CN108089047B - 使用多个电容器的非接触式电压测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“使用多个电容器的非接触式电压测量系统”。本公开提供了一种用于测量绝缘导体（例如，绝缘线）的交流(AC)电压而无需导体和测试电极或探头之间的电流连接的系统和方法。非电流接触式（或“非接触式”）电压测量系统包括与绝缘导体电容耦合的多个导电传感器。至少一个处理器接收用于指示由绝缘导体中的AC电压引起的导电传感器处的电压的信号，并且至少部分地基于所接收的信号来确定绝缘导体中的AC电压。

Description

使用多个电容器的非接触式电压测量系统
技术领域
本公开整体涉及对电特性的测量，并且更具体地涉及交流(AC)电压的非接触式测量。
背景技术
电压表为用于测量电路中的电压的仪器。测量多于一种电特性的仪器被称为万用表或数字万用表(DMM)，并且操作以测量服务、故障排除和维护应用通常需要的多个参数。此类参数通常包括交流(AC)电压和电流、直流(DC)电压和电流、以及电阻或通断性。还可测量其他参数，诸如功率特性、频率、电容和温度，以满足特定应用的要求。
对于测量AC电压的常规电压表或万用表，需要使至少一个测量电极或探头与导体电流接触，这通常需要切除绝缘线的一部分绝缘体，或提前提供测量端子。除了需要暴露的电线或端子进行电流接触之外，将电压表探头接触到剥离的电线或端子的步骤可能相当危险，因为具有被电击或触电的危险。
非接触式电压检测器通常用于检测交流(AC)电压（通常为高电压）的存在，而无需与电路进行电流接触。当检测到电压时，通过指示诸如灯、蜂鸣器或振动电机来警告用户。然而，此类非接触式电压检测器仅提供AC电压存在或不存在的指示，并且不提供AC电压的实际大小（例如，RMS值）的指示。
因此，需要一种提供方便和准确的电压测量而无需与被测电路进行电流接触的AC电压测量系统。
发明内容
一种测量绝缘导体中的交流(AC)电压的系统可被总结为包括：外壳；物理地耦接到该外壳的传感器组件，该传感器组件可选择性地定位成邻近绝缘导体而无需与导体电流接触，该传感器组件包括第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器，其中当传感器组件被定位成邻近绝缘导体时，该第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器各自与绝缘导体电容耦合，并且相对于影响电容耦合的至少一个特性，该第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器中的每一者不同于导电传感器中的其他导电传感器；电压测量子系统，该电压测量子系统电耦接至第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器，其中该电压测量子系统在操作中生成用于分别指示第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器处的电压的第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号；以及至少一个处理器，该至少一个处理器可通信地耦接到所电压测量子系统，其中在操作中至少一个处理器：从电压测量子系统接收第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号；并且至少部分地基于所接收的第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号来确定绝缘导体中的AC电压。
影响电容耦合的至少一个特性可包括至少一个物理尺寸。影响电容耦合的至少一个特性可包括物理面积、物理取向、或在传感器组件被定位成邻近绝缘导体时与绝缘导体的物理分离中的至少一者。第一导电传感器和第二导电传感器中的每一者可具有平面直角三角形形状，该平面直角三角形形状限定用于形成直角的第一边缘和第二边缘，以及与直角相对的斜边边缘，并且第一导电传感器和第二导电传感器的斜边边缘可被定位成彼此邻近。该第三导电传感器可具有平面矩形形状。该第一导电传感器和第二导电传感器可被定位在第一平面中，该第三导电传感器可被定位在第二平面中，并且第一平面可相对于第二平面成锐角设置。该第一平面可相对于第二平面成角度设置，该角度可介于20度和50度之间。该传感器组件可包括：第一绝缘层，当传感器组件被定位成邻近绝缘导体时，该第一绝缘层使第一导电传感器和第二导电传感器与绝缘导体绝缘，该第一绝缘层具有第一厚度；和第二绝缘层，当传感器组件被定位成邻近绝缘导体时，该第二绝缘层使第三导电传感器与绝缘导体绝缘，该第二绝缘层具有不同于第一厚度的第二厚度。该第一绝缘层的第一厚度可小于第二绝缘层的第二厚度。
一种测量绝缘导体中的交流(AC)电压的系统还可包括至少一个内部接地保护件，该至少一个内部接地保护件至少部分地围绕第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器中的每一者。
