（电机与电器专业论文）真空开关真空度检测及寿命评估研究.pdf

真空开关真空度检测及寿命评估研究 r e s e a r c ho ni n t e m a lp r e s s u r ee s t i m a t i o n a n dl i f e t i m ee v a l u a t i o no fv a c u u ms w i t c h e s a b s tr a c t v a c u u ms w i t c h e sa r ei m p o r t a n tc o n t r o la n dp r o t e c te q u i p m e n t si ne l e c t r i c a lp o w e r s y s t e m v a c u u mi n t e r r u p t e r s ，w h i c hs u p p l yt h ev a c u u ms w i t c h e sw i t hh i g hq u a l i t yv a c u u n l e n v i r o n m e n tf o ri n s u l a t i o na n da r ce x t i n c t i o n ，a r ek e yc o m p o n e n t so fv a c u u ms w i t c h e s a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hr e s u l t sa n dp r a c t i c a le x p e r i e n c e s ，e n s u r i n gt h ei n t e r n a lp r e s s u r eo f v a c u u mi n t e r r u p t e rb e l o w1 3 3x10 。2p ai st h ep r e r e q u i s i t et or e a l i z er e l i a b i l i t yo fv a c u u m s w i t c h e s h o w e v e r ，t h ev a c u u md e g r e eo fv a c u u ms w i t c h e sw o u l dd e g r a d e sa st h et i m eo f o p e r a t i o na n ds t o r a g eg o e so n ，a n de x i s t sal i m i t e dv a c u u ml i f e t i m e i m p l e m e n t i n gi n t e r n a l p r e s s u r ee s t i m a t i o ni nv a c u u ms w i t c h e sa n de n s u r i n gt h a tt h e ya r eo p e r a t i n gi nt h ev a c u u m l i f e t i m e ，a r ei m p o r t a n tp a r t so fo v e r h a u la n dm a i n t e n a n c eo fv a c u u ms w i t c h e s i no r d e rt o r e s o l v et h ep r o b l e mi nc u r r e n ti n t e r n a lp r e s s u r ee s t i m a t i o nt e c h n i q u e s ，a ni n t e r n a lp r e s s u r e e s t i m a t i o na n dl i f e t i m ee v a l u a t i o ns y s t e ms c h e m eb a s e do nh i g hf r e q u e n c y ( h f ) p u l s ec u r r e n t m e t h o da n dg r e yf o r e c a s t i n gm o d e li sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h i sp a p e re l a b o r a t e st h ed e s i g n a n da p p l i c a t i o no ft h es y s t e m i nt e r m so ft h er e s p o n s i v er e l a t i o nb e t w e