锁相放大器在电池内阻测量中的应用_宋改青

1、第24卷第2期2006年3月物理测试Physics Examination and TestingVol. 24,No. 2Mar. 2006作者简介:宋改青(19752 , 女, 硕士生; E 2m ail :dongyouer ; 修订日期:2005208208锁相放大器在电池内阻测量中的应用宋改青, 董有尔(山西大学物理电子工程学院山西太原030006摘要:本文对传统的电池内阻测量方法进行了研究比较, 提出了用锁相放大器测量电池内阻的新方法, 通过对多种电池内阻的测量, 克服了噪声和干扰, 快速获得稳定、精确的内阻测量数据, 并能实现在线检测。关键词:电池内阻; 锁相放大器; 干扰和噪声

2、中图分类号:TM911. 1文献标识码:B文章编号:100120777(2006 0220057203Application of Lock 2in Amplif ier in Measurement ofB attery Internal R esistanceSON G Gai 2qing , DON G Y ou (College of Physics and Electrics Engineering ,Shanxi , , China Abstract :The is ,and a new way to measure the and has been proved by many

3、tests , which can overcome the noise and , stable measurement data and realize on 2line examination. K ey w ords :internal resistance of battery ; lock 2in amplifier ; interference and noise电池作为一种电源, 由于体积小、重量轻、充电方便和便于携带等优点, 已在手机、照相机、笔记本电脑等人们日常生活和通信、铁路、计算机网络等特殊的供电系统中得到广泛的应用。由于电池的容量与内阻之间存在很好的相关性, 一般而言

4、, 电池的容量越大1, 其内阻就越小, 通过对内阻的测量就能评估容量的大小。因此内阻作为电池的一项重要技术参数指标越来越受到人们的重视, 对其进行测量将有着非常重要的实际意义。测量电池内阻的方法很多, 目前人们使用的有电位差计法、直流伏安法、短路电流法、交流电桥法1等。前3种方法都属直流法, 实际测量中电池始终处于放电状态, 对电池损耗较大, 且直流方法所得数据重复性较差, 准确度很难达到10%以上。而交流电桥法受到变阻箱最小范围和检流计灵敏度的影响, 精度也不高。且这几种方法都不可能抑制干扰和噪声。而在实际测量中, 由于电池内阻很小, 干扰和噪声对它的影响就会很大, 测量线的阻抗也不可忽略,

5、 所以有效地抑制干扰和噪声, 提高测量精度在内阻测量中就显的十分重要。在研究中发现, 采用锁相放大技术可以有效地抑制干扰和噪声, 使得内阻的测量变的非常精确, 且测量速度快、成本低; 由于它无需放电, 施加的交流电流也很小, 可以实现完全的在线检测管理, 避免了对设备运行安全性的影响。因此, 用锁相放大器测量电池内阻将有广泛的应用前景。1测量原理1. 1测量电池内阻用锁相放大器测量电池内阻的原理见图1。信号源输出信号分两路, 一路输给锁相放大器作参考信号, 另一路通过限流电阻R 2和隔直电容C 加到待测电池两端, 给电池注入交流信号, 从电池两端取出信号, 加到锁相放大器的信号输入端, 这样不

6、仅将注入电流回路和信号测量回路分开, 实现4线法测量, 降低导线阻抗对电池内阻测量的影响, 而且满足了锁相放大器输入信号和参考信号频率相同的条件, 实现相关运算。用锁相放大器测量电池内阻的基本原理是, 当信号源给电池注入一个交流信号, 测量出由此信号在电池两端产生的电压信号和回路的电流, 就可计算出电池的内阻: 图1测量电池内阻原理图Fig. 1Schem atic diagram of measurement ofb attery internal resistancer =I rms(1式中V rms 为电池两端交流信号的有效值; I rms 为输入回路电流信号的有效值。, 级1, 因此,

7、 , 容易受到噪声干扰, , 信号放大后再测量, 干扰和噪声无法消除。而采用锁相放大器就可以有效克服外界干扰, 获得比较稳定的电压数据, 同时该方法不需要电池处于充放电状态, 因而对电池无损耗, 可以实现完全的在线监测。按图1连接好电路, 先将待测电池两端的交流信号输入到锁相放大器, 经放大、滤波和相关运算, 并调整输入信号和参考信号频率相同、相位相同, 最后读出输出电压V rms 。为测得输入回路电流信号的有效值I rms , 引入了基准电阻R 1, 测出电池两端的交流电压后, 再将锁相放大器的信号输入端移至R 1两端, 测出其电压V 1。由电路图可知, 在信号源输出信号不变的情况下, 待测