该至少一个处理器可确定以下各项中的至少一者：第一传感器电压信号除以第二传感器电压信号；第一传感器电压信号和第二传感器电压信号的和；以及第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号的和。该至少一个处理器可确定确定第一传感器电压信号和第二传感器电压信号的和除以第三传感器电压信号。该至少一个处理器可将从第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号得出的至少一个值与查找表进行比较，以至少部分地基于所接收的第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号来确定绝缘导体中的AC电压。该至少一个处理器可使用从第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号得出的至少一个值来求解至少一个公式，以至少部分地基于所接收的第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号来确定绝缘导体中的AC电压。
一种对测量绝缘导体中的交流(AC)电压的系统进行操作的方法可被总结为包括外壳、物理地耦接到该外壳的传感器组件，该传感器组件可选择性地定位成邻近绝缘导体而无需与导体电流接触，该传感器组件包括第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器，其中当传感器组件被定位成邻近绝缘导体时，该第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器各自与绝缘导体电容耦合，并且相对于影响电容耦合的至少一个特性，该第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器中的每一者不同于导电传感器中的其他导电传感器，该方法包括：经由电耦接至第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器的电压测量子系统来生成用于分别指示第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器处的电压的第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号；通过可通信地耦接到电压测量子系统的至少一个处理器来从电压测量子系统接收第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号；以及通过至少一个处理器至少部分地基于所接收的第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号来确定绝缘导体中的AC电压。
确定绝缘导体中的AC电压可包括确定以下各项中的至少一者：第一传感器电压信号除以第二传感器电压信号；第一传感器电压信号和第二传感器电压信号的和；以及第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号的和。确定绝缘导体中的AC电压可包括确定第一传感器电压信号和第二传感器电压信号的和除以第三传感器电压信号。确定绝缘导体中的AC电压可包括将从第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号得出的至少一个值与查找表进行比较，以至少部分地基于所接收的第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号来确定绝缘导体中的AC电压。确定绝缘导体中的AC电压可包括使用从第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号得出的至少一个值来求解至少一个公式，以至少部分地基于所接收的第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号来确定绝缘导体中的AC电压。
一种提供用于测量绝缘导体中的交流(AC)电压的系统的方法可总结为包括：提供可选择性地定位成邻近绝缘导体而无需与导体电流接触的传感器组件，该传感器组件包括第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器，其中当传感器组件被定位成邻近绝缘导体时，该第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器各自与绝缘导体电容耦合，并且相对于影响电容耦合的至少一个特性，该第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器中的每一者不同于导电传感器中的其他导电传感器；经由电耦接至第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器的电压测量子系统来生成用于分别指示第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器处的电压的第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号；通过可通信地耦接到电压测量子系统的至少一个处理器来从电压测量子系统接收第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号；以及通过至少一个处理器至少部分地基于所接收的第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号来确定绝缘导体中的AC电压。
