鎖相放大技術(shù)在蓄電池內(nèi)阻檢測(cè)中的應(yīng)用

時(shí)間：2024-09-08 11:35:10 理工畢業(yè)論文我要投稿

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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(xiàn)測(cè)量蓄電池內(nèi)阻的裝置，詳細(xì)介紹了該裝置的工作大批量采用鎖相放大技術(shù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)阻測(cè)量實(shí)際電路。在該裝置中通過(guò)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(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

國(guó)內(nèi)外的科研人員通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)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(cè)法判定蓄電池性能，實(shí)現(xiàn)維護(hù)密封鉛酸蓄電池的在線(xiàn)維護(hù)，是目前人參認(rèn)的蓄電池維護(hù)的最佳方案之一。

蓄電池的內(nèi)阻一般都很小，滿(mǎn)容量時(shí)，內(nèi)阻一般為幾毫歐，甚至零點(diǎn)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(shí)現(xiàn)時(shí)有較大的技術(shù)難度。另外，充電機(jī)會(huì)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(cè)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(cè)量變得非常簡(jiǎn)單且測(cè)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(cè)的信號(hào)很微弱，而噪聲和干擾卻很強(qiáng)，所以被檢測(cè)的信號(hào)應(yīng)進(jìn)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(hào)的作用是提供一個(gè)與輸入信號(hào)同頻的方波或正弦波。相敏檢波的作用是對(duì)輸入信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算，從而得到輸入信號(hào)與參考信號(hào)的和頻與差頻信號(hào)。后續(xù)的低通濾波的作用是濾除和頻分量，這時(shí)的等效噪聲帶寬很窄，極強(qiáng)地抑制了輸入噪聲。

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

2 鎖相放大器中的信號(hào)相關(guān)原理

設(shè)X（t）是伴有噪聲的周期信號(hào)，即：

X（t）=S(t) N（t）=Asin(ωt ψ) N(t)

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

參考正弦信號(hào)為：

Y（t）=Bsinω(t τ)

其中，τ是時(shí)間位移。則兩者的相關(guān)函數(shù)為：

由于參考信號(hào)Y(t)與隨機(jī)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(hào)的幅值。

由以上分析可知，利用參考信號(hào)與有用信號(hào)具有相關(guān)性，而參考信號(hào)正噪聲相互獨(dú)立、互不相關(guān)的性質(zhì)，可以使之通過(guò)互相關(guān)運(yùn)算削弱噪聲的影響。

3 內(nèi)阻的測(cè)量原理

內(nèi)阻測(cè)量是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)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(duì)直流放電法有很多優(yōu)點(diǎn)，如體積小、成本低、對(duì)電池?zé)o損害、可在線(xiàn)測(cè)量、可進(jìn)行頻繁的測(cè)量等。由于交流法具有種種優(yōu)點(diǎn)，所以越來(lái)越受到業(yè)界的推崇。

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

交流注入法測(cè)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(hù)鉛酸蓄電池的內(nèi)阻都很小，一零點(diǎn)幾個(gè)毫歐至幾個(gè)毫歐，所以電池內(nèi)阻測(cè)量導(dǎo)線(xiàn)的阻抗是不可忽略的，應(yīng)采用四線(xiàn)法進(jìn)行測(cè)量，即將注入電流回路與信號(hào)測(cè)量回路分開(kāi)。

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

鎖相放大及濾波電路是內(nèi)阻測(cè)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(duì)微弱的內(nèi)阻測(cè)量信號(hào)進(jìn)行鎖相放大及濾波處理。

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

4 鎖相放大及濾波處理實(shí)際電路