基于LabVIEW开发平台的微欧级电阻测量系统

摘要

本发明针对电子测量领域中如何对微小电阻（断路器的动、静触头间的接触电阻、导线电阻等）进行精确测量这一技术问题，提供了一种基于labVIEW平台的微欧级电阻测量系统。系统包括硬件和软件两部分。硬件由交流恒流源、参考信号源、低噪声前置放大器、数据采集卡、直流电源和计算机组成；软件由数据采集控制模块、LabVIEW数字滤波模块、LabVIEW互相关模块和数据后处理模块组成。系统采用虚拟仪器互相关检测技术，实现了对微欧级电阻的有效测量，构成一个编程灵活方便、简洁高效、抑制噪声和恢复提取有用信号能力强、测量准确度及分辨率高、性能稳定的个性化的自动测量系统，具有实时显示、存储、回放功能。

说明书

技术领域

本发明属于电子测量技术领域，涉及微欧级电阻测量系统和方法。

背景技术

在工程技术、科学研究和生产实践的各种活动中，微欧级电阻(断路器的动、静触头间的 接触电阻、导线电阻等)的测量，对于节能减排，提高电力系统的安全稳定运行和经济效益等 方面具有非常重要的意义，符合未来智能电网的要求。传统的微欧电阻检测理论和方法主要 有：直流恒流法、直流双臂电桥法、大电流脉冲电流法等。基于这些方法已经制成了各种传 统的微电阻检测仪器，但是这些方法存在以下缺点：直流法测量精度低，电桥法操作繁琐、 不能直接读数，对于许多被测微电阻是不允许加很大的测量电流，大电流会损坏被测器件或 引起爆炸等。

近些年，随着计算机技术、电子技术、通信技术、计算机信息处理技术的迅猛发展，传 统的仪器正向软件化、数字化和虚拟化方向发展。虚拟仪器(Virtual—instruments，VI)的概念 是由美国国家仪器公司(NI)最先提出的，与传统仪器一样，它可以分为数据采集、数据分析 处理、显示结果三大功能模块。虚拟仪器的最大特点是将计算机资源与仪器硬件相结合，在 系统内共享软硬件资源。基于虚拟仪器在数据采集、分析、存储方面的优点，本发明运用 LabVIEW编程，采用交流恒流源和软件互相关检测法测量微电阻，设计了一套微欧级电阻测 量系统，抑制噪声和恢复提取有用信号能力强，进一步提高微电阻的测量精度，具有测量操 作简便，读数直观，自动分析筛选和判断、存储回放功能。可广泛用于工厂、研究所、实验 室等场合。

发明内容

本发明针对电子测量领域中如何对微小电阻(断路器的动、静触头间的接触电阻、导线电 阻率等)进行精确测量这一技术问题，以及现有技术的不足，提出一种基于LabVIEW平台的 微欧级电阻测量系统，系统由硬件和软件两部分组成。硬件由交流恒流源、参考信号源、低 噪声前置放大器、数据采集卡、直流电源、计算机等组成；LabVIEW分析软件由人机界面程 序、采集控制与测量模块和软件滤波模块、互相关模块、数据后处理程序组成。系统采用虚 拟仪器互相关检测技术，实现了对微欧级电阻的有效测量，构成一个编程灵活方便、简洁高 效、抑制噪声和恢复提取有用信号能力强、测量准确度及分辨率高、性能稳定的个性化的自 动测量系统，具有实时显示、自动分析筛选和判断、存储回放功能。

本发明技术方案如下：

基于LabVIEW开发平台的微欧级电阻测量系统，包括电阻信号检测硬件系统和 LabVIEW互相关分析处理软件系统两部分。电阻信号检测硬件系统由交流恒流源、参考信号 源、待测电阻、低噪声前置放大器、数据采集卡、直流电源和计算机组成。LabVIEW信号互 相关分析处理软件系统由数据采集模块、LabVIEW数字滤波模块、LabVIEW互相关模块和 数据后处理模块组成，均基于LabVIEW开发平台及其附属软件包研发而成。

交流恒流源产生的输出电流通过待测电阻，在待测电阻两端产生微弱电压信号，该微弱 电压信号通过低噪声前置放大器放大后再通过数据采集卡的第一模拟输入通道采集至计算 机；参考信号源产生的参考电压信号一方面输入到交流恒流源，以控制交流恒流源的电流输 出频率，使得参考电压信号频率与交流恒流源的电流输出频率相同；参考信号源产生的参考 电压信号；另一方面通过数据采集卡的第二模拟输入通道采集至计算机；直流电源向低噪声 前置放大器提供工作电压。