e nt h ep e a kv a l u eo fh fp u l s ec u r r e n tt h a t s u p e r i m p o s e do nt h ep r e b r e a k d o w nc u r r e n tb e t w e e nt h ee l e c t r o d e so fv a c u u ms w i t c h e s ，h f p u l s ec u r r e n tm e t h o dc a r r i e so u ti n t e m a lp r e s s u r ee s t i m a t i o nb ym e a n so fm e a s u r i n gt h ep e a k v a l u e t h em e t h o dc a nm e a s u r et h ev a c u u md e g r e eo fv a c u u mi n t e r r u p t e r ，a n do f f e ra q u a n t i t a t i v er e s u l tw i t hs i m p l i f i e do p e r a t i o n sa n dh i g hs e n s i t i v i t y a sar e s u l t ，h fp u l s e c u r r e n tm e t h o db e c o m e sa ne f f e c t i v em e t h o dt ob ea p p l i e di nf i e l d c o m b i n i n gw i t ht h e f o r e c a s t i n gm e t h o db a s i n go ng r e ys y s t e mt h e o r y ，t h i sp a p e rd e v e l o p sa ni n t e r n a lp r e s s u r e e s t i m a t i o na n dl i f e t i m ee v a l u a t i o ns y s t e mb ym i c r o p r o c e s s o rc o n t r o lu n i t ( m c u ) a n d p e r s o n a l c o m p u t e r ( p c ) ，a n dr e a l i z e st h ei n t e m a lp r e s s u r ee s t i m a t i o na n dv a c u a ml i f e t i m ee v a l u a t i o n t h ef o u n d a t i o no ft h i ss y s t e mp r o v i d e sag o o dr e f e r e n c et op r o m o t et h es t a n d a r d i z a t i o na n d i n t e l l i g e n c eo ft h eo v e r h a u la n dm a i n t e n a n c eo fv a c u u ms w i t c h e s t h i sp a p e rd e v e l o p sas p e c i a lh f p u l s ep o w e rs u p p l yf o ri n t e r n a lp r e s s u r ee s t i m a t i o n ， w h i c ha c h i e v e st h eo u t p u to fh f h vs i n u s o i d a lp u l s ew a v ew h o s ef r e q u e n c ya n da m p l i t u d e c a nb em o d i f i e dr e s p e c t i v e l y ，a n dm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa c c o r d i n gt ot h er e s u l t so f s i m u l i n ks i m u l a t i o na n dp r a c t i c a le x p e r i m e n t s w i t ht h eh e l po fa t 8 9 s 5 2 ，t h i sp a p e rd e s i g n s a ni z cs e r i a lb u sb a s e ds i g