8、电池和基准电阻R 1串联在同一回路中, 流过它们的电流是相同的, 根据(1 式, 可以推导出电池内阻与基准电阻之间关系:I rms =r =R 1r =V 1(2这样由(2 式就可以计算出电池内阻r 。1. 2锁相放大器实现微弱信号检测原理(24 锁相放大器是内阻测量的核心部分, 它以相干检测技术为基础, 利用参考信号频率和输入信号频率相关, 与噪声不相关, 从而从噪声中提取有用信号。理论上已证明, 当信号的频率和相位已知, 采用相干检测技术能使输出信噪比达到最大。锁相放大器的基本原理框图见图2。由于被检测的信号很微弱, 而噪声和干扰又很强, 所以被检测的信号应进行放大和滤波处理, 以滤除通带

9、以外的噪声和干扰。触发电路可以把各种波形的参考信号变成一定波形的同步脉冲去触发下一级电路。相移电路的功能是改变参考通道输出方波的相位, 使它在360°范围内可调, 方波形成电路把相移器送来的波形变成占空比为1:1的方波, 驱动级再把方波变成一对相位相反的方波, 用以驱动相关器中的电子开关。后续的低通滤波的作用是滤除和频分量, 这时的等效噪声带宽很窄, 极强地抑制了输入噪声。输入信号经过相敏检波和低通滤波后, 将交流信号转变为直流信号, 直流信号经直流放大器放大后, 即可满足系统的增益要求 。图2锁相放大器的基本原理框图Fig. 2Flow diagram of b asic prin

10、ciple of lock 2in 2amplifer相关器是锁相放大器的核心部分, 它由相敏检波器和低通滤波器组成。相敏检波器采用开关式乘法器, 设有两个函数分别代表信号通道和参考通道的输入x 1(t =s 1(t +n 1(t , x 2(t =s 2(t +n 2(t , 其中n 1(t , n 2(t 分别代表混在待测信号s 1(t 和参考信号s 2(t 中的噪声, 当输入信号和参考信号频率相同时, 输出电压V 0(t =ke 1e 2cos , 其中为输入信号与参考信号之间的相位差, e 1、e 2分别为待测信号和参考信号的幅值。由此可见, 锁相放大器的输出直流电压V 0正比于输入信

11、号的幅值且与相位差成co s 关系。调节相移电路, 使参考信号与输入信号之间的相位差为零, 此时锁相放大器输出电压V 0仅与输入信号的幅值成正比。因此, 它能在噪声和干扰中检测与参考信号频率相同的输入信号, 且这种电路具有极强的抗干扰性、高灵敏度和很宽的动态范围。2测试结果与分析2. 1测试条件测试电路见图1, 信号源要求输出信号幅度稳定, 频率从10Hz 10k Hz , 限流电阻R 1根据待测电池所承受的最大电压和电流, 一般选取范围为85物理测试第24卷 01510k 之间, 基准电阻一般选取误差较小的精密电阻作为基准电阻, 阻值在1左右, 电容的作用是通交流隔直流, 容值在100050

12、00F 之间选取。锁相放大器参考信号输入有效值幅度不小于100mV 。我们测试时R 1=1, C =3300F , R 2=1k , 信号源频率f =500Hz , 锁相放大器前置放大器放大开关、灵敏度、高低通滤波器、时间常数等根据输入信号幅度、频率选择确定, 以滤除干扰和噪声为目的。按照上述要求, 对市场销售的5号一次电池、二次电池和蓄电池等电池充放电过程进行了在线测量。2. 2电池内阻的频率响应一般来说, 电池内阻是频率的函数, 但是在一定频率范围内, 忽略测量回路耦合电容的容抗和电池的电容效应, 电池内阻就与频率无关。如图3所示, 在信号源幅度一定, 改变信号源频率, 对一次5池和二次5

