电流传感器范文

导语：如何才能写好一篇电流传感器，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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【关键词】 电力系统 电流传感器 继电保护

前言：随着我国科学技术的快速发展，在电网的等级和压力不端增大时，对与电网的继电保护有了新的要求。在继电保护中，要求对互感器具有较为敏捷的反应速度。这样才能将故障的数据信息真实的反映出来，进而使得继电保护装置能在暂态过程中，做出正确的动作。从目前技术的层面来看，电流传感器能有效的应对这样的问题。

一、电流传感器简介

在电流传感器不断发展的过程中，第二代的电流传感器在实际的应用中较为广泛。第二代的电流传感器是一种三端口的电流型有源集成器件。与上一代相比，在其基础之上，增加了缓冲器、电流镜以及电流模等，通过新技术和就技术的有效融合，提高了动态的范围，同时，电路结构简单，运转的速度较高，功率较低等优势。所以，如若将会电流传感器与其他电子器件进行重新组合。则可以形成其他的电路结构，进而实现电流器得到广泛应用，从而设计出性能较好的模拟电路。

二、电流传感器在继电保护中的可行性研究

在我国电力工业的不断发展过程中，对电力系统的要求越来越高。但传统的传感器在使用时，存在很多的问题和不足之处。例如，以往使用的绝缘材料的结构都比较复杂，并且体积也相对较大，成本也比较高。而电流传感器的出现为改变这一现象提供了一定的技术支持。电流传感器具有广泛的使用前景，是电力技术未来发展的主要方向之一。电流传感器在整个电力系统的监控方面具有很大的作用，对于电力系统实现设备的自动化化具有一定的影响。新研制出的传感器克服了传统传感器质量体积大、抗干扰能力弱等缺点，优化电力系统的安全运行，节约电力系统的运行成本。

在我国计算机技术和控制技术发展的进程中，电力运行系统中的继电保护装置也达到了微机化控制的要求，使继电保护控制设备日趋小型化，这也要求了与其相关的设备接口要做出相应的改变，以满足继电保护设备对于接口的要求。而电流传感器正满足上诉的要求，相较于其他的控制设备，电流传感器具有十分明显的优势。除了满足基本的设备连接要求，其本身具有的良好兼容性、简便性等方面都要比传统的设备更加的优秀，并且更加的节约成本。而且利用电流传感器进行继电保护满足技术上的要求，可以进行推广和广泛的使用。

三、电流传感器在继电保护中应用

3.1电流传感器和继电保护接口

电流传感器是电力系统中的检测装置，能将检测到的电流信息，按照设定的方式将这些数据信息进行传送，进而满足对电力系统中，电流信息的存储、显示、记录以及控制的需求。在应用到继电保护中，电流传感器不仅是提供光信号和电信号。同时能将光信号和电信号进行有效的结合[1]。在科学技术不断发展的过程中，新型的电流传感器增加了输出端口，在原有技术的基础之上，增加了电子模块，这样的方式有利于拓展继电保护的应用和推广。同时，还减轻了电流传输器的自身的质量，增强了使用的效率。

3.2电流传感器对继电保护的影响

电流传感器对于继电保护产生的影响主要体现在以下几个方面，其一是，促成了电路保护方面的探讨。现今在我国电器市场中，关于继电保护的商品有较多，其各自的工作原理也具有多样化，最基本的工作原理就是滤波。这样就会产生延迟，对电力资源的消耗极大。因此，为了保障电力系统中电流的正常运转，就要对故障进行科学系统的分析，对电路的高速运转进行保护。其二是电流传感器能提高对继电保护的可靠性[2]。以往的电流传感器在使用的过程中，基于其自身的局限性，很多情况下没能使继电保护作出正确的动作，这就产生了不平衡。而新型的电流传感器的容量较大，能对电流大规模的动态范围进行保护，这就在很大的程度上提高了继电保护的可靠性。

四、结论

在电力系统中，电流感应器能对电流属性进行感知，并对具有特殊性的电流状况反馈给电力系统中的继电保护中。通过本文的论述得知，在第一代的电流传感器对继电保护的中，还存在一定的问题，而第二代的电流传感器能弥补其中的不足。随着科学技术的不断进步，电流传感器对电力系统中继电保护起到重要的推动作用。

参 考 文 献

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关键词：漏电流传感器；检测精度；数字化处理。

中图分类号：TP334 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）27-0245-03

Abstract： n this paper， a new type of digital leakage current sensor based on STM32 platform is developed. It is in a high precision simulation based on leakage current sensor by digitization and improvement， using CAN bus for data communication， real-time display clear， has the ability to meet the independent and comprehensive treatment of treatment with multiple other the same sensor， accurate detection， response fast， safe and reliable data communication lines. Is a kind of current advanced digital sensor for leakage current.

Key words： Leakage current sensor； detection accuracy； digital processing.

铁路电气化的普及，电气设备使用过程中的电气安全问题也越来越多，主要体现在电气设备的绝缘特性与漏电检测上。为了设备的安全使用，必须执行严格的绝缘和漏电的技术要求。从而避免因为绝缘不过关或者漏电而引起安全事故。本文采用STM32平台，利用CAN总线通讯，研制了一款新型数字化漏电流传感器。相比于之前的模拟传感器，本次设计采用数字化设计，通讯利用CAN总线，显示实时清晰，具有独立处理和与其他多个同样的传感器进行配合综合处理的能力，经过软硬件设计和实验测试，本传感器检测精度高、检测快速，错误率低。具有较好的应用价值。

嵌入式系统漏电流传感器在机车中为实现对漏电流的检测，最终实现自动控制。其最主要特征是能快速、准确检测和转换，传递出检测的数字信息，供计算机系统分析处理。国外嵌入式系统传感器应用较早，技术较为成熟，但由于传感器应用广，要求各异，市场需求旺盛。基于STM32平台的CAN总线车载式漏电流传感器的研制就是这样背景产生的。

1 系统原理

其系统的原理图图如图1所示。

由图可以看出多个基于STM32平台的CAN总线漏电流检测数字传感器通过CAN总线连接，通信线串接在一起，极大地减少线数；同时A/D转换在STM32处理器内部，减少传感器硬件内部的分块。

基于STM32平台的CAN总线漏电流检测数字传感器主要检测参数：检测漏电流的范围是 0～300mA ，检测精度为1% ，线性度为1%。其系统整体接线设计图如图2所示。

2 硬件系统设计

系统采用单片机进行系统设计，通过对STM32单片机芯片的使用，熟悉了CORTEX-M3内核的处理器， ARM Cortex-M3是一种基于ARM7v架构的最新ARM嵌入式内核，它采用哈佛结构，使用分离的指令和数据总线（冯诺伊曼结构下，数据和指令共用一条总线）。从本质上来说，哈佛结构在物理上更为复杂，但是处理速度明显加快。根据摩尔定理，复杂性并不是一件非常重要的事，而吞吐量的增加却极具价值。除了使用哈佛结构， Cortex-M3 还具有其他显著的优点：具有更小的基础内核，价格更低，速度更快。与内核集成在一起的是一些系统外设，如中断控制器、总线矩阵、调试功能模块，而这些外设通常都是由芯片制造商增加的。 Cortex-M3 还集成了睡眠模式和可选的完整的八区域存储器保护单元。它采用 THUMB-2指令集，最大限度降低了汇编器使用率。

系统采用CAN通讯的方式，CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。

漏电流测试仪前期购买带CAN总线接口的STM32开发板，这样节约开发周期，和降低前期的开发风险。在开发板上调通CAN通讯之后，再根据模拟量传感器的实际大小，加装一个小的数据处理单元。完成模拟量采集和CAN通讯。

整个通讯框架由主机实时对各个子模块进行轮询。每个子模块有其单独的通讯地址，保证数据不冲突。采用CAN总线进行信息传递避免了导线过多而带来的故障。

3 系统软件设计

本项目后期测试软件，采用成熟稳定的软件开发平台开发，结合电力机车行业中的实际应用和实际使用过程中得到的反馈意见，不断完善功能，操作方便简单，功能完备。软件架构设想，如图2所示。

4 装置与实验

系统设计为一台装置主机、多个数字传感器及相关电缆组成。

装置主机：由DC110V电源电路 、液晶显示屏、主控制板、数据转存单元及人机界面等组成，如图4所示。

实验流程：

A、主从机和漏电流传感器都相应的接好电源接口和CAN通讯接口。

B、取一组待测漏电流的线，把正电流那根线按漏电流传感器指示的方向穿过，在串入电流表，接入负载（适当接地以模拟漏电实验）后再负线穿过漏电流传感器返回。

C、启动电源和模拟负载及电流表，查看电流表的数据和漏电流检测装置的显示屏数据，进行对比即可看出当前实际的漏电流值。至此实验完成。

如：测量实验记录如表1所示。

5 结论

本项目设计的数字漏电流传感器经过原理分析，硬件设计与软件设计，然后经过实际的漏电流检测，数据表明，检测准备，精度高，检测方便，该数字式漏电流传感器具有良好的应用推广价值。

参考文献：

[1] 王大力.基于CAN总线电动车混合制动系统[J].仪表技术与传感器，2013（11）：108-110.

