专利名称：高隔离耐压型双向信号传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种信号传感器，具体地说，是涉及一种高隔离耐压型双向信号传感器。
背景技术：
众所周知，在自动化检测和控制领域中，待检对象种类很多，在需要对高压进行监测的场合待检对象种类更是复杂多样，如在轨道交通机车供电系统、风电、太阳能等重要的电源设备及监控系统中，都需要对系统中的电压电流信号进行检测，从而实现系统的自动调节和控制。目前市场上的信号隔离检测产品最常用的有以下两种原理1、磁调制解调原理通过斩波方式进行直流信号到交流信号的逆变，通过变压器隔离后将信号还原成标准的直流输出信号；2、光电隔离原理采用线性光电耦合器件，通过运放构成反馈闭环测量回路，完成信号的隔离变换。以上两种原理中，虽然第一种的稳定性和精度均较高，然而其响应时间较慢，不能满足实际需求；虽然第二种响应时间较快，抗干扰能力较强，但需要提供隔离电源；且这两种方式都无法既满足输入与输出之间的隔离耐压为7. 5KVAC或8KVAC以上/分钟，又能快速高精度实现信号隔离监测的技术要求，已经无法满足如今高标准的控制系统技术要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高隔离耐压型双向信号传感器，主要解决现有技术中存在的信号隔离检测产品不能满足7. 5KVAC或8KVAC以上高隔离环境的控制系统技术要求的问题。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下高隔离耐压型双向信号传感器，包括电压电流信号采集电路，输入端通过两个以上依次相连的信号隔离变换电路与电压电流信号采集电路相连的信号输出变换电路，所述信号隔离变换电路和信号输出变换电路的输入端均分别连接有DCDC高隔离电源模块。作为优选，所述信号隔离变换电路为两个，包括输入端与电压电流信号采集电路相连的第一级信号隔离变换电路，和输入端与第一级信号隔离变换电路相连且输出端与信号输出变换电路相连的第二级信号隔离变换电路，所述第一级信号隔离变换电路的输入端连接有第一 DCDC高隔离电源模块；第二级信号隔离变换电路的输入端连接有第二 DCDC高隔离电源模块；信号输出变换电路的输入端连接有第三DCDC高隔离电源模块，所述第二DCDC高隔离电源模块和第三DCDC高隔离电源模块的输入端均连接有电源，第一 DCDC高隔离电源模块的输入端与第二 DCDC高隔离电源模块相连。具体地说，所述第一级信号隔离变换电路包括反相输入端与电压电流信号采集电路相连的运算放大器T2，和与运算放大器T2的输出端及反相输入端均相连的光耦芯片Ul，连接于运算放大器T2的反相输入端和输出端之间的电容Cl，所述第一 DCDC高隔离电源模块与运算放大器T2的反相输入端相连；所述第二级信号隔离变换电路包括同相输入端和反相输入端均与光耦芯片Ul相连的运算放大器T3，反相输入端与运算放大器T3的输出端相连的运算放大器T4，与运算放大器T4的输出端及反相输入端均相连的光耦芯片U2，所述运算放大器T3的反相输入端和输出端之间还连接有相互并联的电阻Rl、电容C2，所述第二D⑶C高隔离电源模块与运算放大器T3的反相输入端相连。其中，所述信号输出变换电路包括与第二级信号隔离变换电路相连的输出变换电路和与输出变换电路相连的V/ι信号变换电路，所述第三DCDC高隔离电源模块与V/I信号变换电路相连。进一步地，所述输出变换电路包括同相输入端和反相输入端均与光耦芯片U2相连的运算放大器T5，同相输入端与运算放大器T5的输出端相连的运算放大器T6，所述运算放大器T5的反相输入端和输出端之间还连接有相互并联的电阻R2、电容C3，所述运算放大器T6的反相输入端和输出端之间还连接有相互并联的电阻R3、电容C4。