“十三五”普通高等教育本科规划教材 电力电子装置中的典型传感器技术

《“十三五”普通高等教育本科规划教材 电力电子装置中的典型传感器技术》可作为电气工程专业、自动化专业的高等院校的本科教材，也可作为从事相关工作的科研人员、技术人员的参考资料。 

《“十三五”普通高等教育本科规划教材 电力电子装置中的典型传感器技术》分为两篇共10章，第一篇由重要电路知识、运算放大器、电磁兼容与PCB设计基础三章基础知识组成，第二篇分别介绍了传感器基础知识、电流传感器及其典型应用技术、电压传感器及其典型应用技术、温度传感器及其典型应用技术、湿度传感器及其典型应用技术、压力传感器及其典型应用技术、数字传感器及其典型应用技术。本书具有分析清晰、切中要点、例程完整、实例典型、图例丰富、技术实用、内容详实等特点，除此之外，本书在结构上也是由浅入深、层层递进，能够使读者快速理解、深入学习。

李维波，武汉理工大学自动化学院教授。主要教学经历(授课名称、授课对象及人数、使用教材等)：从事的本科课程教学有：1）《电路》；2）《自动控制原理》；3）《单片机原理》；4）《MATLAB在电气工程中的应用》；5）《MATLAB在电气工程中的应用实例》。从事的硕士研究生课程教学有：1）《MATLAB在电气工程中的应用》；2）《舰船电力系统检测与控制》；3）《现代传感器技术与应用》。主要教材或专著编写情况(著作名称、出版时间、出版单位等)： 1）模拟信号处理，李启炎，李维波编著，中国电力出版社， 2005年9月出版；MATLAB在电气工程中的应用，李维波编著，中国电力出版社， 2006年7月出版（第一版）；2）MATLAB在电气工程中的应用，李维波编著，中国电力出版社， 2007年7月出版（第二版），先后被评为电力行业精品教材和国家“十一五”教材。MATLAB在电气工程中的应用实例，李维波编著，中国电力出版社， 2009年9月出版（第一版）。

前言 第一篇 预备知识篇 第一章 重要电路知识 §1-1 分压定理和分流定理 §1-2 戴维南定理和诺顿定理 第二章 运算放大器原理基础 §2-1 运算放大器原理基础 §2-2 仪用运算放大器原理基础 §2-3 隔离运算放大器原理基础 §2-4 运放选型方法与实例分析 §2-5 运放共模电压范例分析 第三章 电磁兼容与PCB设计基础 §3-1 差模信号与共模信号 §3-2 接地基本知识 §3-3 PCB设计重要知识 第二篇 应用于电力电子装置中的典型传感器技术 第四章 传感器基础知识 §4-1 传感器的含义及其特性 §4-2 传感器的分类方法 §4-3 传感器的作用和地位 §4-4 传感器的选型原则 §4-5 传感器检测系统的基本构成 §4-6 典型转换原理及其在传感器中的应用 第五章 电流传感器及其典型应用技术 §5-1 应用背景 §5-2 电流测量方法概述 §5-3 霍尔电流传感器及其典型应用技术 §5-4 使用霍尔电流传感器的注意事项 §5-5 分流器及其典型应用技术 第六章 电压传感器及其应用技术 §6-1 工作原理 §6-2 选型方法 §6-3 设计计算范例分析 §6-4 使用霍尔电压传感器的注意事项 §6-5 霍尔传感器的综合应用 第七章 温度传感器及其典型应用技术 §7-1 电力电子装置测温的重要性 §7-2 电力电子装置测温手段 §7-3 热电偶及其典型应用技术 §7-4 热敏电阻及其典型应用技术 §7-5 Pt100电阻及其典型应用技术 §7-6 集成温度传感器及其典型应用技术 §7-7 温度传感器使用注意事项 第八章 湿度传感器及其典型应用技术 §8-1 电力电子装置测湿的重要性 §8-2 湿度传感器的选型与使用 §8-3 传感器HM1500LF及其典型应用技术 §8-4 传感器信号滤波电路设计 §8-5 如何选择传感器信号的滤波器电路 第九章 压力传感器及其典型应用技术 §9-1 压力与压强 §9-2 压力传感器及其分类 §9-3 应变式压力传感器及其典型应用技术 §9-4 压阻式压力传感器及其典型应用技术 §9-5 压力传感器的选型方法 §9-6 压力传感器的常见故障 §9-7 设计水冷系统的注意事项 第十章 数字传感器及其典型应用技术 §10-1 数字传感器概述 §10-2 数字传感器在电力电子装置的综合应用 §10-3 比较电路分析与设计方法 §10-4 光耦电路分析与设计方法 §10-5 几种典型数字传感器 §10-6 几种模拟传感器的开关电路设计范例 参考文献 附表1：霍尔传感器典型列表 附表2：金属膜电阻IEC标称值 附表3 ：电容器标称电容值 附表4：Pt100铂电阻的分度表（单位：Ω）