低噪声前置放大器的输出信号和参考信号源产生的参考电压信号经数据采集卡采集至计 算机后，由LabVIEW互相关分析处理软件系统完成待测微电阻的阻值测量。其中，数据采 集模块实现数据采集过程中的控制功能；LabVIEW数字滤波模块对低噪声前置放大器的输出 信号和参考信号源产生的参考电压信号进行带通滤波；LabVIEW互相关模块对带通滤波后的 低噪声前置放大器的输出信号和参考信号源产生的参考电压信号进行互相关检测和修正，得 到待测电阻的测量结果；数据后处理模块对待测电阻的测量结果进行后处理，实现显示、存 储和回放功能。

上述基于LabVIEW开发平台的微欧级电阻测量系统中：

所述交流恒流源主要技术指标：1）输出量程：1mA～1000mA；2）频率范围：100Hz～ 10KHz可调；3）恒流源精度：±1％；4）档位：1mA、5mA、10mA、50mA、100mA、500mA、 1000mA七档可调。

所述待测电阻采用4线测量法进行线路连接，以减小线路压降带来的测量误差。采用4 线测量法进行线路连接，即采用两条电流线，将交流恒流源连接到待测电阻的两端，采用两 条测量线，分别将电阻两端的微弱电压信号连接到低噪声放大器的两个输入端，电流线和测 量线二者严格分开，各自构成独立回路。

所述低噪声放大器采样两级放大，放大倍数K1或K2为1倍、10倍或100倍可调，整 个放大倍数K=K1×K2为1倍、10倍、100倍、1000倍或10000倍可调。

所述参考信号源主要技术指标：1）输出电平：0～5V可调；2）频率范围：100Hz～10KHz 可调；3）波形：正弦波；4）输出阻抗：50Ω。

所述直流电源输出电压：±9V；输出电流：200mA；纹波：≤10mV。

所述数据采集卡参数：I/O通道数：模拟输入4路，模拟输出2路；模拟输入采样率：1MS/s； 模拟输入分辨率：16位。

本发明利用虚拟仪器技术，实现基于LabVIEW图形编程软件对微弱信号的互相关分析 检测，达到对微欧级电阻的测量目的。相关分析是时域信号分析和处理的常用方法，具有抑 制噪声和恢复提取有用信号能力强，测量准确度及分辨率高等优点。基于LabVIEW的相关 测量系统具有良好的专用性、相通性和可移植性，它充分利用了计算机的强大功能，其图形 化用户界面开发功能和灵活的特点使得软件编程灵活方便、简洁高效、性能稳定，具有实时 显示、存储、回放等功能，是一套个性化的自动测量系统，这些特点使得本发明所设计的基 于LabVIEW开发平台的微欧级电阻测量系统具有一定的实用价值。

附图说明

图1为本发明的硬件系统框图。

图2为本发明的低噪声前置放大器原理图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行进一步详述。

基于LabVIEW开发平台的微欧级电阻测量系统，包括电阻信号检测硬件系统和 LabVIEW互相关分析处理软件系统两部分。电阻信号检测硬件系统由交流恒流源、参考信号 源、待测电阻、低噪声前置放大器、数据采集卡、直流电源和计算机组成。LabVIEW信号互 相关分析处理软件系统由数据采集模块、LabVIEW数字滤波模块、LabVIEW互相关模块和 数据后处理模块组成，均基于LabVIEW开发平台及其附属软件包研发而成。

交流恒流源产生的输出电流通过待测电阻，在待测电阻两端产生微弱电压信号，该微弱 电压信号通过低噪声前置放大器放大后再通过数据采集卡的第一模拟输入通道采集至计算 机；参考信号源产生的参考电压信号一方面输入到交流恒流源，以控制交流恒流源的电流输 出频率，使得参考电压信号频率与交流恒流源的电流输出频率相同；参考信号源产生的参考 电压信号；另一方面通过数据采集卡的第二模拟输入通道采集至计算机；直流电源向低噪声 前置放大器提供工作电压。

