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摘要：在检测技术领域，需要对电压波动或者电位差进行检测，而使用分压器成本高昂。本文阐述了一种基于光电隔离技术的电压测量传输的方案，可有效降低测量成本、绝缘性能好、精度高且抗干扰能力强。通过实验验证了其良好的传输性能和高精度。
关键词：高电压测量 阻容分压器 V/F转换 光电隔离 F/V转换
0引言
在高电压测量中，需要将测量信号由高压侧传输到低压侧。传统的方案是通过分压器进行衰减并传输。这种方式由于高、低压侧存在电气联系，抗干扰能力不强，对低压侧精密器件形成安全隐患。同时基于高压平台下的小范围电压波动或者相对电压时，传输成本过高。因此采用光纤作为信号传输载体的光电传输系统在高电压领域中得以应用。
1高压测量电路原理
光电传输系统主要由信号调制模块、光学模块和信号解调模块组成，其组成结构如图1所示。信号调制模块用于将传感器测量的信号调制为适合光学模块进行传输的模拟或数字信号。光学模块主要由电/光转换（E/O）、光纤和光/电转换（O/E）组成，用于将电信号转变为光信号并传输，解调模块将传输的信号解调、调制为原测量信号或数字信号。
图1高压测量电路原理图
根据信号调制和解调方式，可将光电传输系统分为调幅、V/F转换和模数（A/D）转换三种。其中，V/F方式能有效地解决调幅方式的非线性和高压绝缘困难等复杂问题，且无需A/D转换编码，调制与解调比较方便。本文采用V/F转换方式，将电信号转变为光信号，通过光纤传输到低压侧，经O/E转换后利用频率/电压转换器进行解调，将原测量信号还原。
2高压测量电路设计
2.1分压器设计与选取
高压信号测量领域，分压器被广泛使用。在快速电压测量领域，阻容式分压器是最常用的，因其兼具电阻式低频性能好、电容式高频特性好的优点，并通过高压臂参数与低压臂参数的合理搭配，完善阻容分压器的理论参数设计，使其幅频特性好、线性度高，测量范围能实现直流到高频乃至冲击电压全覆盖。
所选取的阻容分压器原理结构如图2所示：其中R1R2分别为高、低压臂电阻，与电容C1和C2并联组成RC网络实现分压功能，其分压比为
(1)
图2阻容分压器原理图
图3光电隔离电路
低频下分分压比βl=(R1+R2)/R2；高频下分压比βh=(C1+C2)/C1。若想实现阻容分压器的变比不受频率影响，则有βl=βh，最终得出高压臂与低压臂之间的参数关系R1C1=R2C2。本设计中的分压器变比为2000:1。
2.2压频转换
本文设计的V/F转换时通过芯片TC9401来实现。TC9401是单片CMOS精密型低功耗(V/F)、（F/V）转换器，转换精度高。本设计中，V/F和F/V模块间信号频率为10Hz-100kHz，通过光纤传输，可实现有效隔离，保障设备安全。
2.3光电隔离电路设计
光电隔离电路包括光发射器、光纤和光接收器（O/E），通过多模光纤进行传输，用以实现信号的电压隔离以及实时远距离传输。其设计方案如图3所示。
2.4有源低通滤波电路
本电路设计二阶有源低通滤波电路（LPF），其原理图如图4所示。它由二阶RC滤波电路和同相比例放大电路组成，并引入一个负反馈，在不同的频段。其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。
传输函数为：
图4 二阶有源低通滤波电路
3实验结果与分析
通过搭建测量光电传输电路并进行试验，采样信号进入（V/F）转换电路，其输出信号经过光纤隔离后进入（F/V）转换模块，试验结果如图5所示。通过测试，得到试验结果见表1,经分析，该电路线性度良好，延时<400μs，相比较工频的20ms周期很短，足以反映出高压波动的状况。同时测量结果在中间段精度优于1%，满足大多数信号隔离传输的精度要求。
图5光隔电路100Hz信号输入输出测试(2V/5V/10V)
表1光隔电路线性度测试结果
4结束语
基于V/F转换技术的高电压测量光电传输电路，通过光纤传输实现高低压的电气隔离，保证后端设备安全，应用TC9401的V/F和F/V转换电路确保输出电压误差不大于1％，适用于目前高压试验室的高电压信号隔离传输，为高压信号的隔离传输提供了一种低成本高效率的隔离方法。
参考文献
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论文作者:冯学玲
论文发表刊物:《基层建设》2018年第24期
论文发表时间:2018/10/16
标签：信号论文; 测量论文; 电压论文; 电路论文; 高压论文; 光电论文; 光纤论文; 《基层建设》2018年第24期论文;