[2] 袁开鸿.魏丽君.唐东梅.基于STM32平台的CAN总线车载式漏电流数字传感器[J].传感器与微系统，2013，33（3）：118-120.

[3] 唐亚平.魏丽君.张敏三.机车车载漏电流数字传感器研究与应用[J].传感器与微系统，2014，33（12）：45-47.

[4] 陈志旺.STM32嵌入式微控制器原理，应用技术[M].电子工业出版社，2012.

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关键词：光伏水泵系统；直流无刷电机；反电势；过零点识别电路；三段式起动

引言

近年来，随着电力电子器件及控制理论的迅速发展，永磁直流无刷电机以其高效性，良好的调速性，易于维护性而得到了广泛的应用。传统的永磁直流无刷电机往往采用位置传感器来确定转子的位置，这不仅增大了电机的安装体积，增加了成本，而且降低了电机的可靠性。目前，无传感器直流无刷电机一般采用三段式起动方式，起动转矩在开始起动时比较小，并且有脉动，对于有起动转矩要求的系统存在着局限性，而在中小型太阳能光伏水泵系统中，负载转矩是随着转速的增加而增加的，不计摩擦力，在静止时负载转矩为零，所以，直流无刷电机可以应用于光伏水泵系统，并且整个系统是直流的，无须逆变，那么，在光伏水泵系统中应用直流无刷电机，对于提高系统效率,简化系统装置就具有重大的意义。

1光伏水泵系统简介

光伏水泵系统由光伏阵列，控制器，电机，水泵4部分组成。光伏阵列由许多太阳电池串并联构成，直接把太阳能转化为直流电能。目前所用的太阳电池都为硅太阳电池，包括单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳电池。由于光伏阵列的输出伏－安特性曲线具有强烈的非线性，而且和太阳辐照度、环境温度、阴、晴、雨、雾等气象条件有密切关系,所以，如果要使光伏水泵系统工作在比较理想的工况，就需要用控制器去调节、控制整个系统。电机是用来驱动水泵的，由于电机的功率因数及电压等级在很大程度上受到太阳电池阵列的电压等级和功率等级的制约，因此，对水泵扬程、流量的要求被反映到电机上，往往在兼顾阵列结构的条件下专门进行设计。对于要求流量小、扬程高的用户，宜选用容积式水泵；对于需要流量较大，但扬程却较低的用户，一般宜采用自吸式水泵。

2单片机M68HC908JK3ECP介绍

这是Motorola公司的8位单片机家族中的成员之一，同样具有高性能，低成本的优点。它内嵌4k闪速存储器FLASH，128字节RAM；具有10个通道的8位精度ADC模块，15个I/O端口；时钟模块具有输入捕捉，输出比较及脉宽调制等功能，能满足系统要求。

3无传感器直流无刷电机控制原理

无刷电机的定子为三相对称绕组，采用两相通电方式时控制电路按照一定的顺序向定子的两相通入直流电流，产生定子磁势Fa；转子为永磁材料，产生磁势Ff，通过两者的相互作用，可以产生电磁转矩T=FaFf|sinθ|，显然，当θ=60°～120°时，平均电磁转矩最大。故检测转子磁势位置时，当定转子磁势夹角为60°时，三相绕组中的某两相导通，转过60°时，其中一相的功率管关断，另一相中的功率管导通。这样，保证定转子磁势夹角为60°～120°，达到转矩最大的目的。由于每次转过60°只关断一个功率管，故每个功率管导通角度为120°，这种方式为120°导通方式。

主电路采用三相全控桥，如图1所示。图2为三相6拍工作方式下典型的相电压反电势波形图。由图2我们可以清楚地看到，在该相悬空状态（过零点前后30°区域）下，绕组感应反电势按正弦规律变化，平顶部分为绕组通电激励时逆变换相主电路电压钳位引起的。换相点发生在过零点后30°，使用反电势法来实现电子换相，就是在过零点检测电路检测到过零点后30°进行换相。三相6拍工作方式下，导通次序为S1，S2－S2，S3－S3，S4－S4，S5－S5，S6－S6，S1－S1，S2。基于反电势的电子换相方法有多种，如“1/2母线电压比较法”、“端电压比较法”等，但这些测量方法都存在抗干扰能力弱的问题，特别是在PWM调制情况下，测量时必须采取专门措施避开或抑制干扰，增加了控制电路的复杂性，并且可能产生换相滞后。采用“虚拟中点法”可以解决以上问题，并且在PWM调制情况下，其开关噪声不会影响相绕组的过零测量，检测电路也较简单。

在静止或低速状态下反电势值为0或很小，无法用反电势法来判定转子的位置，通常采用三段式起动方式来解决这个问题，即先按他控式同步电机的运行状态从静止开始加速，当达到一定的转速时再切换到反电势法控制状态，包括转子定位，步进起动和自由切换三个阶段。转子定位时首先导通两个功率管，一般来说先导通S6及S1，一定时间后就完成转子的初始定位。步进起动时从初始位置开始，按前面的导通次序依次导通各功率管，但导通时间按一定规律递减，以达到提速的目的。步进起动结束后进行自由切换，保证换相的正确性，同时，PWM斩波使直流侧电压逐渐加到主电路上，使无刷电机的转速按控制要求加速，相当于电机转速的软起动过程，这样就避免了电机在起动初期会产生大电流，减少了对主电路的冲击，延长了功率管的寿命。

4系统实现

系统硬件电路由主电路、驱动电路、过零点检测电路、采样电路、各种保护电路组成。过零点检测电路检测到过零信号，并把过零信号送到JK3单片机的捕捉口，JK3单片机接收到过零信号，由软件计算出延迟时间，并在延迟时间到后发出换相脉冲信号，经驱动电路转换为驱动信号去驱动各功率管，这样就实现了单片机对直流无刷电机的控制。保护电路主要有过电压充电保护，低水位保护。

系统软件采用模块化设计，包括初始化模块，PWM中断模块，捕捉中断模块，采样保护模块。PWM中断模块实现了无刷电机的步进起动，自由切换运行。PWM中断模块的流程图如图3所示。

初始化模块主要完成程序所用变量的初始化，PWM中断初始化，捕捉中断初始化，发初始定位脉冲；捕捉中断完成反电势过零点的捕捉及换相周期的确定；采样保护模块主要用来采集直流侧电压和电流，以及判定和处理故障。实验数据证明，换相时刻的准确性和相位跟踪的快速性对电机控制的性能影响极大，电子开关的准确换相点每次都在该相不激励绕组的反电势过零后30°的电角度位置，由于电机的运行是变速运行，换相周期是变化的，所以并不能准确确定延迟30°电角度的换相时间，只能根据前若干个换相周期的变化趋势，对该次换相时刻进行合理有效的滤波和预估，有数字滤波和锁相跟踪两种方式。

图4为系统正常运行时测得的线电压波形，毛刺部分是由PWM斩波和换相引起的。从图中可以看出，电压波形比较接近于理想情况，说明换相点准确，从而验证了对整个系统控制思想是正确的。

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关键词：光纤光学；光学电流传感器；超磁致伸缩材料；光纤光栅