更进一步地，所述V/I信号变换电路包括反相输入端与运算放大器T6的输出端相连的运算放大器T7，反相输入端与运算放大器T7的输出端相连的运算放大器T8，连接于运算放大器T7的反相输入端与运算放大器T8的输出端之间的电阻R4，所述第三DCDC高隔离电源模块与运算放大器T7的反相输入端相连。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果(I)本发明通过在电压电流信号采集电路和信号输出变换电路及电源之间设置信号隔离变换电路和DCDC高隔离电源模块实现了高压信号的可靠传递与变换，提高了信号传递的灵活性，大大降低了成本，减小了传感器体积，从而有效降低了系统的检测成本和设备造价，利于批量生产，适合大规模推广应用。(2)本发明中，信号隔离与电源隔离分别采用了多级隔离技术，这样的设置方式既保证了信号输入、输出端与电源之间的高电压隔离，又保证了信号变换的精度，从而保证了高隔离信号线性检测的正常进行，且经验证了得知，响应时间在50us以内，应用效果十分良好。(3)本发明中，通过电压电流信号采集电路、信号隔离变换电路、D⑶C高隔离电源模块、信号输出变换电路的相互配合，有效确保了线性光耦工作在最佳线性区内，避免了信号检测死区的产生；在单电源的情况下也能输出双向电压或双向电流信号，且经验证得知，检测精度在O. 2%FS以内，应用效果十分良好。
图1为本发明的系统框图。图2为本发明的电路原理图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。实施例
为了解决现有技术中存在的信号隔离检测产品不能满足7. 5KVAC或8KVAC以上高隔离环境的控制系统技术要求由控制系统给传感器提供+24V直流电源，直接对一次侧的电压电流信号进行测量，保障现场与控制系统的安全隔离，解决一次信号的高隔离、高精度和宽动态范围的测量，以及信号匹配、产品功耗和体积等实际问题，为控制系统的可靠运行提供准确依据的问题，本发明公开了一种高隔离耐压型双向信号传感器，其包括依次连接的电压电流信号采集电路、信号隔离变换电路、信号输出变换电路，信号隔离变换电路和信号输出变换电路分别连接有DCDC高隔离电源模块。为了充分确保高隔离与耐压，在本发明中采用了多级隔离变换技术，即在电压电流信号采集电路和信号输出变换电路之间设置多级信号隔离变换电路，信号输出变换电路和每级信号隔离变换电路均分别连接一 DCDC高隔离电源模块，且各D⑶C高隔离电源模块相互连接。如图1所示，此为在电压电流信号采集电路与信号输出变换电路之间设置两级信号隔离变换电路时的电路框图，信号输出变换电路的输入端通过依次相连的第一级信号隔离变换电路、第二级信号隔离变换电路与电压电流信号采集电路相连，第一级信号隔离变换电路的输入端与第一 DCDC高隔离电源模块相连；第二级信号隔离变换电路的输入端与第二 DCDC高隔离电源模块相连；信号输出变换电路的输入端与第三DCDC高隔离电源模块相连，且第二 D⑶C高隔离电源模块和第三D⑶C高隔离电源模块的输入端均与电源相连，第一 DCDC高隔离电源模块的输入端与第二 DCDC高隔离电源模块相连。本发明中，采用+24V的单向直流电源作为电源；信号的线性隔离变换电路采用DCDC高隔离单向电源模块供电，输出电路采用DCDC高隔离双向电源模块供电。经验证得知，通过使用本发明，能够完成具有10KVAC高隔离耐压的信号线性隔离变换，通过多级变换与隔离，既保证了输入、输出与电源之间的高电压隔离，又保证了信号变换的精度，而且响应时间快，可以输出单向或双向直流电压或电流信号，能够输出的信号包括±20mA/4 20mA ; ± 5V/ ± IOV 等，本发明支持的输入信号包括 DC土 20mV/ 土 90mV/ 土 150mV/ 土 300mV/ 土500mV/ 土 IV/ ± IOV/ 土 1000V 等。