n a ld e t e c t i o ns y s t e mf o rp e a kv a l u es i g n a la c q u i s i t i o no fh fp u l s e c u r r e n t s ，w h i c hc o m m u n i c a t e s 、i t l lt h eu p p e rc o m p u t e r b ya s y n c h r o n o u ss e r i a l i i 大连理工大学硕士学位论文 c o m m u n i c a t i o nf o ru p l o a d i n gt h ed a t a i nt h eu p p e r c o m p u t e r ，ah u m a nc o m p u t e ri n t e r f a c ei s d e v e l o p e db ym a t l a bs o f t w a r e ，w h o s ef u n c t i o n sa r et od os o m ec o m p u t a t i o na n dg r a p h i c d i s p l a y ，s u c ha sc a l i b r a t i n gt h er e l m i o nc u r v eo fv a c u u md e g r e ea n dp e a kv a l u eo fh fp u l s e c u r r e n t s ，v a c u u md e g r e ec o m p u t a t i o n ，a n dv a c u u ml i f e t i m ee v a l u a t i o na n a l y s i sb a s i n go n g r e yf o r e c a s t i n gm o d e la sw e l la sm a k i n gr e l a t i v es u g g e s t i o n s a l lt h e s ea b o v ec o m p o s et h e i n t e r n a lp r e s s u r ee s t i m a t i o na n dl i f e t i m ee v a l u a t i o ns y s t e m r e l m e de x p e r i m e n t sa n ds i m u l m i o na n a l y s i si n d i c a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h es c h e m e ，w h i c h p r o v i d es o m eu s e f u le x p e r i e n c e sa n dt h er e f e r e n c ef o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho fi n t e m mp r e s s u r e e s t i m a t i o na n dl i f e t i m ee v a l u a t i o n a tl a s t ，t h i sp a p e rc o n c l u d e st h er e s e a r c ha n dp o i n t so u t t h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n k e yw o r d s ：i n t e r n a lp r e s s u r ee s t i m a t i o n ；v a c u u ml i f e t i m e ；h fp u l s ec u r r e n tm e t h o d ； h fp u l s ep o w e rs u p p l y ；g r e yf o r e c a s t i n gm o d e l i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其它人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其它单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 肄魄 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名蔓童辇 作者签名：曼丝垒 导师签名：纽歪幺盏导师签名：纽茔墨盏 冽b 五月业日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 真空开关真空度 1 1 1 真空开关简介 真空开关是真空断路器、真空负荷开关和真空接触器等一系列开关设备的统称，通 常人们所说真空开关即指真空断路器。