1 引言

与传统的电磁式电流传感器相比，光学电流传感器具有抗电磁干扰能力强，绝缘性强、频带宽和动态范围大等特点，受到了广泛的关注。其中，将GMM与FBG结合作为传感器对电流进行检测的方案具有线性度好，可远程操控等优点，具有重要的应用价值[1-4]。本文设计了一种GMM-FBG结构的电流传感器，利用MI对FBG波长信息进行解调，实现对交流电流信号的检测。

3 实验结果和分析

3.1 系统设计

传感实验装置由宽带光源ASE、传感系统、解调系统和数据采集系统组成，如图1（1）所示。ASE平坦区波长范围为1535nm～1565nm。汇流排作为激励源，硅钢片对磁场回路进行限制。为避免GMM发生倍频且工作在线性区，核心传感部件中加入可提供直流偏置磁场的永磁体。如图1（2）所示， FBG通过永磁体中的光纤毛细管埋入GMM中，两端用环氧树脂胶将FBG与传感基座固定，避免核心传感部件的封装会对FBG栅区产生影响。解调部分的MI则由一个2×2单模光纤耦合器与微位移器构成。

3.2 实验结果分析

将交流电流的幅值从100A到2000A逐渐增大，从图2可知PD输出的电压信号和待测电流幅值进行线性拟合后，得到线性相关性为99.91% 。

由于以上实验数据均建立在系统不受周围环境温度影响的基础上，因此在下一步工作中，我们将增加一个参考的光纤光栅抵消温度的影响。

4 结语

在本文中，设计了一种基于GMM-FBG结构的便于封装的光纤电流传感器。实验结果表明，在电流幅值为100A ～2000A时，传感器输出信号值与被测交流电间成线性关系。该电流传感系统结构简单，易于封装，并具有成本低，方便实现与调试的优点。

参考文献：

[1]余有龙，叶红安，刘治国.光纤光栅电流传感器[J].光学学报，2001，21（05）：586-588.

[2]Klaus Bohnert， Philippe Gabus， Jürgen Nehring， et al. Fiber-Optic Current Sensor for Electro-winning of Metals[J].Journal of Lightwave Technology， 2007，25（11）：3602-3609.

[3]刘杰，赵洪，王鹏.基于DFB激光器解调技术的光学电流互感器[J].光电子-激光，2011，22（12）：1789-1792.

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【关键词】新型电流电压 传感器技术 应用

变电站是电力行业在发展过程中重要组成部分，其在实际运行过程中主要通过微处理技术、自动控制技术和网络通讯技术的进行，只有这样才能保证变电站在运行过程中满足一些二次设备合理、有效运行而提出的一种模式。随着社会不断的发展，我国经济水平逐渐提高，电力行业发展迅速，这对于变电站自动化管理来说提供了很大的帮助。现阶段，我国变电站在发展过程中主要以模块管理的形式进行发展，并对其中的核心危机继电保护的机箱总线到单板总线进行合理管理，只有这样才能保证变电站运行时的稳定性、安全性，并保证其在传感技术中得到广泛的应用。

一、电压电流互感器在电力系统中的作用

网络技术和计算机技术的快速发展，为电力行业中的继电保护和变电站自动化的发展提供了很大的帮助，尤其是网络技术的发展将变电站以自动化的形势发展下去，并将其中的电力设备进行创新、完善，尤其是新型的电流电压传感器的出现，对于变电站自动化技术与继电保护技术的发展提供了很大的帮助。

电力行业是促进我国经济快速发展的重要产业之一，在国民经济中占据着非常重要的地位]。随着社会不断的发展，人们的生活水平逐渐提高，对于电力的使用需求也越来越高，电力系统中的额定电压和额定电流都在逐渐提升，而原有的电压电流传感器已经不能跟上社会发展的脚步，满足社会的需求，只有将其不断的创新、完善才能从根本上解决这一问题，改变这一现状就应该将现有的传感器进行创新、完善，产生全新的高压设备，而电压电流互感器就是高压设备中的一种。

二、光纤电流电压传感器技术的应用

光纤电流电压传感器是一种全新的传感技术，在其发展初期，主要通过一些空间光路或者玻璃棒的形式进行传播，并将其安装在220kV的电网上进行传播。在其传播过程中还可以有效的将高压电流测量装置中的信息体现出来，只有这样才能方便人们操作。随着社会不断发展，光纤技术越来越成熟，光纤技术在电压电流传感器中的应用主要通过连接的形式节能型操作，并通过发电机组的电流装置将其中的电流进行测量。而近年来，光纤电压电流传感器技术在运行过程中主要以一些具有一定物质基础的产品进行奠定，尤其是光电晶体的发展，使我国的电流电压传感器技术水平逐渐提升，并为该技术提供了对应的关键敏感元件，并通过晶体的形式进行操作，从而保证电流电压传感器的运行安全。另外，光纤电流电压互感器在运行过程中的主要优点有绝缘性、成本低、低危险等特点，可以在变电站中得到广泛的应用。

光纤电流电流互感器在运行过程中主要通过一些常规的电磁式CT在原有的传感器中进行操作，而电磁式CT利用电磁的耦合性质进行操作，只有这样才能形成一个全新的正比电流，并将其中的信号能源应用在对应的电流中。现阶段，光纤电流电压传感器在运行时其中的光纤电流互感器主要通过二次信号的形式将其中的源以一个独立的形式体现出来，从而保证电流电压传感器的运行安全。另外，对于一些包含多种原理的传感器来说，在其运行过程中主要通过一些指定的OCT安培定律进行操作，并利用Faraday光磁效应运行，只有这样才能将其中的测量围绕电流中的光学环路内磁场以一个全新的形式体现出来。

三、组合式电流电压传感器技术的应用

组合式电流电压传感器是一种具有一定的抗阻式的分浩鳎其主要通过一些线圈和绕组制造，在实际运行过程中可以有效的提高传感器的整体传播效率与准确性。如果组合式电流电压传感器在运行过程中出现一些不确定的来源，其主要原因是：温度变化、搭配出错、受其他电流影响、初级导体的非无限长度等问题。要想从根本上解决这些问题，保证在组合式电流电压传感器的运行安全就应该利用一些体积较小的物理温度系数的特殊材料将其中的稳定进行降低，只有这样才能保证该温度达到了制定的传播问题；当传感器装配出错时，可以通过一些机械的安装的形式进行处理，并将传感器中的电流转移到对应的设备中，从而减少装置出错的现象发生；串扰，当其中的电流测量数值较少时，可以通过传感器中的设计方式将其中的数值进行缩小，只有这样才能保证传感器在运行过程中防止出现一些干扰的现象发生。组合式电流电压传感器在运行过程中主要有准确的高、兼容性强、尺寸小等优点，可以在变电站自动化中得到广泛的应用。

在电力系统运行过程中，需要根据其运行现状制定对应的电流电压传感器制定出对应的运行设计方案，只有这样才能保证电流电压传感器在运行过程中的安全性、稳定性。本文对新型电流电压传感器技术的应用进行了简单的研究，文中还存在着一定的不足，希望我国专业技术人员加强对其的研究。

参考文献：

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电控汽车的电能管理系统实际上包括上游和下游2个部分。其中，上游部分对汽车电源设备(包括发电机和蓄电池)的输出进行控制和调节，下游部分则是指对用电设备的弃用和集中控制。

一、车载电能管理系统的工作原理

车载电能管理系统是利用汽车原有的发动机控制模块(ECM)、车身控制模块(BCM)和仪表控制模块等，再通过车载局域网络这一平台，形成一个电源闭环控制系统，并由网关指挥，从而实现智能供电和节能功能。

车载电能管理系统具有以下主要功能：

(1)全面监控蓄电池的性能参数，包括放电电流(I)、端电压(V)、电解液温度(T)、电容量以及充电电流等。

(2)对用电负荷采取分级放电管理方式。适时关闭可以暂时停用的舒适系统(如空调)的用电，保证蓄电池至少具备启动发动机的电容量，满足车辆急加速工况的需求，从而提高整车的燃油经济性。

