CN107228970A - 双光耦镜像直流电压传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电压测量传感器。一种双光耦镜像直流电压传感器，包括被检测高电压信号输入端、镜像电流控制电路以及检测信号输出端，镜像电流控制电路由电参数相同的两个光耦、电压比较器、低通滤波器构成；第一个光耦的输入端通过连接待测直流高压电源正极，输出端通过上拉电阻R2连接电压比较器的反相输入端；电压比较器的输出端连接低通滤波电路，低通滤波电路输出连接第二个光耦的输入端；第二个光耦的输出经过上拉电阻R3连接电压比较器的同相输入端；由所述低通滤波电路引出电压传感器的输出信号；电阻R2、R3阻值相等。本发明实现了电器设备中低压系统对设备高压电源端的电压检测，温漂小、精度高、高压端与低压系统完全隔离。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流电压传感器，尤其是涉及一种利用低压系统实现高压电源电压精确测量的电压检测传感器。
背景技术
电压检测系统工作在低压电源系统中，为了对电器设备的电源高压端进行检测、远程监视和控制，常利用变压器、互感器或磁效应传感器作为高电压变送器、传感器或电压耦合器，由于受功率和变比限制，传统的电压传感器体积大，存在电压检测范围低，且容易受温度、磁路、工作环境变化影响，测量精度低、温度漂移等缺陷。功能性光纤电压传感器价格昂贵、体积大，存在温漂现象，不能满足一般电器设备的供电电源部分高电压检测要求。
在开关电源系统中，电压检测采用单只线性光耦实现高压端对低压端的反馈，并利用稳压器件达到电源电压稳定输出目的。由于不存在同等条件下的参照比较，反馈电压具有波动，不能作为测量系统的电压传感检测电路。
电压传感器或变送器多采用电磁变换传输技术，体积大，精度低，测量电压范围低；采用功能光纤技术的电压传感器，成本高，并且也存在温度影响。以上电压传感器体积大，不能作为一个器件直接设计并应用到低压控制系统中。
发明内容
本发明针对现有技术不足，提出了一种双光耦镜像直流电压传感器，实现了高压与低压系统隔离，利用低压系统实现对高压电源的电压精确测量。
采用双光耦镜像传感技术，利用两个参数相同的光耦在相同环境下对高电压检测，经过信号处理得到一个与检测高压比例变化的低压信号，实现高压与低压隔离，实现电器设备电源高压端的检测，具有成本低、电压测量范围宽、精度高、线性度高、体积小、温漂小等特点。
本发明所采用的技术方案：
一种双光耦镜像直流电压传感器，包括被待测高电压信号输入端、镜像电流控制电路以及检测信号输出端，待测高电压信号与检测信号输出端之间完全隔离，所述镜像电流控制电路由电参数相同的两个光耦、电压比较器A、低通滤波器构成，工作中镜像电流控制电路保证两个光耦的输出端的电流相等；第一个光耦OP1的输入端通过电阻R1连接待测直流高压电源正极，输出端通过上拉电阻R2连接电压比较器的反相输入端；所述电压比较器的输出端连接一低通滤波电路，所述低通滤波电路输出同时连接第二个光耦OP2的输入端；第二个光耦OP2的输出经过上拉电阻R3连接电压比较器的同相输入端；由所述低通滤波电路引出电压传感器的输出信号；所述电阻R2、R3电阻值相等。
所述的双光耦镜像直流电压传感器，所述低通滤波电路由电阻R4、R5及电容C1组成，电压比较器输出端通过电阻R4及电容C1接地，电阻R4及电容C1的节点为检测信号输出端，电阻R4及电容C1的节点同时通过电阻R5接第二光耦OP2的输入端。
本发明的有益效果：
1、本发明双光耦镜像直流电压传感器，解决了目前电器设备电源电压检测困难、精度低等一系列技术难题。本发明基于光隔离镜像直流电压传感器，利用两个参数相同的光耦在相同环境下对高电压检测，经过信号处理可以得到一个与检测高压比例变化的低压信号，实现电器设备电源高压端的检测，具有成本低、电压测量范围宽、线性度高、体积小、不受温度影响等特点。
2、本发明双光耦镜像直流电压传感器，结构简单，设计合理，应用广泛。采用参数相同的双光耦进行高压和低压分离，通过比较和镜像电流控制，传感器能够输出一个与被检测高压变化一致、一定比例的低电压。由于采用相同电参数的两个光耦和镜像电流控制技术，消除了光耦的温漂现象，检测电路受环境温度影响小，因此具有较高的精度，可以广泛应用于电器设备中的高压电电源监测。
3、本发明双光耦镜像直流电压传感器，重量轻、体积小、成本低；电压检测范围宽、线性度好、温度影响小、精度高等优点，可以做成电路模块或直接在系统开发和设计中应用。现有光纤电压传感器采用电致伸缩元件，通过光纤的折射率检测得到被测量电压的变化，由于容易体积受到温度和环境影响，精度低、并且结构复杂成本高，目前仍停留在研究阶段。
附图说明
图1是本发明双光耦镜像直流电压传感器电路原理图；
图2是本发明双光耦镜像直流电压传感器低通滤波器原理图；
图3实施例4双光耦镜像直流电压传感器表1拟合曲线；
图4实施例4双光耦镜像直流电压传感器表2拟合曲线。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
