CN104181378A - 基于差动式输入的开口式多重电极并联结构电压传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于差动式输入的开口时多重电机并联结构的电压传感器，属于电气工程技术领域。包括多块环形PCB板，所述环形PCB板由两块设置有电极的半环形PCB板拼接而成，所述电极相互连接并沿着环形PCB板正面和反面的多层环线设置，形成若干半径不同的环形电极；正面环形电极之间并联形成正面总电极，反面环形电极之间也并联形成反面总电极；多块环形PCB板上的正面总电极和反面总电极再各自并联。本发明的电压传感器具有低压侧无短路危险；传感器频率响应范围宽；检测电路采用差动式的输入方式，有效抑制共模干扰量；能够实现非接触式的电压测量等优点。

Description

基于差动式输入的开口式多重电极并联结构电压传感器

技术领域

本发明涉及电气工程技术领域，特别涉及一种基于差动式输入的开口式多重电极并联结构电压传感器。

背景技术

电压传感器作为获取测量信号的重要结构，其性能将在很大程度上影响到整个测量系统的应用范围和测量准确度。当前电力系统中，包括电容分压电子式电压互感器和光学电子式电压互感器等在内的电压测量设备，大多采用独立的分压器对高压端电压进行衰减后再输入到后级的测量电路中。为了保证分压器的绝缘强度与准确性，使得分压器具有较高的造价、较大的体积和复杂的工艺，此外还在其他方面也存在一定的局限性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服上述不足，提供基于差动式输入的开口式多重电极并联结构电压传感器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于差动式输入的开口式多重电极并联结构电压传感器，包括多块环形PCB板，所述环形PCB板由两块设置有电极的半环形PCB板拼接而成，所述电极相互连接并沿着环形PCB板正面和反面的多层环线设置，形成若干半径不同的环形电极；正面环形电极之间并联形成正面总电极，反面环形电极之间也并联形成反面总电极；多块环形PCB板上的正面总电极和反面总电极再各自并联。

进一步的，所述正面环形电极与反面环形电极在半径不同的环线上交替间隔设置。

进一步的，所述两半环形PCB板依靠绝缘压板固定，所述绝缘压板压覆在拼接处的开口沿线上，使绝缘压板的一端位于上半环形PCB板，另一端位于下半环形PCB板；所述绝缘压板再通过固定锁将其两端固定。

进一步的，所述两块半环形PCB板均设置有的正面接线柱和反面接线柱，所述正面接线柱用于连接正面环形电极之间并联的导线，反面接线柱用于连接反面环形电极之间并联的导线。

进一步的。所述环形PCB板上的设置有至少三个连接键槽，且所述连接键槽处于同一环线上。

本发明的优点在于：本发明设计的电压传感器采用了开口式设计，便于安装和拆卸；同时本电压传感器的体积小重量轻，采用绝缘材料设计成本较低，能够适用于各种场合的电器设备电压的检测，本发明的电压传感器还具有低压侧无短路危险；传感器频率响应范围宽；检测电路采用差动式的输入方式，有效抑制共模干扰量；能够实现非接触式的电压测量等优点。

本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明中环形PCB板的整体结构及电极设置示意图；

图2为本发明的电压传感器及其检测电路系统的实施方式图；

图3为图2的检测系统的硬件电路结构示意图；

图4为传感器测量系统的集总参数等效电路；

图5为传统的传感器上引入差动输入结构后的等效电路图；

其中：1-反面接线柱；2-连接键槽；3-绝缘压板；4-固定锁；5-正面接线柱；6-开口沿线7-反面环形电极；8-正面环形电极。

具体实施方式

以下是本发明优选实施例的详细描述，应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1为本发明中环形PCB板的整体结构及电极设置示意图，参照图1，一种基于差动式输入的开口式多重电极并联结构电压传感器，包括多块环形PCB板，所述环形PCB板由两块设置有电极的半环形PCB板拼接而成，所述电极相互连接并沿着环形PCB板正面和反面的多层环线设置，形成若干半径不同的环形电极，且正面环形电极8之间并联形成正面总电极，反面环形电极7之间也并联形成反面总电极；多块环形PCB板上的正面总电极和反面总电极再各自并联。

所述正面环形电极与反面环形电极在半径不同的环线上交替设置。

所述两半环形PCB板依靠绝缘压板3固定，所述绝缘压板3压覆在拼接处的开口沿线6上，使绝缘压板3的一端位于上半环形PCB板，另一端位于下半环形PCB板；所述绝缘压板3再通过固定锁4将其两端固定。

所述两块半环形PCB板均设置有的正面接线柱5和反面接线柱1，所述正面接线柱5用于连接正面环形电极8之间并联的导线，反面接线柱1用于连接反面环形电极7之间并联的导线。

所述环形PCB板上的设置有至少三个连接键槽2，且所述连接键槽2处于同一圆环上。

在具体实施时，将两块半环形PCB板(A和B)拼接在一起，并利用绝缘压板3固定好。之后将两块或者两块以上的环形PCB板保持同轴连接起来。若三块环形PCB板并联，其具体连接方式为：先利用连接键槽3相互对应的关系将三块环形PCB板保持同轴，且正面接线柱5和反面接线柱1的位置都相互对应；之后将三块环形PCB板的上的六个正面接线柱5相互连接起来；六个反面接线柱1相互也连接起来。这种多重电极的结构设置用于进一步增大互电容参数，减小传感器测量误差。