(3)当蓄电池的输出电压较低时，适当提高发动机的转速，实现高效、即时控制发电机的输出电压。

(4)在不缩短蓄电池使用寿命的前提下，根据蓄电池的充电状态和电解液温度，控制发电机合理的充电电流，实现蓄电池的快速充电。

(5)有的车载电能管理系统还用来控制发动机的启动／停止系统。如果蓄电池的SOC(荷电状态)值显示蓄电池的电量不足，使发动机的智能启动／停止系统暂时不工作。

(6)在仪表盘上即时显示对电源(蓄电池和发电机)系统的诊断和监控信息，以提醒相关人员注意。

车载电能管理系统的节能控制，是基于汽车上所有用电器同时运行的情况偶然才会发生，因此电源设备的功率设计可以取平均载荷而不是最大载荷，这样设计能够显著地提高汽车的燃油经济性，并减小汽车的整备质量。

当车载电能管理系统检测到蓄电池的容量小于一定值时，系统将采取“弃用集中控制”方式，首先考虑那些关乎汽车基本功能的系统(如点火系统)对电能的需求，而像舒适系统等只好置于次要地位。另外，当驾驶人希望汽车达到比较大的加速度时，就关闭或者调小舒适系统的用电，如调小空调鼓风机的转速，或者调低座椅加热器的温度等。二、车载电能管理系统对发电机的控制

对于电控汽车来说，影响发电机输出电压的因素包括蓄电池的容量、发动机电控单元(ECM)以及外界温度等。如果ECM监测到蓄电池的电压过低，会自动提高发动机的转速，以此来提高发电机的输出电压，为蓄电池提供足够的电量。

车载电能管理系统对发电机的控制，主要通过控制进入励磁线圈电流的占空比，调节励磁电流的大小，从而控制发电机的输出电压。采用专门的电能管理系统以后，凌志430轿车发电机的磁场电流占空比的频率为150Hz，磁场电压可以从0一直调节到8V，发电机的输出电压明显提高，从而提高了供电量和对蓄电池的充电效率。

下面以通用林荫大道轿车为例，说明电能管理系统对发电机输出电压的控制过程。

(1)车身控制模块(BCM)接收蓄电池端电压、电解液温度、蓄电池电容量以及放电电流等信息，并将这些数据通过Class-2串行数据线传输给发动机控制模块(ECM)。

(2)发动机ECM控制一个5V、128Hz的固定脉冲，进行脉宽调制信号调制，即控制发电机0～100％励磁电流占空比，实现对磁场电流的调节，从而控制发电机的输出电压。

(3)在正常情况下，发电机的磁场电流占空比在5％～95％之间调节，以维持对蓄电池的充电以及向汽车整个电路供电，而占空比0～5％及占空比95％～100％只是在对发电机及网络系统进行检测时使用(见表1)。

三、车载电能管理系统对蓄电池的控制

目前轿车上一般装备2个蓄电池，一个用于启动发动机，另一个用于为电子控制系统供电。这2个蓄电池的充放电需要电能管理系统进行协调。例如辉腾3.2L轿车，它是大众公司的顶级车型，该车装备了双蓄电池系统，蓄电池安置在行李厢的左右两侧。左侧蓄电池负责为车载电网供电，右侧蓄电池负责为启动机供电。如果安全气囊被引爆，启动用蓄电池的负极接线柱也会自动熔断，以防止发生短路。

汽车上的蓄电池是交流发电机的输出电能和全车用电负载之间的缓；中器。车载电能管理系统的软件是以蓄电池的电量来判断蓄电池的性能，进而判断蓄电池还能给汽车的哪些系统提供电能。请看下面2种车型的电能管理系统是怎样对蓄电池进行控制的。

(1)通用林荫大道轿车

通用林荫大道轿车装备的蓄电池容量为80Ah。能够为冷启动发动机提供720A的强大电流，启动储备容量RC(指在蓄电池充足电的状态下，以25A的电流放电，到端电压下降到10.5V时的持续放电时间)为133min。该车采用电流传感器检测蓄电池的性能，电流传感器与蓄电池的粗搭铁线集成为一体，紧贴在蓄电池的负极上，是三线式的霍尔式传感器，产生的霍尔电压信号直接输入BCM。

电流传感器输出霍尔电压，其输出电压的大小与霍尔传感器的磁场强度、进入磁场的电流成正比。当进入磁场的电流不变时，产生的霍尔电压为磁场强度的单一函数，而该磁场取决于蓄电池充电和放电电流的大小。

(2)丰田凌志430轿车

丰田凌志430轿车同时采用电流传感器和电解液温度传感器，该车设置电解液温度传感器的目的，是限制过高温度下的充电电流，能够有效地延长蓄电池内极板的使用寿命。

丰田凌志430轿车的电流传感器安装在蓄电池的正极上，也是霍尔式传感器。电流传感器产生的电压与蓄电池的充电电流(正值)或放电电流(负值)成线性关系。

有的电流传感器是通过一个叫做“锰铜分流器”的特殊装置来测量的，它是一个非常精确的低欧电阻器，其阻值范围在50-200mQ之间。进出蓄电池的电流流过这个阻值很小、但是非常精确的电阻器，然后通过测量电阻器上的电压降，得出蓄电池电流的大小，系统就可以知道蓄电池现存多少电能，然后采取“弃用集中控制”策略，对各用电器的运行做出最佳的配置。上述电流传感器(德尔福公司称之为“IVT”)一般安装在蓄电池的右端，而且尽可能地靠近蓄电池。这种传感器通常作为终端总成的一个部件，目的是为了达到所需要的精确度。

四、大众车系的电能管理系统

以大众速腾(Sagitar)1.6L轿车的车载电能管理系统为例，它根据蓄电池电压、发动机转速、发电机的DFM信号等数据对

蓄电池的性能进行评估。当蓄电池电压低于一定值时，车载电源控制单元便提高发动机的怠速，以补偿供电系统的电压，并适时关闭舒适系统的某些用电设备。

大众速腾轿车采取以下3种模式对用电设备进行管理：

管理模式一。15号线接通，发电机处于工作状态。如果蓄电池的电压低于12.7V，车载电源控制单元将提升发动机的怠速。如果蓄电池的电压低于12.2V，则关闭座椅加热、后窗加热、后视镜加热、转向盘加热、脚坑照明以及门内把手照明等功能，关闭空调器或降低全自动空调功能，关闭信息娱乐系统。

管理模式二。15号线接通，发电机处于停供状态。如果蓄电池的电压低于12.2V，则关闭空调或降低空调能耗，关闭脚坑照明和门内把手照明，关闭上／下车灯和离家功能，关闭信息娱乐系统。

管理模式三。15号线断开，发电机处于停供状态。如果蓄电池的电压低于11.8V。则关闭车内灯、脚坑照明和门内把手照明，关闭上／下车灯和离家功能，关闭信息娱乐系统。

这里需要说明3点：①以上3种模式的不同之处，在于用电设备被关闭的次序不同。②如果关闭的条件不再存在，用电设备将重新激活。③如果用电设备因为电能管理系统原因被关闭，在中央电器控制单元(J519)中有故障信息存储。

进口大众辉腾轿车设置的车载电网控制单元与大众速腾轿车有相同之处，都是用来监控蓄电池的充电状况，当监控到蓄电池的电压在一段时间内低于12.2V，则判定车载电网处于临界状态，将根据优先等级，由各自的电控单元关闭后窗玻璃加热器、座椅加热器等舒适性用电设备，或者降低空调系统的输出功率，以避免出现严重的蓄电池亏电现象。

五、车载电能管理系统的检测

判断车载电能管理系统是否失常，可以采取简便方法。当车载电能管理系统失效时，一般具有以下特征：

(1)组合仪表中只有充电指示灯点亮；

(2)发动机偶尔启动困难；

(3)蓄电池静态放电的电流不大；

(4)发动机的动力正常；

(5)调不出故障码。

还可以在发动机舱内倾听，或者在安静、密闭的情况下，人坐在车厢内，锁上车门，然后仔细倾听有无类似继电器吸合的“吧嗒”声，或者电控单元工作的声音。如果有，说明车载电能管理系统存在故障。

