一种基于Labview的电火工品瞬态热响应测试系统

惠 子，郭崇星，席兰霞，刘春建，白 冰

（陕西应用物理化学研究所，陕西 西安，710061)

瞬态热响应测试弥补了抽样试验样本量大、无法进行全批检测的缺点，是一项重要的无损检测技术。通过将电火工品作为惠斯登电桥的一臂，对电火工品输入一个幅值小、时间短的恒流脉冲电流，电流引起桥丝温度升高，产生电阻变化，使桥路不平衡。测得桥路电压——时间曲线，称为电热响应曲线[1]。采用Rosenthal集总参数方程并结合电热响应曲线，可以计算出试验样品的单发电阻增量、最大温升、集总热损失系数、热时间常数和集总热容。用这些热参数来评估电火工品的结构和性能。

1979年，Pasadena Scientific公司生产了605B热瞬态测试仪，用于产生测试所需的恒流脉冲，通过电桥电路获得桥丝电热响应信号。605B输出的电压约为0～6mV，信号时长10 ～100 ms。该信号经放大进入数据采集卡，数模转换后存入计算机缓存，由配套的测试分析软件对电压信号进行分析处理[2]。然而，该系统存在以下不足：（1） 测试系统硬件数采板卡的采样速率较低，使用的ISA的总线类别和DOS操作系统早已被淘汰，不能与实验室现有计算机以及国内通用操作系统匹配；（2）在软件设计方面，数据导出至EXCEL文件中记录的数据点数十分有限，不能真实还原实测信号；软件可使曲线横坐标系放大100倍，无法将曲线自由拖拽、拉伸，使数据读取存在困难；当产品桥丝存在微小瑕疵时，电热响应曲线会产生微小抖动，而原软件的滤波功能不可自行选择开启或关闭，导致了这一微小变化可能被滤去，降低了试验的准确度。

本文基于605B热瞬态测试仪，研制新的测试系统，从硬件方面提升系统测试准确度和可靠度，并基于Labview编程软件实现原系统不具备的曲线缩放、数据导出和信号处理等功能。

1 测试系统设计

瞬态热响应测试系统的总体设计原理与原测试系统基本相同，整套系统由硬件和软件两部分构成。

1.1 系统硬件设计

系统硬件包括605B热瞬态仪、放大器和数据采集卡。605B输出的桥路电压经放大进入数据采集卡。桥路电压具有时间短、变化快、变化幅度小的特征，因此较高精度和高采样率是选用数采板卡的必需条件。PCI-12016是华太测控的一块多功能数据采集卡，具有1MHz采样率，最大4M采样点缓存，0.3%系统精度，其使用PCI接口，并提供多种程序编译接口函数。该数采板卡性能远超于原测试系统的数采板卡，完全满足系统要求。

1.2 系统软件设计

系统软件作为瞬态热响应测试的重点部分，应具有易操作、占用内存小、界面美观、编译方便的特点。Labview是美国NI公司推出的一种基于图形化编程语言的软件开发平台。Labview软件由前面板和程序图组成。程序图是软件设计的内核，设计算法完成硬件控制和前面板各控件的调度运行，是程序图编写的主要工作；前面板即程序可视化设计，使用布尔函数控制进入或退出各子模块。

设计的试验系统软件应用于 Windows系统操作平台，可匹配大多通用计算机。试验软件主模块下包括信号采集、数据及曲线显示、信号处理、文件读取、数据存档及文件生成和参数计算6大子模块。主模块采用层叠式顺序结构编程，顺序结构共 4帧。1、2帧依次实现程序打开后的硬件连接、板卡设置，硬件连接和板卡设置基于 PCI-12016提供的接口函数实现。第 3帧中将各模块源代码写入条件结构，各以while循环控制条件结构重复执行，当各模块输入控件为布尔真值，则开始执行该模块功能。第4帧使用板卡断开和板卡关闭函数，完成对PCI-12016的调用。