提供传感器组件可包括提供包括第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器的传感器组件，并且相对于至少一个物理尺寸，第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器中的每一者可与导电传感器中的其他导电传感器不同。提供传感器组件可包括提供包括第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器的传感器组件，并且相对于物理面积、物理取向、或在传感器组件被定位成邻近绝缘导体时与绝缘导体的物理分离中的至少一者，第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器中的每一者可与导电传感器中的其他导电传感器不同。提供传感器组件可包括提供包括第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器的传感器组件，并且第一导电传感器和第二导电传感器中的每一者可具有平面直角三角形形状，该平面直角三角形形状限定用于形成直角的第一边缘和第二边缘，以及与直角相对的斜边边缘，并且第一导电传感器和第二导电传感器的斜边边缘可被定位成彼此邻近。提供传感器组件可包括提供包括第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器的传感器组件，并且第三导电传感器具有平面矩形形状。提供传感器组件可包括提供包括第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器的传感器组件，并且该第一导电传感器和第二导电传感器可被定位在第一平面中，该第三导电传感器可被定位在第二平面中，并且第一平面可相对于第二平面成锐角设置。
提供用于测量绝缘导体中的交流(AC)电压的系统的方法还可包括：提供第一绝缘层，当传感器组件被定位成邻近绝缘导体时，该第一绝缘层使第一导电传感器和第二导电传感器与绝缘导体绝缘，该第一绝缘层具有第一厚度；以及提供第二绝缘层，当传感器组件被定位成邻近绝缘导体时，该第二绝缘层使第三导电传感器与绝缘导体绝缘，该第二绝缘层具有不同于第一厚度的第二厚度。
提供用于测量绝缘导体中的交流(AC)电压的系统的方法还可包括提供至少一个内部接地保护件，该至少一个内部接地保护件至少部分地围绕第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器中的每一者。
附图说明
在附图中，相同的附图标记指示相似的元件或动作。附图中的元件的尺寸和相对位置不一定按比例绘制。例如，各种元件的形状和角度不一定按比例绘制，并且这些元件中的一些元件可能被任意地放大和定位，以提高附图的可读性。此外，所绘制的元件的特定形状不一定意图传达关于特定元件的实际形状的任何信息，并且可能仅为了便于在附图中识别而被选择。
图1A为根据一个例示的具体实施的其中操作者可使用非接触式电压测量系统来测量绝缘线中存在的AC电压而无需与线进行电流接触的环境的示意图。
图1B为根据一个例示的具体实施的图1A的非接触式电压测量系统的顶视图，其示出了在绝缘线和非接触式电压测量系统的导电传感器之间形成的耦接电容。
图2为根据一个例示的具体实施的非接触式电压测量系统的各种内部部件的示意图。
图3为根据一个例示的具体实施的示出被定位成邻近待测试的绝缘线的非接触式电压测量系统的导电传感器的示意图。
图4A为根据一个例示的具体实施的用于非接触式电压测量系统的第一导电传感器、第二导电传感器和内部接地保护件的平面图，其示出了用于第一导电传感器和第二导电传感器的示例性形状。
图4B为根据一个例示的具体实施的用于非接触式电压测量系统的第三导电传感器和内部接地保护件的平面图，其示出了用于第三导电传感器的示例性形状。
图5为根据一个例示的具体实施的非接触式电压测量系统的前端或探头端部的剖视图。
具体实施方式
在下面的描述中，阐述了某些具体细节，以便提供对所公开的各种具体实施的彻底理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，这些具体实施可在没有这些具体细节中的一个或多个具体细节的情况下，或者在使用其他方法、部件、材料等的情况下被实践。在其他实例中，没有详细示出或描述与计算机系统、服务器计算机和/或通信网络相关联的熟知的结构，以避免不必要地模糊这些具体实施的描述。
除非上下文另有要求，否则贯穿整个说明书和权利要求书，字词“包含”与“包括”是同义的，并且是包容性的或开放式的（即，不排除附加的、未被引用的元件或方法动作）。
本说明书通篇对“一个具体实施”或“具体实施”的引用意指结合该具体实施描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个具体实施中。因此，本说明书通篇各个地方出现的短语“在一个具体实施中”或“在具体实施中”不一定全部指代相同的具体实施。此外，在一个或多个具体实施中，特定特征、结构或特性可以任何合适的方式组合。
如说明书和所附权利要求所使用的，单数形式“一个”和“该”包括复数指示物，除非上下文另有明确指示。还应指出的是，术语“或”通常被使用为在其意义上包括“和/或”，除非上下文另有明确指示。
本文所提供的标题和说明书摘要仅为了方便而提供，并且不解释具体实施的范围或含义。
本公开的一个或多个具体实施涉及用于测量绝缘导体或未绝缘的裸导体（例如，绝缘线）的交流(AC)电压而无需导体和测试电极或探头之间的电流连接的系统和方法。通常，提供一种相对于接地部使用多个电容传感器来测量绝缘导体中的AC电压信号的非电流接触式（或“非接触式”）电压测量系统。不需要电流连接的此类系统在本文中被称为“非接触式”。如本文所使用的，“电耦接”包括直接和间接电耦接，除非另有说明。
