CN103995184A - 超声波传感器以及电容稳态在线检测系统及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超声波传感器以及电容稳态在线检测系统及工作方法，包括：一体成型的腔体，该腔体内隔断有上、中、下层空腔，所述下层空腔内设有压电晶体单元，所述中层空腔内设有电源，所述上层空腔分割为左、右腔室，所述左腔室内设有信号处理单元，所述右腔室内设有温度补偿单元，所述压电晶体单元与温度补偿单元相连。本发明通过温度补偿单元对环境进行实时监控、调节，以使压电晶体单元的最佳工作状态；通过一体成型的腔体使超声波传感器内部各单元电路集成在一个狭小的空间内，提高了传感器的集成度。

Description

超声波传感器以及电容稳态在线检测系统及工作方法
技术领域
本发明涉及一种超声波传感器，以及应用该超声波传感器的电容检测装置及工作方法。
背景技术
现阶段出现的超声波传感器大都采用压电晶体以及接收放大器组成，通常不关心对使用环境、工作温度和信号的处理，然而由于超声波的特性对温度等参数比较敏感以及后端信号干扰的放大，从而导致在现场测试时，信号驳杂难辨，增加了对电力电容器的缺陷的判断难度；并且，在电力电子领域，现有的电力电容器在线诊断技术集中于对电容量介质损耗角的测量检测结果滞后于故障的发生且检测结果并不理想。
发明内容
本发明的目的是提供一种超声波传感器，该传感器解决了超声波传感器在环境温度、湿度变换较大时，其测量数据不准确的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明的提供了一种超声波传感器，包括：一体成型的腔体，该腔体内隔断有上、中、下层空腔，所述下层空腔内设有压电晶体单元，所述中层空腔内设有电源，所述上层空腔分割为左、右腔室，所述左腔室内设有信号处理单元，所述右腔室内设有温度补偿单元，所述压电晶体单元与温度补偿单元相连。
进一步，所述压电晶体单元还与信号处理单元相连，该信号处理单元包括：检波电路，与该检波电路相连的放大电路。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：(1)本发明通过温度补偿单元对环境进行实时监控、调节，以使压电晶体单元的最佳工作状态；(2)通过一体成型的腔体使超声波传感器内部各单元电路集成在一个狭小的空间内，提高了传感器的集成度。
在上述超声波传感器技术方案的技术上，本发明还提供了一种电容稳态在线检测系统，包括：安装有上述技术方案的超声波传感器，用于采集被测电容产生的声音信号，以获得相应电容声压级Lpx。
高频电流传感器，用于采集电容两端的电压向量。
所述超声波传感器、高频电流传感器分别通过相应调理单元与数据处理控制单元相连。
所述数据处理控制单元，包括：
电容叠加电压计算模块，适于将获得的电压向量分解出基波电压u0(t)和n次谐波电压分量un(t)，即，所述被测电容两端的叠加电压u(t)，即u(t)＝u0(t)+un(t)，计算该叠加电压的有效值U，同时计算基波电压的有效值U0。
电容量计算模块，建立电容声压级数据库，该数据库中包括：各类型电容与仅有各基波的有效值对应的电容声压级；预设被测电容类型、额定电容量C0，根据被测电容类型及当前基波电压的有效值U0从所述电容声压级数据库获得相应电容声压级Lp0；通过被测电容产生的声音信号，以获得相应电容声压级Lpx，通过公式计算出被测电容的实际电容量Cx。
被测电容寿命计算模块，适于根据被测电容的实际电容量Cx和叠加电压的有效值U建立电容量预估公式，即C＝Cx-kUt；其中，C为被测电容损坏时的极限电容值，t为电容损坏预期时间，k为单位时间内被测电容在当前基波电压的有效值U0下对应的电容量变化系数，即，其中，Cx1和Cx2为单位时间内被测电容的电容量初值和终值；并通过所述电容量预估公式推导出电容损坏预期时间t的计算公式，即设定所述极限电容值C，以计算出被测电容发生损坏的预期时间。
进一步，所述n次谐波电压分量un(t)中n取5。
