(hào)將出現(xiàn)比較大的衰減。如圖2網(wǎng)絡(luò)1，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通過向該網(wǎng)絡(luò)輸入不同頻率的信號(hào)，測(cè)量u2的輸出值來(lái)校驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的特性。當(dāng)頻率比較低的時(shí)候，還能滿足頻率特性參數(shù)要求，但U2端的輸出值是通過一個(gè)RC低通濾波器輸出的，隨著輸入信號(hào)頻率的升高（頻率超過200kHz），信號(hào)被快速的衰減，此電路設(shè)計(jì)不能達(dá)到測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的特性參數(shù)要求。此時(shí)要對(duì)元件的安裝位置及參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并采用其它元件進(jìn)行補(bǔ)償，以滿足該測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的頻率特性要求，見表1。在設(shè)計(jì)其它網(wǎng)絡(luò)時(shí)也要根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整。

網(wǎng)絡(luò)切換的設(shè)計(jì)上使用單片機(jī)進(jìn)行控制切換，單片機(jī)通過串口與上位機(jī)主控程序進(jìn)行交互，在主控程序中通過按鍵或鼠標(biāo)進(jìn)行控制選擇。

4．接觸電流的測(cè)量

流過以上模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的電流稱為接觸電流。接觸電流的波形為非正弦波（如圖1），標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)量的接觸電流值為最大的峰值電流，所以使用一般的有效值電流表無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。為了較為準(zhǔn)確的測(cè)量接觸電流的峰值，在設(shè)計(jì)上采用波形測(cè)量法測(cè)量接觸電流波形的電壓峰值，再通過計(jì)算得出接觸電流（Id）值。

注：表1是IEC60990-1999標(biāo)準(zhǔn)或GB12113標(biāo)準(zhǔn)附錄中。“頻率”項(xiàng)為輸入正旋波信號(hào)的頻率“輸入阻抗”為輸入網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的有效值，單位為毫伏，“轉(zhuǎn)換阻抗”為測(cè)試端U2的電壓值，單位為毫伏。網(wǎng)絡(luò)特性滿足上表要求的合格。其他的模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)要求也如此，具體可參考該儀器的說明。

在采用波形測(cè)量法獲取波形的峰值，先可通過將整個(gè)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，然后換算得出波形最大的峰值，再利用公式計(jì)算出接觸電流的峰值，圖2網(wǎng)絡(luò)1的接觸電流峰值Id=U2峰值／500。為了能實(shí)時(shí)采集接觸電流的波形數(shù)據(jù)，并方便的處理采集的數(shù)據(jù)，450A采用PC加虛擬示波器的方案。在這個(gè)方案中，波形數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)的采集，加上PC在數(shù)據(jù)處理上的優(yōu)勢(shì)，實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)被迅速轉(zhuǎn)換成測(cè)量需要的數(shù)據(jù)。通過在PC上執(zhí)行的主控程序，將硬件控制和數(shù)據(jù)處理顯示集中到一起，由外部進(jìn)行統(tǒng)一的控。圖3為450A的功能方框圖接觸電流的波形數(shù)據(jù)首先通過虛擬示波器進(jìn)行采集，虛擬示波器硬件數(shù)據(jù)采集模塊通過USB接口和 PC相連，將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)通過USB接口傳送給PC，PC端通過虛擬示波器的USB底層驅(qū)動(dòng)程序與外部硬件模塊進(jìn)行通信。PC端數(shù)據(jù)處理軟件借助PC快速的數(shù)據(jù)處理能力，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出峰值，并還原實(shí)時(shí)的波形。

由于虛擬示波器只能提供波形數(shù)據(jù)，并不能直接計(jì)算出接觸電流的值，在PC端用VB編寫了主控制程序進(jìn)行接觸電流的換算，主控程序通過虛擬示波器PC端動(dòng)態(tài)連接庫(kù)函數(shù)對(duì)其進(jìn)行操作。

虛擬示波器PC端提供了用作二次開發(fā)的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)，通過該動(dòng)態(tài)庫(kù)訪問虛擬示波器，獲取采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在VB開發(fā)主控程序中加入該動(dòng)態(tài)連接庫(kù)，調(diào)用動(dòng)態(tài)連接庫(kù)中的函數(shù)操作示波器。在程序設(shè)計(jì)中用到的函數(shù)是OpenDSO（打開示波器），ShutDSO（關(guān)閉示波器），StartDSO（開始采集數(shù)據(jù)）， StopDSO（停止采集數(shù)據(jù)），ReadDSOData（數(shù)據(jù)讀取）等。

在VB中通過數(shù)據(jù)讀取函數(shù)ReadDSOData將數(shù)據(jù)讀人到一個(gè)數(shù)組中，通過數(shù)據(jù)比較的方式查找出其中的最大值，這個(gè)最大值即接觸電流波形電壓峰值，在根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)代用不同的計(jì)算公式技術(shù)接觸電流值，在圖2網(wǎng)絡(luò)1中，接觸電流峰值Id=U2峰值／500。通過VB中的CSng（）函數(shù)將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成字符，在一個(gè)Label框中顯示出來(lái)。在VB中調(diào)用 Line函數(shù)，將數(shù)據(jù)還原成波形。以下為主控程序中的部分源代碼；

5.結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是電子技術(shù)的飛速方展、在測(cè)試儀器的設(shè)計(jì)上越來(lái)越向高精度、高智能方向發(fā)展。同時(shí)測(cè)試的產(chǎn)品對(duì)測(cè)試儀器的要求也越來(lái)越高，為了滿足不斷提升的要求，這款接觸電流測(cè)試儀器450A也就應(yīng)運(yùn)而生，不過隨著技術(shù)的發(fā)展，再先進(jìn)的測(cè)試儀器也有不足的地方，這就有待于我們進(jìn)行更進(jìn)一步的改進(jìn)和提升，以滿足產(chǎn)品測(cè)試的要求。

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