前言

　　電力電子裝置（powerelectronicequipment），借助電路、設(shè)計(jì)理論和相關(guān)分析開發(fā)工具，有效利用電力半導(dǎo)體器件（如功率二極管、晶體閘流管、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電場(chǎng)控制器件（以IGBT為代表）等），以實(shí)現(xiàn)對(duì)電能高效變換和控制的電力電子變換系統(tǒng)。作為典型的電力變換裝置，它包括整流裝置（AC/DC）、逆變裝置（DC/AC）、直流變流裝置（DC/DC）、交流變流裝置（AC/AC），以及其它各類電源、電機(jī)調(diào)速裝置、直流輸電裝置、感應(yīng)加熱裝置、無功補(bǔ)償裝置、電鍍電解裝置和家用電器變流裝置等，被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、環(huán)境保護(hù)、新能源系統(tǒng)、高能武器系統(tǒng)等軍用和民用場(chǎng)合。

　　從原理上看，電力電子裝置是通過控制電力半導(dǎo)體器件的開斷來完成功率信號(hào)的調(diào)制和處理，它作為一種典型的利用弱電信號(hào)控制強(qiáng)電信號(hào)、利用信息流控制功率流的能量變換裝置，必然會(huì)受到電力半導(dǎo)體器件性能的制約，突出表現(xiàn)在它們承受過電壓、過電流和過熱的能力較差。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，電動(dòng)機(jī)、變壓器等電力設(shè)備通�？梢栽趲妆队陬~定電流下仍然能夠工作數(shù)秒或數(shù)分鐘，相比而言，在同等條件下的電力半導(dǎo)體器件的耐受力卻往往不會(huì)超過一秒甚至更短時(shí)間，否則就會(huì)損壞。因此，在設(shè)計(jì)電力電子裝置時(shí)，不僅需要合理選擇電力半導(dǎo)體器件的電壓、電流等額定參數(shù)，還需要專門采取一些特殊的保護(hù)措施，以防止變換裝置內(nèi)的電力半導(dǎo)體器件因過電壓、過電流、過熱而損壞，尤其是在一些特別重要的軍用和民用場(chǎng)合，更是如此。要達(dá)到此目的，除了正確設(shè)計(jì)裝置本身、選擇合適的控制策略之外，還必須借助一些典型的傳感器技術(shù)，既能夠?yàn)檠b置本身提供必要的控制參變量，如電壓、電流和位置（或者轉(zhuǎn)速等），還能夠?qū)ρb置運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知、預(yù)警監(jiān)視、診斷分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和故障預(yù)測(cè)，如獲取與運(yùn)行條件密切相關(guān)的物理量如溫度、冷卻水壓力或風(fēng)速、濕度、和受力情況等。

　　研究與實(shí)踐表明，經(jīng)常應(yīng)用于電力電子裝置中的典型傳感器技術(shù)，主要有：電壓、電流、溫度、濕度、振動(dòng)、應(yīng)力、門控、煙霧、液位等傳感器及其信號(hào)處理技術(shù)，它們對(duì)保證電力電子裝置的可靠性和連續(xù)性、提高設(shè)備利用率等方面，展現(xiàn)出其獨(dú)特的魅力，突出表現(xiàn)為：

　　其一，在電力電子裝置正常運(yùn)行過程中，借助這些典型傳感器技術(shù)，既能夠獲取確保裝置正常運(yùn)行所必須的參變量，同時(shí)系統(tǒng)還能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視該裝置的運(yùn)行狀態(tài)，方便優(yōu)化其運(yùn)行或操控方式；

　　其二，當(dāng)電力電子裝置發(fā)生故障或異常運(yùn)行時(shí)，依據(jù)所獲取的關(guān)鍵性狀態(tài)信息，既可以迅速隔離故障而不至于由于故障擴(kuò)大而帶來災(zāi)難性的后果，還能提高故障排查的效率和命中率，有利于快速故障定位、及時(shí)恢復(fù)裝置運(yùn)行、縮短故障時(shí)間；

　　其三，根據(jù)這些典型傳感器技術(shù)所獲取的關(guān)鍵性狀態(tài)信息，合理控制電力電子裝置中的關(guān)鍵性參變量（如電壓和電流等）、合理控制裝置的負(fù)荷，進(jìn)一步改善裝置的健康狀態(tài)，確保裝置安全和可靠運(yùn)行。

