CN2099979U - 光电耦合式微型电量传感器 - Google Patents

Abstract

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。

Description

本实用新型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。

本实用新型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，本实用新型的技术方案是，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（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。

本实用新型的基本原理是，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I_D1，I_D1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I_D2，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路（F1、F2、F3）提供隔离电源E2。采用电源隔离变换器不但省去第二外电源，给使用带来很大的方便，而且在很多场合下（只能容许有一组外电源时）均可使用。GD1、GD2、F4、F5的电源±E1，由外部提供。

上述电路中将电容C0短接（如图3虚线所示），即构成通用输入跟踪输出型传感器，其输入（Vi／Ii）可响应从直流到50KHZ的交流电量或脉冲电量，其输出V0为高速跟踪电压信号。本实用新型的目的，还可以通过以下方案来实现：

若检测的对象是电流信号，则输入采样器将Ri2短路（即Ri2＝0），若规定采样器输出额定值为0.05V，则Ri1＝0.05／Ii；检测对象是电压，若规定采样器的输出额定值为0.05V，则Ri1与Ri2将通过如下关系确定：Ri1／（Ri1＋Ri2）＝0.05／Vi。输入采样器为内置式。

若仅检测交流信号，则只需将上述主电路作一变换，取消电容C0的短接线，恢复C0的隔直作用，并将电阻R12接E1地（不用补偿隔离通道），即可构成交流传感器电路。

在实际工作中，往往要求将被测电量变换成直流电压或电流源输出，这时只要在电路中增加一个输出变换器12，主电路的输出端（V0）接入输出变换器就可实现，输出变换器有两种形式的电路：（1）直流电压输出变换器（见图4），由两个参数相同的半波整流电路并接而成的绝对值电路（F6、F7、D2～D5、R21～R23）和二阶滤波器（F8、C4、C5、R24～R26）组成；（2）电流源输出变换器（见图5），由运放F9、F10、电阻R27～R31组成，RL为输出外接负载。

通过主电路的上述变换和与输出变换器电路的不同组合，可得到检测电压与电流的两大系列，6种类型，共12个品种的电量传感器。除（1）由短接C0的主电路构成的通用输入跟踪输出型传感器外，还有：（2）由短接C0的主电路和直流电压输出变换器组成通用输入直流与跟踪输出型传感器，既可输出跟踪电压信号V0，亦可输出直流电压信号Vz；（3）由短接C0的主电路和电流源输出变换器组成的通用输入电流源与跟踪输出型传感器，既可输出跟踪电压信号V0，亦可输出电流信号I0；（4）上述三种传感器的主电路改成只适合交流信号输入的交流传感器电路，则又派生出，交流输入跟踪输出型传感器，交流输入直流与跟踪输出型传感器、交流输入电流源与跟踪输出型传感器。

附图说明如下：

图1是传感器外形图。

图2是传感器原理框图。

图3是主电路图。

图4是直流电压输出变换器电路图。

图5是电流源输出变换器电路图。

图6是印制电路板部件元件安装图。

图7是传感器顶视图。

图8是传感器正视图。

图9是传感器侧视图。

图中的编号及符号说明如下：

1、传感器外壳；2、印制电路板部件；3、输入输出接口；4、输入采样器；5、隔离放大器；6、前置放大器；7、偏置电路；8、信号隔离通道；9、补偿隔离通道；10、差动放大器；11、电源隔离变换器；12、输出变换器；13、方波振荡器；14、隔离变压器B；15、整流稳压器；16、传感器零点调节孔；17、传感器变比调节孔。Ri1、Ri2－输入采样器分压／分流电阻，R1～R4－前置放大器电阻，R5、R8－I_D1、I_D2定标电阻，R6、R7－偏置电路分压电阻，R9－信号隔离通道射级输出电阻，R10－补偿隔离通道射级输出可调电阻（调零电阻），R11～R17－差动放大器电阻，R18～R20－方波振荡器电阻，R21～R23－绝对值变换电阻，R24～R26－二阶滤波器电阻，R27～R31－电流源输出变换器电阻，RT－负温系数热敏电阻，R_L－电流源负载电阻（外接），C0－交流耦合电容（通用输入型时，短接），C1－方波自激振荡电容，C2、C3－E2滤波电容，C4、C5－二阶滤波器电容，F1－前置放大器集成运放，F2、F3－V－I转换集成运放，F4－差动放大器集成运放，F5－自激振荡器集成运放，F6、F7－绝对值变换器集成运放，F8－二阶滤波器集成运放，F9、F10－电流源变换器集成运放，GD1、GD2－光电耦合器，WY－三端稳压器，D1～D5－二极管，±E1－外部电源，E2－内部隔离电源，Vi－外部输入电压信号，Ii－外部输入电流信号，V0－跟踪输出电压，I0－电流源输出电流，Vz－直流输出电压，JK1－传感器输入接口，其中①－同相输入端，②－反相输入端；JK2－传感器电源与输出接口，其中③－＋E1输入，④－－E1输入，⑤－GND（电源及输出的公共地端），⑥－V0（跟踪输出电压输出端），⑦－Vz（直流输出电压输出端），⑧－I0（电流源输出电流输出端）。

