專利名稱：光電耦合式微型電量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于電力系統(tǒng)、電力傳動系統(tǒng)、電氣自動控制系統(tǒng)中對電流、電壓等電量進(jìn)行完全隔離檢測的光電耦合式微型電量傳感器，這種傳感器既可檢測交流正弦電量，也可檢測直流和脈沖等非正弦電量。
在各種電力系統(tǒng)、電氣傳動和自動控制系統(tǒng)中，必須對電網(wǎng)或電路的電流、電壓等電量進(jìn)行實時檢測。這種檢測，一般說來，既需要在電氣上能隔離電位，又要求在測量范圍內(nèi)具有滿意的線性精度和動態(tài)特性。隨著電力技術(shù)、電氣傳動技術(shù)、自動控制技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機在這些領(lǐng)域中廣泛深入的應(yīng)用，對電量的檢測要求越來越高不僅要有高的精度，而且在整個測量范圍內(nèi)要有好的線性度；不但對某個頻率下的電量能進(jìn)行檢測，而且要能對頻率變化的電量進(jìn)行實時檢測；不僅能檢測正弦電量，而且也能檢測直流、脈沖等非正弦電量；不但有好的靜態(tài)特性，而且要具有實時性好、響應(yīng)快、跟蹤速度高等優(yōu)良的動態(tài)特性，以滿足計算機檢測控制系統(tǒng)的要求。目前、在電力檢測中，主要采用三種器件交流互感器、電量變送器和霍爾電量傳感器。
交流互感器主要有電流互感器和電壓互感器兩種，是至今在電力檢測中用量仍為最大的傳統(tǒng)檢測手段。其結(jié)構(gòu)是在鐵芯上纏繞著一、二次線圈，采用電磁互感原理制成。該器件結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，但明顯存在以下缺點形體大、線性度范圍窄、一二次回路負(fù)載變化明顯影響檢測精度、功耗大、動態(tài)性能差、不能響應(yīng)直流電量、輸出不能直接與A／D轉(zhuǎn)換器或數(shù)顯表匹配等。
由于電力監(jiān)測與遠(yuǎn)動系統(tǒng)的需要，五十年代后出現(xiàn)了電量變送器，該變送器的目的是對電力線路與控制設(shè)備進(jìn)行電氣隔離，并把各種電量變換成線性比例的直流電流或電壓，以實現(xiàn)巡回檢測和電網(wǎng)調(diào)度的自動化、數(shù)據(jù)集中采集等。傳統(tǒng)的電量變送器由互感器加整流電路構(gòu)成，精度低。八十年代后出現(xiàn)了一些結(jié)構(gòu)較新的產(chǎn)品，如我國南京電力自動化設(shè)備廠的BS系列電量變送器就是其中一種，它由分流／分壓、隔離放大、檢波輸出三部分組成，隔離放大部分采用的是調(diào)制型隔離放大器，這類產(chǎn)品的不足之處在于(1)輸出響應(yīng)速度慢，跟蹤輸出延遲時間較長，不適合高速數(shù)據(jù)采集用；(2)由于采用了架裝結(jié)構(gòu)，因而體積較大；(3)成本較高；(4)功耗大；(5)只適用于工頻50HZ的正弦電量測量，不適合對非正弦(或頻率變化的)電量進(jìn)行測量。
霍爾電量傳感器是近幾年來出現(xiàn)的一種高速電量檢測器，例如瑞士LEM公司生產(chǎn)的LEM電量傳感器模塊，可用于檢測電路中各種正弦和非正弦電量，LEM模塊采用了霍爾效應(yīng)和磁補償原理，由聚磁環(huán)、霍爾器件、原次級線圈、放大電路等組成。該模塊結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)性能優(yōu)良、體積亦小，但仍存在以下缺點(1)不適用于檢測小量程范圍的電量；(2) 使用不便，需外接大功率精密采樣電阻或限流電阻；(3) 功耗大；(4) 受電磁干擾和溫度影響；(5) 價格昂貴。
