煤礦電工電子培訓(xùn)

煤礦電工電子培訓(xùn).第一頁(yè)，共44頁(yè)。主要內(nèi)容1.運(yùn)算放大器的基本知識(shí)2.紅外瓦斯傳感器電路圖分析3.傳統(tǒng)9701探頭電路圖分析4.瓦斯傳感器遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題探討5.隔爆與本安的基礎(chǔ)知識(shí)第二頁(yè)，共44頁(yè)。1、運(yùn)算放大器的基本知識(shí)集成電路:將整個(gè)電路的各個(gè)元件做在同一個(gè)半導(dǎo)體基片上。集成電路的優(yōu)點(diǎn)：工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。集成電路的分類：模擬集成電路、數(shù)字集成電路；小、中、大、超大規(guī)模集成電路；集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：1.電路元件制作在一個(gè)芯片上，溫度均一性好。

2.電阻元件由硅半導(dǎo)體構(gòu)成精度低。3.幾十pF以下的小電容用PN結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成、大電容要外接。4.二極管一般用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。常用集成電路有：CPU芯片、接口芯片、信號(hào)處理芯片、電源芯片等。第三頁(yè)，共44頁(yè)。1.1運(yùn)算放大器集成運(yùn)放：就是用集成電路工藝制造的一種具有高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路，給它配以適當(dāng)?shù)妮斎刖W(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)，便可以完成信號(hào)的運(yùn)算、處理和變換，以及各種波形的產(chǎn)生等功能。理想運(yùn)放的特點(diǎn)：理想運(yùn)放具有無(wú)窮大的電壓增益、無(wú)窮大的輸入電阻（開(kāi)路），所以不取用信號(hào)源電流。它的輸出電阻為零。它的輸入電流為零。實(shí)際的運(yùn)放具有高電壓增益、高輸入電阻、低輸入電流和低輸出電阻的特性。第四頁(yè)，共44頁(yè)。1.2運(yùn)放參數(shù)運(yùn)放的參數(shù)用來(lái)說(shuō)明運(yùn)放的性能和提供不同運(yùn)放的比較。開(kāi)環(huán)電壓增益、CMRR和轉(zhuǎn)換速率是三個(gè)重要的參數(shù)。其他參數(shù)還有輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流、輸入/輸出電阻、共模輸入電壓范圍等。輸入失調(diào)電壓：理想運(yùn)放在輸入為零時(shí)，輸出也為零。但在實(shí)際運(yùn)放中，在沒(méi)有加入差模輸入電壓時(shí)，輸出端會(huì)有一個(gè)小的直流電壓VOUT（error）輸入失調(diào)電壓（Vos）是迫使輸出為0時(shí)，需加在輸入端的差模直流電壓。輸入失調(diào)電壓的典型值在小于2mV的范圍內(nèi)。理想情況下為0V。第五頁(yè)，共44頁(yè)。輸入偏置電流：輸入偏置電流是使運(yùn)算放大器正常工作時(shí)放大器的輸入所需的直流電流。根據(jù)定義，輸入偏置電流時(shí)兩個(gè)輸入電流的平均值。

共模輸入電壓范圍：所有運(yùn)放都有工作電壓范圍的限制。共模輸入電壓范圍是指加到兩個(gè)輸入端并不引起削頂或其他輸出失真的輸入電壓的范圍。許多運(yùn)放在電源為±15V時(shí)，共模范圍不超過(guò)±10V。也有輸出和電源電壓一樣高的情況。

運(yùn)放的共模抑制比:共模抑制比（common-moderejectionratio，CMRR）運(yùn)放的CMRR是衡量運(yùn)放抑制共模信號(hào)能力的參數(shù)。

