数字示波器优化生产线自动化测量解决方案

目前中国国内大部分打火机生产都是采用压电效应技术。压电效应是某些介质在力的作用下产生形变时，在介质表面出现异种电荷的现象。这种实现力──电转换等功能的神奇效应已被应用到与生产、生活、军事、科技密切相关的许多领域，国内的打火机厂商基本都是选用压电陶瓷作为原材料。

在打火机的生产过程中测量陶瓷元件产生的瞬间电压是非常重要的工作，在传统的生产线上，国内打火机厂商缺乏专业测量仪器，市场上唯一的打火机电子测试仪功能单一，不能进行扩充应用，并且操作复杂，无法实现自动化，再加上昂贵的价格，导致其无法为打火机生产厂商提供价值。

如果选用其他仪器进行测量，因为电压脉冲持续时间甚短，指针惯性较大，导致普通指针式多用电表的指针无法同步体现电压的变化最大幅偏转；由于液晶显示响应速度较慢，普通的数字显示型多用电表也来不及显示最高瞬间电压，只能显示电压降落（较平缓阶段）过程中的随机电压读数，同样不能实际应用。因此，只有高性能的数字示波器才具有对此的测试能力，例如本则案例中在温州部分生产线开始使用的北京普源精仪科技有限责任公司（RIGOL）DS1000数字示波器。

RIGOL数字示波器应用测试方案

RIGOL推出的DS1000系列高性能数字示波器带宽达到100M，实时采样率400MSa/s，存储深度1M采样点，广泛应用于电子线路测试、混合信号电路测量等众多领域。在打火机瞬时电压测试中RIGOL DS1000发挥着巨大的优势。用RIGOL DS1000示波器测量打火机电压波形和脉冲持续时间的过程如下：

第一步，设置探头和CH1 通道的衰减系数为1：1000。

第二步，进行触发设定。按下触发（TRIGGER）控制区域“MENU”按钮，显示触发设置菜单。在此菜单下分别应用1～5号菜单操作键设置触发类型为“边沿触发”、边沿类型为“上升沿”，信源选择为“CH1”、触发方式“单次”或“普通”，“触发设置”耦合为“直流”。然后调整水平时基和垂直档位至适合的范围。接下来旋转触发（TRIGGER）控制区域“LEVEL”旋钮，调整适合的触发电平。最后按“RUN/STOP”执行按钮，等待符合触发条件的信号出现。

图1 压电打火元件 。

图2 RIGOL DS1000单次和普通方式捕捉波形。

如果有某一信号达到设定的触发电平，即采样一次，显示在屏幕上。(利用此功能即可以轻易捕捉到偶然发生的事件，例如压电陶瓷受压放电的波形变化：将触发电平设置到刚刚高于正常波形电平，按“RUN/STOP”按钮开始等待，则当放电波形发生时，机器自动触发并把触发前后一段时间的波形记录下来。)

测量过程最后一步，探头输入接线柱上的两根导线的鳄鱼夹需分别接在打火机压电元件的两个电极上。迅速按下黑色塑料压杆，可以看到原来位于中央高度的水平亮线向上(或向下)跳动并保持。此时示波器上显现幅值读数为18.6kv，显示脉冲下降沿时间8.6μs。调整光标位置，得到脉冲持续时间约为10.0μs。

RIGOL DS1000示波器的光标追踪测量方式是在被测波形上显示十字光标，通过移动光标的水平位置，光标自动在波形上定位，并显示当前定位点的水平、垂直坐标和两光标间水平、垂直的增量。其中，水平坐标以时间值显示，垂直坐标以电压值显示。

此外，还可以调用RIGOL DS1000示波器U盘存储功能对放电波形进行保存。可以通过存储菜单对示波器内部存储区和ΜSB存储设备上的波形、设置文件进行保存与调出操作，也可以对ΜSB存储设备上的波形文件、设置文件、位图文件以及CSV文件进行新建和删除操作，虽然不能删除仪器内部的存储文件，但可将其覆盖。

图3 DS1000示波器光标追踪和全部测量。

图4 RIGOL DS1000示波器U盘存储。

图5 DS1000上正常放电波形。 图6 DS1000上异常放电波形。

利用P/F功能实现自动化

在电子发火的打火机生产线上，对于其点火装置的检验主要有两个参数：1、一次性按下按纽后其输出端输出首个波峰电压达到18600V；2、其首个波峰的上升时间约为10.0μs。但是即使是工厂专用的测量装置，检测这两个参数也需要很大的人工成本。为了解决这个问题，RIGOL提出了用P/F模块实现自动化测量的解决方案。

通过采用自制纯电阻分压器和阻容式分压器进行分压，我们发现由于其放电电压是急剧等变得不可忽略，使得在其放电过程中各个电阻上分压不同；而通常分压器中的电感和电容上升的，上升时间在3μs左右，使得纯电阻电路中很小的正常情况下忽略不计的感抗和容抗器件的震荡和自激发电场在放电过程中又会通过电路作用于压电陶瓷，使得压电陶瓷再放电时产生巨大的介质损耗或者极化，所以时常使得压电陶瓷失效。

RIGOL最终提供了以下问题解决方案：

1、使用纯电阻分压器，建议分压倍数1：1000(没有高压电阻使用，100K:100M串连)，测量100K电阻上的电压；

2、使用RIGOL DS1000采集一个正常点火器通过分压器的放电曲线；

3、参照这个曲线利用DG系列函数/任意波形发生器创建合适的波形输出给示波器，RIGOL DS1000利用这一输入创建P/F规则，设置合理的触发电平，取普通触发方式，这样示波器输出P的和不能触发的点火装置就是不合格产品。

标准的制定工作建议对点火器进行测试，测量出可以点火的临界曲线，并以此作为检测标准。

下面是采用此方案对一些点火装置的检验结果。虽然自动化测试系统已经在部分生产线上开始应用，但仍然有不少工厂还处于人工测试阶段。这种人工测试方法是用人手指直接感受产品，每测试一个压电元件工厂工人都要亲身感觉一次电压，如果麻痹感有异于正常电压，则判断为漏电产品。显然，这种方法不仅会给工人身体带来很大危害，身体长期处于麻痹状态更不可能保证产品的实际质量。工业生产线上需要更多RIGOL这样的安全解决方案，为劳动者的健康和产品质量提供双重保障。

本文小结

在工业生产中，压电陶瓷将外力转换成电能的特性还可以应用于煤气灶打火开关、炮弹触发引信、扩音器、电唱头、地震仪等器件，利用压电效应制作的压电驱动器更因为具有精确控制的功能成为精密机械、微电子和生物工程等领域的重要器件，这些精密器件出厂质量的保障都离不开高效的测量解决方案。作为中国国内最大的基础测量产品及解决方案供应商，RIGOL此次在打火机生产线上的应用是一个具有借鉴价值的成功案例，为批量测试很多元器件整体模拟输出信号质量提供了高可用测试环节的样例。