在上述电容稳态在线检测系统的基础上，本发明还提供一种电容稳态在线检测系统的工作方法，该工作方法解决了对电容进行在线测量的技术问题。
所述电容稳态在线检测系统包括：
上述技术方案中的超声波传感器，其用于采集被测电容产生的电容声压级Lpx。
高频电流传感器，用于采集电容两端的电压向量。
所述电容稳态在线检测系统的工作方法，包括：
步骤一：采集被测电容两端的电压向量，并将该电压向量分解出基波电压u0(t)和n次谐波电压分量un(t)，即，所述被测电容两端的叠加电压u(t)，即u(t)＝u0(t)+un(t)，计算该叠加电压的有效值U，基波电压的有效值U0；
步骤二：建立电容声压级数据库，该数据库中包括：各类型电容与仅有各基波的有效值分别对应的电容声压级。
预设被测电容类型、额定电容量C0，根据被测电容类型及当前基波电压的有效值U0从所述电容声压级数据库获得相应电容声压级Lp0。
根据采集到的被测电容产生的声音信号，以获得相应电容声压级Lpx，通过公式计算出被测电容的实际电容量Cx。
步骤三：根据被测电容的实际电容量Cx和叠加电压的有效值U建立电容量预估公式，即C＝Cx-kUt；其中，C为被测电容损坏时的极限电容值，t为电容损坏预期时间，k为单位时间内被测电容在当前基波电压的有效值U0下对应的电容量变化系数，即，其中，Cx1和Cx2为单位时间内被测电容的电容量初值和终值。
步骤四：通过所述电容量预估公式推导出电容损坏预期时间t的计算公式，即设定所述极限电容值C，以计算出被测电容发生损坏的预期时间。
进一步，所述叠加电压的有效值U通过基波电压u0(t)和n次谐波电压分量un(t)的有效值平方和的平方根值获得。
进一步，所述n次谐波电压分量un(t)中n取5。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：(1)本发明把超声波传感器和高频电流传感器结合起来，实现了无需关闭电源的在线检测；(2)本发明通过超声波传感器采集被测电容产生的电容声压级Lpx；高频电流传感器采集电容两端的电压值，建立电容量预估公式，利用该公式对被测电容的寿命进行预测，比传统的仅仅检测当前电容实际电容量来判断电容寿命更加具有前瞻性。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明的超声波传感器的内部结构示意图；
图2为本发明的超声波传感器的电路原理框图；
图3电容稳态在线检测系统的原理框图；
图4为电容稳态在线检测系统的工作方法的流程图。
其中，传感器输出端1、信号处理单元2、温度补偿单元3、电源4、压电晶体单元5、腔体6。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例1
见图1和图2，一种超声波传感器，包括：一体成型的腔体6，该腔体内隔断有上、中、下层空腔，所述下层空腔内设有压电晶体单元5，所述中层空腔内设有电源4，所述上层空腔分割为左、右腔室，所述左腔室内设有信号处理单元2，所述右腔室内设有温度补偿单元3，所述压电晶体单元5与温度补偿单元3相连。
进一步，所述压电晶体单元5还与信号处理单元2相连，该信号处理单元包括：检波电路，与该检波电路相连的放大电路。
本发明的超声波传感器在使用时将腔体6底部紧贴被测物体表面(使用甘油等尽量排除之间空气)，超声波信号通过压电晶体单元5转化为电信号(此时温度补偿单元3对环境进行实时监控、调节，以使压电晶体单元5的最佳工作状态)，电信号传至信号处理单元2进行检波、放大处理后，由传感器输出端1输出。
所述电源4采用可充电电池。
所述温度补偿单元3包括温度补偿电路和湿度补偿电路，所述温度补偿电路和湿度补偿电路也可以用相应的传感器单元电路来代替，例如中国专利申请公布号CN102680518A公开了一种补偿式气体传感器及其温度补偿方法，该方法中公开了通过温、湿度传感器单元电路来实现温度补偿。又例如专利文献申请公布号CN103248345A公开了一种开关型霍尔传感器的温度补偿电路和温度补偿方法，其中公开了温度补偿的电路和方法。还有专利文献申请公布号CN101135670A公开了一种具有湿度补偿功能的双通道声表面波气体传感器，其中公开了湿度补偿的技术方案。