　　工欲善其事，必先利其器。在構(gòu)建和操控電力電子裝置的過程中，正確選擇并合理使用這些典型傳感器技術(shù)，既顯得十分關(guān)鍵，也顯得非常必要。技術(shù)源于積累，成功源于執(zhí)著。結(jié)合作者多年的科研經(jīng)歷來看，電力電子技術(shù)和傳感器技術(shù)，作為電氣類工程技術(shù)人員必須掌握的重要技術(shù)，它們具有交叉性強(qiáng)、實(shí)踐性強(qiáng)、時(shí)效性強(qiáng)等重要特點(diǎn)，并且涉及到的概念多、知識(shí)面廣、適用性寬，既難學(xué)又難記還難理解，因此，學(xué)習(xí)起來特別費(fèi)勁，也很枯燥，如果不與動(dòng)手實(shí)踐相結(jié)合，看完書之后，大腦常常一片空白、所獲甚少。為此，作者把從事傳感器技術(shù)與大容量電力電子技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用過程中所獲得的經(jīng)驗(yàn)技巧、設(shè)計(jì)案例和心得體會(huì)等入門知識(shí)，加以歸類、凝練和拓展，形成本書（“電力電子裝置中的典型傳感器技術(shù)”Typicalsensortechnologyappliedinpowerelectronicaequipment）。

　　士雖有學(xué)，而行為本焉。作者長(zhǎng)期植根于長(zhǎng)期所從事的傳感器技術(shù)和電力電子技術(shù)的相關(guān)開發(fā)與研究實(shí)踐活動(dòng)中。因此，作為一本理論聯(lián)系實(shí)際的實(shí)用教程，本書堅(jiān)持以有效培養(yǎng)讀者朋友的分析問題、解決問題的能力為宗旨，在撰寫過程中堅(jiān)持貫徹理論與實(shí)踐結(jié)合、基礎(chǔ)與應(yīng)用結(jié)合、教學(xué)與科研結(jié)合的“三結(jié)合”原則，摒棄生澀的理論分析。書中所采用的實(shí)例電路全為作者原創(chuàng)性科研成果，既有簡(jiǎn)潔的理論剖析，也有設(shè)計(jì)方法和使用技巧的介紹。它們或許在其它圖書中很難見到，因此，本書希望將這些視為一粒粒珍珠，交給讀者朋友，既授人以魚，又授人以漁。當(dāng)然，除了分析清晰、切中要害、例程完整、實(shí)例典型、圖例豐富、技術(shù)實(shí)用、內(nèi)容詳實(shí)之外，本書還具有如下特色：

　　（1）實(shí)踐性強(qiáng)，功底深厚。由于傳感器技術(shù)與電力電子技術(shù)均是實(shí)踐性強(qiáng)、涉及面廣的交叉性學(xué)科技術(shù)，絕對(duì)不能離開相關(guān)的工程實(shí)際。手腦雙全，是創(chuàng)造教育的目的。為此，作者特植根于長(zhǎng)期所從事的傳感器技術(shù)和電力電子技術(shù)的相關(guān)開發(fā)與研究實(shí)踐活動(dòng)中，在撰寫過程中堅(jiān)持貫徹理論與實(shí)踐結(jié)合、基礎(chǔ)與應(yīng)用結(jié)合、教學(xué)與科研結(jié)合的原則，摒棄生澀的理論，避免讀不懂的過程。書中所采用的實(shí)例電路全為作者原創(chuàng)科研成果，既有完整的理論分析，也包含寶貴的應(yīng)用技巧和設(shè)計(jì)心得，它們?cè)谄渌鼒D書中很難見到。一語不能踐，萬卷徒空虛。作者希望將這些視為一粒粒珍珠，交給讀者朋友，既授人以魚，又授人以漁，使讀者學(xué)到專業(yè)知識(shí)和科研方法，提高工作能力。

　�。�2）針對(duì)性強(qiáng)，有的放矢。全書始終面向電子裝置的工程應(yīng)用，從實(shí)際出發(fā)，“弱化理論論述，強(qiáng)調(diào)分析設(shè)計(jì)”，力圖擺脫傳統(tǒng)技術(shù)類的枯燥式表達(dá)方式。作者在精煉講解應(yīng)用于電力電子裝置中的常用傳感器的基本原理之后，結(jié)合自己的工程經(jīng)歷，詳細(xì)分析在實(shí)際應(yīng)用時(shí)有關(guān)它們的信號(hào)處理與變換技術(shù)、接口技術(shù)、隔離技術(shù)和電磁兼容技術(shù)等方面的設(shè)計(jì)技巧、分析方法和調(diào)試流程。除此之外，本書還有針對(duì)性地講解它們?cè)诠こ虘?yīng)用中所遇到的關(guān)重件的分析計(jì)算判據(jù)和選型方法等內(nèi)容。言之難盡，而試之易知也。所以，本書大膽嘗試將傳感器技術(shù)與電力電子技術(shù)融合起來進(jìn)行講解，激發(fā)讀者的動(dòng)手欲望，有利于培養(yǎng)其創(chuàng)新精神。