对车载电能管理系统的检测，可以采取以下2种手段：

。

(1)读取汽车运行时的数据流。查看发电机励磁电流的占空比，应当在50％-90％之间，如果小于50％或者大于90％，都不正常。

(2)检测蓄电池电流传感器的输出电压。当蓄电池不充电和不放电时，电流传感器产生的基准电压为2.5V。如果检测到电流传感器的输出电压在2.6～2.8V之间波动，说明蓄电池的充电电流过小(见图1).车载电能管理系统失常。

六、典型案例分析

(1)故障现象

一辆2003款宝马530i轿车(采用E60底盘)，每天早晨第1次启动时，仪表盘上的EGS(电子自动变速器)、RPA(轮胎压力报警)、ACC(自动巡航控制)指示灯报警，但是将发动机熄火后重新启动，上述故障指示灯会熄灭。

篇7

会导致仪表盘无法正常警告，虽不影响到正常启动，但是自动启停可能会不能使用，发电量也不会随着调节。一般车辆都会在负极接线柱上安装一个电流传感器。主要是检测车辆的电瓶电流，进而根据电瓶的使用进行充电模式的切换，现在有些车辆都有了启停功能，电流传感器也会做出一个信号来判断是否可以启停。

传感器：传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

（来源：文章屋网 ）

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关键词：无刷直流电机；转子预定位；两步短时脉冲定位加速法

中图分类号：TM332 文献标识码：A

1 前 言

无刷直流电机因其调速特性好、无换向火花、效率高、寿命长、运行可靠、维护简便等优点得到了广泛的应用[1]。无刷直流电机的类型很多，从有无位置传感器可以分为无位置传感器的无刷直流电机和有位置传感器的无刷直流电机。有位置传感器的无刷直流电机在其启动时无需特殊注意。但是因为无位置传感器的无刷直流电机在体积和生产成本上与有位置传感器的无刷直流电机有着无可比拟的优势，所以无位置无刷直流电机在生产和生活中的应用越来越得到人们的重视，而其如何启动也就顺理成章的成为了人们的研究对象[2]。

在对于无位置传感器无刷直流电机常用的启动方法包括三段式启动法，升频升压同步启动法。其中三段式启动法简单，但是实验调试特别的复杂，要依靠大量的经验施加电压矢量，而且还容易受到负载条件的影响，很容易使得启动失败，甚至发生倒转，存在严重的安全隐患[3]。升频升压发启动比较可靠，但是没有严格的换向信号作为指导，虽然可以携带一定的负载进行启动，但是附加的启动电路增加了电机的尺寸，降低了系统的可靠性，也不是这类电机启动的最佳选择[4]。

本文提出了一种基于结合传统三段式法的转子预定位法和两步短时脉冲加速法，两步即可使得电机顺利启动，最后根据反电动势建立完整的控制系统，整个过程简单易行，大大降低了电机启动失败的概率。

2 短时脉动法的理论基础

本文所研究的无刷直流电机的结构如图1所示，无刷直流电机电机的转子位于整个电机的中心，是由永磁体组成的，而定子则是由缠绕于铁心的线圈而成，结构如图所示。

转子即永磁体有N和S不同的极性，而在外部缠绕在铁芯上的线圈在外部电路的控制作用下产生不同的磁场，两个磁场相互作用，使得转子转动[5]。

计算技术与自动化2016年6月

第35卷第2期王 哲等：无位置传感器无刷直流电机启动系统研究

这里线圈缠绕在铁心上形成定子，当外加磁场作用于线圈时，电感L的值会随着磁场的大小和方向的变化不断的变化。当线圈中通过的电流和转子的磁场保持一致时，电感L减小，当处于垂直状态时，电感L的值最大[6]，如图2所示。电压电流和电感的关系如式2，这就是短脉冲检测的原理。

无刷直流电机的通电线圈处于电机的外侧，即电机的定子，电流通过线圈，线圈存在电感，而作为电机的转子的永磁体对于线圈的电感有着增磁和去磁作用，永磁体（即转子）的N极靠近线圈时，线圈的电感值减小，所以当线圈中存在电流并且转子的N极靠近线圈时，电流会因为线圈电感值的减小而增大。

图3电机的控制原理图，经过简化以后可以得到下图所示：

这样我们能够根据电路中电流的大小判断出转子的位置，也能够根据电流的大小得到换向点。

3 转子定位及加速

3.1 转子预定位法

对于无传感器的无刷直流电机而言，在电机启动之前，转子的初始位置是随即的，也就是未知的，所以得到转子的确切的初始位置对于这类无传感器无刷直流电机的启动是至关重要的。为了简单而准确的定位到转子的初始位置，这里我们采用转子预定位的方法是借鉴三段式启动法的转子预定位法，在电机通电伊始，给电机的任意两项通电一段时间，使定子能够产生一个固定的磁场，如下图a所示。

在磁场力F的作用下，电机转子转动到如图a的位置，但是若电机初始位置正好与F相差180度，如b，这时在理论上产生的电磁转矩为零，所以要进行电机的第二次定位，也就是按电机的旋转方向导通下一次绕组电流，使其产生与原来F相差90度的F’方向的磁场力，这样，不论转子的初始位置是在a的位置上还是在b所指的位置上，转子都将转动到F’所指的位置[7]。

其实，在实际实验中，我们发现，转子大部分时候是不需要二次定位的。但是我们这里为了防止意外情况的出现，还是采用了更为保守的二次定位。这样谁稍稍延长预定位的时间，但是杜绝了意外的发生。

等到电机的转子到达指定位置后，将在指定位置处左右摆动，处在一个不稳定的状态，最后在摩擦力和磁滞涡流的作用下停止。很多时候为了让转子有足够的时间反应调整位置，所以我们要对电机的通电时间稍微长一点[8]，但是电压不要过大，因为在这个阶段，我们通常不使用PWM来调节电压。

3.2 转子加速

电机的加速过程采用的导通方式为二二导通方式。如下图所示，经过转子预定位，转子到达指定的位置，给电机的绕组依次通电，就可以保证电机转动。但是如何找到电机的换向点，是加速过程的一个关键，过早和过完的换向都会引起电机的失步，严重的可能会导致电机启动失败，造成重大的事故。这里我们采用短脉冲加速法，通过比较电流阈值检测换向点，该方法简单易行，准确度高，且不需要知道电机的准确参数就能够保证电机的正常启动。

根据短脉冲理论，我们可以大致描绘出其脉冲的波形图，进而得到电流波形，大致如下图所示。

在PWM的低电平期间，给出相应的检测脉冲矢量，在短脉冲结束时检测母线电流的大小，根据两次电流值的大小可以确定是否为换向点。通过电机运行电压矢量图可以得到理论上的换向值，当两次取得的电流值大小相等时为最佳换向点。

短脉冲加速法采取的是给一个短时间的短脉冲，这个短脉冲的持续时间既不可过长，因为时间过长会引起电机的转动，亦不宜过短，因为如果短脉冲的时间过短，不容易检测到电流值，很可能会发生检测到的电流值大小相等的情况，使得控制器误以为到了换相时间进行错误的换相。这个短脉冲的持续时间建议值为当前电路的时间常数，但是经实验证明，取值为等效时间常数的短脉冲电压引起电机转动时，应当稍微减小脉冲持续的时间以保证转子不转动。

下面我们以初定位的位置在V1为例，进行分析说明，短脉冲加速法是如何进行重复检测-加速运行的。

若转子经过预定位后的位置为V1，为了取得最大的转矩，所以取呈现90度导通，所以导通的电压矢量应为V32，转子进入I和II区，而此时的检测电压矢量应为V1和V3，相应的检测到电流为I1和I3，这时I1>I3，当转子转到V2的位置时，I1=I3，这时就到达了换向点，可以进行换向操作到V34。但在实际定位加速过程中，加速脉冲过宽可能会淹没最佳换相时刻，造成换相失败，在实际操作中，我们也发现了这一点，每次都很难能检测到最佳换相时刻。为了加速的稳定性，把换相条件设定为I3≥I1，即最佳或滞后换相，这提高了短脉冲加速法的负载适应性，防止检测失误错过换向时间。转子继续在V34的作用下转动，转子处在III和IV区，这时检测电压矢量为V2和V4，相应的检测电流为I2和I4，当转子位于III和IV区时，I2>I4，当转子转动到V3的位置时，I2=I4，相应的，我们也取当I4≥I2时换向到V54，转子进入V和VI象限，依照上述的方法，这样在不同电压矢量的作用下，转子加速到指定的速度。下表给出了短时间脉冲检测电压矢量及换相条件如表：

