电流传感器范文1
作者简介：罗静萍（1944－），女，湖南湘潭人，武汉科技大学中南分校信息工程学院副教授。
（武汉科技大学中南分校 信息工程学院，湖北 武汉 430223）
摘要：以电磁感应定律为基础，以基尔霍夫定律为工具，分析电涡流传感器的工作原理，得出相关结论。同时采用电子线路实现其参数转换，使之成为实用的检测技术和检测仪表。
关键词：电涡流；传感器；基尔霍夫定律；稳频调幅式电子测量
1 引言
电涡流由加贝(Gambey)在1824年的实验中发现。在摆动的磁铁下方放一块铜块，磁铁的摆动将会很快停止，从而指出了电涡流的存在。几年后，付科(Foucault)又证实了：在强的不均匀磁场内运动的铜盘中有电流存在。1831年，法拉第(Faraday)总结出电磁感应定律，成为解释涡流试验基本原理的重要依据。电涡流的实际应用始于1879年，到上世纪中叶，生产出了电涡流传感器及检测仪表，至今逐步形成了各种形式和用途的系列化电涡流检测仪表。
电涡流检测技术是一种非接触式测量技术，它具有结构简单、灵敏度高、测量线性范围大、不受油污介质的影响、抗干扰能力强等优点，在工业部门得到广泛应用。典型应用场合为火电厂汽轮机的轴向位移、振动、主轴偏心度测量，还可以用于测量压力、温度、转速、电导率、厚度和间隙等参数，以及探测金属材料表面的缺陷和裂纹。
本文以电磁感应定律为基础，以基尔霍夫定律为工具，分析电涡流传感器的工作原理，得出影响其性能的有关结论。同时给出采用电子技术实现其参数转换的方法，使之成为能付诸实用的检测技术和检测仪表。因此本文对于教学也不失为一个很好的综合性范例。
2 电涡流传感器工作原理分析
电涡流传感器主要由一个扁平线圈构成。图1为电涡流传感器原理图，在离线圈（电涡流传感器）1某一距离d（可变）处有一块金属板导体（被测体）2。当线圈中通以频率为ω的高频交变电流i1时，线圈周围便产生一高频交变的磁场Φ1。在此磁场范围的金属板内便会产生高频感应电流i2，由于这种电流在导体内呈闭合旋涡形状，故称之为涡流。同时，此电涡流也将产生一个交变磁场Φ2。根据有关电磁定律，电涡流磁场总是抵抗原磁场的存在，使导体内产生电涡流损耗，并引起原边线圈的等效电感L、等效阻抗Z和品质因素Q降低。
电感量L的变化大小与线圈的外形尺寸r、被测距离d、金属体材料的电阻率ρ、磁导率μ、激励电流i及激励电流角频率ω等因素有关，即
对指定的传感器探头，若金属导体为某一均质材料，激励电流是稳频稳幅的，则r,ρ,μ,ω，i均为定值，L仅与被测距离d有关，即等效电感L的变化可近似认为是距离d变化的单值函数。
事实上，金属导体内的涡流难以直接测量，但涡流所产生的磁场对原激励磁场产生影响，使原边线圈的等效电感L、等效阻抗Z和品质因素Q发生变化。因此，通过测量L、Z、Q的变化量来测量位移，这就是电涡流传感器的基本原理。
3 等效电路分析方法
对电涡流传感器可采用等效电路方法分析，如图2所示。设：R1和L1为传感器线圈的电阻和电感，R2和L2为被测导体的等效损耗电阻和电感，e为激励电压，M为互感系数。d减小，则M增大。由基尔霍夫定律可列出图2的方程组
反映两个线圈耦合的松紧程度，它与两个线圈的相互位置和方向有关。当两个线圈的轴线一致时，线圈靠得越近，耦合得越紧，互感系数M值越大，耦合系数k也随之增大。
4 影响电涡流传感器的基本因素分析
根据以上各式，我们可分析出影响电涡流传感器的因素。这里以阻抗公式（2）为例。
若采用高频振荡源，则ωL2＞＞R2，2）式可近似为
由此我们得出如下结论：
(1)阻抗Z受耦合系数k影响较大，但k主要与其探头和金属导体的距离d有关。
(2)探头内阻R1、金属导体的内阻R2和电感L2对阻抗变化的影响较小。
(3)增加探头的电感L1与提高振荡频率ω有利于测量阻抗。
以上是从电涡流损耗时对阻抗Z引起的变化，来讨论电涡流传感器的各种影响因素。还可根据式（5）从回路品质因素Q的角度，或者根据式（4）从线圈电感变化的角度出发进行讨论。
5 电涡流测量的电子技术实现方法
根据上述分析，电涡流传感器线圈与金属导体间的距离d的变化,可以变换为线圈的品质因素Q、等效电感L、等效阻抗Z三个参量的变化。接下来的工作是要采用适当的电子线路，将位移信号变换为电压或频率信号。
按照测量电路的工作原理，我们讨论一种稳频调幅式检测转换方法，如图4所示。
石英晶体振荡器为测量电路提供一个稳频稳幅的高频正弦波信号，以激励由传感器线圈L和电容C组成的并联谐振回路。当传感器处于非测量状态时，LC回路的固有振荡频率等于石英晶体振荡器输出的频率，产生谐振，LC回路的阻抗最大，因为LC回路与电阻R实际上组成了一个分压电路，因而输出电压uo亦为最大。当被测体接近传感器时，传感器线圈L产生的高频电磁场作用于被测体，由于被测金属板表面的涡流反射作用，使线圈L值降低，导致回路失谐，传感器的等效阻抗随被测距离d的减小而减小，输出电压也随之减小。
可见，阻抗的变化是距离d的单值函数，而输出电压uo又是阻抗Z的单值函数，这样，就将位移d的变化量转换成电压u0的变化量，即u0＝f(d)。
交流输出电压u0在前置放大器中进行高频交流放大、检波、滤波等环节处理后转换成直流电压U0输出，供指示、记录、报警和保护使用。由于这种测量方法载波频率不变，输出电压幅值变化，故称为稳频调幅法。
得到的直流输出电压U0与位移的关系如图4所示，它是一条非线性曲线。当位移在线性区内，电涡流传感器测量电路输出的直流电压信号值与被测位移量或振动幅值成正比。将线性区作为电涡流传感器的工作区，据此可形成具有实用价值的电涡流传感器检测技术和检测仪表。
参考文献
[1]邱关源.电路[M].北京：高等教育出版社,2005.