前言电力电子装置（power electronic equipment ），借助电路、设计理论和相关分析开发工具，有效利用电力半导体器件（如功率二极管、晶体闸流管、可关断晶闸管（GTO）、电场控制器件（以IGBT为代表）等），以实现对电能高效变换和控制的电力电子变换系统。作为典型的电力变换装置，它包括整流装置（AC/DC）、逆变装置（DC/AC）、直流变流装置（DC/DC）、交流变流装置（AC/AC），以及其它各类电源、电机调速装置、直流输电装置、感应加热装置、无功补偿装置、电镀电解装置和家用电器变流装置等，被广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、环境保护、新能源系统、高能武器系统等军用和民用场合。从原理上看，电力电子装置是通过控制电力半导体器件的开断来完成功率信号的调制和处理，它作为一种典型的利用弱电信号控制强电信号、利用信息流控制功率流的能量变换装置，必然会受到电力半导体器件性能的制约，突出表现在它们承受过电压、过电流和过热的能力较差。现场运行经验表明，电动机、变压器等电力设备通常可以在几倍于额定电流下仍然能够工作数秒或数分钟，相比而言，在同等条件下的电力半导体器件的耐受力却往往不会超过一秒甚至更短时间，否则就会损坏。因此，在设计电力电子装置时，不仅需要合理选择电力半导体器件的电压、电流等额定参数，还需要专门采取一些特殊的保护措施，以防止变换装置内的电力半导体器件因过电压、过电流、过热而损坏，尤其是在一些特别重要的军用和民用场合，更是如此。要达到此目的，除了正确设计装置本身、选择合适的控制策略之外，还必须借助一些典型的传感器技术，既能够为装置本身提供必要的控制参变量，如电压、电流和位置（或者转速等），还能够对装置运行状态进行实时感知、预警监视、诊断分析、风险评估和故障预测，如获取与运行条件密切相关的物理量如温度、冷却水压力或风速、湿度、和受力情况等。研究与实践表明，经常应用于电力电子装置中的典型传感器技术，主要有：电压、电流、温度、湿度、振动、应力、门控、烟雾、液位等传感器及其信号处理技术，它们对保证电力电子装置的可靠性和连续性、提高设备利用率等方面，展现出其独特的魅力，突出表现为：其一，在电力电子装置正常运行过程中，借助这些典型传感器技术，既能够获取确保装置正常运行所必须的参变量，同时系统还能够实时监视该装置的运行状态，方便优化其运行或操控方式；其二，当电力电子装置发生故障或异常运行时，依据所获取的关键性状态信息，既可以迅速隔离故障而不至于由于故障扩大而带来灾难性的后果，还能提高故障排查的效率和命中率，有利于快速故障定位、及时恢复装置运行、缩短故障时间；其三，根据这些典型传感器技术所获取的关键性状态信息，合理控制电力电子装置中的关键性参变量（如电压和电流等）、合理控制装置的负荷，进一步改善装置的健康状态，确保装置安全和可靠运行。工欲善其事，必先利其器。在构建和操控电力电子装置的过程中，正确选择并合理使用这些典型传感器技术，既显得十分关键，也显得非常必要。技术源于积累，成功源于执著。结合作者多年的科研经历来看，电力电子技术和传感器技术，作为电气类工程技术人员必须掌握的重要技术，它们具有交叉性强、实践性强、时效性强等重要特点，并且涉及到的概念多、知识面广、适用性宽，既难学又难记还难理解，因此，学习起来特别费劲，也很枯燥，如果不与动手实践相结合，看完书之后，大脑常常一片空白、所获甚少。为此，作者把从事传感器技术与大容量电力电子技术开发与应用过程中所获得的经验技巧、设计案例和心得体会等入门知识，加以归类、凝练和拓展，形成本书（“电力电子装置中的典型传感器技术”Typical sensor technology applied in power electronica equipment）。士虽有学，而行为本焉。作者长期植根于长期所从事的传感器技术和电力电子技术的相关开发与研究实践活动中。因此，作为一本理论联系实际的实用教程，本书坚持以有效培养读者朋友的分析问题、解决问题的能力为宗旨，在撰写过程中坚持贯彻理论与实践结合、基础与应用结合、教学与科研结合的“三结合”原则，摒弃生涩的理论分析。书中所采用的实例电路全为作者原创性科研成果，既有简洁的理论剖析，也有设计方法和使用技巧的介绍。