接觸電流測試儀器450A的設(shè)計和應(yīng)用分析

1．引言

隨著社會的發(fā)展，人們使用的家用電器越來越多，品種和范圍也越來越廣，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，在中國強(qiáng)制認(rèn)證（簡稱CCC認(rèn)證）中也是產(chǎn)品安全型式認(rèn)可試驗的主要測試項目，以及生產(chǎn)企業(yè)確認(rèn)檢查的測試項目。450A接觸電流測試儀就是一款專業(yè)用于測量接觸電流的儀器。

2．定義

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

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

虛擬示波器：基于計算機(jī)的波形數(shù)據(jù)采集儀器。

3．模擬人體阻抗測試網(wǎng)絡(luò)

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

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

在接觸電流的測試過程中，有兩個關(guān)鍵點：等效的人體阻抗網(wǎng)絡(luò)和流過這個網(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)，在國際上通行的比較能模擬真實情況的有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接觸電流測試儀是中國賽寶實驗室研制的一款測量流過模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)電流的測試儀器，它內(nèi)部集成了以上5種用于測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。

由于要對人體的阻抗進(jìn)行模擬，所以對模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)參數(shù)要求較高，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時所使用的電阻為無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測試儀器中，設(shè)計該網(wǎng)絡(luò)用電阻采用的是國外進(jìn)口的無感高功率電阻，精度為1％，電容采用是PHILIP公司的，精度為1％。在450A內(nèi)部的其他測試絡(luò)的設(shè)計上也選用同標(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)計電路時，電路板走線的長短和方向會對高頻信號產(chǎn)生影響，還有元器件的放置位置也會有影響，如果設(shè)計不當(dāng)，當(dāng)信號頻率去到幾百千赫茲甚至上兆赫茲時，信號將出現(xiàn)比較大的衰減。如圖2網(wǎng)絡(luò)1，在進(jìn)行設(shè)計時，通過向該網(wǎng)絡(luò)輸入不同頻率的信號，測量u2的輸出值來校驗網(wǎng)絡(luò)的特性。當(dāng)頻率比較低的時候，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RC低通濾波器輸出的，隨著輸入信號頻率的升高（頻率超過200kHz），信號被快速的衰減，此電路設(shè)計不能達(dá)到測試網(wǎng)絡(luò)的特性參數(shù)要求。此時要對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，以滿足該測試網(wǎng)絡(luò)的頻率特性要求，見表1。在設(shè)計其它網(wǎng)絡(luò)時也要根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整。

網(wǎng)絡(luò)切換的設(shè)計上使用單片機(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法進(jìn)行準(zhǔn)確測量。為了較為準(zhǔn)確的測量接觸電流的峰值，在設(shè)計上采用波形測量法測量接觸電流波形的電壓峰值，再通過計算得出接觸電流（Id）值。

注：表1是IEC60990-1999標(biāo)準(zhǔn)或GB12113標(biāo)準(zhǔn)附錄中?！邦l率”項為輸入正旋波信號的頻率“輸入阻抗”為輸入網(wǎng)絡(luò)信號的有效值，單位為毫伏，“轉(zhuǎn)換阻抗”為測試端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。

在采用波形測量法獲取波形的峰值，先可通過將整個波形數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集，然后換算得出波形最大的峰值，再利用公式計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。為了能實時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。在這個方案中，波形數(shù)據(jù)被實時的采集，加上PC在數(shù)據(jù)處理上的優(yōu)勢，實時采集的數(shù)據(jù)被迅速轉(zhuǎn)換成測量需要的數(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，將實時采集的數(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，并還原實時的波形。

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端動態(tài)連接庫函數(shù)對其進(jìn)行操作。

虛擬示波器PC端提供了用作二次開發(fā)的動態(tài)連接庫，通過該動態(tài)庫訪問虛擬示波器，獲取采集的實時數(shù)據(jù)。在VB開發(fā)主控程序中加入該動態(tài)連接庫，調(diào)用動態(tài)連接庫中的函數(shù)操作示波器。在程序設(shè)計中用到的函數(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Label框中顯示出來。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

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、在測試儀器的設(shè)計上越來越向高精度、高智能方向發(fā)展。同時測試的產(chǎn)品對測試儀器的要求也越來越高，為了滿足不斷提升的要求，這款接觸電流測試儀器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)品測試的要求。

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