一种智能化的熔断电阻自动测试设备

时间：2010-10-27

摘要：为了解决熔断电阻器测试过程中人工因素影响大、测试结果离散性大的问题，提出了一种熔断电阻器自动测试设备的设计方案，通过采用智能化设计，让设备自动地的测量待测电阻的阻值并加载所要求的测试电流，有效地解决了以上问题。与传统测试设备相比，熔断电阻自动测试设备具有测试高、重复性好、操作简便、可靠性高等多种优势。

　　0 引言

　　熔断电阻器是用于电路过流保护的重要器件。熔断电阻的熔断特性测试工作一般都采用传统的稳压电源进行。根据我国相关的测试标准，在进行熔断电阻的熔断特性测试应当加上相应的额定熔断电流，当测试电流达到 50mA 时开始计时，当测试电流下降到额定测试电流的 1/50（或 1/400，由标准确定）时停止计时，两者之间的时间差称为熔断时间。由于操作者实际上无法地操作计时器，而每个熔断电阻间不可避免地存在的阻值差异，相同的测试电压必然会导致实际测试电流与额定测试电流之间的偏差，尽管国家标准允许操作者在 2 s内将测试电流调整到额定电流值，但对于一个通电后阻值不断快速发生变化的熔断电阻器，要作到这一点谈何容易，因此实际操作中常常顾此失彼，导致测试结果分散性强，不同的操作人员对同一批产品往往会得出不同的测试结论，因此生产者希望能得到一种自动化的测试设备用于解决测试中出现的问题，这里介绍的一种智能化的熔断电阻自动测试设备可以很好地满足上述需要。

　　1 自动测试设备主要技术特性设计

　　根据熔断电阻的测试要求，新设备应具备以下主要技术参数：

　　（1）输出电压范围：0.03-40V

　　（2）输出电流范围：0.01-23A

　　（3）输出电压分辨率≤1mV

　　（4）输出电流分辨率≤1mA

　　（5）启动时间设置范围：0－9 秒

　　（6）熔断测试时间设置范围：0－255 秒

　　（7）加电试验时间设置范围：0－99999 秒

　　（8）输出电压：不大于 1％FSR

　　（9）输出电流：不大于 1％FSR

　　新设备应具有如下功能特性：

　　（1）能自动进行熔断电阻特性测试，自动判断熔断电阻的有无及通断状态，自动计时及显示测试结果。

　　（2）可自动测量被测熔断电阻的阻值，根据实测电阻值的大小自动调整测试电流至额定电流值，避免手工操作带来的误差。

　　（3）可预先对各个型号的熔断电阻测试参数如：型号、阻值大小、测试功率、测试电流及测试电压、熔断时间范围等进行设置，测试时只需选中待测电阻的型号，所有测试参数都将自动显示在屏幕上，设备自动处于测试准备状态。

　　（4）采用全电子结构，避免使用机械继电器或波段开关，提高设备的可靠性。

　　（5）采用四端口方式连接负载（两个输出端口及两个检测端口），避免大电流状态下产生的测试误差。

　　（6）具有短路及过电流保护功能，保证仪器不被意外损坏。

　　（7）测试数据自动保存，需要时可方便地打印出来。

　　（8）新的测试设备采用微机进行控制，所有的操作均通过鼠标或键盘完成。

　　2 实施方案

　　2.1 硬件部分设计

　　设备共由两部分组成：测试仪器和个人计算机（PC），计算机通过串行口与测试仪器内嵌的单片机（89C52）进行通信，由单片机进行数据传送及采集并控制测试仪器完成测试工作。

　　由于机械式开关或继电器触点开合时有打火现象，不仅寿命短可靠性差，还容易对其它部分产生干扰，故使用固态继电器代替。另外由于开关电源的纹波难以控制并影响测试结果，故此采用传统的模拟电源结构。

　　根据相关的国家标准，熔断电阻的阻值分布范围从 0.1 到 60 多欧姆，所需的额定测试电流范围从百余毫安到 20 多安培，从电压及从电流方面考虑采用分档电路加以实现。

　　经计算可知，测试设备所需的测试电压范围约为 0.2V-40V，考虑到变压器的负载特性、测试电流分布及电网电压波动情况，选取 4 抽头 45V/800W 的电源变压器，每个抽头接一个固态继电器作为选通开关，固态继电器的通断由单片机控制，输出较低电压时用低电压抽头，输出较高电压时采用高电压抽头，保证电压调整管两端的压降不会过高，避免调整管发热烧毁。同时采用四个大功率加装散热片的三级管并联作为调整管使用，给每个管子留出足够的功率余量。事实证明，在不加装风扇的情况下，设备也可以长时间稳定地连续工作。