参见图1，本发明双光耦镜像直流电压传感器，包括被检测高电压信号输入端、镜像电流控制电路以及检测信号输出端，所述镜像电流控制电路由电参数相同的两个光耦(光耦OP1、OP2组成双光耦)、电压比较器A、低通滤波器构成；工作中，所述镜像电流控制电路保证两个光耦的输出端的电流相等；第一个光耦OP1的输入端通过电阻R1连接待测直流高压电源正极，输出端通过上拉电阻R2连接电压比较器的反相输入端；所述电压比较器的输出端连接一低通滤波电路，所述低通滤波电路输出同时连接第二个光耦OP2的输入端；第二个光耦OP2的输出经过上拉电阻R3连接电压比较器的同相输入端；由所述低通滤波电路引出电压传感器的输出信号；所述电阻R2、R3电阻值相等。本发明实现了高压与低压系统隔离，利用低压系统实现对高压电源的电压精确测量。
实施例2
参见图1，本实施例的双光耦镜像直流电压传感器，与实施例1的不同之处在于：所述低通滤波电路由电阻R4、R5及电容C1组成，电压比较器输出端通过电阻R4及电容C1接地，电阻R4及电容C1的节点为检测信号输出端，电阻R4及电容C1的节点同时通过电阻R5接第二光耦OP2的电源输入端。
实施例3
如图1所示，本实施例的双光耦镜像直流电压传感器，光耦OP1和OP2具有相同参数，R2＝R3，A为运算放大器，在此用作电压比较。当有Vi输入时，Vi经R1限流，光耦OP1中的LED获得电流ID1导通，OP1中的光电三极管的集电极有电流IC1，IC1＝kID1，其中k为光耦电流转换系数。U-＝VCC–IC1*R1。
此时，如果U+大于U-时，VO1增加，ID2增加，经光耦光电转换后，IC1增加，引起U+下降，当U+小于U-时，VO1减少，同理引起U+上升，最终使电路达到稳态，此时U+＝U-，ID1＝ID2。则
光耦OP1和OP2具有相同参数VD1＝VD2＝VD，整理得
光耦的ID1在一定范围内变化时，VD可视为常数，令K1＝R1/R5，K2＝(R1-R5)*VD/R5，
则式(2)可以变形为
Vi＝K1Vo-K2或
式子(3)表明Vo与Vi具有线性关系，取合适R1和R5可以确定K1和K2，已知Vo根据式(3)就可以确定Vi的值。
Vi变化引起Vo变化，电路进入稳态的过程为传感器响应过程，与光耦、运放延迟和以及R4、R5、C1、OP2的LED组成的低通滤波器时间常数有关。低通滤波器见图2所示，根据基尔霍夫电路节点电流定律有
求微分方程，得延时时间
本发明双光耦镜像直流电压传感器的主要参数计算
Vi最大值Vimax。设运算放大器的最大输出电压为VOM，电路稳态时Vo不变，则ID2＝(Vom–Vo)/R4＝Vo/R5，则
由式(2)、(4)得Vi最大达值
Vi最小值。IC1大于等于零时Vi最为小值，由于电路工作基于光耦OP2是OP1的镜像，则Vo必须大于等于VD，则
Vimin＝K1VD-K2 (6)
温漂与系统误差分析。由于电路中光耦OP2是OP1的镜像，IC1和IC2受温度影响变化一致，U+和U-受温度影响也变化一致，VO输出只与U+和U-差值有关，因此Vo与Vi关系受温度影响主要取决于运算放大器自身的失调电压的温度系数。设运算放大器失调温漂为TCVOS，某温度下最大失调为VOSMAX，Vi最大系统则系统误差为
ΔV＝K1VOSMAX-K2 (10)
实施例4
参见图1，本实施例的双光耦镜像直流电压传感器，与实施例3不同的是，光耦采用TLP521-1，运放为LM324。为选取两个参数基本一致的光耦，采用图1测试电路，图中R1＝4.7kΩ，R2＝R3＝2.2kΩ，Vcc＝+12V。测量Vo1和Vo2，当Vo1＝Vo2时，即可视为OP1和OP2参数一致。
室温25摄氏度，取R1＝99.85kΩ/2W，R2＝R3＝2209Ω，R4＝R5＝505.6Ω，C1＝1uf，Vcc＝+12V，设VD＝1.2V，数值代入式(3)，则
Vi＝108.892Vo-107.692 (11)
实际测试数据见表1所示，最低检测电压34V，最高检测电压350V，存在系统误差和测量误差。图3为表1拟合曲线。
表1实验测量与理论值对照表
| Vo2测量值(V) | Vi测量值(V) | 理论值(V) | 误差 |
| 1.3297 | 35.7 | 37.10169 | 1.401692 |
| 1.434 | 46.4 | 48.45913 | 2.059128 |
| 1.5246 | 57.6 | 58.32474 | 0.724743 |
| 1.729 | 79.8 | 80.58227 | 0.782268 |
| 1.846 | 93.4 | 93.32263 | -0.07737 |
| 1.914 | 99.9 | 100.5273 | 0.527288 |
| 2.052 | 114.9 | 115.5544 | 0.554384 |
| 2.222 | 134.8 | 134.266 | -0.53398 |
| 2.444 | 157.8 | 158.24 | 0.440048 |
| 2.698 | 186.4 | 186.0986 | -0.30138 |
| 2.851 | 202.6 | 202.7591 | 0.159092 |