本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有產(chǎn)品的缺點和不足之處，從而提供一種體積小巧、安裝使用方便、功耗極低、線性精度和動態(tài)特性優(yōu)良、適合測量或跟蹤各種波形電量的微型傳感器，它不僅能用于電力系統(tǒng)中各種電量的完全隔離檢測，代替現(xiàn)有廣泛使用的各種互感器和電流電壓變送器，而且還可作為各種電力傳動系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)中各種波形電量的檢測器件，特別適合與微機配合進(jìn)行計算機高速自動數(shù)據(jù)采集、自動監(jiān)控與自動控制，滿足電力系統(tǒng)管理現(xiàn)代化和各種電力傳動系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)對電量檢測的要求。
為達(dá)上述目的，本實用新型的技術(shù)方案是，包括傳感器外殼1、印制電路板部件2、輸入輸出接口3(見圖1)，主電路由輸入采樣器4、隔離放大器5和電源隔離變換器11組成，整個電路共同焊裝在一塊小型印制板上，然后裝入外殼加以密封，外殼采用高強度ABS塑料制成，外殼一側(cè)裝有一組專用小型插針，將所有接口引出殼外，傳感器可直接安裝在系統(tǒng)的印制板上，輸入采樣器由電阻Ri1和Ri2組成。本實用新型的特征在于，隔離放大器由前置放大器6、偏置電路7、信號隔離通道8、補償隔離通道9、差動放大器10組成(見圖2、3)，前置放大器有運放F1和電阻R1～R4，其輸入端與采樣器輸出相連接；偏置電路采用了共點偏置補償方法，由電阻R6與R7串聯(lián)形成分壓電路，對電源E2分壓，提供偏置電壓Vp，其輸出分別連到F1和F3的正輸入端；信號隔離通道包括運放F2、光耦器GD1和電阻R5、R9，其F2的正輸入端與F1輸出相連接，F(xiàn)2的輸出與GD1的輸入級－－發(fā)光二極管的正極連接，其負(fù)極反饋至F2的負(fù)輸入端，同時經(jīng)R5接E2負(fù)極，GD1的輸出回路是一光敏晶體管，其發(fā)射極通過R9接地，構(gòu)成一射級輸出器；補償隔離通道由運放F3、光耦器GD2和電阻R8、R10組成，其電路連接與信號隔離通道完全一樣，為保證良好的補償性能，應(yīng)使這部分電路的特性參數(shù)與信號隔離通道完全一致；差動放大器由運放F4和電阻R11～R17、熱敏電阻RT組成，RT與可調(diào)電阻R17串聯(lián)后的一端連于串聯(lián)電阻R13與R14之間，另一端連于串聯(lián)電阻R15與R16之間，差動放大器的負(fù)輸入端經(jīng)R11(C0短接)接信號通道的輸出(即V－＝Vs3＋Vd1)，正輸入端經(jīng)R12接補償通道的輸出(即V＋＝Vd2)；電源隔離變換器由方波振蕩器13、隔離變壓器(B)14和整流穩(wěn)壓器15組成(見圖3)，方波振蕩器由運放F5、電阻R18、R19、R20和電容C1構(gòu)成，在隔離變壓器B磁芯上繞有兩個彼此絕緣的線圈N1和N2、N1為變壓器的初級，與振蕩器的輸出直接相連，N2為次級，經(jīng)二極管D1整流后，再經(jīng)過三端穩(wěn)壓器WY穩(wěn)壓后輸出，成為隔離電源E2，C2、C3為濾波電容。