差模輸入是指在兩個(gè)輸入端加入極性相反（反相）的兩個(gè)信號(hào)。

共模輸入是指在兩個(gè)輸入端加上完全相同的兩個(gè)信號(hào)。第六頁(yè)，共44頁(yè)。共模抑制比的意義CMRR無(wú)窮大表示相同信號(hào)加在兩個(gè)輸入端（共模）時(shí)，輸出為零。實(shí)際上，CMRR不可能達(dá)到無(wú)窮大，但性能較好的運(yùn)放會(huì)有非常高的CMRR。共模信號(hào)就是不想要的干擾電壓，如60Hz電源的脈動(dòng)成分、由于能量輻射所產(chǎn)生的噪聲電壓等，較高的CMRR會(huì)使運(yùn)放幾乎完全消除這些干擾信號(hào)對(duì)輸出的影響。第七頁(yè)，共44頁(yè)。運(yùn)放參數(shù)總結(jié) 輸入失調(diào)電壓 輸入偏置電流 輸入電阻 輸出電阻 共模輸入電壓范圍 開(kāi)環(huán)電壓增益 運(yùn)放的共模抑制比 轉(zhuǎn)換速率 頻率響應(yīng)第八頁(yè)，共44頁(yè)。1.3常用運(yùn)放電路i1=i2uo_++R2R1RPuii1i21.放大倍數(shù)虛短路虛開(kāi)路一、反相比例運(yùn)算電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：負(fù)反饋引到反相輸入端，信號(hào)從反相端輸入。虛開(kāi)路第九頁(yè)，共44頁(yè)。2.電路的輸入電阻ri=R1平衡電阻，使輸入端對(duì)地的靜態(tài)電阻相等，保證靜態(tài)時(shí)輸入級(jí)的對(duì)稱性。RP=R1

//R2uo_++R2R1RPuii1i2為保證一定的輸入電阻，當(dāng)放大倍數(shù)大時(shí)，需增大R2，而大電阻的精度差，因此，在放大倍數(shù)較大時(shí)，該電路結(jié)構(gòu)不再適用。第十頁(yè)，共44頁(yè)。二、同相比例運(yùn)算電路_++R2R1RPuiuou-=u+=ui虛短路虛開(kāi)路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：負(fù)反饋引到反相輸入端，信號(hào)從同相端輸入。虛開(kāi)路第十一頁(yè)，共44頁(yè)。_++uiuo此電路是電壓并聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中作用與分離元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。三、電壓跟隨器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：輸出電壓全部引到反相輸入端，信號(hào)從同相端輸入。電壓跟隨器是同相比例運(yùn)算放大器的特例。第十二頁(yè)，共44頁(yè)。四、反相求和運(yùn)算(加法器)R12_++R2R11ui2uoRPui1實(shí)際應(yīng)用時(shí)可適當(dāng)增加或減少輸入端的個(gè)數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。第十三頁(yè)，共44頁(yè)。i12iFi11R12_++R2R11ui2uoRPui1調(diào)節(jié)反相求和電路的某一路信號(hào)的輸入電阻，不影響輸入電壓和輸出電壓的比例關(guān)系，調(diào)節(jié)方便。第十四頁(yè)，共44頁(yè)。例：A/D變換器要求其輸入電壓的幅度為0~+5V，現(xiàn)有信號(hào)變化范圍為-5V~+5V。試設(shè)計(jì)一電平抬高電路，將其變化范圍變?yōu)?~+5V。+5V-5V+5V+2.5V電平抬高電路A/D計(jì)算機(jī)uiuouo=0.5ui+2.5V第十五頁(yè)，共44頁(yè)。uo=0.5ui+2.5V=0.5(ui+5)V_++10k20k+5V5kui20kuo1uo_++20k20k10k第十六頁(yè)，共44頁(yè)。五、三運(yùn)放電路uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1–+AR2R2uo+第十七頁(yè)，共44頁(yè)。uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+虛短路：虛開(kāi)路：第十八頁(yè)，共44頁(yè)。三運(yùn)放電路是差動(dòng)放大器，放大倍數(shù)可變。由于輸入均在同相端，此電路的輸入電阻高。uo2uo1R1R1–+AR2R2uo+19第十九頁(yè)，共44頁(yè)。例：由三運(yùn)放放大器組成的溫度測(cè)量電路。uoR1R1++A3R2R2++A1_+A2RRRW+E=+5VRRRRtuiRt

