專利名稱：高隔離耐壓型雙向信號傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種信號傳感器，具體地說，是涉及一種高隔離耐壓型雙向信號傳感器。
背景技術：
眾所周知，在自動化檢測和控制領域中，待檢對象種類很多，在需要對高壓進行監測的場合待檢對象種類更是復雜多樣，如在軌道交通機車供電系統、風電、太陽能等重要的電源設備及監控系統中，都需要對系統中的電壓電流信號進行檢測，從而實現系統的自動調節和控制。目前市場上的信號隔離檢測產品最常用的有以下兩種原理1、磁調制解調原理通過斬波方式進行直流信號到交流信號的逆變，通過變壓器隔離后將信號還原成標準的直流輸出信號；2、光電隔離原理采用線性光電耦合器件，通過運放構成反饋閉環測量回路，完成信號的隔離變換。以上兩種原理中，雖然第一種的穩定性和精度均較高，然而其響應時間較慢，不能滿足實際需求；雖然第二種響應時間較快，抗干擾能力較強，但需要提供隔離電源；且這兩種方式都無法既滿足輸入與輸出之間的隔離耐壓為7. 5KVAC或8KVAC以上/分鐘，又能快速高精度實現信號隔離監測的技術要求，已經無法滿足如今高標準的控制系統技術要求。
發明內容
本發明的目的在于提供一種高隔離耐壓型雙向信號傳感器，主要解決現有技術中存在的信號隔離檢測產品不能滿足7. 5KVAC或8KVAC以上高隔離環境的控制系統技術要求的問題。為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下高隔離耐壓型雙向信號傳感器，包括電壓電流信號采集電路，輸入端通過兩個以上依次相連的信號隔離變換電路與電壓電流信號采集電路相連的信號輸出變換電路，所述信號隔離變換電路和信號輸出變換電路的輸入端均分別連接有DCDC高隔離電源模塊。作為優選，所述信號隔離變換電路為兩個，包括輸入端與電壓電流信號采集電路相連的第一級信號隔離變換電路，和輸入端與第一級信號隔離變換電路相連且輸出端與信號輸出變換電路相連的第二級信號隔離變換電路，所述第一級信號隔離變換電路的輸入端連接有第一 DCDC高隔離電源模塊；第二級信號隔離變換電路的輸入端連接有第二 DCDC高隔離電源模塊；信號輸出變換電路的輸入端連接有第三DCDC高隔離電源模塊，所述第二DCDC高隔離電源模塊和第三DCDC高隔離電源模塊的輸入端均連接有電源，第一 DCDC高隔離電源模塊的輸入端與第二 DCDC高隔離電源模塊相連。具體地說，所述第一級信號隔離變換電路包括反相輸入端與電壓電流信號采集電路相連的運算放大器T2，和與運算放大器T2的輸出端及反相輸入端均相連的光耦芯片Ul，連接于運算放大器T2的反相輸入端和輸出端之間的電容Cl，所述第一 DCDC高隔離電源模塊與運算放大器T2的反相輸入端相連；所述第二級信號隔離變換電路包括同相輸入端和反相輸入端均與光耦芯片Ul相連的運算放大器T3，反相輸入端與運算放大器T3的輸出端相連的運算放大器T4，與運算放大器T4的輸出端及反相輸入端均相連的光耦芯片U2，所述運算放大器T3的反相輸入端和輸出端之間還連接有相互并聯的電阻Rl、電容C2，所述第二D⑶C高隔離電源模塊與運算放大器T3的反相輸入端相連。其中，所述信號輸出變換電路包括與第二級信號隔離變換電路相連的輸出變換電路和與輸出變換電路相連的V/ι信號變換電路，所述第三DCDC高隔離電源模塊與V/I信號變換電路相連。進一步地，所述輸出變換電路包括同相輸入端和反相輸入端均與光耦芯片U2相連的運算放大器T5，同相輸入端與運算放大器T5的輸出端相連的運算放大器T6，所述運算放大器T5的反相輸入端和輸出端之間還連接有相互并聯的電阻R2、電容C3，所述運算放大器T6的反相輸入端和輸出端之間還連接有相互并聯的電阻R3、電容C4。