本實用新型的基本原理是，外界來的輸入信號Vi(或Ii)經(jīng)輸入采樣器分壓(或分流)得到Vs1，Vs1輸入隔離放大器的前置放大器，經(jīng)前置放大得到Vs2，同時由偏置電路提供的偏置電壓Vp輸入前置放大器，這時對Vp而言，前置放大器僅為一電壓跟隨器無放大作用，偏置電壓Vp的作用是為了取得最佳工作點。信號隔離通道將前置放大器來的輸出信號(Vs2＋Vp)經(jīng)V－I轉(zhuǎn)換成GD1的驅(qū)動電流ID1，ID1的大小可由R5標(biāo)定，(Vs2＋Vp)經(jīng)信號隔離通道耦合，由GD1的射極輸出(Vs3＋Vd1)，偏置電壓Vp同時又輸入補償隔離通道，經(jīng)V－I變換成ID2，由GD2的射級輸出Vd2，由于兩通道電路的對稱和直流參數(shù)的一致，Vd1＝Vd2，因此補償隔離通道的作用是提供一個與Vd1完全相同的直流信號Vd2，以完全補償信號通道中的直流偏置分量Vd1(若Vd1≠Vd2，可通過R10調(diào)節(jié)，故R10又稱調(diào)零電阻)。隔離放大器的輸出級是一放大倍數(shù)可調(diào)的差動放大器，來自信號隔離通道和補償隔離通道的輸出信號分別進(jìn)入正、負(fù)輸入端，根據(jù)差動放大器的原理，兩通道的共模直流分量Vd1與Vd2被抑制，而只有從采樣來的信號分量Vs3才被放大，其輸出為V0＝－KVs3，放大倍數(shù)K可通過調(diào)節(jié)電阻R17調(diào)節(jié)，稱變比調(diào)節(jié)，與傳統(tǒng)的差動放大器不同的是，放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)不設(shè)在負(fù)反饋回路里，其好處是在調(diào)節(jié)R17改變放大倍數(shù)時不會影響放大器的共模抑制特性(即不影響調(diào)零)，將熱敏電阻RT放在變比調(diào)節(jié)支路上，使其在補償放大器的溫度特性時也不致帶來零點漂移。電源隔離變換器由F5組成的自激振蕩器產(chǎn)生自激振蕩，將具有f0振蕩頻率的方波信號(f0＝1／R18C1)，經(jīng)變壓器B耦合，再經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓得到E2，為隔離放大器輸入電路(F1、F2、F3)提供隔離電源E2。采用電源隔離變換器不但省去第二外電源，給使用帶來很大的方便，而且在很多場合下(只能容許有一組外電源時)均可使用。GD1、GD2、F4、F5的電源±E1，由外部提供。
上述電路中將電容C0短接(如圖3虛線所示)，即構(gòu)成通用輸入跟蹤輸出型傳感器，其輸入(Vi／Ii)可響應(yīng)從直流到50KHZ的交流電量或脈沖電量，其輸出V0為高速跟蹤電壓信號。本實用新型的目的，還可以通過以下方案來實現(xiàn)若檢測的對象是電流信號，則輸入采樣器將Ri2短路(即Ri2＝0)，若規(guī)定采樣器輸出額定值為0.05V，則Ri1＝0.05／Ii；檢測對象是電壓，若規(guī)定采樣器的輸出額定值為0.05V，則Ri1與Ri2將通過如下關(guān)系確定Ri1／(Ri1＋Ri2)＝0.05／Vi。輸入采樣器為內(nèi)置式。
若僅檢測交流信號，則只需將上述主電路作一變換，取消電容C0的短接線，恢復(fù)C0的隔直作用，并將電阻R12接E1地(不用補償隔離通道)，即可構(gòu)成交流傳感器電路。
在實際工作中，往往要求將被測電量變換成直流電壓或電流源輸出，這時只要在電路中增加一個輸出變換器12，主電路的輸出端(V0)接入輸出變換器就可實現(xiàn)，輸出變換器有兩種形式的電路(1)直流電壓輸出變換器(見圖4)，由兩個參數(shù)相同的半波整流電路并接而成的絕對值電路(F6、F7、D2～D5、R21～R23)和二階濾波器(F8、C4、C5、R24～R26)組成；(2)電流源輸出變換器(見圖5)，由運放F9、F10、電阻R27～R31組成，RL為輸出外接負(fù)載。