电流传感器范文2
关键词：电涡流传感器公交投币机一元硬币游戏币
一、 引言
在我国随着近几年来城市基础设施的建设，无人售票公交车逐渐普及，它的推广为广大市民节省了时间，提高了市政部门的服务效率，得到了大家的认可。但同时也不可避免的遇到了公交假币泛滥这一问题。山东大众网就以《每年百万假币“混”上公交车》为题针对这一问题发表过看法。郑州、重庆、吉林、徐州等公交公司均为此而头疼，而这一现象也不仅仅局限于上述几个城市。公交企业提供服务理所当然应该获得回报，现在部分人使用假币的行为破坏了企业与公众之间的互信关系。不少公交企业甚至为此减少了无人售票线路。解决公交假币迫在眉睫。针对市面上的假硬币主要为与一元硬币外形极为相似的游戏币提出下列解决方法。
二、解决方案
将电涡流传感器（高频传感器）安装在投币机的入口处内侧，当有乘客上车投币时，硬币穿过电涡流传感器线圈。若硬币为真币（一元硬币为钢芯镀镍合金），系统并不会报警；若为游戏币（多为不锈钢），则报警警铃响起,投币口自动关闭。
三、系统结构与基本程序
(一)系统结构框图如图一所示，由电涡流传感器（线圈回路）、检测电路及报警电路三部分组成。
(二) PLC报警程序
(I0.0为报警输入，I0.1为手动复位按钮，M0.0为报警警铃控制继电器，M0.1为投币口关闭控制继电器)
LD I0.0= M0.0
AN I0.1=M0.1
四、原理阐述
电涡流式传感器分为高频反射式和低频透射式，高频传感器是基于电涡流效应将被测量如材料转换为线圈电感、阻抗和Q值的变化。可以非接触测量导体，具有结构简单、体积较小、不受油污等介质的影响等特点。此套系统采用根据硬币材料进行检测的方式,即利用高频传感器。当线圈中通以正弦交变电流时, 线圈的周围空间就产生了正弦交变磁场H1, 当导体( 硬币) 在磁场中通过时, 交变磁场便会在金属表面上激起电涡流，此涡流也将产生交变磁场H 2 , H 2 的方向与H 1的方向相反, 从而削弱线圈产生的磁场, 引起线圈有关电参数的改变。从而导致传感器线圈的电感L发生变化。金属导体(硬币)材料的导电性能和导体在线圈中的位置将直接影响这个改变的大小。利用测量电路把传感器线圈与电容并联组成LC谐振回路。
当导体接近传感器线圈时，线圈的等效电感发生变化，回路的等效阻抗和谐振频率都将随之改变，LC检测回路的谐振峰将左右移动，传感器输出电压必定降低。通过实时地将输出电压与某一给定电压比较，进而决定报警电路能否被驱动，在报警电路响起的同时，带动投币口关闭，后续人不能投币而在铃声响起前所投币的人即为投假币的人。
五、优缺点分析
优点：电涡流传感器作为检测系统中的信息采集元件，具有测量范围大、灵敏度高、结构简单、抗干扰能力强及可非接触测量等优点。利用电涡流传感器进行假币识别，应用范围广，所有的自动投币装置均可以使用。对于已有的公交车普通自动投币机可以用电涡流传感器进行改造。自带PLC报警装置操作简单，容易为公交车司机学习，而且可以准确的确定投假币者，给大家警示作用
缺点:成本较高
六、总结
为了区区 “一元假币”，社会需要几百倍的投入来防范，这不仅是法律问题，也是社会问题，它的出现拷问了市民良知。遏制“一元假币”关键在于提高社会诚信，技术永远只能治标不治本。
参考文献：
[1]郎家峰．硬币检测清分系统研究[M]．南京航空航天大学．
[2]程德福，王君，凌振宝，王言章编．传感器原理及应用[M]．机械工业出版社，2008,64-65．
电流传感器范文3
关键词：发电汽轮机组 轴系监测 TSI系统 电涡流传感器
中图分类号：TK39 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）02-0057-02
当前火电厂的发电汽轮机组，其趋势都是高参数，大容量。发电汽轮机组的安全可靠运行对电网和设备的意义均至关重要。在汽轮机的运行监测中，轴系监测已成为其安全运行最直观、最有保障的测控系统之一。轴系监测系统，英文缩写TSI，它的工作原理就是依靠各类传感器将需求的测控量，如汽轮机的主机转速、振动、轴向位移、胀差、转子偏心度、推力（支持）轴承金属温度转换成上传监测系统需要的电参数（谐振频率f、回路电感L、品质因素Q、回路电抗z等）。下文以汽轮机轴系监测系统（TSI）中电涡流传感器的广泛应用为例阐述其工作原理及对监控保护的重要性。