图1A为其中操作者104可使用本公开的非接触式电压测量系统102来测量绝缘线106中存在的AC电压而无需非接触式电压测量系统和线106之间的电流接触的环境100的示意图。图1B为图1A的非接触式电压测量系统102的顶视图，其示出了操作期间的非接触式电压测量系统的各种电特性。该非接触式电压测量系统102包括外壳或主体108，该外壳或主体包括握持部分或端部110、以及与该握持部分相对的在本文中也被称为前端探头部分或端部112。该外壳108还可包括促进用户与非接触式电压测量系统102进行交互的用户界面114。该用户界面114可包括任何数量的输入件（例如，按钮、拨号盘、开关、触摸传感器）和任何数量的输出件（例如，显示器、LED、扬声器、蜂鸣器）。该非接触式电压测量系统102还可包括一个或多个有线和/或无线通信接口（例如，USB、Wi-Fi®、Bluetooth®），以促进与其他本地设备或远程设备进行通信。
在至少一些具体实施中，如图1B中最佳地示出的，该探头部分112可包括由第一延伸部分和第二延伸部分118和120限定的凹陷部分116。当执行测量时，该凹陷部分116接收绝缘线106（参见图1A）。该绝缘线106包括导体122和围绕导体122的绝缘体124。当该绝缘线106被定位在非接触式电压测量系统102的凹陷部分116内时，该凹陷部分116可包括被定位成邻近该绝缘线的绝缘体124的传感器或电极S1、S2和S3。在例示的示例中，传感器S1和S2被设置在外壳108的延伸部分118内，并且传感器S3被设置在延伸部分120内。可提供延伸部分119的表面119，以使传感器S1和S2与凹陷部分116分离，以防止传感器和其他对象（例如，绝缘线106、金属对象）之间的物理接触和电接触。类似地，该延伸部分120的表面121可使传感器S3与凹陷部分116分离。如下面参考图5进一步讨论的，在至少一些具体实施中，表面119使传感器S1和S2与凹陷部分116分离的距离（例如，图5的厚度T1）可不同于表面121使传感器S3与该凹陷部分分离的距离（例如，图5的厚度T2）。
如图1A所示，在使用中，操作者104可抓握外壳108的握持部分110并且将探头部分112放置成邻近绝缘线106，使得非接触式电压测量系统102可准确地测量该线中存在的相对于接地部（或另一参考节点）的AC电压。虽然探头端部112被示出为具有凹陷部分116，但是在其他具体实施中，探头部分112可以不同方式被配置。例如，在至少一些具体实施中，该探头部分112可包括可选择性地移动的夹具、钩、包括传感器的平坦或弓形表面，或允许非接触式电压测量系统102的传感器组件被定位成邻近绝缘线106的其他类型的界面。
当探头部分112被定位成邻近绝缘线106时，传感器S1、S2和S3各自与线的导体122电容耦合，从而分别生成电容C1、C2和C3。如下面进一步讨论的，相对于影响与绝缘线106的电容耦合的至少一个特性，传感器S1、S2和S3中的每个传感器彼此不同，使得传感器S1、S2和S3处的不同电压V1、V2和V3可被检测到并用于精确确定绝缘线106中的AC电压(VO)。
在至少一些具体实施中，使用输出电压V1、V2和V3之间的各种比率来确定绝缘导体106的特性。使用所确定的特性，可经由经校准的查找表和/或一个或多个所确定的方程来确定绝缘导体106中的AC电压。
下面参考图2至图5来讨论非接触式电压测量系统102测量AC电压所使用的特定系统和方法。
图2示出了也在图1A和图1B中示出的非接触式电压测量系统102的各种内部部件的示意图。在该示例中，非接触式电压测量系统102的导电传感器S1、S2和S3被定位成邻近待测试的绝缘线106。传感器S1、S2和S3中的每个传感器与绝缘线106的导体122电容耦合，从而分别形成传感器耦接电容器C1、C2和C3（图1B）。线122中的AC电压信号(VO)分别在传感器S1、S2和S3处生成传感器电压信号V1、V2和V3，该电压信号取决于相应的传感器S1、S2和S3的耦接电容C1、C2和C3。
待测量的线122中的AC电压(VO)具有与外部接地部128（例如，零线）的连接。非接触式电压测量系统102本身也具有至接地部128的电容，当操作者104（图1）将非接触式电压测量系统握在其手中时，该电容主要由体电容(CB)组成。电容C1、C2和C3中的每个传感器创建通过CB的导电回路，并且该回路内的电压生成相应的信号电流（I1、I2和I3）。该电流信号（I1、I2和I3）分别通过电容耦合至导电传感器S1、S2、S3的绝缘线106的导体122中的AC电压信号(VO)生成，并且通过非接触式电压测量系统102的外壳108和至接地部128的体电容器(CB)而回环到外部接地部128。该电流信号（I1、I2和I3）各自取决于导电传感器S1、S2和S3分别与待测试的绝缘线106之间的距离，导电传感器S1、S2和S3的特定形状和尺寸，以及导体122的尺寸、电压电平(VO)和相对位置。该电压V1、V2和V3分别与电流信号I1、I2和I3成比例。如果存在从内部接地保护件154（参见图3、图4A、图4B和图5）到所所测量的参考电位的连接诸如测试导线，也可使用相对于接地部的任何其他参考电位（体电容CB）。如果使用此连接，则也可抵消将低体电容CB连接到接地部/地面的影响。一个示例将为在连接内部接地保护件154的多相环境中相间测量一个相位，并且使用非接触式传感器112来测量另一个相位。
为了减少或避免杂散电流，非接触式电压测量系统102的至少一部分（例如，传感器S1、S2和S3）可至少部分地被导电内部接地保护件或屏幕132A-B（也在图4A至图4B中示出）围绕，这使得大部分电流移动通过与绝缘线106的导体122分别形成耦接电容器C1、C2和C3的导电传感器S1、S2和S3。内部接地保护件132A-B可由任何合适的导电材料（例如，铜）形成，并且可为实心的（例如，箔片）或者具有一个或多个开口（例如，网眼）。传感器S1、S2和S3周围的保护件132A-B还可减少靠近传感器的相邻线的杂散影响。也由图3、图4A、图4B和图5中的附图标号154所指代的保护件132A-B为非接触式电压测量系统102提供内部接地连接。