通過主電路的上述變換和與輸出變換器電路的不同組合，可得到檢測電壓與電流的兩大系列，6種類型，共12個品種的電量傳感器。除(1)由短接C0的主電路構(gòu)成的通用輸入跟蹤輸出型傳感器外，還有(2)由短接C0的主電路和直流電壓輸出變換器組成通用輸入直流與跟蹤輸出型傳感器，既可輸出跟蹤電壓信號V0，亦可輸出直流電壓信號Vz；(3)由短接C0的主電路和電流源輸出變換器組成的通用輸入電流源與跟蹤輸出型傳感器，既可輸出跟蹤電壓信號V0，亦可輸出電流信號I0；(4)上述三種傳感器的主電路改成只適合交流信號輸入的交流傳感器電路，則又派生出，交流輸入跟蹤輸出型傳感器，交流輸入直流與跟蹤輸出型傳感器、交流輸入電流源與跟蹤輸出型傳感器。


如下圖1是傳感器外形圖。
圖2是傳感器原理框圖。
圖3是主電路圖。
圖4是直流電壓輸出變換器電路圖。
圖5是電流源輸出變換器電路圖。
圖6是印制電路板部件元件安裝圖。
圖7是傳感器頂視圖。
圖8是傳感器正視圖。
圖9是傳感器側(cè)視圖。
圖中的編號及符號說明如下1、傳感器外殼；2、印制電路板部件；3、輸入輸出接口；4、輸入采樣器；5、隔離放大器；6、前置放大器；7、偏置電路；8、信號隔離通道；9、補償隔離通道；10、差動放大器；11、電源隔離變換器；12、輸出變換器；13、方波振蕩器；14、隔離變壓器B；15、整流穩(wěn)壓器；16、傳感器零點調(diào)節(jié)孔；17、傳感器變比調(diào)節(jié)孔。Ri1、Ri2－輸入采樣器分壓／分流電阻，R1～R4－前置放大器電阻，R5、R8－ID1、ID2定標(biāo)電阻，R6、R7－偏置電路分壓電阻，R9－信號隔離通道射級輸出電阻，R10－補償隔離通道射級輸出可調(diào)電阻(調(diào)零電阻)，R11～R17－差動放大器電阻，R18～R20－方波振蕩器電阻，R21～R23－絕對值變換電阻，R24～R26－二階濾波器電阻，R27～R31－電流源輸出變換器電阻，RT－負(fù)溫系數(shù)熱敏電阻，RL－電流源負(fù)載電阻(外接)，C0－交流耦合電容(通用輸入型時，短接)，C1－方波自激振蕩電容，C2、C3－E2濾波電容，C4、C5－二階濾波器電容，F(xiàn)1－前置放大器集成運放，F(xiàn)2、F3－V－I轉(zhuǎn)換集成運放，F(xiàn)4－差動放大器集成運放，F(xiàn)5－自激振蕩器集成運放，F(xiàn)6、F7－絕對值變換器集成運放，F(xiàn)8－二階濾波器集成運放，F(xiàn)9、F10－電流源變換器集成運放，GD1、GD2－光電耦合器，WY－三端穩(wěn)壓器，D1～D5－二極管，±E1－外部電源，E2－內(nèi)部隔離電源，Vi－外部輸入電壓信號，Ii－外部輸入電流信號，V0－跟蹤輸出電壓，I0－電流源輸出電流，Vz－直流輸出電壓，JK1－傳感器輸入接口，其中①－同相輸入端，②－反相輸入端；JK2－傳感器電源與輸出接口，其中③－＋E1輸入，④－－E1輸入，⑤－GND(電源及輸出的公共地端)，⑥－V0(跟蹤輸出電壓輸出端)，⑦－Vz(直流輸出電壓輸出端)，⑧－I0(電流源輸出電流輸出端)。
下面將通過實施例(結(jié)合附圖)對本實用新型作進(jìn)一步說明本實用新型的第一實施例是通用輸入跟蹤輸出型電壓傳感器(如圖3所示)，電裝時須將電容C0按圖中虛線短接，其中隔離變壓器B選用GU14鐵氧體罐形磁芯，線圈用φ0.1mm高強度漆包線，N1為100匝，N2為120匝，經(jīng)浸漆處理即可，當(dāng)被測電壓V1的額定值為100V時，Ri1＝500Ω，Ri2＝1M，Vp選取1／2E2，外部電源電壓±E為±12V～±16V，所有元件焊裝在一塊印制板上，專用小型插針為CH系列傳感器調(diào)零與調(diào)變化，可通過零點調(diào)節(jié)孔16與變比調(diào)節(jié)孔17進(jìn)行。