本发明中，信号输出变换电路包括与第二级信号隔离变换电路相连的输出变换电路和与输出变换电路相连的V/ι信号变换电路，所述第三DCDC高隔离电源模块与V/I信号变换电路相连。如图2所示，第一级信号隔离变换电路包括反相输入端与电压电流信号采集电路相连的运算放大器T2，和与运算放大器T2的输出端及反相输入端均相连的光耦芯片Ul，连接于运算放大器T2的反相输入端和输出端之间的电容Cl，所述第一 DCDC高隔离电源模块与运算放大器T2的反相输入端相连；所述第二级信号隔离变换电路包括同相输入端和反相输入端均与光耦芯片Ul相连的运算放大器T3，反相输入端与运算放大器T3的输出端相连的运算放大器T4，与运算放大器T4的输出端及反相输入端均相连的光耦芯片U2，所述运算放大器T3的反相输入端和输出端之间还连接有相互并联的电阻R1、电容C2，所述第二DCDC高隔离电源模块与运算放大器T3的反相输入端相连；输出变换电路包括同相输入端和反相输入端均与光稱芯片U2相连的运算放大器T5,同相输入端与运算放大器T5的输出端相连的运算放大器T6，所述运算放大器T5的反相输入端和输出端之间还连接有相互并联的电阻R2、电容C3，所述运算放大器T6的反相输入端和输出端之间还连接有相互并联的电阻R3、电容C4 ；V/I信号变换电路包括反相输入端与运算放大器T6的输出端相连的运算放大器T7，反相输入端与运算放大器Τ7的输出端相连的运算放大器Τ8，连接于运算放大器Τ7的反相输入端与运算放大器Τ8的输出端之间的电阻R4，所述第三DCDC高隔离电源模块与运算放大器Τ7的反相输入端相连。作为优选，本发明中，电压电流信号采集电路包括输出端与运算放大器Τ2的反相输入端相连的运算放大器Tl，该运算放大器Tl的反相输入端和输出端之间连接有相互并联的电阻和电容；DCDC高隔离电源模块包括电源芯片及其构成的基本电路。在上述电路的基础上，本实施例需要在PCB布局时保证各部分电路之间的隔离距离，还连接有部分辅助元器件，用于保证电路的正常运行，这些辅助元器件的使用，属于行业通用的电路应用习惯，在此不再赘述。本发明的实现过程如下 电压电流信号米集电路把现场的电压电流输入信号变换为统一规格的输入信号，如±60mV/± IOOmV等进行采样，再通过运算放大器把信号放大成统一的信号进行隔离变换，根据输入信号调整参数就可以实现后级电路的统一。电源采用6KV的DCDC高隔离电源模块，前一 DCDC高隔离电源模块的输出作为后一 DCDC高隔离电源模块的输入，信号隔离变换电路采用线性光电隔离变换电路，我们采用HCNR201/HCNR200及其他类似芯片所构成的电路作为信号变换电路，前一级信号变换电路的输出作为后一级信号变换电路的输入，与运算放大器一起构成了线性光电隔离变换电路。线性光电隔离变换电路通过叠加固定的偏置信号，将线性光耦稳定在最佳线性区，避免信号检测死区，输入信号经过多级电源和信号隔离变换后，通过信号输出变换电路变换为计算机系统能识别处理的的标准信号，如±20mA/4 20mA/±5V/±10V等。当信号传递至信号输出变换电路时，信号输出变换电路通过运算放大器做减法运算，减去前级叠加的偏置信号，以确保信号的变换精度，信号输出变换电路通过两级放大，一方面保证了响应时间，另一方面可以灵活选择电压信号输出或者电流信号输出，输出变换电路的电流信号变换部分采用单位增益正反馈电路，使得电流输出采样负载在一定范围内变化时，输出电流不发生改变，从而达到高隔离耐压的功能。为了确保本发明在具体使用中的性能，本实施例中提供了以下几组不同参数下的测试数据输入信号为±180mv，外接250欧姆电阻，监测电压值，测试数据如表1:表I
权利要求
1.高隔离耐压型双向信号传感器，其特征在于，包括电压电流信号采集电路，输入端通过两个以上依次相连的信号隔离变换电路与电压电流信号采集电路相连的信号输出变换电路，所述信号隔离变换电路和信号输出变换电路的输入端均分别连接有DCDC高隔离电源模块。