1 轴系监测系统（TSI）简介
汽机TSI监控系统，它的工作过程主要就是将汽轮机在实时转动中的速度、振动、胀差信号，转换成电信号监视的过程。其功能作用发挥主要通过两个途径，一是将汽机轴系的各类重要监视参数上传到发电汽轮机组的分散控制系统DCS中，以便于系统的综合控制和机电炉的相互配合和调控。另一途径就是向发电汽轮机组的联锁保护系统提供跳闸动作信号，及时动作和保护设备，保证系统和人身安全。由此可见，TSI系统对于设备和机组的安全可靠运行起着决定性作用。
在汽机TSI监控系统中，电涡流传感器的应用和需求较为普遍和广泛。因为这种传感器型号、规格全面，具有静态和动态非接触测量特点、有高线性度、高分辨力地测量优良特性，能够满足汽轮机主机转速、振动、轴向位移、胀差、转子偏心度、推力（支持）轴承金属温度等多项内容的检测需求，在汽轮机的安全可靠监控系统中提供有效保障。
2 电涡流传感器工作原理及检测线圈组成
电涡流传感器的工作原理是法拉第电磁感应原理的应用和延伸。电涡流传感器的金属导体在变化的磁场中作切割磁力线的运动时，金属导体内将产生呈涡旋状的感应电流。感应电流与电涡流传感器的金属导体形状无关，与交变磁场有关，当磁场的磁通量无变化时，将不产生涡旋状感应电流。
电涡流传感器的检测线圈由电感L与电容C组成LC并联谐振回路，见图1。LC检测回路的前置器中的石英高频振荡器通过耦合电阻R输出一个稳定的高频电流。当金属物与检测线圈的距离d=∞（无金属物），LC检测回路就会发生谐振，此时输出电压达到最大值；当金属物与检测线圈的距离在可测范围，LC检测线圈产生的高频磁通感应出被测物金属表面的涡流，检测线圈的电感量发生改变，LC并联回路不发生谐振，输出电压将会较峰值降低。输出电压可以看出与实际被测物金属的测量距离有关，距离越小，输出电压将会越低，输出电压与被检物距离成特性曲线关系。前置放大器经过对输出电压波形的检波、滤波处理后，输出与实际被测物金属的测量距离成正比的电压信号到轴系监控系统，以便于电厂运行和热控人员的监视与参数调整。
3 轴系监测TSI系统中电涡流传感器的应用
3.1 电涡流传感器应用于汽轮机转子轴向位移测量
电涡流传感器通过测量转子轴向位移监控汽轮机运行中的动静转子是否发生摩擦和碰撞。其轴向位移，600MW的机组正常值在±0.9mm，当达到±1mm，汽机保护动作。
电涡流传感器位移探头在轴系位移的测量安装，见图2。一般需要安装在轴承的端部或推力轴承的内外侧。安装距离基于汽轮机组启停机或在极端条件下（如发生水冲击），轴承发生热胀冷缩的参考因素，与轴承或推力盘的间隙应不大于30cm的误差，与被测的轴端或凹凸边缘的间隙不小于0.4cm，否则会损坏探头或误差增大，造成对轴位移的误判，影响机组的安全运行。
3.2 电涡流传感器应用于汽轮机转子转速测量
电涡流传感器转速探头通过测量主机转速监测汽轮机运行是否正常（正常值：3000rpm），若是超速，其信号通过保护系统发出指令调整其汽轮机的进汽门开度，防止发生超速或飞车等不安全事件。
电涡流传感器转速探头在主机转速的测量安装，见图3。转速探头需要径向安装，在主机轴系上做好测量标记，标记不限于轴系的凹凸槽。以VB-Z9400霍尔转速传感器为例，感应导磁体上凸起的齿或是凹下的槽，相应的给出高低电平，用于检测轮轴的转速。在转速测量中，标记宽度与输出的感应电压关联。一般感应峰值脉冲电压需要在3V以上，这就要求在日常的测量安装中，径向的轴系标记宽度大于0.7cm，径向的轴系标记长度大于1cm，径向的轴系标记深度大于0.lcm，只有这样，安装才可以达到测量转速的非接触、频响宽、抗振性强、稳定性好、抗干扰能力强等要求。
4 结语
目前，电涡流传感器的发展技术已趋于成熟。应用于发电汽轮机组轴系监测系统的电涡流传感器各类型号和规格已完全满足其需求。对于诸如主机转速、转子偏心度、轴承温度等汽轮机保护的重要监视参数，实现了非接触测量，高效准确远控传递，对于汽轮机的运行保护取得良好的效果。电厂发电汽轮机组安全运行，对于电涡流传感器的可靠安装和良好维护是进一步努力的方向。
参考文献
[1]沈洁，袁志文.汽机监视系统的维护与检修[J].华东电力，2003，（12）：16-l7.
