隔离技术应用于可靠性工业测量

1. 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30 Vrms, 42.4 Vpk,或60 VDC的电压。

2. 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

3. 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、及电感耦合。

光电隔离

LED能在通电时发光。光电隔离利用LED与光电探测设备实现隔离阻障，通过光来传输信号。光电探测设备接受LED发出的光信号，再将其转换成原始电信号。

图3.光电隔离

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

电容隔离的优点是能够抑制电磁干扰。因为电容隔离不像光电隔离需要LED转换，所以能支持更快的数据传输率。但由于电容耦合利用电势来传输数据，因此容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Hans Oersted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。

4. 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。对于模拟I/O通道，隔离可在模数转换器(ADC)数字化信号前的模拟部分实现（模拟隔离），也可在ADC数字化信号后实现（数字隔离）。根据隔离实现位置的不同，用户需要针对上述三种技术设计不同的电路。用户可以根据数据采集系统的性能、成本及物理需求来决定选择模拟隔离或数字隔离。图6a及图6b显示了在两种隔离的实现。

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

隔离放大器是数据采集设备中模拟前端的常用隔离器件。图6a的“ISO Amp”即为隔离放大器，在多数电路中都是模拟电路部分的首个器件。传感器的模拟信号首先通过隔离放大器，实现隔离后再将其送入模数转换电路。图7为隔离放大器的常见布局。

图7.隔离放大器

在理想的隔离放大器中，模拟输出信号应该与模拟输入信号一致。图7中标有“隔离”的部分采用了上文讨论的技术（光电、电容、电感耦合），使信号通过隔离阻障。模块化电路已为信号提供了隔离电路。对于光电方式，需要将信号数字化或转换为不同的光强度。对于电容及电感方式，需要将信号转换为不同的电场或磁场。解调电路读取隔离电路的输出，并将其转换回原始模拟信号。

由于模拟隔离位于信号数字化之前，对于已有的无隔离数据采集设备，采用外部信号调理是最佳方案。此时，由数据采集设备来完成模数转换，而由外部电路提供隔离。结合数据采集设备与外部信号调理，测量系统供应商能开发出多用途的数据采集设备及传感器专用信号调理。图8中采用隔离放大器设计灵活的信号调理，实现模拟隔离。将隔离置于模拟前端的另一个优点是能够保护ADC及其它模拟电路免受电压尖峰影响。