更進一步地，所述V/I信號變換電路包括反相輸入端與運算放大器T6的輸出端相連的運算放大器T7，反相輸入端與運算放大器T7的輸出端相連的運算放大器T8，連接于運算放大器T7的反相輸入端與運算放大器T8的輸出端之間的電阻R4，所述第三DCDC高隔離電源模塊與運算放大器T7的反相輸入端相連。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果(I)本發明通過在電壓電流信號采集電路和信號輸出變換電路及電源之間設置信號隔離變換電路和DCDC高隔離電源模塊實現了高壓信號的可靠傳遞與變換，提高了信號傳遞的靈活性，大大降低了成本，減小了傳感器體積，從而有效降低了系統的檢測成本和設備造價，利于批量生產，適合大規模推廣應用。(2)本發明中，信號隔離與電源隔離分別采用了多級隔離技術，這樣的設置方式既保證了信號輸入、輸出端與電源之間的高電壓隔離，又保證了信號變換的精度，從而保證了高隔離信號線性檢測的正常進行，且經驗證了得知，響應時間在50us以內，應用效果十分良好。(3)本發明中，通過電壓電流信號采集電路、信號隔離變換電路、D⑶C高隔離電源模塊、信號輸出變換電路的相互配合，有效確保了線性光耦工作在最佳線性區內，避免了信號檢測死區的產生；在單電源的情況下也能輸出雙向電壓或雙向電流信號，且經驗證得知，檢測精度在O. 2%FS以內，應用效果十分良好。
圖1為本發明的系統框圖。圖2為本發明的電路原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明，本發明的實施方式包括但不限于下列實施例。實施例
為了解決現有技術中存在的信號隔離檢測產品不能滿足7. 5KVAC或8KVAC以上高隔離環境的控制系統技術要求由控制系統給傳感器提供+24V直流電源，直接對一次側的電壓電流信號進行測量，保障現場與控制系統的安全隔離，解決一次信號的高隔離、高精度和寬動態范圍的測量，以及信號匹配、產品功耗和體積等實際問題，為控制系統的可靠運行提供準確依據的問題，本發明公開了一種高隔離耐壓型雙向信號傳感器，其包括依次連接的電壓電流信號采集電路、信號隔離變換電路、信號輸出變換電路，信號隔離變換電路和信號輸出變換電路分別連接有DCDC高隔離電源模塊。為了充分確保高隔離與耐壓，在本發明中采用了多級隔離變換技術，即在電壓電流信號采集電路和信號輸出變換電路之間設置多級信號隔離變換電路，信號輸出變換電路和每級信號隔離變換電路均分別連接一 DCDC高隔離電源模塊，且各D⑶C高隔離電源模塊相互連接。如圖1所示，此為在電壓電流信號采集電路與信號輸出變換電路之間設置兩級信號隔離變換電路時的電路框圖，信號輸出變換電路的輸入端通過依次相連的第一級信號隔離變換電路、第二級信號隔離變換電路與電壓電流信號采集電路相連，第一級信號隔離變換電路的輸入端與第一 DCDC高隔離電源模塊相連；第二級信號隔離變換電路的輸入端與第二 DCDC高隔離電源模塊相連；信號輸出變換電路的輸入端與第三DCDC高隔離電源模塊相連，且第二 D⑶C高隔離電源模塊和第三D⑶C高隔離電源模塊的輸入端均與電源相連，第一 DCDC高隔離電源模塊的輸入端與第二 DCDC高隔離電源模塊相連。本發明中，采用+24V的單向直流電源作為電源；信號的線性隔離變換電路采用DCDC高隔離單向電源模塊供電，輸出電路采用DCDC高隔離雙向電源模塊供電。經驗證得知，通過使用本發明，能夠完成具有10KVAC高隔離耐壓的信號線性隔離變換，通過多級變換與隔離，既保證了輸入、輸出與電源之間的高電壓隔離，又保證了信號變換的精度，而且響應時間快，可以輸出單向或雙向直流電壓或電流信號，能夠輸出的信號包括±20mA/4 20mA ; ± 5V/ ± IOV 等，本發明支持的輸入信號包括 DC土 20mV/ 土 90mV/ 土 150mV/ 土 300mV/ 土500mV/ 土 IV/ ± IOV/ 土 1000V 等。