13、, 图3电池内阻的频率响应Fig. 3Frequency response of b attery internal resistance2. 3充电在线测量图4是环宇牌H YS630铅酸电池(6V ,3Ah 充电过程中在线测量内阻充电特性图, 电池放电到终端电压后, 对其进行充电, 充电电流选为200mA , 在充电过程中对电池实施在线内阻测量, 由测试结果可以看出, 在充电过程中内阻先急剧减小, 然后再缓慢变化, 最后几乎不变。假设充电前电池容量为0, 则从0充电到0. 08Ah , 内阻从275m 快速变到75m , 变化率约为-2. 5/Ah , 容量再从0. 08Ah充电到015Ah

14、 , 内阻则从75m 缓慢变到20m , 变化率约为-0. 13/Ah , 继续充电到充满, 内阻几乎不变, 变化率为0。由此可见电池内阻与其容量有关联性。2. 4放电在线测量图5是环宇牌H YS640铅酸电池(6V ,4Ah 放电过程中在线测量内阻曲线图, 电池充满电后, 对其进行放电, 放电电流选为200mA , 在放电过程中对电池实施在线内阻测量, 由测试结果可以看出, 放电过程与充电过程内阻的变化正好相反, 开始基本不变, 然后缓慢变化, 最后随着容量的减少内阻变化较快。同样也说明, 电池内阻的变化反应了容量的 变化。图4电池内阻充电特性Fig. 4Ch arge ch aracter

15、istic for b attery internal resistance图5电池内阻放电特性Fig. 5Disch arge characteristic of b attery internal resistance2. 5放电前后电池内阻变化电池放电前后内阻变化见表1,1号、2号为5号一次电池, 其余为5号二次电池。其中r 0为放电前内阻, r 1为放电到终止电压内阻, Q 0为二次电池标称容量, Q 1为实际放电容量, 从表中可以看出, 放电过程实际是一个内阻增大的过程, 内阻小的电池容量大, 内阻大的电池容量小, 由此说明, 电池内阻是衡量电池性能好坏的重要参数之一, 也是判断电池

16、状态的关键数据。3结语用锁相放大器测量电池内阻, 由于施加的信号(下转第62页95第2期宋改青等:锁相放大器在电池内阻测量中的应用 2r d +2r t +r d I d /(U do cos p -I d 式中:U do =2. 34E 20S =1时的空载整流电压;U =2. 34U T2co s 逆变电压;X D0r T 折算到逆变变压器二次侧的每相漏电抗和电阻; U T2=co s变压器的二次侧相电压;r L 平波电抗器的电阻。这个机械特性区间称为机械特性的第2工作区。第1工作区机械特性表达式:T em =S lm /S 1+S 1/S 1m +2S 1m =S 1m -S 10S 1

17、=S -S 10S 10=E 20co s 想转差率;S 1m 为第1差率; 第2工作区机械特性的表达式T e. 1m =2S 2m /S 2+S 2/S 2m +2S 2m =S 2m -S 20S 2=S -S 20S 20=E 20co s pS 2m =2S 20+3X D0/式中:S 2m 考虑到强迫延迟时对应于某一导通角这导通现象时的转差率增量; S 20考虑到强迫延迟时角与导通角p p 时的理想空载转差率。利用串级调速系统机械特性的两个不同工作区的有关表达式, 可画出串级调速系统机械特性曲线, 如图3所示 。图3Fig. 3for of cascadeA B 段为机械特性的第1工

18、作区,BC 段为第2工作区。3结语综上所述可知若调节控制角p 在第1工作区间中, 异步电动机的串级调速方法同直流他励电动机相似, 若异步电动机的机械特性进入第2工作区间时机械特性曲线变软, 则带负载能力降低并且系统不稳定。起动转矩T q 越低, 则转速越大, 则转速的机械特性曲线下斜得越厉害。参考文献:1陈伯时. 电力拖动自动控制系统M .北京:机械工业出版社,2003.2刘天赐. 晶闸管交流技术M .北京:冶金工业出版社,1989. 3姚融融. 交流异步电动机矢量变换控制系统J.物理测试,2003,21(5 ,22223.(上接第59页表1电池内阻放电前后变化T able 1Changes of internal resistance of b atterybefore and after discharging序号r 0/