低噪声前置放大器的输出信号和参考信号源产生的参考电压信号经数据采集卡采集至计 算机后，由LabVIEW互相关分析处理软件系统完成待测微电阻的阻值测量。其中，数据采 集模块实现数据采集过程中的控制功能；LabVIEW数字滤波模块对低噪声前置放大器的输出 信号和参考信号源产生的参考电压信号进行带通滤波；LabVIEW互相关模块对带通滤波后的 低噪声前置放大器的输出信号和参考信号源产生的参考电压信号进行互相关检测和修正，得 到待测电阻的测量结果；数据后处理模块对待测电阻的测量结果进行后处理，实现显示、存 储和回放功能。

计算机是整个测试系统的核心，具有友好的人机交互界面，又是微电阻测试系统软件的 载体，数据采集卡安插到计算机上，加上基于LabVIEW开发的应用软件构成微欧级电阻测 试系统，实现了用计算机的全数字化的采集测量分析，具有软硬件资源丰富、扩展性强、测 量精度高、操作方便、性价比高等优点。

采用交流恒流源测量微电阻，将交流恒流源输出连接到待测微电阻的两端（图1中A、B 端），恒流源的输出电流在待测微电阻两端形成稳定压降。但由于待测微电阻阻值小，其两端 输出电压较小，被检测的电压信号往往是很微弱的，并且伴随的噪声和干扰很大，所以需通 过低噪声前置放大器放大待测电压。电阻两端的微弱电压信号通过C、D端连接到低噪声前 置放大器的输入端，由放大器放大此微弱电压信号，低噪声前置放大器的作用是将伴有噪声 的微弱电压信号放大到足以推动采集卡工作的电平。放大器的输出端连接到数据采集卡的模 拟输入端。

对于放大器放大信号过程带来的噪声，可以通过采用设计低噪声前置放大器或者运用低 噪声运算放大器级联的办法，使放大器的噪声与被检测电阻两端电压信号的噪声相比可以忽 略，从而减小放大器的噪声对被测信号产生的噪声污染。但是，当被测信号很弱而背景噪声 或干扰的影响很大时，通过低噪声前置放大器放大后得到电信号的信噪比很低，仅仅设计一 个低噪声前置放大器是不够的。这时，除了要求放大器产生的附加的噪声干扰尽可能小之外， 还要设法将混于被测信号中的噪声尽量的减小，以便从噪声中将信号(或信号中所携带的信息) 提取出来，这就需要借助一些特殊的微弱信号检测的方法，即相关检测法，本发明通过 LabVIEW软件互相关检测实现。

交流恒流源输出具有七档可调，根据待测电阻的阻值来调整输出电流的档位。此精密交 流恒流源主要技术指标：1）输出量程：1mA～1000mA；2）频率范围：100Hz～10KHz可调； 3）恒流源精度：±1％；4）档位：1mA、5mA、10mA、50mA、100mA、500mA、1000mA 七档可调。

参考信号源提供一个参考电压信号，该参考信号与交流恒流源的电流输出频率相同，提 供的参考信号的电压幅值可调，且与待测电阻两端测量信号放大后的信号幅值相当。为保证 信号源频率和交流恒流源频率相同，用信号源的输出控制交流恒流源，参考信号源的输出连 接到数据采集卡的另外模拟输入端。此信号源的主要技术指标：1）输出电平：0～5V可调； 2）频率范围：100Hz～10KHz可调；3）波形：正弦波；4）输出阻抗：50Ω。

待测电阻采用4线测量法进行线路连接，以减小线路压降带来的测量误差。采用4线测 量法进行线路连接，即采用两条电流线，将交流恒流源连接到待测电阻的两端，采用两条测 量线，分别将电阻两端的微弱电压信号连接到低噪声放大器的两个输入端，电流线和测量线 二者严格分开，各自构成独立回路。

放大电路的输入端连接到待测微电阻C、D端，前置低噪声放大器选用运放电路中的OP07 集成块，其特点如下：OP07是一种具有低失调电压、低失调电流和低飘移的超低失调运算放 大器，其广泛运用于稳定积分、精密加法、比较、阈值电压检测、微弱信号精确放大等场合。 放大器采样两级串联放大，选择5个量程来进行微电阻的测量，通过开关K1、K2来改变运 算放大器OP07的放大倍数，放大器分别对输入电压放大1倍、10倍、100倍、1000倍和10000 倍。放大倍数开关K1、K2档位的选择根据待测电阻和电流源电流的大小来选择，如图2。