实施例2
如图3所示，在实施例1基础上的一种电容稳态在线检测系统，包括：
采用实施例1所述的超声波传感器，其用于采集被测电容产生的声音信号，以获得相应电容声压级Lpx。
高频电流传感器，用于采集电容两端的电压向量。
所述超声波传感器、高频电流传感器分别通过相应数据调理单元与数据处理控制单元相连；即，超声波传感器、高频电流传感器分别通过第一、第二数据调理单元与数控处理控制单元相连，且第一、第二数据调理单元可以采用由集成运算放大器构成的一定比例的放大器。
所述数据处理控制单元，包括：
电容叠加电压计算模块，适于将获得的电压向量分解出基波电压u0(t)和n次谐波电压分量un(t)，即，所述被测电容两端的叠加电压u(t)，即u(t)＝u0(t)+un(t)，计算该叠加电压的有效值U，同时计算基波电压的有效值U0；其中，获得谐波和基波的方法是通过FFT运算得到，该方法在现有技术文献中已有大量描述，例如：李加升、柴世杰2009年9月发表在期刊《电力系统保护与控制》上的论文“电能质量谐波间谐波在线快速检测方法研究”中已有相关描述。
电容量计算模块，适于根据预设被测电容类型、额定电容量C0，通过所述电容声压级数据库获得被测电容与仅有各基波的有效值对应的电容声压级Lp0；通过被测电容产生的声音信号，以获得相应电容声压级Lpx，通过公式计算出被测电容的实际电容量Cx；其中，所述电容声压级Lp0通过建立电容声压级数据库的方式获得，即该数据库中存储有各类型电容与各基波电压的有效值对应的电容声压级，通过预设输入被测电容的类型，以及计算所得到当前基波电压的有效值，从电容声压级数据库查找得到该电容对应的电容声压级数据；计算相应电容声压级Lpx的方法在论文文献：2010年6月发表于《电子技术学报》的基于振动信号的电容噪声水平计算方法中已被公开。
被测电容寿命计算模块，适于根据被测电容的实际电容量Cx和叠加电压的有效值U建立电容量预估公式，即C＝Cx-kUt；其中，C为被测电容损坏时的极限电容值，t为电容损坏预期时间，k为单位时间内被测电容在当前基波电压的有效值U0下对应的电容量变化系数，即，其中Cx1和Cx2为在当前基波电压的有效值U0下的单位时间内被测电容的电容量初值和终值；电容量变化系数k可以根据各类型电容在各基波电压的有效值下经过实测建立的电容量变化系数数据库得到，该电容量变化系数数据库根据电容型号和相应基波电压的有效值查找得到该电容对应的电容量变化系数k，其具体获取方法：各种基波电压的有效值下所测量的各类型电容在一段时间内的电容量初值和终值，再换算出一个单位时间内对应的电容量初值和终值，根据预设被测电容的类型，以及计算所得到当前基波电压的有效值，从电容量变化系数数据库中查找的出该电容对应的电容量变化系数k，为了便于计算，设电容在单位时间内的变化量是线性的；且通过所述电容量预估公式推导出电容损坏预期时间t的计算公式，即设定所述极限电容值C，以计算出被测电容发生损坏的预期时间。
所述叠加电压u(t)的有效值U计算方法包括：基波电压u0(t)和n次谐波电压分量un(t)的有效值平方和的平方根值。所述n次谐波电压分量un(t)中n取5。
所述数据处理控制单元通过FPGA模块来实现，即，FPGA芯片XC6SLX9-TQG144。
实施例3
如图4所示，在实施例2基础上还提供了一种电容稳态在线检测系统的工作方法，包括：
步骤S100，获得被测电容两端的叠加电压、基波电压的有效值。
采集被测电容两端的电压向量，并将该电压向量分解出基波电压u0(t)和n次谐波电压分量un(t)，即，所述被测电容两端的叠加电压u(t)，即u(t)＝u0(t)+un(t)，计算该叠加电压的有效值U，同时计算基波电压的有效值U0；其中，获得谐波和基波的方法是通过FFT运算得到，该方法在现有技术文献中已有大量描述，例如：李加升、柴世杰2009年9月发表在期刊《电力系统保护与控制》上的论文“电能质量谐波间谐波在线快速检测方法研究”中已有相关描述。
步骤S200，获得被测电容的实际电容量。
