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电压传感器

电压传感器是指能感受被测电压并转换成可用输出信号的传感器。在各种自动检测、控制系统中,常需要对高速变化的交、直流电压信号做跟踪采集,对于比较复杂的电压波形做频谱分析。[1]
简介
电压传感器是能感受被测电压并转换成可用输出信号的传感器。在各种自动检测、控制系统中,常常需要对高速变化的交、直流电压信号作跟踪采集,对于比较复杂的电压波形作频谱分析。这类信号可能是高电压、大电流等强电,也可能是负载能力很差的弱电或幅值很小的信号。在这些情况中,就需要采用合适的电压传感器对不能直接测量或不匹配的电压信号进行采集,从而得到标准化、电气隔离的电压信号。 随着越来越多新技术的发展,电压传感器也得到了进一步发展和应用。例如传动系统的变频器和整流器、不间断电源、有源滤波器、无功补偿、电池充放电、半导体保护、驱动保护等设备或系统中,大量使用了各种各样的电压传感器。电压传感器的作用是自动检测电压,从而使我们能够对设备或系统的电压进行控制和显示,必要时采取过电压、欠电压等自动保护措施。
原理
对于交流电压测量,可用电压互感器作为传感元件,即使用一台电压互感器将被测电压降至到可利用的低电压,然后通过相关电路变换成与被测电压成线性关系的直流电压送入到数据采集系统和A/D转换器。 当被测电压为直流电压时,可用分压电阻作为传感元件,并联在被测元件两端的电阻值应足够大(一般应控制在消耗功率小于被测电机额定功率的1/1000以下)),以尽可能地减少该回路电流产生的损耗给测量值造成的影响,对于低压电机,应在10KΩ左右。取该被测电压在电阻上的一部分电压降作为信号,直接送入到数据采集系统和A/D转换器。 
分类
电压传感器的作用是自动检测电压,从而使我们能够对设备或系统的电压进行控制和显示,必要时采取过电压、欠电压等自动保护措施。常用的电压传感器根据其不同的工作机理和应用范围大致可以分为:电压互感器、霍尔电压传感器以及光纤电压传感器等几种主要类型。 (1)电压互感器。 随着电力系统容量的日益扩大和电网电压运行等级的不断提高,电压互感器已经成为电力系统中电能计量和继电保护的重要设备之一,其测量精度及可靠性对电力系统的安全、稳定和经济运行有着重要的影响。 电压互感器安装在电力系统中一次与二次电气回路之间,其主要功能就是按照一定的比例将输电线路上的高电压,降低到可以用仪表直接测量的标准数值,以便电压测量仪表直接进行测量;电压互感器除用作测量外,还可与继电保护和自动装置配合,对电网各种故障进行电气保护和自动控制。电压互感器实现一、二次系统的电气隔离。 (2)霍尔电压传感器。 霍尔电压传感器是当今电子测量领域中应用最多的传感器件之一,可广泛应用于电力、电子、交流变频调速、逆变装置、电子测量和开关电源等诸多领域。霍尔电压传感器是一种能够隔离主电流回路与电子控制电路的电压检测元件,具备优越的电性能,同一只检测元件既可以检测交流也可以检测直流,甚至可以检测瞬态电压峰值,是有望替代传统互感器的新一代产品。 霍尔电压传感器按照不同的工作原理又可以分为:磁平衡式电压传感器、磁调制式电压传感器、光电隔离式电压传感器、高阻隔离式电压传感器。 (3)光纤电压传感器。 光纤电压传感器是新一代具有极强的生命力和竞争力的电压检测装置。光纤电压传感器主要由光源、传感头、光电转换及信息处理电路、计算机采集系统组成。光纤电压传感器采用非金属晶体作为传感头,光纤作为传感介质,使电网与测量电路能有效隔离,从而避免二次短路的危险。光纤电压传感器由于其传感机理,具有不存在磁饱和、准确度高等优点;它利用光纤传递信息,抗干扰能力强,还能起到测量回路和高压回路电气隔离的作用,因而绝缘结构比传统互感器简单,并能减小体积、质量,有着传统电磁式互感器无法比拟的优点。 
要求
利用电压传感器对电压进行测量,一般要求所采集到的电压信号与被测电压量在幅值上成比例,两者的相角完全相同或相差极小。此外,对于电压传感器还有以下的基本要求。 (1)电压传感器接入被测电路应基本上不影响被测电压的幅值和波形。 (2)电压传感器所得电压波形应与被测电压波形相同,分压比应与被测电压频率和幅值无关。 (3)电压分压比与大气条件(气压、气温、湿度)无关或基本无关。 (4)电压传感器所消耗的电能应该不大。在一定的冷却条件下,分压器所耗散的电能所形成的温升不应引起分压比的改变。 (5)电压传感器不应受外界电磁场的干扰,另一方面也不应对外界环境产生强烈的电磁干扰。 
选用原则
电压测量中,应根据具体情况选择合适的电压传感器,电压传感器选用的基本原则是: ①被测电压的量值范围是选择电压传感器的重要依据,因此要有足够宽的电压测量的范围; ②应有足够宽的频率范围和足够高的测量精度; ③有足够高的输入阻抗,电压传感器的输入电阻就是被测电路的额外负载,为了减小测量电路的接入对被测电路的影响,要求其具有较高的输入阻抗; ④应具有较高的抗干扰能力,被测电压中往往含有一些噪声干扰等不需要测量的成分。 [3] 
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