内窥镜新研究：线性光隔空中机器人电压监测应用

针对其空中机器人保证机载电源保证各系统协调工作，经普通光隔实时监测的机载电源电压值存在温度漂移现象，由内窥镜专家北京德朗研发部门致力于技术最前沿，提出3种温度补偿方案。

1 关于机载电源监测电压的温度漂移

在飞行过程中，空中机器人机载电源经常处于较为恶劣的环境中，温度、噪声、振动、电磁等干扰大量存在。为实现对电源电压测量，且不把干扰引入到测量系统中，须将监测信号和控制电路在电气上实现隔离。常用的隔离方式主要有：变压器隔离法、隔离放大器法、光电隔离法。

于变压器隔离法只适用于高频交流模拟信号，而不适合用于直流信号；集成隔离放大器内部电路复杂，体积大，成本高；光电隔离电路简洁，光隔体积小，成本低廉。本文采用光电隔离法。

设计初期，选用普通光隔2501进行电气隔离，但在进行高低温试验中，发现机载电源电压一定时，随着环境温度变化．经过光隔隔离后电压监测信号存在较大幅度的漂移，具体数据如表1所示。

针对光隔2501的内部结构，分析温漂的产生机理：普通光隔以光为媒介来传输电信号，把发光器(红外线发光二极管LED)与受光器(光敏半导体管)封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，实现。电一光一电”转换。根据图1所示光隔特性曲线，在高温实验中，外界环境温度升高，导致电流传输比CTR(输出电流与输入电流比值)降低，即使输入电流不变，输出电流也会降低，最终导致输出电压随着温度的升高而下降，低温实验温漂机理类推。

2 机载电源监测电压温度补偿方案

依据普通光隔温度漂移机理，一方面可以改变输入电流，补偿输出电流因温度变化而产生的波动，以保证输出电压保持不变；再者，可对普通光隔进行线性化处理。由此，提出以下温度补偿方案：在光隔输入端加入负温度系数热敏电阻；两个同型号光隔反馈连接，实现线性化；直接采用线性光隔。

方案一：应用负温度系数热敏电阻(NTC，阻值随温度升高而降低)，可以根据温度变化调整输入电流，以实现温度补偿，应用热敏电阻进行温度补偿的电路简图如图2所示。

 试验结果表明，由于热敏电阻温度／电阻特性及普通光隔的电流传输特性曲线均是非线性的，只能在较小的温度范围内实现温度补偿，不能通过严格的高低温试验。

方案二：基于控制理论中负反馈思想，引入负反馈可以改善系统的线性度。普通光隔线性化实现方法如图3所示，2#光隔用于输出，1#光隔用于反馈以补偿温度特性的非线性。

式中．K。、K：分别为电路中2个光隔电流传输比，G为电路的电压增益。

若两个光隔选用同一型号的产品，特性基本一致，即K：=K2，则有：

根据上式，该测量电路的电压增益只与电阻R。、Rz的阻值有关，而与光隔的电流传输比等特无关，从而实现对电压信号的线性隔离。但实际上由于电路采用分离元件搭建而成，制造工艺的差别，很难保证K-=K2的假设严格成立，使得测量结果存在一定的偏差，可靠性并不高。

方案三：线性光隔基于负反馈思想将普通光耦增加一个反馈光接收电路，两个光接收电路非线性特性一样，通过反馈通路的非线性就可抵消直通通路的非线性，在输入端加入控制电压，在输出端成比例输出电压，实现线性隔离。出线性光隔工作原理图如图4所示。

与方案二比较，线性光隔内部2个发光二极管位置的精确性和元件先进的封装设计可以确保元件的高线性度和增益的稳定性，具有更高的可靠性和抗干扰性能，最终采用此种方案进行温度补偿。

依据上述方案论证，选用NEC公司的高精度线性光隔PS8741进行温度补偿，具体性能指标如下：(1)1％的传输增益误差；(2)0．05％的线性误差。

其典型电压测量应用电路如图5所示，设光隔的输入端电压为Vin，输出端电压为Vout，两个光隔的电流传输比分别为K1、K2，基于“虚断”、“虚短”概念，可认为通过R1、R2、R3的电流分别为，I1、I2、If。

 针对应用PS8741设计的空中机器人机载电源监测电压温度补偿电路，进行高低温实验，验证其对于温度漂移的抑制能力。27℃和43℃温度下机载电源监测电压的变化情况如图6所示。

针对不同温度条件下PS8741温度补偿性能测试试验，每次都要处理大量的数据，确定输入、输出电压的拟合关系。为实现数据处理可视化。基

利用开发的图形界面，用户将不同温度记录的光隔输入、输出电压录入对应的文本框中，并设定欲拟合多项式的最高阶次后，通过。拟合”按钮开始处理数据，并随后将拟合出来的曲线及多项式显示出来。

经过多次实际的高低温试验测试，PS8741能够很好地克服原有普通光隔的温度漂移现象，保证输入输出电压的线性度。可以应用到空中机器人机载电源的监测中。

工业电子内窥镜专家们针对某型空中机器人机载电源受温度干扰，电压监测值存在温度漂移问题，设计了基于高精度线性光隔PS8741的温度补偿电路，经高低温测试证实可有效克服温度漂移，目前已经成功应用于该型空中机器人，并可广泛用于模拟信号的精确检测系统中，研发部门开发了可对现场数据进行快速拟合标定的图形用户界面，界面友好，操作便捷，对于工程数据处理可视化研究具有一定参考价值。