关于真空开关的研究可追溯至1 8 9 3 年美国 r i r e n h a u s e 设计出第一个真空灭弧室【l l 。1 9 2 0 年，瑞典b i r k a 公司研制出世界上第一台 真空开关。由于受到真空密封技术和真空冶炼技术的限制，直到1 9 6 1 年美国g e 公司 率先成功研制出额定电压1 5 k v 、开断能力1 2 5 k a 的真空断路器和1 9 6 6 年进一步研制 出1 5 k v 、2 5 k a 和3 1 5 k a 的真空断路器，真空断路器才正式进入电力系统。到目前为 止，真空断路器的额定电流已达到6 3 k a ，单断口真空灭弧室的额定电压己分别达到 1 2 3 k v 、1 2 6 k v 和1 4 5 k v 的水平，开断电流能力最高可达6 3 k a 。我国于1 9 5 8 年开始真 空电弧理论研究和真空断路器研制工作。经过半个世纪的发展，目前已能生产额定电压 4 0 5 k v 、额定电流6 3 k a 、开断电流为6 3 k a 的真空断路器1 1 3 】。目前，真空开关在我国 中压领域的占有率已超过8 5 。真空开关正朝着真空灭弧室小型化，电压等级向高电压 等级和低电压等级发展1 2 刮。 真空开关作为电力系统重要的控制和保护设备，其主要功能有：在开断状态能保证 良好的绝缘性能，能够承受开关的工作电压和操作过电压：关合时能通过额定的电流和 短时短路电流；在触头长时间静止不动之后仍能可靠地完成开关操作【5 l 。真空开关突出 特点是将通断主回路的主触头密封在与外界隔绝的真空灭弧室内，利用真空环境优异的 绝缘和灭弧性能来实现通断主电路的目的。真空环境的优异性能使得真空开关工作特性 明显优于以往的少油断路器、空气断路器和s f 6 断路器，从而助其在中压开关“无油化” 进程中脱颖而出，成为中压领域的主导开关设备【3 1 。 真空开关优势具体主要表现在以下几个方面【6 】： ( 1 ) 真空介质绝缘强度好，耐压水平高； ( 2 ) 开断电弧后，介质强度恢复快，熄弧能力强，开断容量大； ( 3 ) 电弧开断时没有副产品产生，对环境污染少； ( 4 ) 触头行程短，对操动机构的操作功要求小，机械寿命长，结构简单； ( 5 ) 介质不会老化； ( 6 ) 电弧能量小，使用寿命长。 真空开关真空度检测及寿命评估研究 如前所述，真空灭弧室为真空开关提供了良好的真空环境，成为真空开关的核心部 件。真空灭弧室的基本结构如图1 1 所示，由外壳、导电杆、触头、屏蔽罩、波纹管等 组成”】。真空灭弧室是一个真空密封的结构，对真空度的要求极高，一般要求其能够正 常工作1 0 , - - 2 0 年”l 。 7 图1 1真空灭弧室基本结构 1 一静导电杆；2 一支撑瓷柱；3 一屏蔽罩；4 一外壳；5 一触头；6 一波纹管；7 一动导电杆 f i g 1 1 b a s i cs t r u c t u r eo f v a c u u mi n t e r r u p t e r 卜一s t a t i cc o n d u c t i n gr o d ；2 - - s u p p o r tp o r c e l a i ni n s u l a t o r ；3 - - s h i e l d ；4 一s h e l l ：5 - - e l e c t r o d e ； 6 - - c o r r u g a t e dt u b e ；7 - - m o v a b l ec o n d u c t i n gr o d 1 1 2 真空灭弧室的真空度与真空寿命 严格来说，真空灭弧室内部并非绝对真空，其内部仍存有少量的残余气体分子。真 空灭弧室内部残余气体压强，即为真空灭弧室的真空度。真空灭弧室真空度一般介于 1 3 3x1 0 p a - 1 3 3 1 0 也p a 之间，属于高真空范吲引。在这样高的真空度下，气体分子密 度极低，不易产生碰撞游离，绝缘强度高，保证了真空开关良好的绝缘和灭弧特性。 真空度对真空开关的影响最终表现为对其绝缘性能和开断能力的影响【1 , 5 , 9 】。一般说 来，真空开关在分断一定负载的主回路时，触头间会产生真空电弧，在真空较高的条件 下真空电弧是一种金属蒸汽电弧，并在极短时间内迅速向真空灭弧室屏蔽罩进行扩散， 从而实现电流的快速分断【lj 。如果真空灭弧室真空度较低，将对真空电弧的熄灭过程产 生影响，严重时导致真空开关分断失败。