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電壓型高精度直流傳感器標(biāo)定測試系統(tǒng)方案
一、系統(tǒng)概述
在重離子加速系統(tǒng)中，大部分磁鐵采用的是獨立供電方式，即單塊磁鐵由單臺勵磁電源供電，這對勵磁電源的輸出性能(即線性度、穩(wěn)定度)和輸出電流回采的檢測精度提出了更高的要求，而影響達(dá)到這一要求的關(guān)鍵部件就是電源中所使用的直流傳感器(DCCT)。
DCCT是電源反饋和回采的核心部件，在磁鐵電源設(shè)計中，為了提高后期維護(hù)成本大量使用了電壓型DCCT。由于其中器件的參數(shù)存在有差異，使得各個DCCT的性能指標(biāo)(包括零點偏移、增益、線性度和穩(wěn)定度)存在一定誤差。為了檢測這一誤差并將其校正到允許范圍內(nèi)，我們設(shè)計研制了高精度直流傳感器DCCT標(biāo)定測試系統(tǒng)。
二、系統(tǒng)功能
該測試系統(tǒng)是一個基于軟件控制的自動化測試平臺，主要由PC工控機、8位半數(shù)字萬用表、超高精度直流傳感器和高精度直流穩(wěn)流電源構(gòu)建而成。
主要的功能包括：
1)檢測DCCT的性能指標(biāo)，包括:零點偏移、增益、線性度、穩(wěn)定度
2)通過與標(biāo)準(zhǔn)DCCT對比，校正被測試DCCT的輸出參數(shù)，使零點偏移和增益相對誤差小于10PPM;
3)用于檢測穩(wěn)流磁鐵電源輸出電流穩(wěn)定度
三、系統(tǒng)設(shè)計
如圖1功能框圖所示，工控計算機通過數(shù)字I/O卡和18位高精度D/A轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)測試電源輸出電流值的數(shù)字給定，并根據(jù)測試的需要設(shè)定給定電流的上/下限值，和給定電流的升降步長、速率。
用標(biāo)準(zhǔn)DCCT和被測試DCCT對電源輸出電流同時進(jìn)行測量。測量得到的模擬電壓值，由計算機通過GPIB卡控制數(shù)字多用表和多路選通器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，輸送入計算機，計算機根據(jù)輸入的測量數(shù)據(jù)，計算出DCCT的測量結(jié)果，并實時顯示出來，同時以文件形式進(jìn)行保存，以便于進(jìn)行深入的分析處理。
將計算機分析計算出的被測試DCCT的參數(shù)，與標(biāo)準(zhǔn)DCCT參數(shù)進(jìn)行對比，根據(jù)對比結(jié)果，通過調(diào)節(jié)DCCT自身的參數(shù)校正電路進(jìn)行參數(shù)校正。
此外，可以利用系統(tǒng)中的數(shù)字多用表和多路選通器對直流磁鐵電源輸出電流穩(wěn)定度進(jìn)行檢測，并將測試數(shù)據(jù)輸入計算機進(jìn)行保存和分析處理.
四、硬件及軟件設(shè)計
根據(jù)磁鐵電源性能的需要，DCCT各項參數(shù)的誤差要求控制在土1×10-5范圍之內(nèi)，因此在設(shè)計系統(tǒng)硬件時，選用和研制了許多高精度、高穩(wěn)定性的儀器和設(shè)備，包括8½數(shù)字萬用表、超高精度直流傳器和高精度直流穩(wěn)流電源。
4.1 8½數(shù)字萬用表
為了能將DCCT各項參數(shù)在士1×10-5范圍之內(nèi)的變化量測量出來，要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有更高的精度和穩(wěn)定性。目前市場上有兩種成熟的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一種是傳統(tǒng)的數(shù)字電壓表(DVM)配多路選通器通過GPIB卡與計算機通訊，其特點是底噪聲，高分辨率，高精度，但采樣速率較慢，另一種是時下發(fā)展很快的板卡式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAQ)其特點是采樣速率高，響應(yīng)快，開發(fā)方便，但分辦率基本都在16位左右，相應(yīng)測試系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)，不能滿足要求。因此我們選用了FLUKE公司研制的一款8508A 型參考級8½位數(shù)字多用表。 8508A 特別適宜于在校準(zhǔn)實驗室中應(yīng)用，提供優(yōu)異的測量不確定度、低噪聲和低漂移,配備有一塊10通道的多路選通器，可以實現(xiàn)系統(tǒng)對多個DCCT同時進(jìn)行測量的需要。
4.2標(biāo)準(zhǔn)DCCT
要對被測試DCCT的參數(shù)進(jìn)行校正，就需要有個標(biāo)準(zhǔn)，為此我們選用了 HITEC公司生產(chǎn)的ULTRACC型DCCT。它是一款于高性能測量的裝置，其具有高穩(wěn)定性，小于0.25ppm/K的溫度系數(shù)，和優(yōu)于2.5p0m的線形度。
4.3標(biāo)準(zhǔn)測試電源
標(biāo)準(zhǔn)測試電源作為被測試DCCT的測量對象，其性能指標(biāo)需在DCCT各項參數(shù)誤差的范圍之內(nèi)，否則，將無法測量出DCCT的真實參數(shù)，所以要求電源輸出電流的分辨率和穩(wěn)定度指標(biāo)達(dá)到≤1×10-5根據(jù)要求研制了一臺2000A/3V的直流穩(wěn)流電源電源采用兩級結(jié)構(gòu)，前級為零壓軟開關(guān)PWM移相全橋逆變整流電路，用于提供預(yù)穩(wěn)壓電源，后級采用調(diào)整管進(jìn)行線形調(diào)節(jié)，輸出穩(wěn)定直流，此種設(shè)計減小了電源體積，提高了電源效率，也減小了開關(guān)電源輸出電壓紋波對電流穩(wěn)定性的形響。為了達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，使用了18位高精度D/A轉(zhuǎn)換器AD760作為電源的給定器件，經(jīng)測試AD760的有效分辦率達(dá)到4x10-6。為了更進(jìn)一步提高穩(wěn)定性，AD760使用了LZ1000作為外接基準(zhǔn)源，LTZ1000是種具有極低溫的電壓基準(zhǔn)源，它的使用，降低了溫度對電源穩(wěn)定性的影響電源還設(shè)計了遠(yuǎn)控數(shù)字量給定接口，可由計算機進(jìn)行給定設(shè)置，并且輸出電流在額定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)用8位半數(shù)字電壓表( FLUKE8508A 型)和標(biāo)準(zhǔn)DCCT( HITEC-ULTRACC)對電源在20％，50％，80％和100％額定輸出電流的穩(wěn)定度進(jìn)行8h測試
直流電流技術(shù)指標(biāo)
4.4軟件設(shè)計
上層PC機的應(yīng)用程序，用于對測試系統(tǒng)硬件的控制、數(shù)據(jù)采集和顯示。它的基本功能包括:
1)控制電源和數(shù)字多用表，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;
2)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并進(jìn)行實時顯示;
3)以文件格式保存采集的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果。