光电耦合式微型电量传感器制造技术

一种涉及光电耦合原理并通过多种补偿手段和特殊电路结构实现的光电耦合式微型电量传感器，可用于直流、交流正弦、脉冲等各种电量的隔离检测，尤其适用于与计算机相配合的检测场合。该传感器由光电耦合主补通道、差动放大器、输出变换器、电源隔离变换器组成，整个电路装在一块火柴盒大的外壳中。因而产品体积小、功耗低、线性精度好、动态特性优良、成本低、稳定度高，可广泛用于电力系统电气传动系统和自动控制系统中。（*该技术在2001年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种用于电力系统、电力传动系统、电气自动控制系统中对电流、电压等电量进行完全隔离检测的光电耦合式微型电量传感器，这种传感器既可检测交流正弦电量，也可检测直流和脉冲等非正弦电量。在各种电力系统、电气传动和自动控制系统中，必须对电网或电路的电流、电压等电量进行实时检测。这种检测，一般说来，既需要在电气上能隔离电位，又要求在测量范围内具有满意的线性精度和动态特性。随着电力技术、电气传动技术、自动控制技术的发展，特别是计算机在这些领域中广泛深入的应用，对电量的检测要求越来越高不仅要有高的精度，而且在整个测量范围内要有好的线性度；不但对某个频率下的电量能进行检测，而且要能对频率变化的电量进行实时检测；不仅能检测正弦电量，而且也能检测直流、脉冲等非正弦电量；不但有好的静态特性，而且要具有实时性好、响应快、跟踪速度高等优良的动态特性，以满足计算机检测控制系统的要求。目前、在电力检测中，主要采用三种器件交流互感器、电量变送器和霍尔电量传感器。交流互感器主要有电流互感器和电压互感器两种，是至今在电力检测中用量仍为最大的传统检测手段。其结构是在铁芯上缠绕着一、二次线圈，采用电磁互感原理制成。该器件结构简单、可靠性高，但明显存在以下缺点形体大、线性度范围窄、一二次回路负载变化明显影响检测精度、功耗大、动态性能差、不能响应直流电量、输出不能直接与A／D转换器或数显表匹配等。由于电力监测与远动系统的需要，五十年代后出现了电量变送器，该变送器的目的是对电力线路与控制设备进行电气隔离，并把各种电量变换成线性比例的直流电流或电压，以实现巡回检测和电网调度的自动化、数据集中采集等。传统的电量变送器由互感器加整流电路构成，精度低。八十年代后出现了一些结构较新的产品，如我国南京电力自动化设备厂的BS系列电量变送器就是其中一种，它由分流／分压、隔离放大、检波输出三部分组成，隔离放大部分采用的是调制型隔离放大器，这类产品的不足之处在于(1)输出响应速度慢，跟踪输出延迟时间较长，不适合高速数据采集用；(2)由于采用了架装结构，因而体积较大；(3)成本较高；(4)功耗大；(5)只适用于工频50HZ的正弦电量测量，不适合对非正弦(或频率变化的)电量进行测量。霍尔电量传感器是近几年来出现的一种高速电量检测器，例如瑞士LEM公司生产的LEM电量传感器模块，可用于检测电路中各种正弦和非正弦电量，LEM模块采用了霍尔效应和磁补偿原理，由聚磁环、霍尔器件、原次级线圈、放大电路等组成。该模块结构简单、动态性能优良、体积亦小，但仍存在以下缺点(1)不适用于检测小量程范围的电量；(2) 使用不便，需外接大功率精密采样电阻或限流电阻；(3) 功耗大；(4) 受电磁干扰和温度影响；(5) 价格昂贵。