：熱敏電阻集成化:儀表放大器第二十頁(yè)，共44頁(yè)。Rt=f(T°C)uoR1R1++A3R2R2++A1_+A2RRRW+E=+5VRRRRtui第二十一頁(yè)，共44頁(yè)。2.紅外瓦斯傳感器電路分析2.1紅外瓦斯傳感器的主要工作原理紅外氣體檢測(cè)技術(shù)主要是根據(jù)不同氣體在不同濃度下對(duì)紅外光譜的吸收率不一樣。傳感頭由光源、采樣氣室、活動(dòng)通道熱電檢測(cè)頭和參考通道熱電檢測(cè)頭組成。熱電檢測(cè)頭產(chǎn)生的信號(hào)依賴于氣體吸收紅外光譜后入射輻射的變化?；顒?dòng)探測(cè)頭給出了由目標(biāo)氣體濃度所影響的入射輻射量,參考探頭給出了不受目標(biāo)氣體濃度影響的入射輻射量,兩個(gè)探頭輸出信號(hào)峰峰值的比值與氣體濃度相關(guān)。第二十二頁(yè)，共44頁(yè)。傳感器選用英國(guó)E2V公司生產(chǎn)的IR12BD,采用的是雙探測(cè)器、單光源、雙光路、折疊式氣室,使用一個(gè)合適的紅外光源,根據(jù)不同的氣體在不同的濃度下對(duì)紅外光譜的吸收率不同來(lái)檢測(cè)目標(biāo)氣體的存在和濃度。其光源由鎢絲產(chǎn)生，鎢絲通電后發(fā)出紅外光,經(jīng)過(guò)2個(gè)濾光片分別濾出3.9μm和3.39μm的參比光和測(cè)量光。2.2IR12BD探頭驅(qū)動(dòng)電路第二十三頁(yè)，共44頁(yè)。2.3IR12BD探頭電壓采集電路

傳感器輸出的是雙路微弱正弦交流信號(hào),峰峰值為mV級(jí),需進(jìn)行信號(hào)調(diào)理才能送入單片機(jī)檢測(cè)。一路輸出的信號(hào)調(diào)理電路如圖所示。第二十四頁(yè)，共44頁(yè)。2.4計(jì)算瓦斯?jié)舛任障禂?shù)：Fa=1-[S1/(R-S2)]，S1和S2分別是測(cè)量端探測(cè)器和參考端探測(cè)器輸出信號(hào)的峰峰值；R=S1’/S2’，式中

和

分別是S1和S2在沒(méi)有特定氣體下的數(shù)值。R采用信號(hào)的峰峰值之比是因?yàn)樵谧畲笾岛妥钚≈堤帲盘?hào)的變化率最小，所得結(jié)果不會(huì)出現(xiàn)大的誤差，最為可靠。第二十五頁(yè)，共44頁(yè)。2.5紅外瓦斯傳感器其他基本電路

遙控接受電路

第二十六頁(yè)，共44頁(yè)。顯示電路

頻率輸出電路第二十七頁(yè)，共44頁(yè)。3.傳統(tǒng)9701探頭電路圖分析第二十八頁(yè)，共44頁(yè)。3.1數(shù)據(jù)采集電路⑴A/D轉(zhuǎn)換部分主要由集成電路TC7109以及黑白元件構(gòu)成的惠斯登電橋組成。⑵