电流传感器范文4
关键词：无传感器无刷直流电机；反电动势；驱动控制；启动控制；MCS51单片机 文献标识码：A
中图分类号：TM36 文章编号：1009-2374（2017）07-0013-03 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2017.07.006
1 概述
电机转子位置信息的检测是无位置传感器直流无刷电机控制的一个关键点，检测无位置传感器的直流无刷电机转子位置信息的方法有很多，使用反电动势过零法是其中较常用的一种，这种检测方法具有线路简单、成本低廉等优点，但存在一个硬件无法克服的缺点：在电机转动前及启动之初转速较低时反电势无法检测，只能用软件的方法进行处理。运行过程中在任何时刻电动机三相绕组只有两相导通，且每相绕组正反向各通120°电角度，通过测量三相绕组端子及中性点相对于直流母线负端（或正端）的电位，当某端点电位与中性点电位相等时，则此时刻该相绕组反电动势过零，再过30°电角度就必须对功率器件进行换相，据此设计过零检测及移相（或定时）电路，从而得到全桥驱动6个功率器件的开关顺序。此法的第一关键点是由硬件获得实时的反电动势过零点，第二关键点是由软件估算30°电角度的时延。在实际应用中，由于各种因素会导致所获得的反电动势过零点并不“实时”，估算的30°电角度会随电机转速的变化出现超前或滞后，可能会导致电机运行不
顺畅。
2 设计原理分析
2.1 反电动势推导
2.3 反电动势过零点及换相点分析
反电动势过“0”点及换相点示意图如图3所示，用BA表示电流从Lb相绕组流入，从La相绕组流出；G3G4表示Lb相上桥臂和La相下桥臂的2个功率开关导通。过零点检测波形表示反电动势过零点和换相点，其中Z为反电动势过零点、C为换相点。反电势过零点和换相点均匀分布，彼此间隔30°电角度。
2.4 反电动势过零点延迟90°电角度
把La、Lb、Lc三相（对应简称为A、B、C相）的反电动势过零点独立分离开来，如图4所示的反电动势即时输出波形，对应于图3中的Z1至Z6过零点，其中A相的是Z2和Z5，B相的是Z3和Z6，C相的是Z1和Z4。
把图4中A、B、C三相的反电动势输出波形往右移动90°电角度（30°+60°），得到图5所示波形。
图6是三相全波六状态工作方式位置传感器时序图，通过对图5和图6的对照比较不难发现：图6中的HA、HB、HC的波形分别与图5中的B、C、A的波形对应，也就是说经过移相90°电角度的三相反电动势波形，再相应调节相序后便可像有位置传感器直流无刷电机一样直接作为转子的位置信息来驱动电机。
3 过零检测硬件设计
3.1 电路设计依据
当PWM关断期间，式（5）、式（6）、式（7）中Un约等于0，则悬空相所取得的端电压则可看作是该相反电动势。当PWM导通期间，式（5）、式（6）、式（7）中Un约等于主电压的一半，如果相端通过电容隔直获取电压端电压，则悬空相所取得的端电压则可看作是该相反电动势。
3.2 硬件电路设计
反电动势过零检测电路如图7所示，首先端电压经过电阻串联分压把较高的端电压调小，同时用电阻电容滤波及移相，C1、C2、C3又具有隔直作用，其中为使在较低频率下也能达到非常接近90°电角度的相移，电容C1至C6的容量都尽可能选用大点的，但又不能太大，通常用4.7～10uF。图中由R2、R3、R4重构出移相后的反电动势中点电压，移相后的各相反电动势与该中点电压进行比较，输出相应的反电动势过零检测波形，也就是电机转子的位置信息。
相邻两相的恒零相移端电压送到比较器后，比较器比较的是两相端电压，实质上就是检测线电压的过零点。这个过零点正好对应电机的换相点，因此比较器输出的换相信号与霍尔传感器输出的换相信号完全一致。
3.3 测试结果
在有传感器无刷直流电机中接入图7所示电路制作的反电动势过零检测电路，测试各输出端与电机转子相应位置传感器（霍尔）信号波形，如图8、图9所示。
图中通道2的波形为反电动势过零检测电路输出的波形，通道1的波形为霍尔传感器输出的的波形，图8所示频率为122.942Hz，即电机转速约为3690转/分（试验电机磁极对数为2）的测量情况；图9所示频率为404.525Hz，即电机转速约为12135转/分的测量情况。据此可以看出，比较器输出的反电动势过零检测信号与霍尔传感器输出的信号大体一致。
4 电机启动及运行策略
电机常用的“三段式”启动，即“转子定位”、“变频加速”和“状态切换”，其中第二、三步跟电机的自身特性、负载转矩、外施电压、加速曲线等密切相关，若方法不当很容易造成电机失步，启动失败。电机在由他控式变频调速同步电机状态向无刷直流电机状态切换时，更是要求反复实验，软硬件可靠。
本方案采用修正的“三段式”启动，即“转子预定位”和“恒速运行及状态切换”，这里的“状态切换”是指从前2.5段的开环运行切换到准闭环运行。“转子预定位”的方法是根据电机负载所需的启动转矩设定相应的PWM占空比，重复2～3次短暂开通和关闭驱动电机的某一状态，并记住这一状态（因为下一步就要以此为起点，依序1-6换相加速）。“变频加速”则依据事先计算好的数据表进行延时换相，这下步的关键是数据表的计算和占空比的选取，选取的策略是：根据电机负载所需的启动转矩设定能动起来的尽可能小的占空比，再根据电机的参数计算该占空比下的正常转速N，以略大于此转速为上限，以150转/分或200转/分的转速为起始值，以30～50转/分为加速度，20ms调速简隔，计算每种速度时换相延时时间做成数据表。当“变频加速”到转速N附近时，不断采集的反电动势过零检测信号是否符合当前状态的位置信息，并判断其“变化规律”是否符合霍尔传感器输出的信号的“变化规律”，符合时就以当前转速“恒速运行”一小段时间，并不断采集反电动势过零检测信号，之后就按采集反电动势过零检测信号切换状态电机的运行状态，至此启动完成进入“准闭环”运行状态。