2.根据权利要求1所述的高隔离耐压型双向信号传感器，其特征在于，所述信号隔离变换电路为两个，包括输入端与电压电流信号采集电路相连的第一级信号隔离变换电路，和输入端与第一级信号隔离变换电路相连且输出端与信号输出变换电路相连的第二级信号隔离变换电路，所述第一级信号隔离变换电路的输入端连接有第一 DCDC高隔离电源模块；第二级信号隔离变换电路的输入端连接有第二 DCDC高隔离电源模块；信号输出变换电路的输入端连接有第三DCDC高隔离电源模块，所述第二 DCDC高隔离电源模块和第三DCDC高隔离电源模块的输入端均连接有电源，第一 DCDC高隔离电源模块的输入端与第二 DCDC高隔离电源模块相连。
3.根据权利要求2所述的高隔离耐压型双向信号传感器，其特征在于，所述第一级信号隔离变换电路包括反相输入端与电压电流信号采集电路相连的运算放大器T2，和与运算放大器T2的输出端及反相输入端均相连的光耦芯片U1，连接于运算放大器T2的反相输入端和输出端之间的电容Cl，所述第一 DCDC高隔离电源模块与运算放大器T2的反相输入端相连。
4.根据权利要求3所述的高隔离耐压型双向信号传感器，其特征在于，所述第二级信号隔离变换电路包括同相输入端和反相输入端均与光耦芯片Ul相连的运算放大器T3，反相输入端与运算放大器T3的输出端相连的运算放大器T4，与运算放大器T4的输出端及反相输入端均相连的光耦芯片U2，所述运算放大器T3的反相输入端和输出端之间还连接有相互并联的电阻Rl、电容C2，所述第二 DCDC高隔离电源模块与运算放大器T3的反相输入端相连。
5.根据权利要求4所述的高隔离耐压型双向信号传感器，其特征在于，所述信号输出变换电路包括与第二级信号隔离变换电路相连的输出变换电路和与输出变换电路相连的V/I信号变换电路，所述第三DCDC高隔离电源模块与V/I信号变换电路相连。
6.根据权利要求5所述的高隔离耐压型双向信号传感器，其特征在于，所述输出变换电路包括同相输入端和反相输入端均与光耦芯片U2相连的运算放大器T5，同相输入端与运算放大器T5的输出端相连的运算放大器T6，所述运算放大器T5的反相输入端和输出端之间还连接有相互并联的电阻R2、电容C3，所述运算放大器T6的反相输入端和输出端之间还连接有相互并联的电阻R3、电容C4。
7.根据权利要求6所述的高隔离耐压型双向信号传感器，其特征在于，所述V/I信号变换电路包括反相输入端与运算放大器T6的输出端相连的运算放大器17，反相输入端与运算放大器T7的输出端相连的运算放大器T8，连接于运算放大器T7的反相输入端与运算放大器T8的输出端之间的电阻R4，所述第三DCDC高隔离电源模块与运算放大器T7的反相输入端相连。
全文摘要
本发明公开了一种高隔离耐压型双向信号传感器，主要解决了现有技术中存在的信号隔离检测产品不能满足控制系统的技术要求，无法实现高隔离耐压的问题。该高隔离耐压型双向信号传感器，包括电压电流信号采集电路，输入端通过两个以上依次相连的信号隔离变换电路与电压电流信号采集电路相连的信号输出变换电路，所述信号隔离变换电路和信号输出变换电路的输入端均分别连接有DCDC高隔离电源模块。通过上述方案，本发明达到了能够实现高隔离耐压和快速高精度信号监测的目的，是一种新型高隔离耐压信号检测产品，为铁路机车牵引、矿用动力电源、电力自动化设备等高端控制设备国产化提供新了一种全新的解决方案。具有很高的实用价值和推广价值。
文档编号G01R19/00GK102998502SQ201210519748
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月6日 优先权日2012年12月6日
发明者陈实 申请人:陈实