下面将通过实施例（结合附图）对本实用新型作进一步说明：

本实用新型的第一实施例是通用输入跟踪输出型电压传感器（如图3所示），电装时须将电容C0按图中虚线短接，其中隔离变压器B选用GU14铁氧体罐形磁芯，线圈用φ0.1mm高强度漆包线，N1为100匝，N2为120匝，经浸漆处理即可，当被测电压V1的额定值为100V时，Ri1＝500Ω，Ri2＝1M，Vp选取1／2E2，外部电源电压±E为±12V～±16V，所有元件焊装在一块印制板上，专用小型插针为CH系列：传感器调零与调变化，可通过零点调节孔16与变比调节孔17进行。其他主要元件的具体型号规格如下：F1与F2、F4与F5均为一双运放集成电路－TL082，F3－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（微调电位器），R10－1K（微调电位器），C1－1000P，C2－1μ／25V，C3－0.01μ

本实用新型的第二实施例是通用输入电流源与跟踪输出型电压传感器（如图3与图5所示），在主电路输出端（V0）接入电流源输出变换器，有关元件型号参数选取如下：F9、F10为一双运放－TL082，R31－500Ω，R27、R28－1K，R29、R30－10K，其余有关措施与元件选取和第一实施例同。其电流源输入负载可与V0共地，R_L可以从0至6.8KΩ选取，可用于高精度远距离传送信号。

本实用新型的第三实施例为交流输入直流与跟踪输出型电流传感器（如图3与图4所示），在主电路中取消C0的短接线，其输出端（V0）接入直流电压输出变换器，并将Ri2、R10短路，补偿隔离通道的元件可不装。若已知被测电流的额定值Ii为5A，则取Ri1＝0.01Ω，有关元件选取如下：F6、F7、F8为TL084四运放集成电路，C0－47μ，D2～D5－1N4148，R21、R22、R23－10K，R24、R25－51K，R26－100K，C4－1μ，C5－0.22μ，其余有关措施与元件选取和第一实施例同。

本实用新型与现有产品相比，具有如下优点：

1、消除了电磁互感原理存在的频率特性和磁滞特性影响，因而，（1）提高了线性检测精度，本实用新型的非线性误差≤0.1％，远优于目前0.5级互感器、电量变送器和霍尔传感器；（2）展宽了线性检测范围，本实用新型的线性检测范围0～120％输入额定值，而互感器为80～120％，霍尔传感器和国产变送器为10～120％；（3）展宽和提高了输入频率响应范围，本实用新型的输入带宽为0（直流）～50KHZ，频止响应频率为130KHZ，不失真频响为0～5KHZ，还可响应脉冲信号，而互感器和电量变送器的频响为50±2HZ。

2、与现有电量检测器件相比，具有更高的可靠性和更强的抗干扰能力。

3、在直流输出型传感器中除有直流信号输出外，同时具有高速跟踪电压输出接口，不但满足了直流仪表、A／D转换器要求直流输出的需要，而且也满足了新型监控系统数据处理要求高速采样的需要（目前的电量检测产品，变送器只有直流输出，互感器和霍尔传感器只有交流输出）。直流输出信号的响应时间≤100ms，输出电压V0和输出电流I0的延迟时间≤3μs。

4、功耗低，仅有0.3～0.5W，国内变送器，平均为3VA，LEM传感器为3W～6W。

5、体积小，仅为60×45×22（mm）³，是目前同类架装变送器的1／50，可像元件一样直接焊装在数据采集系统中的电路板上。

6、功能完善，使用方便，如LEM霍尔传感器在使用中还需外接精密输出采样电阻，对于电压传感器还须外接大功率输入限流电阻。

7、成本低，平均售价为120元／只，我国BS系列交流变送器0.5级售价为275元／只，直流变送器0.5级为550元／只，LEM公司LV100型电压传感器售价为685元／只。

Claims (3)

1、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Ri₁和Ri₂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V_p，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-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，正输入端经R₁₂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。

2、如权利要求1所述的光电耦合式微型电量传感器，特征是电路中增加一个输出变换器12，主电路的输出端（V0）接入输出变换器，输出变换器有两种形式的电路：（1）  直流电压输出变换器，由两个参数相同的半波整流电路并接而成的绝对值电路（F6、F7、D2～D5、R21～R23）和二阶滤波器（F8、C4、C5、R24～R26）组成；（2）  电流源输出变换器，由运放F9、F10、电阻R27～R31组成。

3、如权利要求1、2所述的光电耦合式微型电量传感器，特征是隔离变压器B选用GU14铁氧体罐形磁芯，线圈用φ0.1mm高强度漆包线，N1为100匝，N2为120匝，经浸漆处理，外部电源电压±E1为±12V～±16V。

Images