本技术的目的在于克服上述现有产品的缺点和不足之处，从而提供一种体积小巧、安装使用方便、功耗极低、线性精度和动态特性优良、适合测量或跟踪各种波形电量的微型传感器，它不仅能用于电力系统中各种电量的完全隔离检测，代替现有广泛使用的各种互感器和电流电压变送器，而且还可作为各种电力传动系统和自动控制系统中各种波形电量的检测器件，特别适合与微机配合进行计算机高速自动数据采集、自动监控与自动控制，满足电力系统管理现代化和各种电力传动系统、自动控制系统对电量检测的要求。为达上述目的，本技术的技术方案是，包括传感器外壳1、印制电路板部件2、输入输出接口3(见图1)，主电路由输入采样器4、隔离放大器5和电源隔离变换器11组成，整个电路共同焊装在一块小型印制板上，然后装入外壳加以密封，外壳采用高强度ABS塑料制成，外壳一侧装有一组专用小型插针，将所有接口引出壳外，传感器可直接安装在系统的印制板上，输入采样器由电阻Ri1和Ri2组成。本技术的特征在于，隔离放大器由前置放大器6、偏置电路7、信号隔离通道8、补偿隔离通道9、差动放大器10组成(见图2、3)，前置放大器有运放F1和电阻R1～R4，其输入端与采样器输出相连接；偏置电路采用了共点偏置补偿方法，由电阻R6与R7串联形成分压电路，对电源E2分压，提供偏置电压Vp，其输出分别连到F1和F3的正输入端；信号隔离通道包括运放F2、光耦器GD1和电阻R5、R9，其F2的正输入端与F1输出相连接，F2的输出与GD1的输入级－－发光二极管的正极连接，其负极反馈至F2的负输入端，同时经R5接E2负极，GD1的输出回路是一光敏晶体管，其发射极通过R9接地，构成一射级输出器；补偿隔离通道由运放F3、光耦器GD2和电阻R8、R10组成，其电路连接与信号隔离通道完全一样，为保证良好的补偿性能，应使这部分电路的特性参数与信号隔离通道完全一致；差动放大器由运放F4和电阻R11～R17、热敏电阻RT组成，RT与可调电阻R17串联后的一端连于串联电阻R13与R14之间，另一端连于串联电阻R15与R16之间，差动放大器的负输入端经R11(C0短接)接信号通道的输出(即V－＝Vs3＋Vd1)，正输入端经R12接补偿通道的输出(即V＋＝Vd2)；电源隔离变换器由方波振荡器13、隔离变压器(B)14和整流稳压器15组成(见图3)，方波振荡器由运放F5、电阻R18、R19、R20和电容C1构成，在隔离变压器B磁芯上绕有两个彼此绝缘的线圈N1和N2、N1为变压器的初级，与振荡器的输出直接相连，N2为次级，经二极管D1整流后，再经过三端稳压器WY稳压后输出，成为隔离电源E2，C2、C3为滤波电容。本技术的基本原理是，外界来的输入信号Vi(或Ii)经输入采样器分压(或分流)得到Vs1，Vs1输入隔离放大器的前置放大器，经前置放大得到Vs2，同时由偏置电路提供的偏置电压Vp输入前置放大器，这时对Vp而言，前置放大器仅为一电压跟随器无放大作用，偏置电压Vp的作用是为了取得最佳工作点。信号隔离通道将前置放大器来的输出信号(Vs2＋Vp)经V－I转换成GD1的驱动电流ID1，ID1的大小可由R5标定，(Vs2＋Vp)经信号隔离通道耦合，由GD1的射极输出(Vs3＋Vd1)，偏置电压Vp同时又输入补偿隔离通道，经V－I变换成ID2，由GD2的射级输出Vd2，由于两通道电路的对称和直流参数的一致，Vd1＝Vd2，因此补偿隔离通道的作用是提供一个与Vd1完全相同的直流信号Vd2，以完全补偿信号通道中的直流偏置分量Vd1(若Vd1≠Vd2，可通过R10调节，故R10又称调零电阻)。