对照着上表电机进行重复检测-加速运行，加速结束时，电机已经具备较低的转速与反电动势，这是可以根据转子的当前位置切换到反电动势运行。

图8即母线检测到的电流波形图将电流波形局部放大如图9可以看到矢量控制产生的电流和短脉冲产生的电流，通过比较检测脉冲的大小可以得知换向点。

在这里我们首先仅仅使用本文介绍的启动方式对电机进行启动，为了表现明显，我们这里单独使用短脉冲对电机的控制，为的是展示此方法的可行性。因为在实际控制中，启动的过程很短暂，不容易观察到，所以这里我们暂时不切换到反电动势进行控制。

下图为速度波形，可以观察到有电机初定位到切换到短脉冲加速时的位置，因为短脉冲加速会产生震荡，所以单独用这种方法进行电机的控制会速度会产生震荡，这也正是短脉冲加速的局限性所在。

4 实验

这里我们采用的是南京研旭电气生产的57BL52-230，其性能稳定，额定电压为24V，线电阻0.6欧，线电感为0.75Mh。

这里采用基于相电压的反电动势检测电路，为了避免复杂的运算，我们将得到的反电动势延迟90-a。

图11 控制电路

其得到的速度波形图如下图所示，因为转子定位和加速至可以检测到反电动势的过程非常短暂，这里很快就使得转子进入了指定的速度。

5 实验结果分析及说明

经过理论和实验的分析，我们可以看出，转子的二次定位可以方便快捷的得到转子的初始位置，而短脉冲加速过程，可以得到使得转子在不失步的情况下使得转子的转速到达可以检测到反电动势的速度，从理论和实验两方面证明了，采用短脉冲加速技术大大降低了转子的失步的概率，减少了事故的发生。

该方法不仅适用于方波的无刷直流电机 ， 还适用于正弦波的无刷直流电机，即永磁同步电机，并且不必要知道这些电机确切参数。只需要大致的计算检测脉冲所持续的时间再进行调节即可。

参考文献

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关键词 电化学微传感器; 铜质敏感膜; 电流脉冲沉积法; 硝酸根离子检测; 湖库水样

1 引 言

硝酸盐广泛存在于自然环境、食品、工业产品和生态系统之中。研究证明，过量NO Symbolm@@ 3会引发严重的环境和生理问题^[1]，摄取过量的硝酸盐会严重危害人体健康，因此世界各国对饮用水中硝酸盐的含量都有严格规定。美国环境保护局（EPA）规定的最高限量为硝酸盐氮10 mg/L（0.7 mmol/L，以N计，下同）;我国《生活饮用水卫生标准（GB5749-2006）》规定饮用水中硝酸盐浓度的限量值为10 mg/L;世界卫生组织（WHO）规定饮用水中硝酸盐氮含量必须低于11 mg/L（0.8 mmol/L）。因此，建立简便、灵敏、准确的硝酸根离子检测方法是十分必要的。

目前，NO Symbolm@@ 3的检测方法主要包括分光光度法、色谱分析法、发光分析法、毛细管电泳法、电化学检测法等^[1，2]。基于光学原理的检测方法大多具有检出限低、准确性好、灵敏度高等优点，但检测设备价格比较昂贵，且需要对待测水样进行精细的预处理。而基于电化学原理的NO Symbolm@@ 3检测方法具有操作简便、所需试剂量少、易与测试电路集成、仪器装置简单便携等优点，因而近几年得到研究者的青睐。

到目前为止，研究人员已经发展了多种类型的电化学传感器用于水体中NO Symbolm@@ 3的检测，根据所测量的响应信号的不同， 可分为电位型传感器和电流型传感器两大类。电位型硝酸根传感器大多以NO Symbolm@@ 3选择性电极为核心部件，当选择性电极与含有NO Symbolm@@ 3的样品接触时，敏感膜和溶液的相界面上产生与NO Symbolm@@ 3活度相关的膜电势，测量膜电势的变化即可实现NO Symbolm@@ 3浓度的检测。常见的敏感膜材料包括聚氯乙烯（PVC）^[3]、聚吡咯^[4]和复合型聚合物材料^[5]等。这种类型的硝酸根传感器结构简单、耐用，有些还可以在恶劣环境下使用（如测量潮湿土壤中硝酸盐的含量），但是其选择性识别能力往往较弱，难以用于具有复杂背景基质的水样检测。与电位型传感器相比，电流型传感器通常具有更高的检测灵敏度和更低的检出限。目前报道的硝酸根电化学传感器主要是电流型传感器，其工作原理是以固定在工作电极表面的敏感膜为介质，将待测样品中的NO Symbolm@@ 3还原为NO Symbolm@@ 2或其它含氮物质，测量还原电流的大小，以实现对NO Symbolm@@ 3浓度的检测。常用的硝酸根敏感膜按材料性质不同可分为金属、导电聚合物以及生物酶材料等。用于NO Symbolm@@ 3检测的金属敏感材料主要有Cu^[6，7]、Ag^[8，9]、Pd^[10，11]以及合金^[12，13]等。导电聚合物敏感材料主要是掺杂的聚吡咯膜^[14，15]。近年， 研究人员利用生物酶固定技术将NO Symbolm@@ 3还原酶固定在检测电极表面用于NO Symbolm@@ 3的选择性识别^[16，17]。其中，聚吡咯和生物酶材料在制备和使用过程中需要严格控制环境光线和温度，导致其应用领域受限。而在金属类敏感材料中，由于铜具有廉价、易于制备、相对较稳定等特点，近年来以铜作为电极修饰材料，用于NO Symbolm@@ 3检测的探索，成为研究热点之一。

已有的文献大都使用恒定电位法在电极表面制备铜质敏感膜，研究重点集中于沉积电位的选取和沉积时间的优化^[18，19]。而通过改变电沉积方式改善修饰层的微观形貌，以提高修饰铜质敏感材料对NO Symbolm@@ 3电催化还原活性的研究少有报道^[20]。最近，文献[21]报道了一种新的电流脉冲沉积法制备铜材料的方法，此方法以含高浓度H+的CuSO4溶液为沉积液，采用高频脉冲电流的加电方式，能够制备出在微观上呈蜂窝状多孔结构的铜层。但是相关报道中均使用铜质的基底电极，而且制备的多孔状铜膜大多被用作贵金属催化材料（如纳米铂或纳米金等）的依附结构层^[22]，直接将其作为敏感层修饰材料的研究还未见报道。本研究利用类似的电流脉冲沉积法在铂质微传感电极上制备出呈多孔、枝簇状的铜质敏感层，并将其应用于不同浓度NO Symbolm@@ 3标准样品的检测，表现出较高的检测灵敏度;使用修饰后的微传感电极对实际水样进行检测，测试结果与专业水质检测机构的测试值之间具有较高的一致性。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

S-4800扫描电镜 （FE-SEM，日本Hitachi公司）;凯美瑞Reference-600电化学分析仪（美国Gamry公司）;AUW电子天平，BioSpec-nano紫外可见分光光度计（日本岛津公司）;Direct-Q3UV高纯水机（美国Millipore公司）;pHS-25型数显pH计（上海智光仪器仪表公司）;CHI111型Ag/AgCl参比电极（上海辰华公司）。

CuSO4・5H2O，Na2SO4，NaNO3和98% H2SO4（北京化学试剂公司）;硝酸盐标准试样50 mg/L（北京环境保护部标准化研究所）;所用溶剂均为分析纯，实验用水均为30 MΩ・cm去离子水。采用三电极体系，参比电极为Ag/AgCl电极，工作电极和对电极为实验室自制微传感电极。