5 结语
方案应分别用到300V/300W的高压电机和24V/60W的低压电机上启动和运行状态都良好，启动平稳，且启动成功率高（间歇启动测试约200次，成功率大于99%），运行状态平稳，不失步，调速性能好。不足之处有两方面：一方面是由实验测量可知，刚换相时反电动势过零检测信号波形偶会出现低电平毛刺，解决的方法是通过软件在读取反电动势过零检测信号波时进行多次重读比较的方法去除毛刺；另一方面是“变频加速”过程中用到的数据表不能通用，对于不同参数的电机，不同的启动转矩需要重新计算数据表，解决的方向是在软件中录入电机参数和启动转矩，由软件自动计算所需数据。
参考文献
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电流传感器范文5
关键词：无刷直流电动机；反电动势；无位置传感器；DSP
中图分类号： TP732 文献标识码： A 文章编号：
1 引言
无刷直流电动机是一种结合了直流电机和交流电机优点的改进型电机，它调速性能好，运行效率高，而且结构简单、维护方便；但它需要一个附加的位置传感器来检测转子位置，从而给逆变桥提供必要的换相信号，位置传感器的加入，将会增加电动机的成本，并且降低电动机的可靠性。本文介绍基于DSP的无位置传感器无刷直流电动机控制系统，该系统的转子位置信号是通过硬件电路和软件算法获得，因此系统的调速性能不仅得到改善，而且系统的成本得到降低。
2 控制原理
2.1无位置传感器无刷直流电动机工作原理
无刷直流电动机的无位置传感器DSP控制系统主要由电动机、反电动势过零检测电路和DSP控制电路组成。电动机的定子绕组分别与功率开关器件相连，永磁磁钢置在转子上，当定子绕组的某一相通电时，与转子磁钢所产生的磁场相互作用产生转矩，驱动转子转动。转子磁钢转动后，其磁力线反过来切割定子绕组，在定子绕组中产生感应电动势，通过硬件检测电路检测各相的反电动势过零点，就可得到转子的位置，延迟30°电角度，即电动机的准确换相位置。
2.2反电动势原理及算法
本文以具有梯形反电动势波形的三相直流无刷电机为例，系统采用两两导通、三相6状态的PWM 调制方式，电机在任何时刻只有两相绕组导通。如图1所示为无刷直流电动机定子绕组端的一相等效电路和三相反电动势波形。其中L是相电感，R是相电阻，E是反电动势，Un是电动机定子绕组的中性点对地电压，Ua、Ub、Uc是三相输出端对地电压。依图1建立的三相端电压平衡方程为：
Ua=R×Ia＋L×dIa／dt＋Ea＋Un (1)
Ub=R×Ib＋L×dIb／dt＋Eb＋Un (2)
Uc=R×Ic＋L×dIc／dt＋Ec＋Un (3)
反电动势过零点发生在绕组不通电的那60°电角度期间，因此只需检测不通电的那一相绕组的反电动势波形，现假设A相和B相导通，C相不导通，A、B两相电流大小相等，方向相反，C相电流为零。如图1反电动势波形的1--2区，Ia=﹣Ib=I，Ic=0,将(1)、(2)式相加可得：
Un=1／2×(Ua＋Ub)(4)
(3)式可简化为：
Ec=Uc－Un (5)
将(4)式代入(5)式可得：
Ec=Uc－1／2(Ua＋Ub)(6)
同理可得到：
Ea=Ua－1／2(Ub＋Uc)(7)
Eb=Ub－1／2(Ua＋Uc)(8)
由(6)、(7)、(8)式可求出反电动势过零点，再延迟30°就是电动机的换相点。
图1 定子绕组等效电路与反电动势波形
2.3 无位置传感器无刷直流电动机的起动
无位置传感器无刷直流电动机的DSP控制系统是通过检测绕组中的反电动势过零点作为转子的位置信号，但当电机不转或转动很慢时将无法检测到反电动势信号，系统就无法运行；因此必须通过其他方式先使电动机转动起来。本系统用的是预定位方式启动，将预先设定的两相绕组通以持续的电流，经过一定的时间后转子就会转到一个预知的位置，以此作为转子磁极的初始位置，然后按照该相位关系输出PWM触发脉冲，导通功率开关器件，进入闭环控制状态。
3系统硬件组成
直流无刷电动机定子绕组为三相Y形连接，功率驱动电路采用三相全控桥电路。DSP控制器是系统的核心，主要完成PWM信号的产生、电动机转子位置估算和换相。DSP控制器输出六路PWM控制信号，通过栅极驱动电路放大后向各功率管送去，使其得到导通和关断的驱动信号，实现电动机的转动控制。电动机转动后，产生反电动势，反电动势过零检测电路将检测到的信号送给DSP控制器，经DSP处理器运算、处理后得到电动机转子换相的信号，DSP再根据这些信号产生适当的PWM控制电动机。
4系统软件流程图
系统软件流程图如图2，首先实现系统初始化，包括DSP初始化，系统参数、变量的初始化，寄存器初始化。初始化完成，系统等待运行状态，当按下启动键后，电机就处于起动状态，这时的电机处于开环控制状态，既反电动势检测电路是断开的，根据预定位得到定子、转子的相位关系后输出PWM触发脉冲，起动结束，进入闭环控制状态。DSP处理器根据反电动势检测电路检测到的信号，得到转子的位置，经过延迟、换相驱动电动机转动，然后与给定的速度进行比较，得到速度误差信号，再经过处理器的处理，产生适当的PWM控制信号，通过栅极驱动电路放大后加到电动机的三相功率电子开关电路，实现对直流无刷电动机的转速控制。
图2 系统软件流程图
5结束语
本文介绍了无位置传感器无刷直流电动机的DSP控制系统的硬件电路和软件流程，无位置传感器的实现主要在于软件算法的运用，因此系统的硬件投资少，降低了设计成本；并且提高了系统的可靠性，使产品更具市场竞争力。