　�。�3）精心組織，方便閱讀。作者站在“弱弱的嫩手”角度，在敘述方法上，以清晰的脈絡(luò)、簡(jiǎn)潔的語言、豐富的圖例，力求做到由淺入深、循序漸進(jìn)。在剖析思路方面，力爭(zhēng)堅(jiān)持兩個(gè)統(tǒng)一：

　　其一是將傳感器的基本理論知識(shí)與電力電子技術(shù)工程實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，而不是割裂實(shí)際應(yīng)用、僅僅簡(jiǎn)單羅列電路而已；

　　其二是將“是什么”、“如何干”和“結(jié)果如何”辯證統(tǒng)一起來，讓讀者耳目一新，并在輕松地閱讀過程中獲得共鳴、收獲快樂。根據(jù)作者自己多年的科研歷程發(fā)現(xiàn)，決定設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵往往還不是不會(huì)使用相關(guān)傳感器，而是對(duì)有關(guān)基本電路的分析方法的生疏與不了解所致。正是問題激發(fā)我們?nèi)�學(xué)習(xí)，去實(shí)踐，去觀察。因此，全書注重知識(shí)鋪墊，避免一些讀者朋友剛開始不知道從哪里學(xué)習(xí)，如何開始。讀書之法，在循序而漸進(jìn)，熟讀而精思。所以，作者開篇不是講解傳感器知識(shí)而是溫習(xí)KCL和KVL定理、戴維南定理和諾頓定理、分壓器原理以及運(yùn)算放大器方面的基本內(nèi)容，再講解應(yīng)用于電力電子裝置中的典型傳感器的原理、作用特征、電路結(jié)構(gòu)、工藝技巧和使用方法。

　�。�4）例程完整，受眾面廣。許多讀者曾給作者反饋過這樣的信息：他們發(fā)現(xiàn)許多資料上面都是講傳感器原理，緊接著是給出一個(gè)簡(jiǎn)單電路，雖然電路本身并沒有錯(cuò)，但是如何確定每一個(gè)器件的參數(shù)、如何分析相關(guān)環(huán)節(jié)的誤差卻并不完整，這樣就會(huì)給零基礎(chǔ)的初學(xué)者帶來很多麻煩，造成死記硬背或者生搬硬套。所以本書盡量做到每個(gè)例程，無論長(zhǎng)短，盡量完整，既給出需求分析，還給出設(shè)計(jì)計(jì)算過程以及相關(guān)分析方法及其構(gòu)建思路，因?yàn)楸M管很多模塊化電路可以在網(wǎng)上或者參考書中查到，但是，唯獨(dú)設(shè)計(jì)思想、分析思路是需要自己獨(dú)立建立的。成功的關(guān)鍵不是努力去拷貝別人的特色方式，而是去學(xué)習(xí)如何發(fā)掘你自己獨(dú)特的潛質(zhì)。所以，我們需要用理論來推動(dòng)實(shí)踐，用實(shí)踐來修正或補(bǔ)充理論。因此，在以后的學(xué)習(xí)和工作中，無論您遇到什么樣的工程實(shí)際問題，建議讀者都可以應(yīng)用這些設(shè)計(jì)理念創(chuàng)造性地給出設(shè)計(jì)方案和解決方法，從而達(dá)到無招勝有招的目的。

　　本書的寫作框架如圖0-1所示，它包括傳感器部分及其處理電路等相關(guān)知識(shí)，其中傳感器部分主要由模擬量傳感器和數(shù)字量傳感器組成，處理電路部分主要由運(yùn)放電路、隔離電路、濾波器、比較器、光耦、接口電路以及部分典型處理電路等組成。

　　圖0-1本書的寫作框架

　　潤(rùn)物細(xì)無聲。本書希望幫助那些最需要幫助的人，包括那些希望拓展自己基礎(chǔ)的、有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者、剛剛參加工作的新入門者，作者就是循著這樣的想法來完成這本書的。知之愈明，則行之愈篤；行之愈篤，則知之益明。盡管作者特別想把這本書寫好，但是，畢竟電力電子技術(shù)和傳感器技術(shù)都是開放性極強(qiáng)的技術(shù)，加之作者的眼界有限，僅存一孔之見，定有疏漏甚至是錯(cuò)誤之處，懇請(qǐng)讀者和同行批評(píng)指正，作者不勝感激！

　　作者

　　2015年11月于馨香園