建立电容声压级数据库，该数据库中包括：各类型电容在仅有各基波的有效值所分别对应的电容声压级。
预设被测电容类型、额定电容量C0，通过所述电容声压级数据库获得被测电容在当前基波电压的有效值U0下对应的电容声压级Lp0；通过被测电容产生的声音信号，以获得相应电容声压级Lpx，通过公式计算出被测电容的实际电容量Cx；其中，所述电容声压级Lp0通过建立电容声压级数据库的方式获得，即该数据库中存储有各类型电容与仅有各基波电压的有效值对应的电容声压级，通过预设输入被测电容的类型，以及计算所得到当前基波电压的有效值，从电容声压级数据库查找得到该电容对应的电容声压级数据；其中，仅有各基波电压指的是无谐波电压；计算相应电容声压级Lpx的方法在论文文献：2010年6月发表于《电子技术学报》的基于振动信号的电容噪声水平计算方法中已被公开。
步骤S300，通过建立电容量预估公式，计算出被测电容发生损坏的预期时间。
步骤S310，建立电容量预估公式及电容量变化系数k计算公式。
根据被测电容的实际电容量Cx和叠加电压的有效值U建立电容量预估公式，即C＝Cx-kUt；其中，C为被测电容损坏时的极限电容值，t为电容损坏预期时间，k为单位时间内被测电容在当前基波电压的有效值U0下对应的电容量变化系数，即，Cx1和Cx2为在当前基波电压的有效值U0下的单位时间内被测电容的电容量初值和终值；电容量变化系数k可以根据各类型电容与仅有各基波电压的有效值经过实测建立的电容量变化系数数据库得到，该电容量变化系数数据库根据电容型号和相应基波电压的有效值查找得到该电容对应的电容量变化系数k，其具体获取方法：各种基波电压的有效值下所测量的各类型电容在一段时间内的电容量初值和终值，再换算出一个单位时间内对应的电容量初值和终值，根据预设被测电容的类型，以及计算所得到当前基波电压的有效值，从电容量变化系数数据库中查找的出该电容对应的电容量变化系数k，为了便于计算，设电容在单位时间内的变化量是线性的。
步骤S320，计算出被测电容发生损坏的预期时间。
通过所述电容量预估公式推导出电容损坏预期时间t的计算公式，即设定所述极限电容值C，以计算出被测电容发生损坏的预期时间，即被测电容的使用寿命；其中，极限电容值C由人为设定，也为电容量发出警告的阈值，便于对电容进行在线评估。
进一步，所述叠加电压的有效值U通过基波电压u0(t)和n次谐波电压分量un(t)的有效值平方和的平方根值获得。
进一步，考虑到谐波能量分布，所述n次谐波电压分量un(t)中n取5。
表1为实验数据与实测对比结果一，表1的电力电容选用巨华电力电容BSMJ-0.415-15-315Kvar，设定所述极限电容值C为原容量的40％。
表1实验数据与实测对照表
其中，在计算电容量变化系数k时，单位时间为24小时，即在525V基波有效值下，一天的电容变化量经实测为0.08uf。
表2为实验数据与实测对比结果二，表2的电力电容选用上海威斯康电力电容BSMJ0.4-15-3电容BSMJ0.45-15-3，设定所述极限电容值C为原容量的40％。
表2实验数据与实测对照表
其中，在计算电容量变化系数k时，单位时间为24小时，即在450V基波有效值下，一天的电容变化量经实测为0.12uf；或在415V基波有效值下，一天的电容变化量经过实测为0.11uf。
表3为实验数据与实测对比结果三，表3的电力电容选用德力西自愈式低压电容器并联电力电容器BSMJS0.420-3BSMJ，设定所述极限电容值C为原容量的40％。
表3实验数据与实测对照表
其中，在计算电容量变化系数k时，单位时间为24小时，即在380V基波有效值下，一天的电容变化量经实测为0.063uf。
本发明中基波有效值也可以认为是理想状态下的电压有效值。
从表1至表3可以看出，本发明的电容在线检测预估电容剩余时间是切实有效的，具有准确性高的特点，在接近电容实际电容量接近电容损坏时的极限电容值C时，所结算的结果越接近实测结果。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (7)