2.2 微传感电极加工制备

采用标准微加工工艺在玻璃基片上制备微传感电极^[20]，制备工艺流程如图1A所示，主要采用光刻、溅射、剥离等工艺制备。所制备的微传感电极照片如图1B所示。其中， 工作电极和对电极为对称式“圆-环形”结构的铂质金属膜电极，工作电极为半径约为0.56 mm、

面积为1 mm2的圆，对电极为宽度0.4 mm、面积约为1 mm2的近圆环该结构能够提高工作电极与对电极之间电场分布的对称性，改善传感电极的电化学响应性能^[20]。敏感表面是主要的电化学修饰和反应界面，为提高微传感电极的一致性，使用SU-8绝缘层精确定义薄膜金属电极的几何形状，确保每一个微传感电极的敏感表面均是面积为1 mm2的标准圆形。此外，微传感电极还包括一个备用的准参比电极，后续可以在该电极上涂覆银/氯化银浆，实现集成式三电极体系。本研究为确保参比电极的稳定性，直接使用商用Ag/AgCl参比电极。

2.3 铜质敏感膜制备

在酸化的CuSO4溶液中，采用在微传感芯片的工作电极和对电极之间施加脉冲电流信号的方式，将铜沉积在工作电极表面，制备敏感膜：首先，将微电极芯片在丙酮、乙醇、去离子水中依次超声5 min以清洁电极表面，并使用等离子氧刻蚀机进一步清洁并活化电极表面;之后，将微电极浸入含0.10 mol/L CuSO4和0.50 mol/L H2SO4的混合溶液，利用电化学分析仪中的Repeating Chronopotentionmetry扫描功能，在工作电极上施加周期性脉冲电流信号（一个完整的脉冲周期T=T1+T2，其中T1为工作阶段，加电沉积;T2为暂停阶段，停止沉积）。电流脉冲法的电化学沉积曲线如图2所示。电流脉冲沉积法修饰的工作电极，表面呈深黑色。为防止新沉积的铜在空气中被氧化，沉积完成后，用去离子水冲洗电极表面，并将电极放入去离子水中保存，4 h内使用，否则铜质敏感膜将逐渐失去活性，影响传感器的检测性能。

3 结果与讨论

3.1 参数优化

3.1.1 电流脉冲沉积法的工作机理 根据文献[21]对电流脉冲沉积的脉冲参数设置进行优化，本实验参数为：T1=0.01 s， I1= Symbolm@@ 4.4 mA; T2=0.01 s， I2=0.0 mA; 0.50 mol/L H2SO4;并对沉积时间（脉冲周期数）和沉积液中CuSO4的浓度进行优化。

当保持沉积液中CuSO4浓度为0.1 mol/L时，不同沉积时间下所制备的敏感膜的微观形貌如图3所示。发现使用电流脉冲法可以在微传感电极的工作表面制备呈多孔形态的铜质敏感膜;随着扫描周期数（沉积时间）的增加，敏感膜的微观形貌由均匀分布的“枝干”结构向密集、多孔的“树枝”状结构发展。此种微观形貌的形成机理主要与两方面因素有关^[21]：（1）沉积液中含有高浓度的H+，因此，伴随Cu2+被还原的电沉积过程，工作电极表面会发生析氢现象，析出的微小气泡像模板一样附着在电极表面，影响电极表面流体动力学微环境，使铜原子无法在该区域生长，进而导致敏感膜中出现均匀分布的凹陷多孔区;（2）采用脉冲电流，使敏感膜的生长和暂停生长阶段随着脉冲周期交替进行，可以避免持续加电条件下沉积膜生长过快，易于开裂、脱落的现象。以这种方式制备的敏感层，虽然分布疏松、呈现多孔形貌，但自身结构坚实、与基底电极粘附紧密，因而是一种理想的表面催化活性材料。同时，本研究采用铂基底电极，相对于文献中通常采用的铜质基底电极，H+在铂表面更容易发生析氢反应，因而此种条件下制备的敏感层的多孔形态更加显著。

3.1.2 电流脉冲沉积法的参数优化 为考察不同沉积液浓度下，制备的敏感膜的实际性能，使用所制备的敏感膜对同一种测试液（含浓度为1 mmol/L NaNO3）做检测^[20]，通过线性扫描的方式，比较响应电流值的大小，结果如图4所示。当CuSO4浓度为0.15 mol/L，沉积时间为200 s时，微传感电极的响应电流值较大，且重复性最好，故后续实验均采用此条件进行表面修饰。当CuSO4浓度为0.20 mol/L或沉积时间为300 s时，修饰层厚度迅速增大，且沿工作电极表面向外径方向延伸，已超出1 mm2的敏感区域，为保证实验条件的一致，排除此沉积条件。

在优化参数下，所制备的敏感膜的微观形貌如图5所示，在铂微电极表面生成了疏松的、呈多孔性的枝簇状结构。枝簇结构分布均匀，由微米尺寸的颗粒沿着一定的空间方向、突出于电极表面形成三维的堆叠结构。

对修饰层材料进行X射线衍射分析（XRD）分析（图6），发现修饰层材料明显地表现出Cu在（111）和（200）两个取向的特征峰，说明电流脉冲法制备的敏感层是金属铜，且晶向明显，而非氧化态铜。

3.2 微传感器对NO Symbolm@@ 3的检测性能

将微传感器浸入含有不同浓度NO Symbolm@@ 3的待测液中做线性扫描测试，考察NO Symbolm@@ 3浓度与还原峰电流大小的关系（实验支持电解液均为0.1 mol/L Na2SO4溶液，pH=2.0）。

图7所示为微传感器在浓度0～3000 μmol/L硝酸盐标准品中的线性扫描响应曲线。在12.5～200 μmol/L（图7（a））和200～3000 μmol/L（图7b）浓度范围内，微传感器响应电流值与NO Symbolm@@ 3浓度具有良好的线性关系。两种浓度范围内线性拟合曲线分别为：

需要注意的是，在低浓度范围内，微传感器在不同浓度NO Symbolm@@ 3样品中的还原峰电位为 Symbolm@@ 460 mV，基本保持不变;而在高浓度范围内，随着NO Symbolm@@ 3浓度增加，其还原峰电位逐步由 Symbolm@@ 460 mV偏移至 Symbolm@@ 550 mV，且微传感器的检测灵敏度也有降低。这是由于在溶液环境中使用安培型电化学传感器时，待测物在修饰材料表面发生电化学反应会生成一些产物，随着待测物浓度的升高和测试次数的增加，反应产物会逐渐附着在修饰材料的表面，使其有效面积逐步缩减，电催化活性也随之降低，即出现电极钝化效应。当铜质敏感材料的电催化活性下降后，针对NO Symbolm@@ 3的电催化还原反应更难于发生，因此其还原峰电位随之负移至 Symbolm@@ 550 mV处，而传感器的检测灵敏度也同时减小。

经电流脉冲沉积法修饰的微传感器对NO Symbolm@@ 3进行测试时表现出较好的重复性和抗干扰性，水体中常见的离子除NO Symbolm@@ 2外，均未对测试结果产生明显的干扰^[20]。微传感器对0， 14.3， 35.7， 71.4， 107.1和142.9 μmol/L 6个硝酸盐标准样品重复测试3次，其中最大相对标准偏差RSD<5%。检出限为2 μmol/L（S/N=3）。

3.3 实际水样检测

为考察微传感器对实际水样的检测性能，取实际水样，对比微传感器的测试结果以及专业水质检测机构的测试结果。在北京市某地的湖泊及河道分别取水样，标记为水样1、水样2和水样3，并对3个水样分别进行分样，所分水样一部分送至专业水质检测机构按照硝酸盐国标检测法之一的紫外分光光度法（HJ T 346-2007）进行测试，另一部分水样使用本文研制的微传感器进行测试。对于每一个水样，在实验室均使用3支微传感器进行测试，每支传感器均先以3个硝酸盐标准品（0，50，100 μmol/L）定标，

然后进行水样检测。从表1可见，微传感器的测试结果与专业机构出具的测试值偏差在3.9%～15.4%之间，具有一定的相关性。实验结果表明，微传感器可用于实际水样中NO Symbolm@@ 3浓度的检测。

