ما هي مزايا وعيوب تقنية القياس المعزولة بصريًا؟

من خلال الاستفادة من العزل الكهربائي الاستثنائي وإمكانات مناعة التداخل، تُظهر تقنية القياس المعزولة بصريًا مزايا كبيرة في البيئات المعقدة ذات الجهد العالي-والجهد- العالي؛ ومع ذلك، فإنه يواجه أيضًا قيودًا مثل التكلفة العالية والحجم المادي الكبير.

I. المزايا التقنية الأساسية

1. نسبة رفض الوضع العام العالية جدًا (CMRR)

يمكن للمسابير المعزولة بصريًا تحقيق معدل CMRR قدره -160 ديسيبل في نطاق التردد المنخفض-، مع الحفاظ على مستوى يزيد عن -100 ديسيبل عند تردد عالٍ قدره 1 جيجاهرتز - وهو ما يتجاوز بكثير مستوى المجسات التفاضلية التقليدية (التي تصل عادةً إلى -26 ديسيبل فقط عند 100 ميجاهرتز).

فهي قادرة على التقاط الإشارات التفاضلية لمستوى الميليفولت- بدقة داخل البيئات الخاضعة لجهد الوضع المشترك ±6 كيلو فولت، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص -لقياس انتقالات التبديل في أشباه الموصلات من الجيل الثالث (مثل SiC وGaN).

2. جهد عزل عالي لتعزيز السلامة

واستنادا إلى مبدأ العزل الكهربائي عبر الألياف الضوئية، يمكن لهذه التقنية تحقيق جهد عزل يتجاوز 60 كيلو فولت، وبالتالي قطع الاتصال الكهربائي بين الدائرة قيد الاختبار وأجهزة القياس بشكل كامل.

ويمنع هذا بشكل فعال-انهيار الجهد العالي لمرسمة الذبذبات ويحمي موظفي التشغيل، مما يجعله مثاليًا لسيناريوهات الاختبار-عالية المخاطر التي تتضمن وحدات التحكم في محرك السيارة التي تعمل بالطاقة الجديدة، ومحولات الطاقة الكهروضوئية، والأنظمة المشابهة.

3. سلامة الإشارة العالية والحد الأدنى من تأثيرات التحميل

مع مقاومة دخل تصل إلى 10 ميجا أوم || 1 pF، يظل تأثير التحميل على الدائرة قيد الاختبار أقل من 0.1%، وبالتالي تجنب تشويه الإشارة الناتج عادةً عن محاثة الرصاص الموجودة في المجسات التقليدية.

يمكن أن تصل أوقات الارتفاع إلى 700 ps، مما يتيح إعادة إنتاج دقيقة لمعدلات زيادة الجهد (dV/dt) التي تصل إلى 100 V/ns في أجهزة GaN، وتوفير أشكال موجية موثوقة لحساب خسائر التبديل.

4. مناعة قوية ضد التداخل الكهرومغناطيسي (EMI)

مسار نقل الألياف الضوئية خالٍ من الاقتران الكهرومغناطيسي؛ وبالتالي، تظل غير متأثرة بالبيئات الكهرومغناطيسية القوية (مثل تلك الموجودة بالقرب من محطات الاتصالات الأساسية أو أدوات آلات CNC)، مما يضمن نقاء الإشارة.

وهذا يجعل هذه التقنية مناسبة بشكل خاص للقياسات التي تتضمن دوائر أرضية عائمة- ونقاط محتملة متعددة، مما يلغي الحاجة إلى اتصال أرضي مشترك.

ثانيا. قيود التطبيق الأساسي

1. محدودية النطاق الترددي وسرعة الاستجابة

مقيدًا بمعدلات تعديل الثنائيات الليزرية وأوقات استجابة الثنائيات الضوئية، يقتصر عرض النطاق الترددي للنماذج السائدة عادةً على نطاق 1 جيجا هرتز- وهو نطاق أقل من نطاق المجسات السلبية من الطبقة العليا- (والتي يمكن أن تصل إلى 6 جيجا هرتز). في قياسات إشارة التردد العالي-الفائقة- (على سبيل المثال، مضخمات طاقة التردد اللاسلكي 5G)، قد يحدث توهين في استجابة التردد، مما يؤدي إلى تشويه الإشارة.

2. استهلاك عالي للطاقة وحجم مادي كبير

تتطلب وحدة الواجهة الأمامية-مصدر طاقة مستقلًا (إما يعتمد على البطارية أو يعتمد على الليزر-). نظرًا لتصميم الإدارة الحرارية، فإن حجمه المادي أكبر من 3 إلى 5 مرات من حجم المجسات التقليدية، ويتجاوز وزنه 500 جرام.

يتم تقييد العملية عند اختبار مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذات الكثافة السكانية العالية؛ الاستخدام المطول للحمل باليد يسبب التعب، مما يستلزم استخدام حامل الدعم.

3. التكلفة العالية والصيانة المعقدة

يشتمل هذا الجهاز على محرك ليزر، ووحدة تحويل إلكترونية ضوئية عالية الدقة، ونظام للتحكم في درجة الحرارة، وتبلغ تكلفة التصنيع من 3 إلى 5 أضعاف تكلفة المجسات التفاضلية المماثلة.

يصل سعر الطرز ذات المستوى -المبدئي إلى ما يزيد عن 10000 يوان صيني، في حين يصل سعر الطرز -الراقية إلى مئات الآلاف من الرنمينبي. علاوة على ذلك، يلزم إجراء معايرة دورية للكسب والخطية، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف التشغيل على المدى الطويل-.

4. متطلبات الاستخدام والصيانة الصارمة

يجب أن يتجاوز نصف قطر انحناء الألياف الضوئية 30 مم (تتطلب بعض الموديلات أكبر من أو يساوي 10 سم)؛ سيؤدي الانحناء المفرط إلى توهين الإشارة الضوئية.

قبل القياس، يجب تقدير نطاق الجهد واختيار المخفف المناسب؛ مطلوب إعادة المعايرة إذا كانت درجة الحرارة المحيطة تتقلب بأكثر من 5 درجات.

ثالثا. ملخص السيناريوهات القابلة للتطبيق

توقعات الاتجاه: لقد تجاوز الآن عرض النطاق الترددي للجيل الجديد من المجسات المعزولة بصريًا 2 جيجا هرتز. ومن خلال دمج معالجة الإشارات المعتمدة على الذكاء الاصطناعي- والحوسبة الطرفية، تتطور هذه المجسات نحو مستويات أعلى من التكامل والذكاء.