隔离放大器的输出级是一放大倍数可调的差动放大器，来自信号隔离通道和补偿隔离通道的输出信号分别进入正、负输入端，根据差动放大器的原理，两通道的共模直流分量Vd1与Vd2被抑制，而只有从采样来的信号分量Vs3才被放大，其输出为V0＝－KVs3，放大倍数K可通过调节电阻R17调节，称变比调节，与传统的差动放大器不同的是，放大倍数的调节不设在负反馈回路里，其好处是在调节R17改变放大倍数时不会影响放大器的共模抑制特性(即不影响调零)，将热敏电阻RT放在变比调节支路上，使其在补偿放大器的温度特性时也不致带来零点漂移。电源隔离变换器由F5组成的自激振荡器产生自激振荡，将具有f0振荡频率的方波信号(f0＝1／R18C1)，经变压器B耦合，再经整流滤波稳压得到E2，为隔离放大器输入电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光电耦合式微型电量传感器，包括传感器外壳１、印制电路板部件２、输入输出接口３，主电路由输入采样器４、隔离放大器５和电源隔离变换器１１组成，整个电路共同焊装在一块小型印制板上，然后装入外壳加以密封，外壳采用高强度ＡＢＳ塑料制成，外壳一侧装有一组专用小型插针，将所有接口引出壳外，传感器可直接安装在系统的印制板上，输入采样器由电阻Ｒｉ↓［１］和Ｒｉ↓［２］组成，本实用新型的特征在于，隔离放大器由前置放大器６、偏置电路７、信号隔离通道８、补偿隔离通道９、差动放大器１０组成；前置放大器有运放Ｆ↓［１］和电阻Ｒ↓［１］～Ｒ↓［４］，其输入端与采样器输出相连接；偏置电路采用了共点偏置补偿方法，由电阻Ｒ↓［６］与Ｒ↓［７］串联形成分压电路，对电源Ｅ↓［２］分压，提供偏置电压Ｖ↓［ｐ］，其输出分别连到Ｆ↓［１］和Ｆ↓［３］的正输入端；信号隔离通道包括运放Ｆ↓［２］、光耦器ＧＤ↓［１］和电阻Ｒ↓［５］、Ｒ↓［９］，其Ｆ↓［２］的正输入端与Ｆ↓［１］输出相连接，Ｆ↓［２］的输出与ＧＤ↓［１］的输入级－－发光二极管的正极连接，其负极反馈至Ｆ↓［２］的负输入端，同时经Ｒ↓［５］接Ｅ↓［２］负极，ＧＤ↓［１］的输出回路是－光敏晶体管，其发射极通过Ｒ↓［９］接地，构成一射级输出器；补偿隔离通道由运放Ｆ↓［３］、光耦器ＧＤ↓［２］和电阻Ｒ↓［８］、Ｒ↓［１０］组成，其电路连接与信号隔离通道完全一样，为保证良好的补偿性能，应使这部分电路的特性参瘦与信号隔离通道完全一致；差动放大器由运放Ｆ↓［４］和电阻Ｒ↓［１１］～Ｒ↓［１７］、热敏电阻ＲＴ组成，ＲＴ与可调电阻Ｒ↓［１７］串联后的一端连于串联电阻Ｒ↓［１３］与Ｒ↓［１４］之间，另一端连于串联电阻Ｒ↓［１５］与Ｒ↓［１６］之间，差动放大器的负输入端经Ｒ↓［１１］（Ｃ↓［０］短接）接信号通道的输出，正输入端经Ｒ↓［１２］接补偿通道的输出；电源隔离变换器由方波振荡器１３、隔离变压器（Ｂ）１４和整流稳压器１５组成，方波振荡器由运放Ｆ↓［５］、电阻Ｒ↓［１８］、Ｒ↓［１９］、Ｒ↓［２０］和电容Ｃ↓［１］构成，在隔离变压器Ｂ磁芯上绕有两个彼此绝缘的线圈Ｎ↓［１］和Ｎ↓［２］，Ｎ↓［１］为变压器的初级，与振荡器的输出直接相连，Ｎ↓［２］为次级，经二极管Ｄ↓［１］整流后，再经过三端稳压器ＷＹ稳压后输出，成为隔离电源Ｅ↓［２］，Ｃ↓［２］、Ｃ↓［３］为滤波电容。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：阮赐元，
申请(专利权)人：机械电子工业部第五八研究所，
类型：实用新型
国别省市：51[中国|四川]