如图2中所示，非接触式电压测量系统102可包括电压测量子系统136，该电压测量子系统包括电压测量部件136A、136B和136C，该电压测量部件分别用于检测电压信号V1、V2和V3，和/或与电压信号成比例的相应电流信号I1、I2和I3。作为非限制性示例，电压测量部件136中的每个电压测量部件可包括模数转换器(ADC)和用于检测电压信号V1、V2和V3的相关联的电路。作为另一非限制性示例，电压测量部件136A、136B和136C中的每个电压测量部件可包括输入放大器和反馈电路，该反馈电路作为反相电流-电压转换器进行操作，以将与电压信号V1、V2和V3成比例的I1、I2和I3转换成电压电平。
电压信号V1、V2和V3（或其代表的信号）可被馈送到信号处理模块140，如下文进一步讨论的，该信号处理模块处理电压信号V1、V2和V3，以确定绝缘线106的导体122中的AC电压(VO)。该信号处理模块140可包括数字电路和/或模拟电路的任何组合。
该非接触式电压测量系统102还可包括可通信地耦接到信号处理模块140的用户界面142（例如，显示器），以呈现所确定的AC电压(VO)或者以通过界面与非接触式电压测量系统的操作者104进行通信。
图3为根据一个例示的具体实施的示出在测量绝缘线期间被定位成邻近绝缘线106的非接触式电压测量系统102的导电传感器S1、S2和S3的示意图。在该示例中，导电传感器S1以第一距离D1与绝缘线106分开，导电传感器S2以第二距离D2与绝缘线106分开，并且导电传感器S3以第三距离D3与绝缘线106分开。在至少一些具体实施中，距离D1、D2和D3中的至少一个距离可不同于距离D1、D2和D3中的至少另一个距离。例如，在至少一些具体实施中，距离D1和D2可彼此相等，并且距离D3可不同于距离D1和D2。如图5中所示，可至少部分地通过一个或多个绝缘层的物理属性（例如，厚度）来控制距离D1、D2和D3。
又如图3中所示出的，导电传感器S1、S2和S3可具有不同的物理尺寸（例如，高度、宽度、形状、面积）。在例示的示例中，导电传感器S1具有小于导电传感器S2的宽度(W2)的宽度(W1)，并且导电传感器S2具有小于导电传感器S3的宽度(W3)的宽度(W2)。传感器S1、S2和S3之间的此类差异允许测量电压V1、V2和V3，以唯一地确定绝缘线中的AC电压。
图4A为至少部分地由内部接地保护件132A围绕的第一导电传感器和第二导电传感器S1和S2的平面图。在该示例中，传感器S1具有平面直角三角形形状，该平面直角三角形形状限定在角部151处形成直角的第一边缘150A和第二边缘150B、以及与直角相对的斜边边缘150C。类似地，传感器S2具有平面直角三角形形状，该平面直角三角形形状限定在角部153处形成直角的第一边缘152A和第二边缘152B、以及与直角相对的斜边边缘152C。在该示例中，传感器S1和S2相对于彼此倒置，使得第一导电传感器和第二导电传感器S1和S2的分别的斜边边缘150C和152C被定位成紧邻彼此（例如，基本上邻近），其中在其间具有小的间隙。
图4B为至少部分地由内部接地保护件132B围绕的第三导电传感器S3的平面图。在该示例中，该第三导电传感器S3的形状为矩形。在至少一些具体实施中，第三传感器S3的面积与第一导电传感器和第二导电传感器S1和S2的组合面积相同（或基本上相同），尽管并不要求此类特征。在其中第三传感器S3与第一导电传感器和第二导电传感器S1和S2的组合面积相同并且传感器S1和S2以不同于传感器S3与绝缘线间隔开的距离的距离与绝缘线间隔开的实例中，组合的传感器S1和S2可被认为是可与电容C3进行比较以说明使用形状类似的电容器时的距离差异的单个电容(C1+C2)。
应当理解，传感器S1、S2和S3的特定形状、尺寸、相对位置和取向为示例性的而非限制性的。实际上，传感器S1、S2和S3中的每个传感器的形状、尺寸、相对位置和取向可以多种组合而变化。
图5为包括传感器S1、S2和S3的非接触式电压测量系统102的前端112的剖视图。传感器S1和S2可由电路板156A支撑，该电路板至少部分地由内部接地保护件132A围绕。类似地，传感器S3可由电路板156B支撑，该电路板至少部分地由内部接地保护件132B围绕。
第一绝缘层158A将传感器S1和S2与前端112的凹陷部分118分开。第二绝缘层158B将传感器S3与前端的凹陷部分118分开。第一绝缘层和第二绝缘层158A和158B可分别具有相对于彼此以锐角(α)设置以限定在其中接收绝缘导体的“V”形凹陷部分116的平面表面119和平面表面121。作为非限制性示例，在至少一些具体实施中，角(α)可介于20度和50度之间（例如，39度、42度）。示例性绝缘导体162、164和166被示出被设置在邻近平面表面119和平面表面121的凹陷部分116内。该绝缘导体162包括由绝缘体162A围绕的导电线162B，绝缘导体164包括由绝缘体164A围绕的导电线164B，并且绝缘导体166包括由绝缘体166A围绕的导电线166B。
在图5中示出的示例中，前端或探头端部112被成形为适应各种直径的绝缘线，诸如具有相对较大直径的绝缘线162或具有相对较小直径的绝缘线166。绝缘线162、164和166还可分别具有不同直径的导体162A、164A和166A，和/或具有不同厚度的相应绝缘层162B、164B和166B。