有关研究表明，当真空灭弧室内真空度低于 1 0 。2 p a l p a 之间的某一个值时，真空开关将失去其高频电流开断能力【5 】。 在实际应用中，真空灭弧室内的压强根据不同的使用场合可有不同的数值，对此各 国未作统一规定，一般认为最大允许值在1 3 3x1 0 2 p a 附近。在我国，部标技术中规定 真空开关用灭弧室中的最大压强为1 3 3 1 0 p a ，国标中规定为6 6 1 0 p a 。这是考虑 到真空开关分断时灭弧性能的需要【l 】。对用作负荷开关或接触器的真空灭弧室，其允许 最大值可以适当高一些i lj 。 大连理工大学硕士学位论文 真空灭弧室制成出厂后，并不能永远保持其内部的真空状态。随着存放和运行时间 的增加，真空灭弧室内部真空度将降低，即发生真空度劣化。在经过严格电真空工艺处 理的真空灭弧室内，影响真空度的主要因素为工作表面的放气与吸气过程，波纹管及其 它密封部分密封性、长期的扩散、晶体材料间的腐蚀、吸气剂活性的丧失等都会引起灭 弧室内真空度的降低【i j 。 在存放期间，真空灭弧室内的压强变化曲线如图1 2 所示，当真空度在1 0 。5 p a 1 0 以p a 范围内时，由慢性漏气引起的压强变化可以近似为线性变化，如图中直线a 所示。而由 放气和吸气材料的吸气作用共同引起的压强变化如图中曲线b ，材料的放气是逐渐减少 的，最后放气与吸气材料的吸气作用可以达到一种动态平衡，此时曲线b 不再变化。实 际的真空度变化曲线应该是上述两种过程的总和，即曲线a + b f l l 。 厶 灾 崮 群 憾 图1 2 真空灭弧室真空度变化曲线 f i g 1 2 a l t e r a t i o nc u r v eo fp r e s s u r ei nv a c u u mi n t e r r u p t e r 所谓真空寿命是指真空灭弧室从出厂至因真空度降低而失去功能之间的允许最长 时间【l 】。由于真空灭弧室内的真空度并不随时间线性变化，所以据此来判断其真空寿命 较为不便。实际应用中通常采用的方法是：如图1 3 所示，首先在真空度随时间的变化 曲线上取两点，其一是真空灭弧室封离时的初始压强p ，时间弘o ；另一点为存放一段 时间后乃的压强p i ，即图1 3 上的m 点。乃通常为几周至几个月的时间，只要能明显测 出封离后的压强变化即可。由此可以得到下面的真空寿命乃表达式： 乃= 错互 ( 1 1 ) 式中尸广一存放一段时间后灭弧室内的压强( p a ) ； 乃一相应于测量n 时的存放时间( s ) ； 真空开关真空度检测及寿命评估研究 尸厂。灭弧室封离时的压强( p a ) ； 尸产灭弧室内压强的最大允许值( p a ) 。 通常有p a p f ，于是有 乃= 志z 如果p ，很小，且满足p ， b ，则式( 1 2 ) 又可以近似为 石= 鲁互 p 曩 邕 妒 p t o t tt l t i t 存放时间t 图1 3 计算真空寿命的示意图 f i g 1 3d i a g r a mo fc a l c u l a t i n gv a c u u ml i f e t i m e ( 1 2 ) ( 1 3 ) 由图1 3 可以看出，根据式( 1 2 ) 和( 1 3 ) 计算得到的真空寿命均比实际的真空寿命瓦 要短，即乃 k o 。 ( 3 7 ) 其中占( o ) ( r a i n ) 为建模残差尾段中最小的一个数。 真空开关真空度检测及寿命评估研究 对占( 。) ，( 七) 建立g m ( 1 ，1 ) 模型，得到相应的时间响应式善。y ( 七+ 1 ) ： ；p ( 七+ - ) = ( 一p 一) 占( 。) 7 ( ) 一等 p 一( i b ) ，七 ( 3 8 ) 由于在建模前作非负处理时，将横坐标下移了一个2 i s ( m i n ) i ，为了使其恢复原位， 必须将横坐标重新上移： p ( 七+ ) = 鲁p y ( 七+ - ) 一2 i 占( 。( m ；n ) i = ( 一p q ) 占( 。) 7 ( ) 一篆 p q ( i b ) 一2 l s ( 。( m 访) i ，七 ( 0 ) ( 0 ) 用修正y ，可得残差g m ( 1 ，1 ) 模型的预测公式： ( 1 - e 4 ) ( 1 - e 。) o ( 1 ) 一差 ( 1 ) 一丝 、7 口 e 一曲 p 一础+ ( ，一p 一) 占c o ，( ) 一篆 p 一吒c t 知，一2 i 占c ( m ；n ) j 七3 9 3 1 3 非等时距g m ( 1 1 ) 模型 在灰色预测中，根据数据序列x 【u j 建立的g m ( 1 ，1 ) 模型是按等时距处理的【4 3 1 。由 于种种原因，在实际应用中所获得的原始数据可能是不完备的，可能会缺少部分原始数 据，因而出现不等时距的情况。