直流电源连接到低噪声前置放大器上，为放大器电路提供电源。直流电源输出电压：± 9V；输出电流：200mA；纹波：≤10mV。

数据采集卡安插在计算机上，参考信号源的输出电压信号和放大器的放大输出信号分别 连接到数据采集卡的模拟输入端子，通过数据采集卡采集放大器的输出信号和参考信号源的 输出信号，传输到计算机中，由LabVIEW互相关分析处理软件进行数据处理，完成待测微 电阻的阻值测量。数据采集卡参数：I/O通道数：模拟输入4路，模拟输出2路；模拟输入采 样率：1MS/s；模拟输入分辨率：16位。

互相关分析检测等部分在PC机上完成，采用LabVIEW软件编程实现对微电阻信号的处 理。所述LabVIEW信号互相关分析处理软件包括数据采集模块、LabVIEW数字滤波模块、 LabVIEW互相关模块和数据后处理模块组成，均基于LabVIEW开发平台及其附属软件包研 发而成。其中，数据采集模块实现数据采集过程中的控制功能；LabVIEW数字滤波模块对低 噪声前置放大器的输出信号和参考信号源产生的参考电压信号进行带通滤波；LabVIEW互相 关模块对带通滤波后的低噪声前置放大器的输出信号和参考信号源产生的参考电压信号进行 互相关检测和修正，得到待测电阻的测量结果；数据后处理模块对待测电阻的测量结果进行 后处理，实现显示、存储和回放功能。

根据相关性原理实现对信号的检测称为相关检测技术，本质上说，相关检测是基于信号 和噪声间的统计特性进行检测的。相关函数是两个时域信号相似性的一种度量，它可以实现 对检测信号和参考信号进行互相关运算。利用参考信号频率与输入信号频率相关，与噪声频 率不相关，从而从噪声中提取有用信号。相关检测主要利用最大限度地压缩带宽、抑制噪声， 以达到检测微弱信号的目的。

LabVIEW信号互相关分析处理软件前面板设计了5个输入控件：采集参数设置、滤波器 设置、调零设置、放大倍数选择、电流选择。

采集信号是通过波形的形式显示的，前面板中采用分页显示在界面间切换，从左到右分 别是：含有噪声的采集测量信号波形、测量信号经过滤波处理后的波形、含有噪声的采集参 考信号波形、经过处理后的标准参考信号波形以及经过互相关函数分析运算后的波形。

微电阻的测量值是通过数值显示控件直观地看出。测量的结果包括5个量：即每测量一 次得到的参考信号电压值、信号频率、测量信号电压值、电阻瞬时值和多次测量得到的电阻 平均值。

用LabVIEW软件实现的程序包括信号输入采集、低通滤波器、互相关检测与相关修正、 平均、显示、存储、回放几个部分。

输入信号（待测信号）由SignalExpress选板中的DAQ助手从数据采集卡获得，“放大倍 数”调节旋钮用来调节输入信号的放大倍数，应与硬件放大电路的放大倍数相同。

参考信号的获得也是选用外部参考，使外部参考信号通过数据采集卡采集到系统中来。 参考信号的调节由硬件“参考信号”调节完成，参考信号幅值应和放大器放大后采集到计算 机中的输入信号（待测信号）的幅值相当。参考信号经过处理变换为标准参考信号，标准参 考信号的幅值为1，频率仍然与输入信号相同。

采样信息包括每秒采样率（Fs）和每次采样波形的采样数，参考信号的采样信息应与对 被测信号的采样信息相一致。

由于待测电阻两端的电压是微弱信号并处于较大噪声和干扰环境下，甚至是被噪声和干 扰淹没的信号，前级应对信号上叠加的噪声做初步滤波处理。滤波使用的是LabVIEW提供 的带通滤波器，可通过前面板的数值输入控件调节滤波的高截止频率和低截止频率，还可在 程序框图中调节滤波器的类型和阶数。系统中使用的是7阶巴特沃兹滤波器，输入信号经过 滤波后，50Hz的低频周期干扰信号几乎完全被消除，噪声信号有一定程度的衰减。参考信号 经过滤波后，50Hz的低频周期干扰信号也几乎完全被消除。然而滤波器的引入使得测量信号 幅值有一定程度的衰减，此时需要进行修正。输入信号的转换由动态模式转换为双精度数组 格式。

测量信号和参考信号的互相关分析的功能由LabVIEW中的时域分析模板提供。互相关 VI位于Functions>Analyze>Signal Processing>Time Domain>中，调用CrossCorrelation函 数进行离散序列的互相关函数计算