4 结 论

使用电流脉冲沉积法在铂质微电极表面制备出枝簇状、多孔的铜质敏感膜，利用铜在酸性溶液中对NO Symbolm@@ 3的电催化还原特性，实现溶液中NO Symbolm@@ 3的检测，依据此种原理研制的电化学硝酸根微传感器能够用于实际水样中NO Symbolm@@ 3的检测，且测量结果与专业水质检测机构出具的结果具有一定的相关性。

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A Micro Electrochemical Sensor for Nitrate Determination Based

on Square-wave Pulsating Current Deposition Process

LI Yang*， SUN Ji-Zhou， WANG Jin-Feng， BIAN Chao， TONG Jian-Hua，

DONG Han-Peng， ZHANG Hong， XIA Shan-Hong

（State Key Laboratory of Transducer Technology， Institute of Electronics， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China）

Abstract Based on microfabrication technology and electrochemical modification method， a micro electrochemical sensor for nitrate （NO Symbolm@@ 3） determination was developed. A micro sensor chip with working electrode and counter electrode was used as the signal convertor of the sensor. The area of the micro working-electrode was only 1 mm2. As an electrocatalysis sensitive material， copper was electrodeposited onto the working electrode by square-wave pulse current electrodeposition method. The morphologies and components of freshly deposited materials were examined by scanning electron microscopy （SEM） and X-ray diffraction （XRD） to explore key factors that affected the electrocatalytic ability of the deposited copper layer for reducing nitrate ions. The experimental results revealed that under the optimal conditions， the deposited copper layer was macroporous and had a larger effective surface area that could serve as a more effective electrocatalyst in facilitating nitrate reduction. Electrochemical response of the macroporous copper layer was characterized by linear sweep voltammetry in acidic supporting electrolytes （pH=2）. The electroanalytical results showed that the modified microsensor had marked sensitivity for standard nitrate samples within the concentration range from 12.5 to 3000 μmol/L （in the range of 12.5-200 μmol/L yielded straight line： y1= Symbolm@@ 0.1422x-10.326， R12=0.9976， while in the range of 200-3000 μmol/L yielded straight line： y2= Symbolm@@ 0.0984x-22.144， R22=0.9927） with a detection limit of 2 μmol/L （S/N=3）. The developed electrochemical microsensor was also employed for nitrate determination in water samples collected from lakes and rivers near the city of Beijing. The results were in good agreement with the data given by qualified water quality detection institute， with the deviations from 3.9% to 15.4%.

Keywords Micro electrochemical sensor; Copper sensitive material; Pulsating current electrodeposition method; Nitrate determination; Real water samples

篇10

关键词： PI参数、主机、霍尔电流传感器、编码器

中图分类号：TU229 文献标识码：A 文章编号

Introduction: with the development of society, people for the operation of the elevator comfortable requirement more and more high, the operation of the elevator comfort mainly displays in horizontal and vertical direction of vibrations, and the vibration of the vertical direction more easily influence the attention of the passengers, according to some of the previous experience in dealing with and summarized, electrical cause elevator of perpendicular direction reason is expounded, and share some processing experience, to improve the level of treatment.

Keywords: PI parameters, host, hall to current sensor, encoder

1、电梯控制系统的原理

电梯控制系统原理图，如图1

图1电梯控制系统原理图

主控板处理电梯的内外找信号和各种的开关信号，当需要主控板收到指令需要运行电梯时，主控板则给速度指令给变频器运行，变频器通过U、V、W三相控制主机的正反转来控制轿厢的上下行，而变频器控制主机的运转又霍尔电流传感器反馈输出的电流及旋转编码器反馈电梯的速度和控制的距离来形成闭环控制，以保证系统控制的准确性。

2、影响电梯垂直振动的因素

2.1旋转编码器

2.1.1旋转编码器的原理

根据检测的原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度的方法及信号输出形式，可分为增量式以及混合式三种。电梯一般采用增量式旋转编码器。

增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90º，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。

2.1.2旋转编码器在电梯上的作用

旋编作为电梯的重要部件，其功能有：1、检测主机的运行速度，与变频器形成闭环控制，使变频器更精确的控制电梯的运行速度；2、通过旋编输出的脉冲数，准确检测电梯轿厢的所在的井道的位置；3、检测永磁同步主机的磁力角，使变频器有效的安全的控制电梯的正常启动、运行及停止，保证电梯运行的舒适感。

2.1.3 旋转编码器影响垂直振动的分析

（1）旋转编码器Z相对电梯振动的影响

电梯在运行过程中，由于脉冲的掉失，往往需要在运行过程中进行脉冲矫正，电梯在运行过程中除了通过井到设置的一些部件如平层感应器进行矫正电梯的脉冲数之外，旋编本身也要通过Z相来矫正旋编的脉冲，旋转编码器每旋转一圈会通过Z相输出一个波形来矫正旋编的脉冲数，以较少脉冲的偏差。当Z相输出收到干扰或输出不准的就会影响旋编的脉冲矫正，从而导致电梯控制系统脉冲数的累积误差增大，编码器反馈的脉冲信号偏差到一定程度就会影响变频器对主机的控制，从而引起电梯的垂直方向的振动。

（2）磁极对电梯振动的影响

永磁同步主机的正常运转需要通过编码器来检测其磁力角，如果磁力角出现偏差时，轻则引起电梯振动，严重的会导致主机失控。正常来说，电梯的磁力角是通过A、B、Z三相来检测主机的磁力角，如果由于旋转编码器损坏或受到干扰就会导致主机的磁力角检测出现偏差，引起变频器的输出力矩出现偏差，最终解决影响电梯的垂直振动。

（3）预防编码器影响电梯垂直振动的措施

a、编码器的信号线要用金属蛇皮管进行抗干扰处理，并且要单点接地，禁止多点接地或不接地；

b、编码器的安装要与主机轴同轴安装，避免偏心安装影响A、B、Z三相信号的准确输出；

c、强电和弱电信号要分开，避免强电对旋编的弱电信号造成干扰，导致脉冲输出出错；

d、尽量缩短编码器信号线的传输距离同时要提高旋编的供电电源的稳定性，已保证旋编的正常工作。

2.2 主机

近年来，随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。目前电梯市场普遍应用永磁同步主机。永磁同步电动机具有体积小，损耗低，效率高、噪音小等优点。

2.2.1、主机影响电梯振动的原因

（1）主机线圈绝缘对电梯振动的影响

对于电梯来说，一般要求主机线圈与主机外壳之间的阻值大于1兆欧。如果主机三相的绝缘值不满足这个要求，则电梯在加减速或重在上行或轻载下行的时候轿厢会感觉到明显的高频振动。这时测量主机的U、V、W三相的输出电流也会异常的偏大，很容易导致变频器过流检出。

（2）主机线圈阻值对电梯振动的影响

在测量主机的三相电阻时需要用到的工具是微电阻计，要求三相的阻值要均匀，当三相的阻值不平衡时，电梯三相的电流就会存在偏差，从而影响电梯的力矩的输出，引起电梯振动。

2.3霍尔电流传感器

2.3.1霍尔电流传感器原理

原边电流Ip产生的磁通量聚集在磁路中，并由霍尔器件检测出霍尔电压信号，经过放大器放大，该电压信号精确地反映原边电流。 磁平衡霍尔电流传感器 原边电流Ip产生的磁通量和霍尔电压经放大产生的副边电流Is通过副边线圈所产生的磁通量相平衡。副边电流Is精确地反映原边电流。 磁平衡霍尔电压传感器 原边电压Vp通过原边电阻R1转换为原边电流Ip，Ip产生的磁通量和霍尔电压经放大产生的副边电流Is通过副边线圈产生的磁通量相平衡。副边电流Is精确地反映原边电压。

2.3.2、霍尔电流传感器的特点

（1） 测量范围广：它可以测量任意波形的电流和电压，如直流、交流、脉冲、三角波形等，甚至对瞬态峰值电流、电压信号也能忠实地进行反映;

（2）响应速度快：最快者响应时间只为1us。

（3）测量精度高：其测量精度优于1[%]，该精度适合于对任何波形的测量。普通互感器是感性元件，接入后影响被测信号波形，其一般精度为3[%]~5[%]，且只适合于50Hz 正弦波形。