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电流传感器范文6
【摘要】 构建了基于多壁碳纳米管（Multi-walled carbon nanotubes，MWCNTs）和铂纳米颗粒（Pt-nano）的电流型L-乳酸生物传感器。将Sol-gel膜覆盖在L-乳酸氧化酶（L-lactate oxidase，LOD）和MWCNTs/Pt-nano修饰的电极表面。实验结果表明：传感器的最佳工作条件为：检测电压0.5 V；缓冲液pH 6.4；检测温度25 ℃。此传感器的响应时间为5 s， 灵敏度是6.36 μA/（mmol/L）。连续检测4星期其活性仍保持90%，线性范围为0.2~2.0 mmol/L，且抗干扰能力强。在实际血样的检测中，此传感器与传统的分光光度法具有很好的一致性。
【关键词】 生物传感器； L-乳酸； 溶胶-凝胶； 铂纳米颗粒； 多壁碳纳米管
Abstract An electrochemical L-lactate biosensor was fabricated by combining Platinum nanoparticles(Pt-nano) with multi-walled carbon nanotubes(MWCNTs).L-lactate oxidase(LOD) was immobilized on the surface of the glassy carbon electrode(GCE) modified with MWCNTs and Pt-nano.The surface of resulting LOD/MWCNTs/Pt-nano electrode was covered by a thin layer of sol-gel to avoid the loss of LOD and to improve the anti-interference ability.The cyclic voltammetric results indicated that MWCNTs/Pt-nano catalyst displayed a higher performance than MWCNTs.Under the optimized conditions，i.e.，applied potential of 0.5 V，pH 6.4，25 ℃，the proposed biosensor’s determination range was 0.2－2.0 mmol/L，response time was within 5 s，and the sensitivity was 6.36 μA／（mmol/L）.It still kept 90% activity after 4 weeks.The fabricated biosensor had practically good selectivity against interferences.The results for whole blood samples analyzed by the present biosensor showed a good agreement with those analyzed by spectrophotometric method.
Keywords Biosensor； L-lactate； Sol-gel； Platinum nanoparticles； Multi-walled carbon nanotubes
1 引言
临床医学、牛奶工业、葡萄酒工业、生物技术和运动医学等领域都需要灵敏、快速的L-乳酸检测方法。特别是血乳酸水平能够反映人体的多种病理状态。传统的L-乳酸的检测主要采用分光光度计法〖1〗。但这种方法过程复杂、成本高。生物传感器因其选择性高、响应快和重复性好等优点被认为是最适合的生化分析仪器之一。目前，关于检测乳酸含量的电化学传感器已有报道〖2，3〗。但简便、便宜和选择性高的L-乳酸传感器依然是目前研究的热点。
碳纳米管（Carbon nanotubes，CNTs）拥有许多特殊性质，如高电导性、高化学稳定性，以及非常高的机械强度和系数〖4，5〗。CNTs包括单壁碳纳米管（Single-walled carbon nanotubes，SWCNTs）和多壁碳纳米管（Multi-walled carbon nanotubes，MWCNTs）。当被用作电化学反应的电极材料时，SWCNTs和MWCNTs都有提高电子转移反应的能力。研究表明：MWCNTs可增强电极表面的电催化活性和增大其表面积〖6〗。文献〖7～9〗表明：CNTs修饰的电极能够显著增强儿茶酚胺神经传递素、细胞色素C、抗坏血酸、NADH和肼复合物的电化学性能。CNTs能够提高NADH和H2O2的电子转移反应，这表明它在基于脱氢酶和氧化酶的电流型生物传感器方面有广阔的应用前景〖10〗。铂纳米颗粒（Patinum nanoparticles，Pt-nano）是一种有效的酶传感器的构建材料。它具有很好的生物相容性、大的表面积及对H2O2的催化能力强〖11〗。
本研究构建了基于MWCNTs和Pt-nano的电流型L-乳酸生物传感器。为阻止电极表面上的酶分子的丢失和提高传感器的抗干扰能力，采用Sol-gel膜〖12，13〗覆盖LOD/MWCNTs/Pt-nano电极表面。对构建的生物传感器的检测范围、响应时间、敏感性和稳定性进行了研究。考察了pH值、电位、温度和电活性干扰物对传感器电流的影响， 并将此传感器应用于全血分析。
2 实验部分
2.1 试剂与仪器