第一绝缘层158A可具有第一厚度T1，并且第二绝缘层158B可具有第二厚度T2。在至少一些具体实施中，第一厚度T1可不同于第二厚度T2。例如，在至少一些具体实施中，第一厚度可为约0.5毫米(mm)，并且第二厚度T2可为约2.5mm。
相对于影响与测试的测绝缘线的电容耦合的至少一个特性（例如，尺寸、形状、距绝缘导体106的距离），提供彼此不同的三个传感器S1、S2和S3允许非接触式电压测量系统102补偿影响传感器和绝缘导体102之间的电容耦合的不同变量。此类变量可包括绝缘导体106的直径、绝缘导体106的绝缘体的厚度、绝缘导体106在前端112的凹陷部分116内的位置等。
有利的是，通过分别获取传感器S1、S2和S3处的电压V1、V2和V3的电压测量，非接触式电压测量系统102的至少一个处理器可准确地确定绝缘导体106上的AC电压。为了进行此类确定，（例如，在制造或设计期间）可使用具有已知AC电压的已知绝缘导体106来校准非接触式电压测量系统102。另外地或另选地，非接触式电压测量系统102的至少一个处理器可利用一个或多个所确定的公式，该一个或多个所确定的公式利用电压V1、V2和V3作为输入并且提供绝缘导体106的AC电压作为输出。在操作期间，非接触式电压测量系统102的至少一个处理器可获取电压V1、V2和V3，并且然后使用查找表或一个或多个公式来确定绝缘线中的AC电压，该一个或多个公式接收电压作为输入并且输出绝缘线中的AC电压。
对于在图4A、图4B和图5中示出的示例性传感器构造，分别在传感器S1、S2和S3处的测量电压V1、V2和V3之间的各种关系可用于确定待测试的绝缘导体的AC电压。在至少一些具体实施中，非接触式电压测量系统102可利用以下关系中的一个或多个关系：
Figure 776501DEST_PATH_IMAGE002
以上关系(1)-(4)可用于为绝缘导体（例如，绝缘导体106）中的未知AC电压提供函数，该函数与绝缘导体和传感器S1、S2和S3之间的距离无关，使得可测量各种尺寸的绝缘导体中的AC电压。
对于传感器S1和S2，可使用以下公式：
Figure 693641DEST_PATH_IMAGE004
其中VO为绝缘导体中的AC电压，并且k为以上关系(1)的函数（即，k=f(V1/V2)）。
测量电压V1、V2和V3分别取决于传感器S1、S2和S3与绝缘导体之间的电容C1、C2和C3。因此，可根据用于与平行于平面或壁（例如，传感器S1、S2和S3中的每个传感器）的线（例如，绝缘导体）之间的电容的已知公式来计算电容C1、C2和C3。用于每个传感器的电容C的公式如下：
Figure 535695DEST_PATH_IMAGE006
其中‘a’为导电线的半径，‘d’为线和传感器之间的距离（其中‘d’>‘a’），并且‘l’为接近传感器的线的长度，或等同于该传感器的宽度。
如上所述，可分别利用合适的电压测量部件136A、136B和136C来测量电压V1、V2和V3，该电压测量部件诸如一个或多个ADC或者将通过传感器S1、S2和S3中的每个传感器的电流转换成相应电压的一个或多个反相运算放大器。
以上列出的关系(1)、(2)和(3)识别为电压V1、V2和V3的给定测量提供唯一值的三个公式，该给定测量识别待测试的导电线的直径以及导电线的绝缘体厚度，并且可用于使用以上公式(6)来计算电容C1、C2和C3。然后，可根据以下公式来计算绝缘线中的AC电压：
Figure 930905DEST_PATH_IMAGE008
其中对于传感器S1、S2和S3，‘x’分别等于1、2和3。
三个传感器S1、S2和S3的三个输出电压V1、V2和V3允许通过导体的直径和绝缘体的厚度来表征待测试的绝缘线。以上关系(1)主要限定绝缘线的外径，并且关系(4)主要限定绝缘线的导体的直径。如上所述，电压V1、V2和V3被用作输入，以从查找表获取校准因子或者用于利用一个或多个公式来计算此类校准因子。
例如，对于电压V1、V2和V3的给定测量，使用以上公式(6)，关系(1)限制待测试的绝缘线的线直径和绝缘体厚度的可能组合。类似地，关系(2)限制了待测试的绝缘线的线直径和绝缘体厚度的可能组合。因此，可使用关系(1)和(2)来确定具有指定线直径和指定绝缘体厚度的虚拟线。所确定的虚拟线的物理属性可用于识别取决于以上关系(1)和(2)两者的因子‘k’。使用所确定的虚拟线和测量电压V1和V2，通过待测试的绝缘线的不同位置生成的校准表提供了与位置无关的最终电压结果。
仅使用电压V1和V2，该结果可能会提供不准确的值。因此，来自传感器S3的电压V3可以与上述方式类似的方式用于提供更好的位置限定。特别地，关系(4)利用电压V1和V2的和。由于传感器S1和S2当组合在一起时的形状与传感器S3的形状类似，因此关系(4)提供了类似电容器（即，C1+C2和C3）在两个不同距离（即，T1和T2）处的比率。
可选择传感器S1、S2和S3的实际尺寸和形状，以实现传感器和待测试的绝缘导体之间的并且远小于体电容(CB)（例如，30至200皮法拉）的合理电容（例如，几皮法拉），该合理电容可被用作手持应用的可能的接地参考。
前述具体实施方式已通过使用框图、示意图和示例阐述了设备和/或过程的各种具体实施。在此类框图、示意图和示例包含一个或多个功能和/或操作的情况下，本领域的技术人员将会理解，可通过广泛的硬件、软件、固件或几乎其任何组合来单独地和/或共同地实现此类框图、流程图或示例内的每个功能和/或操作。在一个具体实施中，本主题可经由专用集成电路(ASIC)来实现。然而，本领域的技术人员将认识到，本文公开的具体实施可全部或部分地在标准集成电路中被等同地实现为在一个或多个计算机上运行的一个或多个计算机程序（例如，在一个或多个计算机系统上运行的一个或多个程序）、在一个或多个控制器（例如，微控制器）上运行的一个或多个程序、在一个或多个处理器（例如，微处理器）上运行的一个或多个程序、固件、或几乎其任何组合，并且鉴于本公开，为软件和/或固件设计电路和/或编写代码将完全在本领域的普通技术人员的技能范围内。