　　为了保证上述指标的实现，设备采用两级稳压方案，第二级稳压电路提供测试所需的稳定电压，其参考电压来自由单片机控制的 16 位 D/A 转换器（MAX541）及驱动器，级稳压电路起一个缓冲作用，一是保证前级的电压波动不会影响到输出级，二是保证晶体管泄漏电流不会传送到输出端口（级稳压电路的泄漏电流在第二级稳压电路输入端提前泄放掉了，而第二级稳压电路由于压差低泄漏电流可以忽略不计），但级稳压输出值是浮动的，通过一定的措施，使其在任何情况下都保证第二级稳压电路的调整管有一个约 3.5V 的压差（见图 1）。

图 1 ：熔断特性测试设备原理示意图

　　输出电压大小的指令由微机发出给设备内置的单片机接收，单片机再将相关的数据发送给 D/A 转换器并打开对应的固态继电器（选取变压器不同的输出抽头）。为了保证固态继电器不会同时处于开启状态而烧毁，单片机先关闭打开的继电器，延迟 50 毫秒后再打开另一个固态继电器。由于该过程时间很短，所以在实际使用中无法察觉。

　　采用负载端电压取样结构，保证在大电流状态下被测熔断电阻器能得到所需的电压。参考电源由 16 位 D/A 转换器及其驱动器、2.5V 基准电压源担任，以保证输出电压的灵活性和准确性。在输出回路中串联了一个采样电阻 R，用于测量输出电流及过电流保护，此电阻选用大功率精密线绕电阻，保证在极端情况下不会因过热导致阻值发生变化影响测试结果。电流值在电阻R两端采样，经放大后送 16 位 A/D 转换器转换为数字信号，由单片机读取后送计算机处理；电压值经 R1、R2 分压后提取（见图 1）送 16 位 A/D 转换器转换为数字信号，由单片机读取后送计算机处理。

　　2.2 控制软件设计

　　计算机测试控制软件用 VB6.0语言编写；为了的定时及采样需要，测试仪器内嵌的单片机软件用汇编语言编写。

　　本设备由计算机发出控制指令，设备中的单片机接收后执行相应的操作，同时单片机将采集到的电流及电压数据发送给计算机。控制程序根据电流的大小判断熔断电阻器的有无及通断状态，根据电压电流比计算出熔断电阻器的阻值并控制输出所需的测试电压。

图 2：测试主界面

自动测试过程流程图（见图 3）

　　当操作人员选定待测熔断电阻器的型号后，相关的测试参数会出现在屏幕上，这时微机发出指令先输出一个较低的电压（保证短期内被测熔断电阻不会因发热而导致阻值变化），然后根据回路中电流的大小判断待断熔断电阻器是否已经装夹好，电流约等于 0.5mA（以下）的作无电阻判断，电流时大时小作没夹好判断，电流稳定后根据电流值及电压值计算电阻值，若该阻值在该型号电阻误差范围内则根据额定电流大小及电阻值的大小输出所需的稳定电压，同时开始计时，在规定时间内电阻熔断的（以回路电流下降到额定电流的 1/50 或 1/400，由技术要求决定，在操作前设置）判断为合格，否则为不合格，同时停止计时显示测量结果并自动保存，设备自动回到测电阻值的低电压状态。由于回路的输出端接有电压取样电阻，流过该电阻的电流会迭加在回路总电流中，实测时由控制软件通过下式将该电流从总电流中扣除：

　　式中：I为实际流过被测电阻的电流；IO为回路总电流；VO为输出电压；R1、R2、R4为采样分压电阻。

　　本设备在使用前必须进行标定，从图 3 可以看出，本设备的输出电压为：

　　式中 V0 为输出电压，VF 为 D/A 转换器输出的参考电压，其大小在 0-2.5 伏之间由程序控制，R4 为 3.9K 欧，R3 为 240 欧（见图 3）由上式可以得出输出电压在 0-40.625V 之间可调。

图 3：测试程序框图

　　16 位 D/A 转换器接收的数据范围为0-65535，对应于 0-40.625V 之间输出电压，电压分辨率及每输入数对应的电压值为 40.625/65535=0.62mV，原则上可以简单地通过调整 D/A 转换器的输入数调整输出电压值。但考虑到元器件及电路的非线性因素，设备必须标定后才能使用，标定原理如下：

　　如图4所示，输入一个期望得到的目标电压，设备按照 N = V0/0.62mV 的结果向 16 位 D/A 转换器输入数据 N，16 位 A/D 转换器在 R1、R2 交点处采集（见图 1）输出电压并转换为数字信号 M，与此同时用标准电压表及电流表在设备输出端（加适当的负载）测量实际的电压及电流值，并将实际电压及电流值填入图 4 所示的空格内，按电压值从小到大重复上述操作过程，控制软件将自动保存上述 Ni、Mi、V0i 所有数据并建立内部数据库。

　　当设备需要输出与某标定点相同的电压 V0i 时，直接向 D/A 转换器发送对应的数据 Ni 就可以了；当需要输出介于两个标定点 V0i 与 V0j 之间的电压 V0k 时，按照线性插值公式可得：