L-乳酸氧化酶（LOD，E.C.1.1.3.2，34 units/mg，from Pediococcus species）、二甲基亚砜（DMSO）、正硅酸四乙酯（TEOS，99%）、Triton X 100均购自Sigma公司；L-乳酸、L-乳酸锂购自Fluka公司；多壁碳纳米管（MWCNTs，直径约15 nm，纯度95%，中科院成都有机化学研究所）；氧化铝粉末（Merck公司）；H2PtCl6·6H2O（天津市第二化学试剂有限公司）；磷酸盐缓冲液（0.05 mol/L KH2PO4，0.05 mol/L K2HPO4，0.1 mol/L KCl）作为支持电解质。其它试剂均为分析纯，无需纯化直接使用。实验用水为去离子水。电化学测试在283电化学工作站（EG & G，USA）上进行，使用270软件。采用传统的三电极体系：Sol-gel/LOD/MWCNTs/Pt-nano修饰的玻璃碳电极（Glass carbon electrode，GCE，Φ=3 mm）作为工作电极，铂片作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极。电流的测定是在搅拌的条件下进行的。
2.2 Sol-gel标准溶液、纳米铂溶液和MWCNTs标准溶液的配制
在烧杯中按照一定的比例加入TEOS，H2O和0.1 mol/L HCl，不停地搅拌该混合溶液直到溶液变清澈，即得Sol-gel储备溶液。此储备溶液被应用于整个实验中，并可根据需要对其进行稀释。
根据文献〖14〗制备Pt-nano溶液。将4 mL 5% H2PtCl6·6H2O溶液加入到340 mL蒸馏水中，在80 ℃下边搅拌边加热。加入60 mL 1%柠檬酸钠溶液后，在（80±0.5） ℃保温4 h。此过程通过吸附光谱记录。当PtCl2－6的吸附带消失的时候， 表明反应结束。
图1 Pt-nano的TEM图（放大倍数100000）（略）
Fig.1 Transmission electron micrograph of platinum nanoparticles(Pt-nano)(×100000)
将2 mg MWCNTs加入到1 mL二甲基亚砜溶液中，超声搅拌，制备成黑色悬浊液状的MWCNTs溶液。
2.3 制备Sol-gel/LOD/MWCNTs/Pt-nano修饰的酶电极
用0.05 μm Al2O3粉打磨玻碳电极，超声清洗，再分别用1 mol/L HNO3和1 mol/L NaOH清洗，然后用双蒸水彻底清洗。20 μL MWCNTs和20 μL铂纳米颗粒混合制成贮备溶液，超声40 min，得到均匀分散的MWCNTs和Pt-nano溶液。
将10 μL MWCNTs和Pt-nano溶液滴加到玻璃碳电极的表面，使之均匀分布在电极的整个表面上，然后将电极在室温下干燥30 min。再用2 μL LOD溶液覆盖MWCNTs和Pt-nano复合膜修饰的电极表面。在室温下干燥20 min后，加6 μL Sol-gel储备溶液到酶层的表面，然后在室温下干燥。最后，将酶电极浸入到pH 6.8的缓冲液中，保存在4 ℃的冰箱中过夜，以便除去电极表面过量的L-乳酸氧化酶。用去离子水彻底清洗电极，即得Sol-gel/LOD/MWCNTs/Pt-nano修饰的电极。
3 结果与讨论
3.1 Sol-gel/LOD/MWCNTs/Pt-nano修饰电极的电化学特性
研究了MWCNTs/Pt-nano和MWCNTs修饰的电极对L-乳酸的电催化行为。由图2可见，MWCNTs/Pt-nano和MWCNTs都能增加传感器的电流响应。
图2 裸电极(a)、MWCNTs修饰的电极（b）、MWCNTs/Pt-nano修饰的电极(c)的CV图（略）
Fig.2 Cyclic voltammograms of L-lactate on bare GCE(a)，MWCNTs modified electrode(b)，MWCNTs/Pt-nano modified electrode(c)
1 mmol/L L-乳酸(L-lactate)，扫描速率(Scanning rate) 50 mV/s，0.1 mol/L PBS，电压（Polential） 5 V，pH 6.4.但是MWCNTs/Pt-nano修饰的电极显示出比MWCNTs修饰的电极有更好的电流增效作用。由图2中曲线b和c可见，MWCNTs/Pt-nano修饰的电极对L-乳酸的电催化活性比MWCNTs修饰的电极强。因为MWCNTs/Pt-nano修饰电极的电化学性能得到了提高，电子能够更容易快速地在酶和MWCNTs/Pt-nano层之间传递。
3.2 pH值对传感器响应的影响
研究了pH值在5.6~8.0范围内变化对传感器电流响应的影响（图3）。不同pH值的L-乳酸标准溶液的浓度均为1 mmol/L。实验表明： pH6.4时，传感器的响应电流下降。本实验选择pH 6.4的缓冲液作为检测L-乳酸的缓冲液。
3.3 温度对传感器响应的影响
在pH 6.4的缓冲液中，研究了5~50 ℃范围内温度对传感器响应电流的影响（图4）。在5~25 ℃范围内，随着温度的提高，传感器的响应电流逐渐增大; 在25 ℃条件下，反应达到最大值; 然后随着温度的提高，传感器的响应电流快速下降，这可能是因为高温使酶变性造成的。在较高的温度下，蛋白质的三维结构被破坏，酶分子的构象被打开，从而失去了活性〖15〗。
图3 缓冲液pH值对传感器响应的影响（略）
Fig.3 Effect of pH of buffer solution on response of biosensor
1 mmol/L L-乳酸(L-lactate)； 0.1 mol/L PBS； 0.5 V.