| 3.048 | 224 | 224.2108 | 0.210816 |
| 3.171 | 237 | 237.6045 | 0.604532 |
| 3.348 | 257 | 256.8784 | -0.12158 |
| 3.51 | 275 | 274.5189 | -0.48108 |
| 3.674 | 293 | 292.3772 | -0.62279 |
| 3.845 | 312 | 310.9977 | -1.00226 |
| 3.968 | 326 | 324.3915 | -1.60854 |
| 4.103 | 342 | 339.0919 | -2.90812 |
取50V到300V之间数据见表2，更接近理论值，拟合曲线见图4所示。
表2取中间有效值
| Vo2测量值(V) | Vi测量值(V) |
| 1.5246 | 57.6 |
| 1.729 | 79.8 |
| 1.846 | 93.4 |
| 1.914 | 99.9 |
| 2.052 | 114.9 |
| 2.222 | 134.8 |
| 2.444 | 157.8 |
| 2.698 | 186.4 |
| 2.851 | 202.6 |
| 3.048 | 224 |
| 3.171 | 237 |
| 3.348 | 257 |
| 3.51 | 275 |
| 3.674 | 293 |
传感器主要参数如下：
1.测量电压范围：50～300V；
2.输出电压范围：0～5V；
3.传感器变比：Vi＝109Vo-108；
4.测量误差：小于1V；
5.延时时间：小于100ms；
6.隔离度：与光耦相同参数，大于2500V。
本发明基于光隔离镜像直流电压传感器，利用两个参数相同的光耦在相同环境下经过信号处理可以得到一个与检测高压比例变化的低压信号，从而实现低压控制系统对电器设备的电源高压端实时检测，如电器设备中的单片机控制系统对设备交流220V供电电源部分的直流高压检测。具有成本低、电压测量范围宽、线性度高、体积小、不受温度影响等特点。解决了目前电器设备电源电压检测困难、精度低等一系列技术难题。由于电压传感器是电器设备不可缺少的器件，因此应用十分广泛。
Claims (4)
1.一种双光耦镜像直流电压传感器，包括被待测高电压信号输入端、镜像电流控制电路以及检测信号输出端，其特征在于：所述镜像电流控制电路由电参数相同的两个光耦、电压比较器A、低通滤波器构成；第一个光耦OP1的输入端通过电阻R1连接待测直流高压电源正极，输出端通过上拉电阻R2连接电压比较器的反相输入端；所述电压比较器的输出端连接一低通滤波电路，所述低通滤波电路输出同时连接第二个光耦OP2的输入端；第二个光耦OP2的输出经过上拉电阻R3连接电压比较器的同相输入端；由所述低通滤波电路引出电压传感器的输出信号；所述电阻R2、R3电阻值相等。
2.根据权利要求1所述的双光耦镜像直流电压传感器，其特征在于：所述低通滤波电路由电阻R4、R5及电容C1组成，电压比较器输出端通过电阻R4及电容C1接地，电阻R4及电容C1的节点为检测信号输出端，电阻R4及电容C1的节点同时通过电阻R5接第二光耦OP2的输入端。
3.根据权利要求2所述的双光耦镜像直流电压传感器，其特征在于：实现输入高电压检测的计算过程如下：
光耦OP1和OP2具有相同参数，R2＝R3，A为电压比较器，当有Vi输入时，Vi经R1限流，光耦OP1中的LED获得电流ID1导通，OP1中的光电三极管的集电极有电流IC1，IC1＝k ID1，其中k为光耦电流转换系数，则
U-＝VCC–IC1*R1
此时，如果U+大于U-时，VO1增加，ID2增加，经光耦光电转换后，IC1增加，引起U+下降，当U+小于U-时，VO1减少，同理引起U+上升，最终使电路达到稳态，此时U+＝U-，ID1＝ID2，达到镜像状态，则
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光耦OP1和OP2具有相同参数，VD1＝VD2＝VD，整理得
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光耦的ID1在一定范围内变化时，VD可视为常数，令K1＝R1/R5，K2＝(R1-R5)*VD/R5，
则式(2)可以变形为
Vi＝K1Vo-K2或
式子(3)表明Vo与Vi具有线性关系，取合适R1和R5可以确定K1和K2，已知Vo根据式(3)就可以确定Vi的值。
4.根据权利要求3所述的双光耦镜像直流电压传感器，其特征在于：Vi变化引起Vo变化，电路进入稳态的过程为传感器响应过程，与光耦、运放延迟和以及R4、R5、C1、OP2的LED组成的低通滤波器时间常数有关，根据基尔霍夫电路节点电流定律有
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Non-Patent Citations (1)
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