WB121高速寬帶跟蹤型電量隔離傳感器原理及其應(yīng)用

在各種自動(dòng)檢測(cè)、控制系統(tǒng)中，常常需要對(duì)高速變化的交直流電流、電壓信號(hào)作跟蹤采集，對(duì)比較復(fù)雜的波形作頻譜分析。這類信號(hào)可能是高壓、大電流等強(qiáng)電，也可能是負(fù)載能力很差的弱電，或是幅值很小的信號(hào)。它們的一個(gè)共同特點(diǎn)是不宜直接與計(jì)算機(jī)類的系統(tǒng)相接，怕計(jì)算機(jī)干擾它，或是怕它干擾計(jì)算機(jī)，或是因信號(hào)太強(qiáng)、太弱，難于與計(jì)算機(jī)匹配。WB121高速寬帶跟蹤型電量隔離傳感器正是針對(duì)用戶的這種需求而設(shè)計(jì)的。本文將對(duì)該產(chǎn)品的性能及應(yīng)用范圍作概略介紹。
　　WB121高速寬帶跟蹤型電量隔離傳感器采用線性光電隔離原理，對(duì)電網(wǎng)或電路中的交流、直流或交直流混合的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，經(jīng)隔離轉(zhuǎn)換成跟蹤輸入信號(hào)的、有一定驅(qū)動(dòng)能力的、標(biāo)準(zhǔn)的輸出電壓信號(hào)。WB121具有交直流通用、高精度、高隔離、寬頻響、快響應(yīng)時(shí)間、低漂移、低功耗、寬溫度范圍等特點(diǎn)；能直接與計(jì)算機(jī)、可編程控制器或其他數(shù)據(jù)采集器連接，用于各種快速反應(yīng)波形的隔離跟蹤測(cè)量；特別是可以在模擬量的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、變頻調(diào)速設(shè)備、可控硅控制設(shè)備及其他電氣設(shè)備中用作跟蹤測(cè)量。

工作原理
　　WB121電量隔離傳感器主要分為兩類，即WBV121電壓隔離傳感器和WBI121電流隔離傳感器。二者的工作原理，除輸入電路略有不同外，其他都相同，原理框圖如圖1所示。輸入電壓Vin(或電流Iin)信號(hào)送至輸入電路，后者將信號(hào)轉(zhuǎn)換成某種標(biāo)準(zhǔn)電壓，并賦予較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力；光電隔離電路實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的線性變換及隔離處理；輸出電路將信號(hào)進(jìn)一步放大，同時(shí)實(shí)現(xiàn)整個(gè)傳感器的量程調(diào)節(jié)，輸出是跟蹤輸入信號(hào)、具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力的標(biāo)準(zhǔn)化電壓，方便用戶使用。傳感器內(nèi)部還配備了DC/DC轉(zhuǎn)換器，從輔助電源+E提取能量，供輸入電路使用。

主要技術(shù)指標(biāo)
　　輸入規(guī)格：輸入電壓0～50mV到0～1000V；輸入電流0～1mA到0～5A；如外接分流器，輸入電流可高達(dá)上千安培。
　　輸出電壓：0～3.5V, 0～5V, 0～10V；
　　精度等級(jí)：0.2級(jí)；
　　溫度漂移：150×10-6/℃；
　　線性范圍：0～120%標(biāo)稱輸入；
　　頻率響應(yīng)：DC～30kHz，最高可達(dá)100kHz；
　　響應(yīng)時(shí)間：15μs，最低可達(dá)4μs；
　　輸入阻抗：Ri＝Vi×10kΩ/V，當(dāng)Vx＞1V時(shí)；Ri＞1MΩ，當(dāng)Vx≤1V時(shí)；也可在整個(gè)輸入范圍實(shí)現(xiàn)高阻輸入；
　　過(guò)載能力：10倍標(biāo)稱輸入值，持續(xù)5s；特制品也可承受長(zhǎng)期輸入過(guò)載；
　　負(fù)載能力：5mA DC；
　　輔助電源：±12V；
　　靜態(tài)功耗：400mW；
　　隔離耐壓：＞1.5kV DC，1分鐘；
　　輸出紋波：＜5mV AC ；
　　環(huán)境溫度：0～+50℃；
　　外型尺寸：S型：99(寬)×63(高)×24(深)mm；E型：59(寬)×46(高)×21(深)mm；D型：32(寬)×23(高)×29(深)mm。