本發明中，信號輸出變換電路包括與第二級信號隔離變換電路相連的輸出變換電路和與輸出變換電路相連的V/ι信號變換電路，所述第三DCDC高隔離電源模塊與V/I信號變換電路相連。如圖2所示，第一級信號隔離變換電路包括反相輸入端與電壓電流信號采集電路相連的運算放大器T2，和與運算放大器T2的輸出端及反相輸入端均相連的光耦芯片Ul，連接于運算放大器T2的反相輸入端和輸出端之間的電容Cl，所述第一 DCDC高隔離電源模塊與運算放大器T2的反相輸入端相連；所述第二級信號隔離變換電路包括同相輸入端和反相輸入端均與光耦芯片Ul相連的運算放大器T3，反相輸入端與運算放大器T3的輸出端相連的運算放大器T4，與運算放大器T4的輸出端及反相輸入端均相連的光耦芯片U2，所述運算放大器T3的反相輸入端和輸出端之間還連接有相互并聯的電阻R1、電容C2，所述第二DCDC高隔離電源模塊與運算放大器T3的反相輸入端相連；輸出變換電路包括同相輸入端和反相輸入端均與光稱芯片U2相連的運算放大器T5,同相輸入端與運算放大器T5的輸出端相連的運算放大器T6，所述運算放大器T5的反相輸入端和輸出端之間還連接有相互并聯的電阻R2、電容C3，所述運算放大器T6的反相輸入端和輸出端之間還連接有相互并聯的電阻R3、電容C4 ；V/I信號變換電路包括反相輸入端與運算放大器T6的輸出端相連的運算放大器T7，反相輸入端與運算放大器Τ7的輸出端相連的運算放大器Τ8，連接于運算放大器Τ7的反相輸入端與運算放大器Τ8的輸出端之間的電阻R4，所述第三DCDC高隔離電源模塊與運算放大器Τ7的反相輸入端相連。作為優選，本發明中，電壓電流信號采集電路包括輸出端與運算放大器Τ2的反相輸入端相連的運算放大器Tl，該運算放大器Tl的反相輸入端和輸出端之間連接有相互并聯的電阻和電容；DCDC高隔離電源模塊包括電源芯片及其構成的基本電路。在上述電路的基礎上，本實施例需要在PCB布局時保證各部分電路之間的隔離距離，還連接有部分輔助元器件，用于保證電路的正常運行，這些輔助元器件的使用，屬于行業通用的電路應用習慣，在此不再贅述。本發明的實現過程如下 電壓電流信號米集電路把現場的電壓電流輸入信號變換為統一規格的輸入信號，如±60mV/± IOOmV等進行采樣，再通過運算放大器把信號放大成統一的信號進行隔離變換，根據輸入信號調整參數就可以實現后級電路的統一。電源采用6KV的DCDC高隔離電源模塊，前一 DCDC高隔離電源模塊的輸出作為后一 DCDC高隔離電源模塊的輸入，信號隔離變換電路采用線性光電隔離變換電路，我們采用HCNR201/HCNR200及其他類似芯片所構成的電路作為信號變換電路，前一級信號變換電路的輸出作為后一級信號變換電路的輸入，與運算放大器一起構成了線性光電隔離變換電路。線性光電隔離變換電路通過疊加固定的偏置信號，將線性光耦穩定在最佳線性區，避免信號檢測死區，輸入信號經過多級電源和信號隔離變換后，通過信號輸出變換電路變換為計算機系統能識別處理的的標準信號，如±20mA/4 20mA/±5V/±10V等。當信號傳遞至信號輸出變換電路時，信號輸出變換電路通過運算放大器做減法運算，減去前級疊加的偏置信號，以確保信號的變換精度，信號輸出變換電路通過兩級放大，一方面保證了響應時間，另一方面可以靈活選擇電壓信號輸出或者電流信號輸出，輸出變換電路的電流信號變換部分采用單位增益正反饋電路，使得電流輸出采樣負載在一定范圍內變化時，輸出電流不發生改變，從而達到高隔離耐壓的功能。為了確保本發明在具體使用中的性能，本實施例中提供了以下幾組不同參數下的測試數據輸入信號為±180mv，外接250歐姆電阻，監測電壓值，測試數據如表1:表I
權利要求
1.高隔離耐壓型雙向信號傳感器，其特征在于，包括電壓電流信號采集電路，輸入端通過兩個以上依次相連的信號隔離變換電路與電壓電流信號采集電路相連的信號輸出變換電路，所述信號隔離變換電路和信號輸出變換電路的輸入端均分別連接有DCDC高隔離電源模塊。
