隔离技术在工业测量的作用

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1、电压、电流、温度、压力、应力及流量等测量是工业及过程控制应用中的重要组成部分。此类应用环境常会涉及危险级电压、瞬态信号、共模电压及不稳定地电位，可能会损坏测量系统，降低测量精度。为了克服以上缺陷，工业应用中的测量系统设计会加入电气隔离。　　理解隔离　　电气意义上的隔离是将暴露于危险电压1的传感器信号与测试系统的低压背板隔开。隔离能够提供许多优势，包括：　　保护昂贵设备、用户及数据不受瞬态电压的危及。　　改善噪声抑制能力　　消除接地环路　　提高共模电压抑制　　隔离型测量系统为模拟前端和系统底板提供分离的接地面，将传感器的测量与系统的其它部分隔离开。隔离前端的接地是悬空的引

2、脚，可工作于大地接地以外的电压。图1为模拟电压测量设备。传感器地与测试系统地之间的任何共模电压都能被抑制，从而避免了接地环路的引起和噪声对传感器线路造成影响。　　图1.组隔离的模拟输入电路　　1危险电压为大于30Vrms,42.4Vpk,或60VDC的电压。　　对隔离的需求　　以下的测量系统需要考虑隔离：　　与危险电压邻接　　可能产生瞬态电压的工业环境　　存在共模电压或不稳定地电位的环境　　电气噪声环境，如存在工业电机　　瞬态敏感的应用，必须避免在测量系统中出现电压尖峰　　工业测量、过程控制、及自动化测试是存在共模电压、高瞬态电压、及电气噪声的典型应用。具有隔离的测量设

3、备能够在严酷环境下提供可靠的测量。针对与患者直接接触的医疗设备，隔离能够有效避免设备中瞬态功率的传输。　　根据用户对电压及数据率的要求，隔离测量可以有多种选择。用户可选择用于笔记本、桌面PC、工业PC、PXI、平板PC、及CompactPCI的插入式板，它具有内置隔离或外置信号调理。用户也可通过可编程自动控制器（PACs）及USB测量系统来实现隔离测量。　　图2.隔离型数据采集系统　　实现隔离的方法　　隔离要求信号通过隔离阻障传输，不能有直接电气连接。常用的非接触式信号传输器件有发光二极管（LED）、电容、电感等。此类器件的基本原理即是最常见的三种隔离技术：光电、电容、

4、及电感耦合。　　光电隔离　　光学隔离技术是一种只允许单向光通过的无源光器件，其工作原理是基于法拉第旋转的非互易性。通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离。光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。当两端加上电压时，LED就会发光。光学隔离技术采用了一个LED以及一个光电检测设备，利用光作为数据转换的方法实现信号的跨隔离层传输。一个光电检测器接收该LED所发出的光，并将其再转换回最初的信号。　　图3.光电隔离　　光学隔离技术　　光电隔离是最常用的隔离方法。使用光电隔离的优势是能够避免电气与磁场噪声。而缺点则是传输速度受限于LED的转换速度、高功率散射及LED磨损。　　电

5、容隔离　　电容隔离是基于电荷聚集于电容板而产生的电势变化。该变化从隔离阻障中测量得到，它与测量信号大小成比例。　　图4.电容隔离　　电容隔离技术的一个优势是其抵抗磁噪声干扰的能力。与光学隔离技术相比，电容隔离可以支持更高的数据传输速率，因为LED不需要进行开关操作。由于电容隔离技术涉及到用于数据传输电场的使用，因此它易受到外部电场的干扰。　　电感耦合隔离　　19世纪早期，丹麦物理学家HansOersted发现当电流通过线圈时会产生磁场。之后又发现，能在靠近产生变化磁场线圈的另一个线圈上获得感应电流。另一个线圈上感应的电压及电流大小取决于第一个线圈上的交变电流。该现象被称

6、为互感，它就是电感耦合的基本原理。　　图5.电感耦合　　电感耦合使用一对具有绝缘层的线圈。绝缘层隔离了物理信号的传输。一端线圈上的变化电流会在绝缘阻障另一端的线圈上感应类似的电流，信号就通过这种方式传播。电感隔离提供与电容技术类似的高速传输。但由于电感耦合传输信号要涉及磁场，所以容易受到外部磁场干扰。　　模拟隔离与数字隔离　　现在，许多商用现货器件集成了以上某项技术来实现隔离。对于传感器的信号隔离，传统的模拟隔离方案（如隔离放大器AD202）成本太高，可以采用数字隔离方案：AMP→ADC→数字隔离器→ MCU，这样不仅降低了成本，而且也可以更好的实现隔离效果。数字隔离器

7、用来将系统现场的ADC、DAC和信号调理电路与数字端的微处理器隔离开来。其中，需要隔离型DC-DC变换器来实现微处理器的信号线和电源线与ADC/DAC的信号和电源的相互隔离。隔离器件可选用ADI的ADuM1411或TI的ISO72XX系列数字隔离器。但都需要外加DC-DC隔离电源来实现电源隔离。（图6a.模拟隔离）（图6b.数字隔离）　　图6b.数字隔离　　图6a.模拟隔离　　图6b.数字隔离　　以下部分将详细分析模拟隔离及数字隔离，并讨论两者不同的实现技术。　　模拟隔离　隔离放大器用于防止数据采集器件遭受远程传感器出现的潜在破坏性电压的