1.一种超声波传感器，其特征在于包括：一体成型的腔体，该腔体内隔断有上、中、下层空腔，所述下层空腔内设有压电晶体单元，所述中层空腔内设有电源，所述上层空腔分割为左、右腔室，所述左腔室内设有信号处理单元，所述右腔室内设有温度补偿单元，所述压电晶体单元与温度补偿单元相连。
2.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于：所述压电晶体单元还与信号处理单元相连，该信号处理单元包括：检波电路，与该检波电路相连的放大电路。
3.一种应用权利要求1所述超声波传感器的电容稳态在线检测系统，其特征在于，所述超声波传感器，用于采集被测电容产生的声音信号，以获得相应电容声压级Lpx；
所述电容稳态在线检测系统还包括：
高频电流传感器，用于采集电容两端的电压向量；
所述超声波传感器、高频电流传感器分别通过相应调理单元与数据处理控制单元相连；
所述数据处理控制单元，包括：
电容叠加电压计算模块，适于将获得的电压向量分解出基波电压u0(t)和n次谐波电压分量un(t)，即，所述被测电容两端的叠加电压u(t)，即u(t)＝u0(t)+un(t)，计算该叠加电压的有效值U，同时计算基波电压的有效值U0；
电容量计算模块，建立电容声压级数据库，该数据库中包括：各类型电容与仅有各基波的有效值对应的电容声压级；预设被测电容类型、额定电容量C0，根据被测电容类型及当前基波电压的有效值U0从所述电容声压级数据库获得相应电容声压级Lp0；通过被测电容产生的声音信号，以获得相应电容声压级Lpx，通过公式计算出被测电容的实际电容量Cx；
被测电容寿命计算模块，适于根据被测电容的实际电容量Cx和叠加电压的有效值U建立电容量预估公式，即C＝Cx-kUt；其中，C为被测电容损坏时的极限电容值，t为电容损坏预期时间，k为单位时间内被测电容在当前基波电压的有效值U0下对应的电容量变化系数，即，其中，Cx1和Cx2为单位时间内被测电容的电容量初值和终值；并通过所述电容量预估公式推导出电容损坏预期时间t的计算公式，即设定所述极限电容值C，以计算出被测电容发生损坏的预期时间。
4.根据权利要求3所述的电容稳态在线检测系统，其特征在于，所述n次谐波电压分量un(t)中n取5。
5.一种电容稳态在线检测系统的工作方法，其特征在于，所述电容稳态在线检测系统包括：
权利要求1所述的超声波传感器，该超声波传感器用于采集被测电容产生的声音信号，以获得相应电容声压级Lpx；
高频电流传感器，用于采集电容两端的电压向量；
所述工作方法包括：
步骤一：采集被测电容两端的电压向量，并将该电压向量分解出基波电压u0(t)和n次谐波电压分量un(t)，即，所述被测电容两端的叠加电压u(t)，即u(t)＝u0(t)+un(t)，计算该叠加电压的有效值U，基波电压的有效值U0；
步骤二：建立电容声压级数据库，该数据库中包括：各类型电容与仅有各基波的有效值分别对应的电容声压级；
预设被测电容类型、额定电容量C0，根据被测电容类型及当前基波电压的有效值U0从所述电容声压级数据库获得相应电容声压级Lp0；
根据采集到的被测电容产生的声音信号，以获得相应电容声压级Lpx，通过公式计算出被测电容的实际电容量Cx；
步骤三：根据被测电容的实际电容量Cx和叠加电压的有效值U建立电容量预估公式，即C＝Cx-kUt；其中，C为被测电容损坏时的极限电容值，t为电容损坏预期时间，k为单位时间内被测电容在当前基波电压的有效值U0下对应的电容量变化系数，即，其中，Cx1和Cx2为单位时间内被测电容的电容量初值和终值；
步骤四：通过所述电容量预估公式推导出电容损坏预期时间t的计算公式，即设定所述极限电容值C，以计算出被测电容发生损坏的预期时间。
6.根据权利要求5所述的电容稳态在线检测系统的工作方法，其特征在于，所述叠加电压的有效值U通过基波电压u0(t)和n次谐波电压分量un(t)的有效值平方和的平方根值获得。
7.根据权利要求6所述的电容稳态在线检测系统的工作方法，其特征在于，所述n次谐波电压分量un(t)中n取5。
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