它们或许在其它图书中很难见到，因此，本书希望将这些视为一粒粒珍珠，交给读者朋友，既授人以鱼，又授人以渔。当然，除了分析清晰、切中要害、例程完整、实例典型、图例丰富、技术实用、内容详实之外，本书还具有如下特色：（1）实践性强，功底深厚。由于传感器技术与电力电子技术均是实践性强、涉及面广的交叉性学科技术，绝对不能离开相关的工程实际。手脑双全，是创造教育的目的。为此，作者特植根于长期所从事的传感器技术和电力电子技术的相关开发与研究实践活动中，在撰写过程中坚持贯彻理论与实践结合、基础与应用结合、教学与科研结合的原则，摒弃生涩的理论，避免读不懂的过程。书中所采用的实例电路全为作者原创科研成果，既有完整的理论分析，也包含宝贵的应用技巧和设计心得，它们在其它图书中很难见到。一语不能践，万卷徒空虚。作者希望将这些视为一粒粒珍珠，交给读者朋友，既授人以鱼，又授人以渔，使读者学到专业知识和科研方法，提高工作能力。（2）针对性强，有的放矢。全书始终面向电子装置的工程应用，从实际出发，“弱化理论论述，强调分析设计”，力图摆脱传统技术类的枯燥式表达方式。作者在精炼讲解应用于电力电子装置中的常用传感器的基本原理之后，结合自己的工程经历，详细分析在实际应用时有关它们的信号处理与变换技术、接口技术、隔离技术和电磁兼容技术等方面的设计技巧、分析方法和调试流程。除此之外，本书还有针对性地讲解它们在工程应用中所遇到的关重件的分析计算判据和选型方法等内容。言之难尽，而试之易知也。所以，本书大胆尝试将传感器技术与电力电子技术融合起来进行讲解，激发读者的动手欲望，有利于培养其创新精神。（3）精心组织，方便阅读。作者站在“弱弱的嫩手”角度，在叙述方法上，以清晰的脉络、简洁的语言、丰富的图例，力求做到由浅入深、循序渐进。在剖析思路方面，力争坚持两个统一：其一是将传感器的基本理论知识与电力电子技术工程实际应用有机结合，而不是割裂实际应用、仅仅简单罗列电路而已；其二是将“是什么”、“如何干”和“结果如何”辩证统一起来，让读者耳目一新，并在轻松地阅读过程中获得共鸣、收获快乐。根据作者自己多年的科研历程发现，决定设计成败的关键往往还不是不会使用相关传感器，而是对有关基本电路的分析方法的生疏与不了解所致。正是问题激发我们去学习，去实践，去观察。因此，全书注重知识铺垫，避免一些读者朋友刚开始不知道从哪里学习，如何开始。读书之法，在循序而渐进，熟读而精思。所以，作者开篇不是讲解传感器知识而是温习KCL和KVL定理、戴维南定理和诺顿定理、分压器原理以及运算放大器方面的基本内容，再讲解应用于电力电子装置中的典型传感器的原理、作用特征、电路结构、工艺技巧和使用方法。（4）例程完整，受众面广。许多读者曾给作者反馈过这样的信息：他们发现许多资料上面都是讲传感器原理，紧接着是给出一个简单电路，虽然电路本身并没有错，但是如何确定每一个器件的参数、如何分析相关环节的误差却并不完整，这样就会给零基础的初学者带来很多麻烦，造成死记硬背或者生搬硬套。所以本书尽量做到每个例程，无论长短，尽量完整，既给出需求分析，还给出设计计算过程以及相关分析方法及其构建思路，因为尽管很多模块化电路可以在网上或者参考书中查到，但是，唯独设计思想、分析思路是需要自己独立建立的。成功的关键不是努力去拷贝别人的特色方式，而是去学习如何发掘你自己独特的潜质。所以，我们需要用理论来推动实践，用实践来修正或补充理论。因此，在以后的学习和工作中，无论您遇到什么样的工程实际问题，建议读者都可以应用这些设计理念创造性地给出设计方案和解决方法，从而达到无招胜有招的目的。本书的写作框架如图0-1所示，它包括传感器部分及其处理电路等相关知识，其中传感器部分主要由模拟量传感器和数字量传感器组成，处理电路部分主要由运放电路、隔离电路、滤波器、比较器、光耦、接口电路以及部分典型处理电路等组成。图0-1 本书的写作框架润物细无声。本书希望帮助那些最需要帮助的人，包括那些希望拓展自己基础的、有经验的设计者、刚刚参加工作的新入门者，作者就是循着这样的想法来完成这本书的。知之愈明，则行之愈笃；行之愈笃，则知之益明。尽管作者特别想把这本书写好，但是，毕竟电力电子技术和传感器技术都是开放性极强的技术，加之作者的眼界有限，仅存一孔之见，定有疏漏甚至是错误之处，恳请读者和同行批评指正，作者不胜感激！ 作者2015年11月于馨香园