图4 温度对传感器响应的影响（略）
Fig.4 Effect of temperature on response of biosensor
1 mmol/L L-乳酸(L-lactate)； 0.1 mol/L PBS； pH 6.4； 0.5 V.
3.4 电流反应和工作曲线
在上述优化条件下，探讨生物传感器对L-乳酸的响应。实验在搅拌的0.1 mol/L pH 6.4的缓冲液中进行。图5a和图5b分别为在未加入Pt-nano（A）和加入Pt-nano（B）的情况下酶电极的电流响应的标定曲线。实验结果表明：修饰有MWCNTs/Pt-nano的电极的电流响应高于只修饰有MWCNTs的电极。修饰有MWCNTs的电极达到95%信号的响应时间小于15 s。传感器反应的线性范围是0.25~2.0 mmol/L; 灵敏度是3.99 μA/(mmol/L); 相关系数为0.989; 检出限为0.01 mmol/L（S/N=3）。修饰有MWCNTs/Pt-nano的电极达到95%信号的响应时间小于5 s。传感器反应的线性范围是0.2~2.0 mmol/L; 灵敏度是6.36 μA/(mmol/L); 相关系数是0.999; 检出限是0.3 μmol/L（S/N=3）。上述结果表明：Pt-nano能显著提高传感器的性能。
图5 MWCNTs/Ptnano/GCE(a)和MWCNTs/GCE(b)修饰的传感器的电流随葡萄糖浓度的工作曲线及其线性相关点（略）
Fig.5 Linear correlation points of Calibration plots and I-c curves for the MWCNTs/Ptnano/GCE(a) and MWCNTs/GCE(b)
0.1 mol/L PBS (pH 6.4) at 0.5 V vs.Ag/AgCl．
与其它基于Sol-gel的的方法构建的L-乳酸传感器〖16~18〗相对比，结果表明：本研究构建的L-乳酸传感器具有较大的响应电流、较低的检出限，表明Pt-nano结合MWCNTs提高了传感器的电化学性能。
3.5 抗干扰性
在干扰物各自生理浓度水平上考察了其对L-乳酸响应的干扰。在0.5 mmol/L L-乳酸溶液中，对其含有的对乙酰氨基酚（0.13 mmol/L）、葡萄糖（5.45 mmol/L）、尿酸（0.35 mmol/L）、抗坏血酸（0.055 mmol/L）、半胱氨酸（0.015 mmol/L）进行检测(见表1)。结果显示：对乙酰氨基酚、葡萄糖、尿酸、抗坏血酸、半胱氨酸对L-乳酸的测定几乎没有影响。说明此传感器具有很好的抗干扰能力。原因是MWCNTs/Sol-gel修饰的玻璃碳电极降低了H2O2氧化还原过电位。
表1 L-乳酸检测中可能的其它底物的干扰(0.1 mol/L PBS pH 6.4) （略）
Table 1 Possible interferences from other substrates for L-lactate determination (0.1 mol/L phosphate buffer at pH 6.4)
电流比率(Current ratio)=IL+I/II。其中IL+I和IL分别为干扰物存在和无干扰物的情况下L-乳酸的响应电流(IL+I is the response current of L-lactate in the presence of interference.IL is the response current of L-lactate)。0.5 mmol/L L-乳酸(L-lactate).
3.6 传感器的重复性和稳定性
用同一传感器对0.5 mmol/L L-乳酸溶液连续检测5次，相对标准差是0.4%；用5个传感器对0.5 mmol/L L-乳酸溶液进行检测，相对标准差是2.0%。以上结果表明，构建的传感器具有很好的重复性。
每隔5 d测定一次传感器对0．5 mmol/L乳酸溶液的响应值。当传感器不用时，储存在0.1 mol/L PBS溶液（pH 6.8）中，室温放置。连续检测4星期以后，传感器的响应值仍保持在最大响应值的90%，表明此传感器具有很好的稳定性。
3.7 人血样中L-乳酸的临床检测
在最适条件下，应用此传感器检测人血样中L-乳酸，对其实际应用性能进行评估，并将其与分光光度法进行对比，结果见表2。
表2 两种方法对血样中L-乳酸的检测（略）
Table 2 Determination results of L-lactate in real serum using two methods
对结果进行t校验： t＝0.09288； t0.05(11)= 1.7959； t＜t 0.05(11)， p＞0.05。
由以上结果可以看出，两种方法测定结果无显著差异。本传感器对样品的测定结果与分光光度法具有很好的一致性。
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