用于可靠工业测量的隔离技术

概述

电压、电流、温度、压力、应变和流速的测试是工业控制与过程控制应用不可或缺的一部分。通常，这些应用所处的环境具有危险的电压、瞬态信号、共模电压和地电位波动，这会使测量系统受损并破坏测量的精度。为应对这些挑战，专为工业应用所设计的测量系统采用了电气隔离技术。本白皮书聚焦于用于模拟测量的隔离技术，解答了常见的隔离问题，并涵盖了关于不同的隔离实现技术的技术内容。

理解隔离技术

电气隔离使可能会暴露在危险电压下的传感器信号与测量系统的低压背板相分离。隔离提供了许多优势，其中包括：

保护昂贵设备、用户生命以及数据免遭瞬态电压威胁 改善抗干扰度 去除接地回路现象 提高共模电压抑制能力

经隔离处理的测量系统为模拟前端和系统背板分别提供接地面，以使传感器测量与系统其他部分相分离。该隔离前端的接地连接是一个可以工作于与大地不同电势的浮动管脚。图1展示了一个模拟电压测量设备。存在于传感器地和测量系统地之间的任何共模电压都会受到抑制。这样可以防止接地环路的形成，并剔除传感器线路上的任何噪声。

图1. 通道隔离的模拟输入电路

隔离的必要性

涉及以下任一种情形的测量系统都有必要考虑使用隔离技术：

紧邻危险电压 可能存在瞬态电压的工业环境 存在共模电压或接地电势波动的环境 电气噪声环境，如存在工业马达的环境 必须防止电压尖脉冲传输通过测量系统的对瞬态电压敏感的应用

共模电压、瞬态高电压和电气噪声较为常见的应用在工业控制、过程控制和汽车测试等。带有隔离功能的测量设备可以在这些恶劣的环境下提供可靠的测量。对于与病人直接接触的医疗设备，隔离有助于防止电源线路的瞬态电流传输通过该设备。

根据您对电压和数据的要求，您可从数种隔离测量的方法中进行选择。您可以采用面向便携机、台式机PC、工业PC、 PXI、平板PC和CompactPCI的插入式板卡，并可以选择内置隔离或外部信号调理。您还可以利用面向USB的可编程自动化控制器（PAC）和测量系统进行隔离测量。

图2 具有隔离功能的数据采集系统

隔离的实现方法

隔离技术要求信号在被传输通过隔离层时不能存在任何的直接电气接触。发光二极管（LED）、电容和电感是三种支持非直接接触式电气信号传输的常见可用组件。这些设备所依据的原理是三种最常见的隔离技术的核心--光耦合、电容耦合和感应耦合。

光学隔离技术

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 光学隔离技术

光电二极管

光学隔离技术是最常使用的隔离方法之一。采用光学隔离的优势之一便是其 抵抗电气噪声和磁噪声干扰的能力。这种技术的也存在一些不足之处，包括受LED开关速率限制的传输速率、高功耗和LED损耗。

电容隔离技术

电容隔离技术基于一个随电容极板上的电荷量而改变的电场。该电荷跨过一个隔离层而被检测，并与所测得信号值成正比。

图4 电容隔离技术

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。

感应耦合隔离技术

在十九世纪早期，丹麦物理学家汉斯•奥斯特发现，电流通过线圈时会产生磁场。后来人们发现，紧挨一个线圈所产生变化磁场的另一个线圈中会产生感应电流。第二只线圈中所产生的感应电压和感应电流取决于第一个线圈中电流变化的速率。这一原理被称为互感，并奠定了感应隔离技术的基础。

图5 感应耦合

感应隔离技术使用了一对通过一个绝缘层分离的线圈。该绝缘层防止任何物理信号的传输。信号可以通过改变流经其中一个线圈的电流进行传输，因为这样会使跨过该绝缘层在第二个线圈中产生类似的感应电流。感应隔离技术可以提供与电容技术相似的高速传输。但是由于感应耦合涉及到用于数据传输的磁场的使用，因此它易受到外部磁场的干扰。

模拟隔离技术与数字隔离技术

现今，许多商业现成可用（COTS）组件都含有上述隔离实现技术之一。对于模拟I/O通道，您可以在模数转换器（ADC）完成信号的量化处理之前 （模拟隔离）或之后（数字隔离）在设备的模拟部分实现隔离功能。根据您的隔离实现在电路中位置的不同，您需要依据其中的一种技术来设计不同的电路。您可以基于您的数据采集系统性能、成本和物理需求，选择模拟或数字隔离技术。图6a和6b展示了实