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鎖相放大技術(shù)在蓄電池內(nèi)阻檢測中的應(yīng)用

時間:2024-09-08 11:35:10 理工畢業(yè)論文 我要投稿
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鎖相放大技術(shù)在蓄電池內(nèi)阻檢測中的應(yīng)用

摘要:介紹了鎖相放大技術(shù)的基本原理以及采用交流注入法在線測量蓄電池內(nèi)阻的裝置,詳細介紹了該裝置的工作大批量采用鎖相放大技術(shù)實現(xiàn)內(nèi)阻測量實際電路。在該裝置中通過采用平衡調(diào)制解調(diào)芯片AD630有效地抑制了噪聲和干擾,并且簡化了設(shè)計。

國內(nèi)外的科研人員通過大量的實驗發(fā)現(xiàn),蓄電池的內(nèi)阻與容量有著密切的關(guān)系,根據(jù)蓄電池內(nèi)阻的大小可以電池的性能。用內(nèi)阻檢測法判定蓄電池性能,實現(xiàn)維護密封鉛酸蓄電池的在線維護,是目前人參認的蓄電池維護的最佳方案之一。

蓄電池的內(nèi)阻一般都很小,滿容量時,內(nèi)阻一般為幾毫歐,甚至零點幾毫歐(一般400Ah的2V蓄電池內(nèi)阻大約為0.5毫歐左右),因此內(nèi)阻法在實現(xiàn)時有較大的技術(shù)難度。另外,充電機會產(chǎn)生很大的干擾,環(huán)境的噪聲也是不可忽視的,再加上內(nèi)阻否則微弱,所以如何有效地抑制干擾也就成了內(nèi)阻測量的關(guān)鍵技術(shù)。

在研究中發(fā)現(xiàn),采用鎖相放大技術(shù)可以有效地抑制干擾和,并使得內(nèi)阻的測量變得非常簡單且測量速度快、成本低廉。

圖1

1 鎖相放大的基本原理

鎖相放大的基本原理框圖如圖1所示。

由于被檢測的信號很微弱,而噪聲和干擾卻很強,所以被檢測的信號應(yīng)進行放大和濾波處理,以濾除通帶以外的噪聲和干擾。參考信號的作用是提供一個與輸入信號同頻的方波或正弦波。相敏檢波的作用是對輸入信號和參考信號進行乘法運算,從而得到輸入信號與參考信號的和頻與差頻信號。后續(xù)的低通濾波的作用是濾除和頻分量,這時的等效噪聲帶寬很窄,極強地抑制了輸入噪聲。

輸入信號經(jīng)過相敏檢波和低通濾波后,將交流信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘,直流信號?jīng)直流放大器放大后,即可滿足系統(tǒng)的增益要求。

2 鎖相放大器中的信號相關(guān)原理

設(shè)X(t)是伴有噪聲的周期信號,即:

X(t)=S(t) N(t)=Asin(ωt ψ) N(t)

其中,S(t)為有用信號,其幅值為A,角頻率為ω,初相角為ψ,N(t)為隨機噪聲。

參考正弦信號為:

Y(t)=Bsinω(t τ)

其中,τ是時間位移。則兩者的相關(guān)函數(shù)為:

由于參考信號Y(t)與隨機噪聲N(t)互不相關(guān),所以Rny(τ)=0,于是就有:

Rxy(τ)=(AB/2)cos(ωτ ψ)

從而得出Rxy(τ)正比于有用信號的幅值。

由以上分析可知,利用參考信號與有用信號具有相關(guān)性,而參考信號正噪聲相互獨立、互不相關(guān)的性質(zhì),可以使之通過互相關(guān)運算削弱噪聲的影響。

3 內(nèi)阻的測量原理

內(nèi)阻測量是一個比較復(fù)雜的過程,目前主要有兩種方法,即直流放電法和交流注入法。交流注入法相對直流放電法有很多優(yōu)點,如體積小、成本低、對電池?zé)o損害、可在線測量、可進行頻繁的測量等。由于交流法具有種種優(yōu)點,所以越來越受到業(yè)界的推崇。

這里要用了交流注入法進行蓄電池內(nèi)阻的測量,運用鎖相放大技術(shù)很好地抑制了充電機的干擾和環(huán)境噪聲。

交流注入法測量電池內(nèi)阻的原理框圖如圖2所示。由于在變電站和通信基站中使用的免維護鉛酸蓄電池的內(nèi)阻都很小,一零點幾個毫歐至幾個毫歐,所以電池內(nèi)阻測量導(dǎo)線的阻抗是不可忽略的,應(yīng)采用四線法進行測量,即將注入電流回路與信號測量回路分開。

圖中,低頻交流信號發(fā)生器為一個頻率為5Hz的交流恒流電池源,用于給電池注入交流信號。電阻Rr為取樣電阻,用于產(chǎn)生同步參考信號。

鎖相放大及濾波電路是內(nèi)阻測量的核心部分,用于分離電池內(nèi)阻上固有的容性成分,并對微弱的內(nèi)阻測量信號進行鎖相放大及濾波處理。

測量內(nèi)阻一般是先通過測量電壓計算出內(nèi)阻抗,再測量相移,然后再計算出內(nèi)阻抗中純阻性部分(即常說的電池內(nèi)阻)。這種方法電路設(shè)計比較復(fù)雜,并且精度也很難做得很高。在設(shè)計中,采用了鎖相放大法進行內(nèi)阻的測量,可直接計算出內(nèi)阻,既簡化了設(shè)計,又有效地抑制了干擾和,大大提高了測量精度。

4 鎖相放大及濾波處理實際電路

對于存在噪聲的非周期信號,通常用濾波器減小系統(tǒng)的噪聲帶寬,即所謂的帶寬壓縮法。對于深埋在噪聲信號中的周期性重復(fù)信號,通常采用鎖相放大技術(shù)(頻域的窄帶化處理)進行處理。

相敏檢波器是鎖相放大器的心臟。對周期信號進行互相關(guān)運算的電路框圖如圖3所示。

設(shè)US=Es·sin(2πf1t ψ1)

Ur=Er=Er·sin(2πf2t ψ2)

則:Uo=Us·Ur

=(EsEr)/2cos[2π(f1-f2)t (ψ1-ψ2)]-(EsEr)/2

cos[2π(f1 f2)t (ψ1 ψ2)]

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