本领域的技术人员将认识到，本文陈述的多个方法或算法可采用附加动作，可省去一些动作，和/或可以与指定顺序不同的顺序来执行动作。例如，在至少一些具体实施中，非接触式电压测量系统可不利用处理器来执行指令。例如，非接触式电压测量系统可为硬连线的，以提供本文讨论的功能中的一些或全部功能。另外地，在至少一些具体实施中，非接触式电压测量系统可不利用处理器来导致或发起本文讨论的不同测量。例如，此类非接触式电压测量系统可依赖于一个或多个单独的输入件，诸如导致测量发生的用户致动按钮。
此外，本领域的技术人员将理解，本文教导的机构能够作为各种形式的程序产品被分配，并且示例性具体实施同样适用，而不管用于事实上执行分配的信号承载介质的特定类型如何。信号承载介质的示例包括但不限于：可记录型介质诸如软盘、硬盘驱动器、CDROM、数字磁带和计算机存储器。
可组合上述各种具体实施来提供进一步的具体实施。当与本文的具体教导和定义不一致时，包括但不限于在2016年11月11日提交的美国临时专利申请No. 62/421,124的在本说明书中提及或者在申请资料表中列出的所有美国专利、美国专利申请公布、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利公布据此全文以引用方式并入本文。在必要时，可修改具体实施的各个方面以采用各种专利、专利申请和公布的系统、电路和概念来提供进一步的具体实施。
鉴于上文的具体实施方式，可对这些具体实施作出这些及其他改变。一般来说，在下文的权利要求中，所使用的术语不应解释成将权利要求限制到在本说明书和权利要求中所公开的特定具体实施中，而应被解释成包括所有可能的具体实施以及此类权利要求赋予的等同形式的全部范围。因此，权利要求并不受本公开内容限制。

Claims (27)

1.一种测量绝缘导体中的交流(AC)电压的系统，所述系统包括：
外壳；
传感器组件，所述传感器组件物理地耦接到所述外壳，所述传感器组件可选择性地定位成邻近所述绝缘导体而无需与所述绝缘导体电流接触，所述传感器组件包括第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器，其中当所述传感器组件被定位成邻近所述绝缘导体时，每个导电传感器与所述绝缘导体电容耦合，并且相对于影响电容耦合的至少一个特性，所述第一导电传感器、所述第二导电传感器和所述第三导电传感器彼此不同，以便补偿所述传感器组件和所述绝缘导体之间的电容耦合的不同变量；
电压测量子系统，所述电压测量子系统电耦接至所述第一导电传感器、所述第二导电传感器和所述第三导电传感器，其中所述电压测量子系统在操作中生成用于分别指示所述第一导电传感器、所述第二导电传感器和所述第三导电传感器处的电压的第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号；和
至少一个处理器，所述至少一个处理器可通信地耦接到所述电压测量子系统，其中在操作中所述至少一个处理器：
从所述电压测量子系统接收所述第一传感器电压信号、所述第二传感器电压信号和所述第三传感器电压信号；并且
至少部分地基于所接收的第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号来确定所述绝缘导体中的所述AC电压。
2.根据权利要求1所述的系统，其中影响电容耦合的所述至少一个特性包括至少一个物理尺寸。
3.根据权利要求1所述的系统，其中影响电容耦合的所述至少一个特性包括物理面积、物理取向、或者在所述传感器组件被定位成邻近所述绝缘导体时与所述绝缘导体的物理分离中的至少一者。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一导电传感器和所述第二导电传感器中的每一者具有平面直角三角形形状，所述平面直角三角形形状限定用于形成直角的第一边缘和第二边缘、以及与所述直角相对的斜边边缘，并且所述第一导电传感器和所述第二导电传感器的所述斜边边缘被定位成彼此邻近。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述第三导电传感器具有平面矩形形状。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述第一导电传感器和所述第二导电传感器被定位在第一平面中，并且所述第三导电传感器被定位在第二平面中，并且所述第一平面相对于所述第二平面成锐角设置。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述第一平面相对于所述第二平面成角度设置，所述角度介于20度和50度之间。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器组件包括：
第一绝缘层，当所述传感器组件被定位成邻近所述绝缘导体时，所述第一绝缘层使所述第一导电传感器和所述第二导电传感器与所述绝缘导体绝缘，所述第一绝缘层具有第一厚度；和
第二绝缘层，当所述传感器组件被定位成邻近所述绝缘导体时，所述第二绝缘层使所述第三导电传感器与所述绝缘导体绝缘，所述第二绝缘层具有不同于所述第一厚度的第二厚度。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述第一绝缘层的所述第一厚度小于所述第二绝缘层的所述第二厚度。