典型頻率特性
　　作為跟蹤型傳感器，其最重要的性能就是對(duì)輸入信號(hào)的快速響應(yīng)，有很寬的通頻帶。
　　WB121典型特性如表1所示。其中方案3為標(biāo)準(zhǔn)型，方案1、方案2為特制型。其輸出幅頻特性和相頻特性如圖2、圖3所示。圖中，輸入為正弦波，Vgi為跟蹤電壓輸出有效值，Di為輸出電壓正弦波滯后輸入電壓正弦波的角度。Vgi0為輸入50Hz信號(hào)時(shí)的輸出電壓有效值。Vg1、D1,Vg2、D2及Vg3、D3分別對(duì)應(yīng)方案1、2及3。注意，為方便用戶在較低頻率下的應(yīng)用，兩圖中橫坐標(biāo)標(biāo)尺是不均勻的。
　　其中響應(yīng)時(shí)間是輸入直流階躍信號(hào)，輸出電壓達(dá)到滿度輸出值的90%時(shí)的延遲時(shí)間。
　　輸出紋波是當(dāng)輸入電壓為0時(shí)，輸出噪聲電壓有效值與滿度輸出電壓有效值之比。
　　表1

　　從圖2和圖3可見(jiàn)，在很寬的頻率范圍內(nèi)，輸出電壓的幅度及相位都有很平坦的特性。這為用戶進(jìn)一步分析信號(hào)波形提供了方便。

應(yīng)用簡(jiǎn)介
　　WB121高速寬帶跟蹤型電量隔離傳感器可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地跟蹤測(cè)量任意波形的電流、電壓信號(hào)，將其隔離后輸出具有標(biāo)準(zhǔn)值的電壓信號(hào)。傳感器可用于晶閘管輸出的已嚴(yán)重失真的正弦波信號(hào)檢測(cè)，經(jīng)脈寬調(diào)制處理的PWM波檢測(cè)，電力系統(tǒng)畸變波形檢測(cè)，功率設(shè)備中的高速閉環(huán)反饋控制等。傳感器實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的電隔離，其隔離絕緣電壓達(dá)1.5kV以上。因此，輸出信號(hào)與后續(xù)設(shè)備可直接連接。通常，后續(xù)設(shè)備可以是巡回檢測(cè)裝置、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、可編程控制器（PLC）及各種電力、電子控制設(shè)備等。
　　WB121的典型應(yīng)用如圖4所示。傳感器與后續(xù)設(shè)備靠近，輸出端可接至設(shè)備的高速A/D等電路，信號(hào)由計(jì)算機(jī)等控制采樣、處理。
　　傳感器典型的傳遞函數(shù)可近似表達(dá)為K=Vg/X，或Vg=K·X
　　這里X表示輸入電量，可以是交流、直流或交直流混合的電流、電壓信號(hào)。Vg是有標(biāo)準(zhǔn)輸出量程的電壓量。一般地，K是一個(gè)與用戶要求有關(guān)的正常數(shù)，即輸出緊緊跟蹤輸入電量的變化。當(dāng)輸入信號(hào)頻率高時(shí)，K不可再簡(jiǎn)化為一個(gè)常數(shù)，而與輸入頻率有關(guān)，如圖2、圖3所示。

靈活應(yīng)用
　　實(shí)現(xiàn)公式Vg=－K·X
　　這里K為正常數(shù)，即輸出量與輸入量正好反向。這只要將輸入信號(hào)的兩端反接即可。
　　實(shí)現(xiàn)公式Vg=K·X+A
　　這里K、A為正常數(shù)，即輸出量為在K·X的基礎(chǔ)上再向上平移A大小的電壓。例如，可將雙向直流電量轉(zhuǎn)換成單向直流電壓；將交流電量轉(zhuǎn)換成同樣波形的直流電壓。有的A/D轉(zhuǎn)換器僅允許單向輸入電壓信號(hào)，這種變換有利于直接與A/D轉(zhuǎn)換器相連。A值一般由用戶提出，生產(chǎn)廠實(shí)現(xiàn)。
　　實(shí)現(xiàn)公式Vg=－K·X+A
　　這里K、A為正常數(shù)，即輸出量為在－K·X的基礎(chǔ)上再向上平移A大小的電壓。舉例，有個(gè)用戶提出這樣的要求：輸入電壓X變化范圍是0～10V，要求輸出對(duì)應(yīng)電壓是5～0V。從上式可見(jiàn)，只需取K=0.5和A=5V即可。
　　靈活運(yùn)用方式還有一些，不再細(xì)述。一般地，上述公式中的參數(shù)K、A，由用戶提出，生產(chǎn)廠調(diào)校。如果用戶需要臨時(shí)對(duì)K、A作一些微調(diào)，也可打開傳感器上的窗口，按使用說(shuō)明書要求調(diào)整。