最后在正面的导线和反面的导线之间连接硬件电路部分，形成检测系统。将待检测的导体贯穿在三个环形PCB板的中心孔中，即可实现检测，实施方式参见附图2。

所述硬件电路部分包括差分放大电路、滤波电路、可编程增益放大电路、A/D转换电路、处理器电路等组成。

差分放大电路：考虑到传感器工作环境电磁场较为复杂，传感器输出的信号可能被环境中的其他电磁波所干扰，因此，针对干扰信号为传感器电极之间的共模信号，对传感器电极产生的扰动量相同的特点，设计中采用差动放大电路对传感器输出信号进行采集。差动放大电路输出与两路输入信号之差之间具有固定增益的信号，通过对两路输入信号求差，可以去掉两者中具有的极性相同的共模分量，放大极性相反的差模分量。因此，可以通过差动放大电路实现对传感器输入信号放大的同时，抑制环境干扰信号对测量结果带来的误差。

滤波电路：本设计采用带通滤波电路，主要实现检测50Hz的工频电压信号，同时滤除高频的干扰信号等，保证信号采集的准确性。

可编程增益放大电路：为了适应不同电压等级用电设备的漏电保护，使得检测电路成为具有宽动态范围的数据采集系统，因此可以通过可编程增益放大器电路来实现信号与A/D满量程电压的匹配。

处理器电路：处理器采用MSP430超低功耗单片机作为主控制器，用于对信号进行计算、处理，同时设计按键电路，实现对预设值的调整、系统复位等功能。

通过分析，被测导体与传感器构成的测量系统中输入输出的时域关系表达式可以表示为：

因此，只要对测量到的传感器信号在时域上进行积分，便可以还原得到与电场强度成正比的测量值。由式(1)可以得到整个测量系统的集总参数等效电路模型，如图4所示：

被测导体电压等效为对地电位为的电压源，Cm为传感器电极与被测导体之间的等效分布互电容，Cs为传感器电极的对地等效分布杂散电容，Rm为接地负载电阻，传感器等效为由Cm、Cs以及Rm所构成的一阶RC电路。传感器输出V(t)输入到由电阻R1、电容C1所构成的无源积分电路中，积分电路输出信号Vo(t)即为得到的测量信号。

通过拉普拉斯变换，传感器的传递函数可以表示为：

根据公式(2)可以得出为了使电场耦合电压传感器能够在工频50Hz工作于自积分模式，以达到扩大带宽、减小误差以及避免积分电路影响的目的，角频率ωh至少需要满足条件：

${\mathrm{\&omega;}}_h=\frac{1}{(C_m+C_s)R_m}<2\mathrm{\&pi;}\&times;50---\left(3\right)$

由于考虑到绝缘强度以及导体自身的几何参数结构，电场耦合传感器与被测导体之间的距离不可能很近，被测导体与传感器电极之间互电容Cm的电容值以及电极自身的对地杂散电容Cs的电容值一般情况下只有pF级别(10-12)大小，因此需要使用电阻值大小为GΩ级别的负载电阻Rm，这将会在电阻的选择与阻抗的匹配方面存在问题。

在传统的传感器上引入差动输入结构后，通过一对工作于自积分模式的电场耦合传感器电极输出的悬浮电位之差作为传感器的输出，其等效电路如图5所示：

新的结构，并不会改变传感器自身的传递函数形式，只是在传感器传递函数的极点中引入了一个新的参数，即为互电容Cm0。由于电极之间距离可以自由调整，相较于传统的传感器被测导体与电极之间的互电容Cm由于距离较远无法获得较大电容值的情况，本发明的电极之间互电容Cm0可以获得远大于导体与电极之间互电容Cm以及电极自身对地杂散电容Cs的电容值。因此，可以得出，提高互电容Cm0的电容值，可以有效提高C2的值，并且由于运算放大器输入阻抗一般都能达到GΩ等级以上，因此，通过差动输入结构，避免了使用负载电阻的同时，还能使传感器能够在工频下工作于自积分模式。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于差动式输入的开口式多重电极并联结构电压传感器，包括多块环形PCB板，所述环形PCB板由两块设置有电极的半环形PCB板拼接而成，其特征在于：所述电极相互连接并沿着环形PCB板正面和反面的多层环线设置，形成若干半径不同的环形电极；正面环形电极之间并联形成正面总电极，反面环形电极之间也并联形成反面总电极；多块环形PCB板上的正面总电极和反面总电极再各自并联。

2.根据权利要求1所述的基于差动式输入的开口式多重电极并联结构电压传感器，其特征在于：所述正面环形电极与反面环形电极在半径不同的环线上交替间隔设置。

3.根据权利要求2所述的基于差动式输入的开口式多重电极并联结构电压传感器，其特征在于：所述两半环形PCB板依靠绝缘压板固定，所述绝缘压板压覆在拼接处的开口沿线上，使绝缘压板的一端位于上半环形PCB板，另一端位于下半环形PCB板；所述绝缘压板再通过固定锁将其两端固定。

4.根据权利要求3所述的基于差动式输入的开口式多重电极并联结构电压传感器，其特征在于：所述两块半环形PCB板均设置有的正面接线柱和反面接线柱，所述正面接线柱用于连接正面环形电极之间并联的导线，反面接线柱用于连接反面环形电极之间并联的导线。

5.根据权利要求4所述的基于差动式输入的开口式多重电极并联结构电压传感器，其特征在于：所述环形PCB板上的设置有至少三个连接键槽，且所述连接键槽处于同一环线上。