2 系统软件主要功能的实现

子模块功能实现是软件设计部分的重点，本测试系统将针对原测试系统的软件功能性问题逐一改善。

2.1 曲线自由缩放功能的实现

系统中为保证人机交互界面的友好性、操作的简易性，波形显示以示波器界面为参考对象，将触发和采集双路通道数据放置于同一坐标系中。横坐标设置为时间轴，纵坐标设置为电压轴。为实现曲线自由缩放，软件中调用了Labview的图形工具选板，将选板图标置于曲线坐标系下方，见图1。

图1 图形工具选板应用Fig.1 Application of graph tool

选版中设置了移动游标以观察图像中指定某点的电压值，并实现了图像的缩放和拖拽功能。缩放功能具备轴向、点向、匹配放大等多种模式；拖拽功能可改变放大曲线的观察区域，掌握曲线整体变化。

2.2 数据导出功能

为了分析对比产品性能，需要保留每发试验后的试验数据、响应曲线、计算热参数时的输入和输出变量。系统软件提供了文件输入、输出端口，用于打开和关闭文件、读写文件、在目录路径中创建指定的文件、获取目录信息、将字符串、数字、数组写入文件的功能函数。程序提供了两种文件输出格式：文本文件(.txt)、位图(.bmp)。文本文件用来储存试验时间、试验条件、采集数据、输入变量、热参数等，位图用来记录响应曲线。在不需要深入进行试验分析的情况下，可以参考以上两种文件大致观察试验结果。程序的读取文件类型为文本文件，读取后，自动在坐标系中画出响应曲线，并将各输入变量导入计算栏。

PCI-12016具有4M的缓存空间，输出为文本文件时，记录了所有该次试验中双通道约2×105个采集数据点，保证读取文件时可完全还原响应曲线，作为试验曲线后续处理的基础。

2.3 自选滤波功能

滤波功能的开关和关闭使用布尔函数控制。当函数值为1时，对响应曲线进行滤波，在坐标轴内显示滤波后的曲线；当函数值为0，坐标轴内显示实测的响应曲线。

经过对桥路信号和噪声信号的分析，得到了混合信号的具体特征：噪声信号频率高于桥路信号频率，噪声信号周期约为 0.01s。混合信号的最大特点就是噪声与有效信号的频率基本未重叠，用简单的经典滤波器即可达到滤去噪声信号的作用。低通滤波器可以有效抑制信号的高频分量，使低频信号通过。Labview提供了滤波器函数，可实现低通滤波的功能。改变函数的截止频率输入值，函数就会产生相应算法，对原信号曲线进行滤波处理。通过分析计算，并分别观察多个截止频率设置下滤波前后的响应曲线，如图2所示，最终确定截止频率f_low=6 000Hz。

图2 滤波曲线对比Fig.2 Contrast of filtering waves

3 本系统与原测试系统性能参数对比

本测试系统通过了各项验证试验，证明系统稳定可靠，测试结果准确，能适应于大多桥丝式电火工品的输出电压信号采集。本测试系统与605B原测试系统的性能对比见表1。

表1 测试系统性能对比Tab.1 Performance comparison of test systems

通过以上对比，说明本测试系统综合性能优良，在硬件配置和软件设计方面均优于原测试系统。

4 结束语

将Labview应用于电火工品瞬态热响应试验，是将虚拟仪器技术和无损检测相结合的一次实践。采用的PCI-12016板卡具有高效、高精度、高稳定性的特点，使采集的可靠性大大提升。Labview图形化编程语言的使用为采集软件编辑提供了良好平台，在实现基本功能的基础上，对605B原测试系统弊端进行相应改善，使系统的软件操控合理化、友好化。

[1] 胡学先，王道有. 电火工品热参数的测定[J]. 兵工学报，1984(1): 17- 24.

[2] Model 605B thermal transient test set installation and operation[Z]. Pasadend Scientific Industries，1979.

[3] 黄友锐， 胡以华. 桥丝式电火工品无损检测仪的研制[J].电子测量与仪器学报， 2003， 17(4): 63-66.

[4] 胡学先，等. 电火工品电热起爆的数学模型（一）[J] . 火工品，1979(1) : 22-57.

[5] 强涛， 周彬，等. 桥丝式电火工品安全电流的预测[J]. 南京理工大学学报，2006， 30(1): 110-112.