其他主要元件的具體型號規(guī)格如下F1與F2、F4與F5均為一雙運放集成電路－TL082，F(xiàn)3－TL081，GD1、GD2－TLP521－1，WY－78L09，D1－IN4148，R3、R4－300K，R13～R16、R18－51K，R1、R2、R6、R7、R11、R12－30K，R19－3K，R9、R10、R20－1K，R5、R8－910Ω，RT－MF11－5.1K，R17－100K(微調(diào)電位器)，R10－1K(微調(diào)電位器)，C1－1000P，C2－1μ／25V，C3－0.01μ本實用新型的第二實施例是通用輸入電流源與跟蹤輸出型電壓傳感器(如圖3與圖5所示)，在主電路輸出端(V0)接入電流源輸出變換器，有關(guān)元件型號參數(shù)選取如下F9、F10為一雙運放－TL082，R31－500Ω，R27、R28－1K，R29、R30－10K，其余有關(guān)措施與元件選取和第一實施例同。其電流源輸入負(fù)載可與V0共地，RL可以從0至6.8KΩ選取，可用于高精度遠(yuǎn)距離傳送信號。
本實用新型的第三實施例為交流輸入直流與跟蹤輸出型電流傳感器(如圖3與圖4所示)，在主電路中取消C0的短接線，其輸出端(V0)接入直流電壓輸出變換器，并將Ri2、R10短路，補償隔離通道的元件可不裝。若已知被測電流的額定值Ii為5A，則取Ri1＝0.01Ω，有關(guān)元件選取如下F6、F7、F8為TL084四運放集成電路，C0－47μ，D2～D5－1N4148，R21、R22、R23－10K，R24、R25－51K，R26－100K，C4－1μ，C5－0.22μ，其余有關(guān)措施與元件選取和第一實施例同。
本實用新型與現(xiàn)有產(chǎn)品相比，具有如下優(yōu)點1、消除了電磁互感原理存在的頻率特性和磁滯特性影響，因而，(1)提高了線性檢測精度，本實用新型的非線性誤差≤0.1％，遠(yuǎn)優(yōu)于目前0.5級互感器、電量變送器和霍爾傳感器；(2)展寬了線性檢測范圍，本實用新型的線性檢測范圍0～120％輸入額定值，而互感器為80～120％，霍爾傳感器和國產(chǎn)變送器為10～120％；(3)展寬和提高了輸入頻率響應(yīng)范圍，本實用新型的輸入帶寬為0(直流)～50KHZ，頻止響應(yīng)頻率為130KHZ，不失真頻響為0～5KHZ，還可響應(yīng)脈沖信號，而互感器和電量變送器的頻響為50±2HZ。
2、與現(xiàn)有電量檢測器件相比，具有更高的可靠性和更強的抗干擾能力。
3、在直流輸出型傳感器中除有直流信號輸出外，同時具有高速跟蹤電壓輸出接口，不但滿足了直流儀表、A／D轉(zhuǎn)換器要求直流輸出的需要，而且也滿足了新型監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理要求高速采樣的需要(目前的電量檢測產(chǎn)品，變送器只有直流輸出，互感器和霍爾傳感器只有交流輸出)。直流輸出信號的響應(yīng)時間≤100ms，輸出電壓V0和輸出電流I0的延遲時間≤3μs。
4、功耗低，僅有0.3～0.5W，國內(nèi)變送器，平均為3VA，LEM傳感器為3W～6W。
5、體積小，僅為60×45×22(mm)3，是目前同類架裝變送器的1／50，可像元件一樣直接焊裝在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的電路板上。
6、功能完善，使用方便，如LEM霍爾傳感器在使用中還需外接精密輸出采樣電阻，對于電壓傳感器還須外接大功率輸入限流電阻。
7、成本低，平均售價為120元／只，我國BS系列交流變送器0.5級售價為275元／只，直流變送器0.5級為550元／只，LEM公司LV100型電壓傳感器售價為685元／只。