为了解决g m ( 1 ，1 ) 模型在这类情况下应用受限的问题， 相关学者提出了非等时距g m ( 1 ，1 ) 模型。其思想是首先把非等时距序列变换成等时距序 列，经过一次累加生成后，近似地拟合成一阶微分方程，即g m ( 1 ，1 ) 模型【4 1 ，4 7 1 。 设有一组不等时距的离散数据工( o ) = x ( o ( 1 ) ，x ( o ( 2 ) ，x ( o ( 刀) ，气( 七= j ，z ”：刀) 为各 离散数据x 。( 七) 所对应的时间，其中f i = o 。 非等时距g m ( 1 ，1 ) 模型的建立步骤如下 ( 1 ) 求平均时距w 小击静= 厶t i = t i “一t i ，厶t i “j t i j 、) o 击( 乙一 ) ( 2 ) 求各段时距与平均时距的单位时距差系数( ) ： ( 气) = 芈，七= z ”：刀；( ，。) = 。 ( 3 ) 求各段总的差值x 。( 气) = ( 气) z 。( 气) 一x o lt k 一。) ，七= 2 j 疗；x 。( ，。) = 0 。 = 、i ， l+七 ，i x 大连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 计算等时距点的灰数值o x o 7 ( 七) = 并。( i ) 一x ：o ( 气) ，七= j ，2 _ 玎。于是得到等 时距序列o x 咿= x 咿( 1 ) ，x 。7 ( 2 ) ，x ( 。7 ( 以) ) 。 ( 5 ) 对o x ( o ) 7 建立残差g m ( 1 ，1 ) 模型，得到时间响应函数。 3 1 4 灰色预测模型精度检验 预测模型起码应该能够拟合过去，而更重要的是能够预测未来。模型预测的准确性 和实用性是靠模型的精度来反映的，对模型进行全面的精度检验是有效判断、选择和评 价预测模型的重要判据。对残差g m ( 1 ，1 ) 模型的检验通常有多种方法，本文选用残差检 验和均方差比值检验两种检验方法来对模型进行精度检验【3 7 1 。 ( 1 ) 残差检验 设有原始数据序列石。= xo ) ( 1 ) ，x 。( 2 ) ，工( 。( 玎) ，相应的模型预测数据序列为 ；： ? ( - ) 毒m ( 2 ) ，毒呻( 疗) ，二者相应项作差得： p ( 0 ) ： p ( o ) ( 1 ) ，p ( ( 2 ) ，川玎) ：i x 。( 1 ) 一? ( 1 ) ，( 2 ) 一? ( 2 ) ，( 刀) 一( 疗) 则相对误差膨崂：= 蝌蚓t ，酬 = i 小忱，。 堍= 淞= 喜i 端p 均相对误芭 给定相对误差，当x a o _ ra 。 0 ，当c c o 时，称模型为均方差比值合格模型。 真空开关真空度检测及寿命评估研究 对预测模型的要求是平均相对误差a 、均方差比值c 越小越好。按照a 、c 的大小 可将模型精度分为四个等级，如表3 1 所示。如果预测模型检验不合格，可对模型进行 必要的修正和改进，使其精度得到有效的改善。 表3 1 模型检验精度等级表 t a b 3 1p r e c i s i o nc a l i b r a t i o ng r a d eo f f o r e c a s t i n gm o d e l 3 2 基于灰色预测法的真空寿命评估模型 3 2 1真空寿命评估模型的建立 真空灭弧室在存放和运行的过程中，其内部残余气体压力会受到多种因素的影响， 包括焊缝及材料的漏气、绝缘外壳及密封金属零件的渗透、触头材料的放气、其它蒸发 气体，还可能发生结构材料的吸气等。构成真空灭弧室真空度下降的原因很多，而且包 含着非常复杂的物理、化学过程，很难对之具体建模分析。文献 2 8 ，2 9 禾0 用本文第一章 中的式( 1 1 ) 对真空灭弧室的真空寿命进行了计算，但由于只是将真空度随时间的变化简 化成线性函数关系，模型过于简单，导致某些情况下计算真空寿命结果出现数量级差错， 甚至出现负值，表明其缺乏实际应用性。 真空度是真空开关的一项重要参数，可以通过包括磁控放电法、高频脉冲电流法等 多种检测方法来掌握真空灭弧室内部残余气体压强。虽然能够得到真空度的具体数值， 而由于真空度的影响因素非常多，以往很少能够利用这些数据来深入分析真空开关真空 度的变化趋势和评估真空寿命。有效利用检测得到的数据结果，建立真空度随时间的变 化函数，即建立真空开关的真空寿命评估模型，对于预估真空度变化趋势，在争取尽量 减少真空度检测次数的同时更好地合理开展真空开关设备的检修和维护具有重要的意 义。鉴于灰色预测法在信息不完全系统预测应用中的优越性，本文展开了将灰色预测模 型应用到真空寿命评估分析方面的研究。 