在实际测量中，只能得到信号x(t)的N个采样值，所以将连续时间信号x(t)和y(t)用等 时间间隔△t采样取值，则时间t=n△t，时延τ=m△t(m=0,1,2,…N-1)，得到信号x(t)和y(t) 离散时间序列x(n△t)和y(n△t)，简写为x(n)和y(n)，其中n=0,1,2,…N-1。

通过调用LabVIEW中Functions>Signal Processing>Time Domain>Cross Correlation.vi 子模板来实现互相关的算法。

测量信号和参考信号的互相关分析过程中，由于信号分析要求循环进行，而整个过程都 希望是人机交互的，因此，在后面板的程序设计中采用While循环结构。

互相关分析过程中用到了Cluster子模板上的Bundle图标，目的是把图形横轴的起点、 横轴分度值以及互相关函数值组合成一个整体。Bundl图标有三个输入量：其一是横轴起点； 其二是横轴的分度值，它由采样频率的倒数，即采样间隔来决定；其三是要显示的互相关函 数值，即纵坐标值。经过这样的设置之后，Graph图标的属性就由Bundle图标的输入参数来 设定，并且横坐标单位由原来的采样点数变为时间。最终波形数据以簇的形式给出，包括起 始时间t0、采样时间间隔dt和一个由采样数据构成的数组。

测量信号和参考信号的两周期信号的互相关函数仍然是同频率的周期信号，且保留了原 测量信号的幅值信息。如果改变两个正弦信号的频率为不同频率，会观测到两个非同频率的 周期信号互不相关。但用LabVIEW软件中互相关函数Cross Correlation.vi求得的波形曲线是 一条等周期的振幅衰减的曲线。原因是数据采集的过程中，每次数据采集的时间T是有限值， 即软件将截取的那段信号之外的部分认为是零值。因此在应用时需要加以修正，修正算法是 对LabVIEW中求出的相关函数的每一个相关值除以N-τ。其中，N是LabVIEW求出的相关 函数输出组的长度，τ是时移的位置，d为输出相关函数首尾截去的百分比，n是截短后的 取样数。经过修正后，求得的波形曲线是一条包含测量信号信息的等周期、等振幅的曲线， 周期或频率与测量信号相同，振幅也和测量信号的振幅相等。

经处理和计算的数据通过显示部分进行显示。采集信号是通过波形的形式显示的，分别 是：含有噪声的采集测量信号波形、测量信号经过滤波处理后的波形、含有噪声的采集参考 信号波形、经过处理后的标准参考信号波形以及经过互相关函数分析运算后的波形。

经过互相关函数的运算，微电阻的测量值是通过数值显示控件输出。测量的结果包括5 个量：即每测量一次得到的参考信号电压值、信号频率，测量信号电压值、电阻值和多次测 量得到的电阻平均值。

传统锁相放大器需在后级进行带宽极小的低通滤波。本系统中使用的是对多次测量值取 平均，获得的效果与进行低通滤波相类似，通过控制软件循环测量的次数控制其求平均所需 的量的次数，其数值只能是整数。当循环的次数越多时，反应时间较长，但是得到的值越准 确；而当循环的次数越小时，反应时间相对越短，但是得到的值有较大波动。这点与时间常 数对低通滤波器的影响也类似。

数据保存子模块即SaveData.VI，它把想要保存的数据处理成统一的格式，在系统退出时 保存到文本文件或Excel中。

系统所述的采集控制与测量模块、软件滤波模块、互相关检测模块、相关修正与平均模 块、显示、存储、回放模块，均基于LabVIEW开发平台及其附属软件包研发而成。

系统所述的采集控制与测量、软件滤波、互相关检测、相关修正、平均、显示、存储、 回放等功能，是基于LabVIEW开发平台利用相应的功能子程序（VI）形成的。

本发明利用虚拟仪器技术，实现基于LabVIEW图形编程软件互相关分析对微弱信号的 检测，达到对微欧级电阻的测量目的。相关分析是时域信号分析和处理的常用方法，具有抑 制噪声和恢复提取有用信号能力强，测量准确度及分辨率高等优点。基于LabVIEW的相关 测量系统具有良好的专用性、相通性和可移植性，它充分利用了计算机的强大功能，其图形 化用户界面开发功能和灵活的特点使得软件编程灵活方便、简洁高效、性能稳定，具有实时 显示、存储、回放等功能，是一套个性化的自动测量系统，这些特点使得本发明所设计的基 于LabVIEW开发平台的微欧级电阻测量系统具有一定的实用价值。