權(quán)利要求1.一種光電耦合式微型電量傳感器，包括傳感器外殼1、印制電路板部件2、輸入輸出接口3，主電路由輸入采樣器4、隔離放大器5和電源隔離變換器11組成，整個電路共同焊裝在一塊小型印制板上，然后裝入外殼加以密封，外殼采用高強度ABS塑料制成，外殼一側(cè)裝有一組專用小型插針，將所有接口引出殼外，傳感器可直接安裝在系統(tǒng)的印制板上，輸入采樣器由電阻Ri1和Ri2組成，本實用新型的特征在于，隔離放大器由前置放大器6、偏置電路7、信號隔離通道8、補償隔離通道9、差動放大器10組成；前置放大器有運放F1和電阻R1～R4，其輸入端與采樣器輸出相連接；偏置電路采用了共點偏置補償方法，由電阻R6與R7串聯(lián)形成分壓電路，對電源E2分壓，提供偏置電壓Vp，其輸出分別連到F1和F3的正輸入端；信號隔離通道包括運放F2、光耦器GD1和電阻R5、R9，其F2的正輸入端與F1輸出相連接，F(xiàn)2的輸出與GD1的輸入級--發(fā)光二極管的正極連接，其負(fù)極反饋至F2的負(fù)輸入端，同時經(jīng)R5接E2負(fù)極，GD1的輸出回路是-光敏晶體管，其發(fā)射極通過R9接地，構(gòu)成一射級輸出器；補償隔離通道由運放F3、光耦器GD2和電阻R8、R10組成，其電路連接與信號隔離通道完全一樣，為保證良好的補償性能，應(yīng)使這部分電路的特性參數(shù)與信號隔離通道完全一致；差動放大器由運放F4和電阻R11～R17、熱敏電阻RT組成，RT與可調(diào)電阻R17串聯(lián)后的一端連于串聯(lián)電阻R13與R14之間，另一端連于串聯(lián)電阻R15與R16之間，差動放大器的負(fù)輸入端經(jīng)R11(C0短接)接信號通道的輸出，正輸入端經(jīng)R12接補償通道的輸出；電源隔離變換器由方波振蕩器13、隔離變壓器(B)14和整流穩(wěn)壓器15組成，方波振蕩器由運放F5、電阻R18、R19、R20和電容C1構(gòu)成，在隔離變壓器B磁芯上繞有兩個彼此絕緣的線圈N1和N2，N1為變壓器的初級，與振蕩器的輸出直接相連，N2為次級，經(jīng)二極管D1整流后，再經(jīng)過三端穩(wěn)壓器WY穩(wěn)壓后輸出，成為隔離電源E2，C2、C3為濾波電容。
2.如權(quán)利要求1所述的光電耦合式微型電量傳感器，特征是電路中增加一個輸出變換器12，主電路的輸出端(V0)接入輸出變換器，輸出變換器有兩種形式的電路(1) 直流電壓輸出變換器，由兩個參數(shù)相同的半波整流電路并接而成的絕對值電路(F6、F7、D2～D5、R21～R23)和二階濾波器(F8、C4、C5、R24～R26)組成；(2) 電流源輸出變換器，由運放F9、F10、電阻R27～R31組成。
3.如權(quán)利要求1、2所述的光電耦合式微型電量傳感器，特征是隔離變壓器B選用GU14鐵氧體罐形磁芯，線圈用φ0.1mm高強度漆包線，N1為100匝，N2為120匝，經(jīng)浸漆處理，外部電源電壓±E1為±12V～±16V。
專利摘要一種涉及光電耦合原理并通過多種補償手段和特殊電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的光電耦合式微型電量傳感器，可用于直流、交流正弦、脈沖等各種電量的隔離檢測，尤其適用于與計算機相配合的檢測場合。該傳感器由光電耦合主補通道、差動放大器、輸出變換器、電源隔離變換器組成，整個電路裝在一塊火柴盒大的外殼中。因而產(chǎn)品體積小、功耗低、線性精度好、動態(tài)特性優(yōu)良、成本低、穩(wěn)定度高，可廣泛用于電力系統(tǒng)電氣傳動系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)中。
文檔編號G01R15/00GK2099979SQ91214730
公開日1992年3月25日 申請日期1991年7月17日 優(yōu)先權(quán)日1991年7月17日
發(fā)明者阮賜元 申請人:機械電子工業(yè)部第五八研究所