真空寿命评估模型的任务是根据真空开关各检测时刻得到的真空度数值，探索出真 空度随时间变化的难以通过具体解析建模的函数关系，预测出真空度的在未来时刻的数 大连理工大学硕士学位论文 值，从而在考虑适当裕度的情况下，计算出真空开关残余气体压力达到标准规定上限值 之前的这段时间，即真空开关当前的真空寿命z 。计算得到真空寿命z 之后，根据其数 值大小从而做出相应的决策。在忽略意外外力、人为破坏和其它关联设备故障等因素的 情况下，针对z 的不同数值，本文建议可采取的决策如下： ( 1 ) z 2 0 年，接下来四年之内无需检测，自第五年起再开始检测； ( 2 ) l o z 2 0 年，每两年进行一次检测： ( 3 ) 5 t ， 1 0 年，每年在定期检修时段内检测一次； ( 4 ) 2 z o ，d 1 导通，a 1 这一级相当于一级电压跟随器，则有u 0 2 = v 2 ； u 0 2 通过电阻r 2 对电容c l 充电； 当v 2 0 时，u o l 0 ，d 1 截止，此时u 0 2 相当于悬空，电容c l 通过r 1 、r 2 和a 1 的反相输入端放电，由于r 1 取值非常大，这个放电电流微乎其微，完全可以忽略。 经过数个周波之后，c 1 上的电压即为输入交流信号的峰值电压，通过a 2 级电压跟 随器输出峰值电压信号。 大连理工大学硕士学位论文 图5 5 峰值检测电路原理图 f i g 5 5 s c h e m a t i cc i r c u i t0 fp e a l ( v a l u ed e t e c t i o n 利用m u l t i s i m 对峰值检测电路仿真，仿真结果如图5 6 所示。在t 0 - t l 阶段，j 1 断 开，输入信号v 2 = 互s i n f 2 万1 5 0 0 0 t ) v ，幅值至v ，频率1 5 k h z ，可以看出，经过3 个周波之后，输出信号v o u t = 互v 。在t 1 也阶段，闭合儿，v o u t 瞬间下降。在t 2 川 阶段，改变输入信号为v 2 - - 0 5 4 5 s i n f 2 万1 5 0 0 0 t 1 v ，并于t 3 时刻闭合儿，此时得到 输出信号v o u t = 0 5 乏v 。由此可以看出，峰值检测电路能够很好地实现波形的峰值检 测，并且复位按钮开关能够发挥复位电路输出的作用。 f m ，l ，厂、，、 ，八九，、川，、八厂、 h vv b 1 、叫vv j 一vvv 。v v v v v vvvv y v vvv 。7 。 t 0 t ：t 2：t 3 ， 图5 6 峰值检测电路仿真结果 f i g 5 6s i m u l a t i o nr e s u l to fp e a kd e t e c t i o nc i r c u i t 当假设仪表差分放大器的反相输入信号v i n l 2 1 0 s i n ( 2 n 1 0 0 0 0 t ) m v 、同相输入信 号v i n 2 2 2 0 s i n ( 2 7 r x l 0 0 0 0 t ) m v 时，差分放大预处理电路得到的仿真分析结果如图5 7 4 7 真空开关真空度检测及寿命评估研究 所示，波形l 、2 、3 和4 分别对应差分放大信号预处理电路中的v i n 2 、v 1 、v 2 和u o u t 。 由图可以看出，差分放大信号预处理电路能够实现拾取高频脉冲电流峰值的功能。 图5 7 差分放大信号预处理电路仿真结果 f i g 5 7 s i m u l a t i o nr e s u l t so f d i f f e r e n t i a la m p l i f ys i g n a lp r e p r o c e s s i n gc i r c u i t 5 2 2 单片机信号检测系统硬件设计 单片机信号检测系统是下位机部分的核心，主要目的是实现高频脉冲电流峰值信号 的拾取、转换、存储和显示，以及与上位机之间的通信。考虑到高频脉冲电流法真空度 检测属于一种离线检测，对实时性和高速要求低，为了简化信号系统硬件结构，提高检 测系统的应用性，本文选用基于1 2 c 串行总线的单片机系统 6 5 - 6 7 】。单片机信号检测系统 由a t 8 9 s 5 2 核心、a d 转换、数码管显示、扩展e 2 p r o m 、看门狗电路、非编码键盘 控制电路和r s 2 3 2 电平转换电路等组成。图5 8 是下位机信号检测系统的系统框图。 1 2 c 总线( i n t e ri n t e g r a t e dc i r c u i tb u s ) 是由p h i l i p s 公司开发的一个简单、高性能的芯 片间串行通信传输总线。