2.根據權利要求1所述的高隔離耐壓型雙向信號傳感器，其特征在于，所述信號隔離變換電路為兩個，包括輸入端與電壓電流信號采集電路相連的第一級信號隔離變換電路，和輸入端與第一級信號隔離變換電路相連且輸出端與信號輸出變換電路相連的第二級信號隔離變換電路，所述第一級信號隔離變換電路的輸入端連接有第一 DCDC高隔離電源模塊；第二級信號隔離變換電路的輸入端連接有第二 DCDC高隔離電源模塊；信號輸出變換電路的輸入端連接有第三DCDC高隔離電源模塊，所述第二 DCDC高隔離電源模塊和第三DCDC高隔離電源模塊的輸入端均連接有電源，第一 DCDC高隔離電源模塊的輸入端與第二 DCDC高隔離電源模塊相連。
3.根據權利要求2所述的高隔離耐壓型雙向信號傳感器，其特征在于，所述第一級信號隔離變換電路包括反相輸入端與電壓電流信號采集電路相連的運算放大器T2，和與運算放大器T2的輸出端及反相輸入端均相連的光耦芯片U1，連接于運算放大器T2的反相輸入端和輸出端之間的電容Cl，所述第一 DCDC高隔離電源模塊與運算放大器T2的反相輸入端相連。
4.根據權利要求3所述的高隔離耐壓型雙向信號傳感器，其特征在于，所述第二級信號隔離變換電路包括同相輸入端和反相輸入端均與光耦芯片Ul相連的運算放大器T3，反相輸入端與運算放大器T3的輸出端相連的運算放大器T4，與運算放大器T4的輸出端及反相輸入端均相連的光耦芯片U2，所述運算放大器T3的反相輸入端和輸出端之間還連接有相互并聯的電阻Rl、電容C2，所述第二 DCDC高隔離電源模塊與運算放大器T3的反相輸入端相連。
5.根據權利要求4所述的高隔離耐壓型雙向信號傳感器，其特征在于，所述信號輸出變換電路包括與第二級信號隔離變換電路相連的輸出變換電路和與輸出變換電路相連的V/I信號變換電路，所述第三DCDC高隔離電源模塊與V/I信號變換電路相連。
6.根據權利要求5所述的高隔離耐壓型雙向信號傳感器，其特征在于，所述輸出變換電路包括同相輸入端和反相輸入端均與光耦芯片U2相連的運算放大器T5，同相輸入端與運算放大器T5的輸出端相連的運算放大器T6，所述運算放大器T5的反相輸入端和輸出端之間還連接有相互并聯的電阻R2、電容C3，所述運算放大器T6的反相輸入端和輸出端之間還連接有相互并聯的電阻R3、電容C4。
7.根據權利要求6所述的高隔離耐壓型雙向信號傳感器，其特征在于，所述V/I信號變換電路包括反相輸入端與運算放大器T6的輸出端相連的運算放大器17，反相輸入端與運算放大器T7的輸出端相連的運算放大器T8，連接于運算放大器T7的反相輸入端與運算放大器T8的輸出端之間的電阻R4，所述第三DCDC高隔離電源模塊與運算放大器T7的反相輸入端相連。
全文摘要
本發明公開了一種高隔離耐壓型雙向信號傳感器，主要解決了現有技術中存在的信號隔離檢測產品不能滿足控制系統的技術要求，無法實現高隔離耐壓的問題。該高隔離耐壓型雙向信號傳感器，包括電壓電流信號采集電路，輸入端通過兩個以上依次相連的信號隔離變換電路與電壓電流信號采集電路相連的信號輸出變換電路，所述信號隔離變換電路和信號輸出變換電路的輸入端均分別連接有DCDC高隔離電源模塊。通過上述方案，本發明達到了能夠實現高隔離耐壓和快速高精度信號監測的目的，是一種新型高隔離耐壓信號檢測產品，為鐵路機車牽引、礦用動力電源、電力自動化設備等高端控制設備國產化提供新了一種全新的解決方案。具有很高的實用價值和推廣價值。
文檔編號G01R19/00GK102998502SQ201210519748
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月6日 優先權日2012年12月6日
發明者陳實 申請人:陳實