由黑白元件r1、r2、R24、R25、P1組成惠斯登電橋。當(dāng)無(wú)瓦斯時(shí)，橋路平衡，輸出為0；當(dāng)有瓦斯時(shí)，進(jìn)入黑元件的反應(yīng)室內(nèi)瓦斯就會(huì)無(wú)焰燃燒。瓦斯?jié)舛仍礁?，燃燒的溫度越高，黑元件（用鉑金絲繞制而成）阻值就越大，橋路失去平衡（白元件不參加反應(yīng)）。第二十九頁(yè)，共44頁(yè)。A/D轉(zhuǎn)換電路第三十頁(yè)，共44頁(yè)。3.2瓦斯傳感器可能誤差原因分析惠斯登橋電路的供電電壓V2（3V左右）不夠穩(wěn)定，精度不夠高。橋臂電阻溫度特性差，電位計(jì)精度要求高。傳感器的A/D采集，軟件濾波存在缺陷。輸出頻率信號(hào)的分辨率不夠高。第三十一頁(yè)，共44頁(yè)。4、瓦斯傳感器遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題探討目前瓦斯傳感器與分站的傳輸距離最多為2KM，若超過(guò)此距離，通訊雖然正常，但數(shù)據(jù)不可靠，顯示值對(duì)實(shí)際值不一至。主要原因分析如下：1）供電電纜長(zhǎng)度達(dá)到2KM以上時(shí)，電壓下降如15V以下，傳感器內(nèi)運(yùn)放電路輸出的失真，造成傳感器工作不正常。2）頻率信號(hào)也隨著通信距離的增加，信號(hào)幅度衰減，造成頻率信號(hào)的帶載能力不足，造成分站對(duì)頻率信號(hào)的周期采集有誤，使傳感器的采集值失真。第三十二頁(yè)，共44頁(yè)。具體解決辦法1)在不改變現(xiàn)有線路的基礎(chǔ)上，加大供電電纜的線徑，從原有的1.5mm增加到3mm，提高通信距離，理論上可使數(shù)據(jù)傳輸距離增倍。2)在傳感器的接線過(guò)程中，避免使用接線盒，用一根電纜來(lái)連接。3)3.3mm的電纜對(duì)傳感器有效供電距離4km，信號(hào)返回為2.5KM,3.3mm電纜對(duì)分站的供電有效距離為1.5KM，可改變分站、電源、傳感器的布局，其供電圖如下：第三十三頁(yè)，共44頁(yè)。4)合理布置分站與傳感器；5)在現(xiàn)有的傳感器基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)傳感器中繼器，主要實(shí)現(xiàn)將電源電壓抬升、信號(hào)轉(zhuǎn)換。6)促進(jìn)傳感器廠家改進(jìn)傳感器的內(nèi)部電路原理：使傳感器的工作電壓范圍變寬，可以在低電壓方式下運(yùn)行，提高信號(hào)帶載能力；在傳感器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)電壓的提升。第三十四頁(yè)，共44頁(yè)。5、隔爆與本安的相關(guān)概念隔爆(Exd)技術(shù)是用一個(gè)殼體把電器元件裝起來(lái),電器元件成為點(diǎn)燃源引起爆炸后產(chǎn)生的高溫高壓氣體,通過(guò)外殼的間隙(隔爆間隙)減溫減壓排向外界.減溫減壓過(guò)的氣體就不足以引起殼體外界的爆炸了.因此,隔爆是指把爆炸的能量隔絕在腔體內(nèi)部,而不是隔絕腔體外的爆炸危險(xiǎn)氣體,澆封才是隔絕外部爆炸性氣體.本安(Exia/ib)技術(shù)一般應(yīng)用在儀表上,通過(guò)限制電氣回路中的能量并配合電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使得在正常和事故工況下回路中都不可能產(chǎn)生達(dá)到點(diǎn)燃源要求的點(diǎn).本安技術(shù)一般是成套使用的,要在安全區(qū)設(shè)置安全柵,安全柵后面的回路均為本安設(shè)備.本安電路的卡件\端子\電纜\塑料戈蘭都要用淡藍(lán)色標(biāo)識(shí).隔爆兼本安：指該設(shè)備內(nèi)部電路有本安電路和非本安電路，兩者分腔體存放，設(shè)備殼體是隔爆型的，但其中的本安電路輸出信號(hào)是本安的。第三十五頁(yè)，共44頁(yè)。首先，在分析和評(píng)價(jià)本質(zhì)安全型電氣設(shè)備和電路時(shí),人們應(yīng)該遵守本安要求的基本原則,認(rèn)真核查設(shè)備和電路的機(jī)械結(jié)構(gòu),仔細(xì)分析電路的電氣性能,從而確認(rèn)電氣設(shè)備的防爆安全性能。其次，在核查設(shè)備和電路的機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí),人們主要是檢查電路的隔離、電氣間隙、爬電距離、各種間距、外殼防護(hù)等級(jí),以及導(dǎo)線的線徑、印制導(dǎo)線的寬度(包括復(fù)銅箔的厚度)、可靠元器件的結(jié)構(gòu)(和額定值)、可靠連接的連接點(diǎn)等等。再者，在分析電路的電氣性能時(shí),主要是確認(rèn)核查電路中元器件的額定值和可能發(fā)生故障的性質(zhì)(計(jì)數(shù)故障或非計(jì)數(shù)故障),并根據(jù)保護(hù)水平(ia級(jí)、ib級(jí)和ic級(jí))來(lái)計(jì)算電路中相關(guān)部分的電流、電壓或電容值、電感值,隨之在施加必要的安全系數(shù),來(lái)核查電路所具有的安全火花性能。此外,在分析電路的電氣性能時(shí),還應(yīng)該計(jì)算(或者測(cè)試)有關(guān)功率元器件的表面溫度,以確定是否符合相應(yīng)溫度組別的溫度值。本質(zhì)安全電路評(píng)定的基本方法第三十六頁(yè)，共44頁(yè)。本質(zhì)安全電路分析實(shí)例