1 2 c 总线仅用一根串行数据线( s d a - s e r i a ld a t a ) 和一根串行时 钟线( s c l ：s e r i a lc l o c k ) 按照一定的通信协议进行寻址和数据传输，实现微控制器和外 部设备之间的串行通信或在主设备和从设备之间进行双向数据传输。由于1 2 c 总线采用 大连理工大学硕士学位论文 器件地址的硬件设置、软件寻址，而不需要片选信号，使得硬件系统的扩展更简单、更 灵活。 t 图5 8 单片机信号检测系统框图 f i g 5 8 b l o c kd i a g r a mo fm c u s i g n a ld e t e c t i o ns y s t e m 1 2 c 总线是一个真正的多主机总线，即一个1 2 c 总线可以有一个或多个主机。但在 实际应用中，多数单片机系统仍采用单主机结构的形式，图5 9 典型的单主机1 2 c 总线 结构图。为了进行通信，每个连接到1 2 c 总线的器件都有唯一的地址。1 2 c 总线遵从同 步串行传输协议，数据一位接一位串行发送，由时钟线的边沿指示读数据线的时刻。每 个数据包前有一个地址，以指示由哪个器件来接收该数据6 2 1 。 单 片 机 + 5 v s d a d | 氏 s c s r a m i f e 2 咖m | 1 1 2 舔 图5 9 单主机1 2 c 总线结构图 f i g 5 9 s t r u c t u r ed i a g r a mo f s i n g l em a i np r o c e s s o rw i t h1 2 cb u s 真空开关真空度检测及寿命评估研究 利用1 2 c 总线进行数据传送时，传送的字节数是没有限制的，但是每一个字节必须 保证是8 位长度，先送高位后送低位，每个字节需要9 个脉冲。每传送一个字节数据以 后都必须跟随一个应答位。数据传输时序如图5 1 0 所示。 主机数据输出可l 口c ： 从机数据输出丁f 一 应答信号在第9 个时钟脉冲上出现，从机输出低电平为应答信号，表示继续接收， 若从机输出高电平则为非应答信号，表示结束接收。与应答信号对应的时钟由主机产生， 主机必须在这一时钟位上释放数据线使其处于高电平状态，以便从机在这一位上送出应 答信号。当主机接收数据时，它收到最后一个数据字节后，必须向从机发送一个非应答 信号，使从机释放s d a 线，以便主机产生终止信号，从而停止数据传送。 为了简单方便，本文选用的单片机为常用的a t 8 9 s 5 2 。该型号单片机并没有专门的 1 2 c 总线接口，但是可以利用其通用的i o 口引脚来代替1 2 c 总线接口，通过编程模拟 1 2 c 总线接1 3 时序。关于模拟子程序的资源和代码十分丰富，在此不再赘述。 以下对下位机信号检测系统的各部分功能块分别进行介绍： ( 1 ) a d 转换 a d 转换选用t i 公司推出的一种全差分、自校正、1 6 位一型a d 转换器 a d s l1 1 0 芯片，内部框图如图5 1 1 所示，其内部构成一个一a d 转换器核、可编 程增益放大器p g a 、内置参考电压源( 2 0 4 8 v + 0 0 5 ) 、时钟振荡器和1 2 c 总线接口1 6 8 】。 a d s l1 1 0 由于精度高、体积小、使用方便、价格便宜，因而在高精度测量、工业过程控 制等方面获得广泛应用j 。 大连理工大学硕士学位论文 参考电压源 2 0 4 8 v a = l ，2 ，4 ，8 j 毋h 总线1 2 c 接口 时钟振荡器 图5 1 1a d s l l l 0 方框图 f i g 5 11 b l o c kd i a g r a mo f a d s l11 0 s c l s d a v d d g n d a d s l l l o o p 可以双端输入，也可以单端输入。这里选用单端输入方式，将来自差分 放大信号预处理电路的u i n 直接接至a d s l1 1 0 的同相输入端1 脚v 附。u i n 是高频脉冲电 流峰值转换之后得到的电压信号，范围在0 4 8 v 之内，满足a d s l l l o 单端输入时对信 号参数范围的要求。a d s l1 1 0 采用1 2 c 总线接u ( 8 个有效地址) ，s d a 、s c l 分别与单片 机a t 8 9 s 5 2 的p 3 4 、p 3 5 相连。其接口原理图如图5 1 2 所示。 u 图5 1 2a d s i1 1 0 与a t 8 9 s 5 2 接口原理图 f i g 5 1 2d i a g r a mo f i n t e r f a c eb e t w e e na d s l 11 0a n da t 8 9 s 5 2 a d s l l l 0 的转换结果- qu i n 之间的关系由下式确定： 转换码叫最j 、转换码p g a