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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(xì)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(hù)密封鉛酸蓄電池的在線維護(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，滿容量時，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)阻法在實現(xiàn)時有較大的技術(shù)難度。另外，充電機(jī)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(qiáng)，所以被檢測的信號應(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(jìn)行乘法運(yùn)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(qiáng)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(jī)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(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(dú)立、互不相關(guān)的性質(zhì)，可以使之通過互相關(guān)運(yùn)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(diǎn)，如體積小、成本低、對電池?zé)o損害、可在線測量、可進(jìn)行頻繁的測量等。由于交流法具有種種優(yōu)點(diǎn)，所以越來越受到業(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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行處理。
相敏檢波器是鎖相放大器的心臟。對周期信號進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)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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