由電源變壓器、橋式整流環(huán)節(jié)、集成穩(wěn)壓器(IC1)、安全柵和一個(gè)“π”型LC濾波環(huán)節(jié)、集成穩(wěn)壓器(IC2)組成。其中,電源變壓器、橋式整流環(huán)節(jié)、集成穩(wěn)壓器(IC1)、安全柵被放置在隔爆型電氣設(shè)備的隔爆外殼內(nèi)。第三十七頁(yè)，共44頁(yè)。電源部分

電源部分由電源變壓器(T)將市電220V降至24V,經(jīng)橋式整流環(huán)節(jié)整流,濾波,并穩(wěn)壓后供給安全柵的非本質(zhì)安全端。這一部分被放置在隔爆外殼內(nèi)。由于電源變壓器符合GB3836.4—2010的相應(yīng)要求,所以它是可靠組件。對(duì)于本質(zhì)安全電路來(lái)說(shuō),施加在電源變壓器原邊可能的最高電壓(Um)為250V。第三十八頁(yè)，共44頁(yè)。關(guān)聯(lián)設(shè)備部分安全柵作為關(guān)聯(lián)設(shè)備,在電路中起到隔離能量的作用,安全柵也被放置在隔爆外殼內(nèi)。由于安全柵符合GB3836.4—2010的相應(yīng)要求,所以它是可靠組件。在這個(gè)電路中,安全柵可能承受的最高電壓(Um),即施加在安全柵非本質(zhì)安全端子上而不會(huì)使本質(zhì)安全性能失效的最高電壓,應(yīng)該是電源變壓器原邊可能承受的最高電壓,通常按250V計(jì)。安全柵的額定值為最高輸出電壓U0=28V;最大輸出電流I0=93mA。從GB3836.4—2010圖A1中可以查到,對(duì)于IIC級(jí)電阻性電路,當(dāng)電壓U=28V時(shí),相對(duì)應(yīng)的最小點(diǎn)燃電流為I=180mA。當(dāng)取1.5倍安全系數(shù)時(shí),則修正后的最小點(diǎn)燃電流:I=180mA/1.5=120mA這個(gè)電流依然大于安全柵的最大輸出電流Io=93mA由此可見(jiàn),安全柵本質(zhì)安全端的輸出滿足電路的本質(zhì)安全性能。第三十九頁(yè)，共44頁(yè)。負(fù)載部分這里所謂的負(fù)載是指安全柵輸出端,即本質(zhì)安全端子以后的部分,包括濾波環(huán)節(jié)、集成穩(wěn)壓器(IC2)和負(fù)載(R)。(1)確定電路的最不利條件在這部分電路中,電感器L1和L2的電感值均為1.5mH(最大);電容器C3、C4和C5的電容值均為0.01F(最大);電阻器R2為可靠限流元件,電阻值為250(最小)。這些數(shù)值均被認(rèn)為是電路的最不利條件。(2)確定故障條件下的安全火花性能施加故障1:假定集成穩(wěn)壓器(IC2)損壞而對(duì)地短路集成穩(wěn)壓器不是可靠組件,而且也不符合GB3836.4—2010的要求。因而,假設(shè)集成穩(wěn)壓器(IC2)損壞而對(duì)地短路,則這個(gè)故障是一個(gè)非計(jì)數(shù)故障。

第四十頁(yè)，共44頁(yè)。這時(shí),由于電阻器R2的限流作用,使得流過(guò)電感器L1和L2的最大可能電流為:Imax=28V/250=112mA當(dāng)對(duì)這個(gè)電流施加1.5倍安全系數(shù)時(shí),則流過(guò)電感器的修正最大可能電流為:Imax.0=112mA/1.5=168mA從GB3836.4—2010圖A6中可以查出,當(dāng)電感值為3mH時(shí),相對(duì)應(yīng)的最小點(diǎn)燃電流為180mA。而此時(shí)流過(guò)電感器的修正最大可能電流為168mA,小于最小點(diǎn)燃電流(180mA)。因而,在這種故障情況下,電路也是符合本質(zhì)安全性能要求的。第四十一頁(yè)，