10.根据权利要求1所述的系统，还包括至少一个内部接地保护件，所述至少一个内部接地保护件至少部分地围绕所述第一导电传感器、所述第二导电传感器和所述第三导电传感器中的每一者。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个处理器确定以下各项中的至少一者：
所述第一传感器电压信号除以所述第二传感器电压信号；
所述第一传感器电压信号和所述第二传感器电压信号的和；和
所述第一传感器电压信号、所述第二传感器电压信号和所述第三传感器电压信号的和。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述至少一个处理器确定所述第一传感器电压信号和所述第二传感器电压信号的和除以所述第三传感器电压信号。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个处理器将从所述第一传感器电压信号、所述第二传感器电压信号和所述第三传感器电压信号得出的至少一个值与查找表进行比较，以至少部分地基于所接收的第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号来确定所述绝缘导体中的所述AC电压。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个处理器使用从所述第一传感器电压信号、所述第二传感器电压信号和所述第三传感器电压信号得出的至少一个值来求解至少一个公式，以至少部分地基于所接收的第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号来确定所述绝缘导体中的所述AC电压。
15.一种对测量绝缘导体中的交流(AC)电压的系统进行操作的方法，所述系统包括外壳、物理地耦接到所述外壳的传感器组件，所述传感器组件可选择性地定位成邻近所述绝缘导体而无需与所述绝缘导体电流接触，所述传感器组件包括第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器，其中当所述传感器组件被定位成邻近所述绝缘导体时，每个导电传感器与所述绝缘导体电容耦合，并且相对于影响电容耦合的至少一个特性，所述第一导电传感器、所述第二导电传感器和所述第三导电传感器彼此不同，以便补偿所述传感器组件和所述绝缘导体之间的电容耦合的不同变量，所述方法包括：
经由电耦接至所述第一导电传感器、所述第二导电传感器和所述第三导电传感器的电压测量子系统来生成用于分别指示所述第一导电传感器、所述第二导电传感器和所述第三导电传感器处的电压的第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号；
通过可通信地耦接到所述电压测量子系统的至少一个处理器来从所述电压测量子系统接收所述第一传感器电压信号、所述第二传感器电压信号和所述第三传感器电压信号；以及
通过所述至少一个处理器至少部分地基于所接收的第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号来确定所述绝缘导体中的所述AC电压。
16.根据权利要求15所述的方法，其中确定所述绝缘导体中的所述AC电压包括确定以下各项中的至少一者：
所述第一传感器电压信号除以所述第二传感器电压信号；
所述第一传感器电压信号和所述第二传感器电压信号的和；和
所述第一传感器电压信号、所述第二传感器电压信号和所述第三传感器电压信号的和。
17.根据权利要求15所述的方法，其中确定所述绝缘导体中的所述AC电压包括确定所述第一传感器电压信号和所述第二传感器电压信号的和除以所述第三传感器电压信号。
18.根据权利要求15所述的方法，其中确定所述绝缘导体中的所述AC电压包括将从所述第一传感器电压信号、所述第二传感器电压信号和所述第三传感器电压信号得出的至少一个值与查找表进行比较，以至少部分地基于所接收的第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号来确定所述绝缘导体中的所述AC电压。
19.根据权利要求15所述的方法，其中确定所述绝缘导体中的所述AC电压包括使用从所述第一传感器电压信号、所述第二传感器电压信号和所述第三传感器电压信号得出的至少一个值来求解至少一个公式，以至少部分地基于所接收的第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号来确定所述绝缘导体中的所述AC电压。
20.一种提供用于测量绝缘导体中的交流(AC)电压的系统的方法，所述方法包括：
提供传感器组件，所述传感器组件可选择性地定位成邻近所述绝缘导体而无需与所述绝缘导体电流接触，所述传感器组件包括第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器，其中当所述传感器组件被定位成邻近所述绝缘导体时，每个导电传感器与所述绝缘导体电容耦合，并且相对于影响电容耦合的至少一个特性，所述第一导电传感器、所述第二导电传感器和所述第三导电传感器彼此不同，以便补偿所述传感器组件和所述绝缘导体之间的电容耦合的不同变量；
经由电耦接至所述第一导电传感器、所述第二导电传感器和所述第三导电传感器的电压测量子系统来生成用于分别指示所述第一导电传感器、所述第二导电传感器和所述第三导电传感器处的电压的第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号；
通过可通信地耦接到所述电压测量子系统的至少一个处理器来从所述电压测量子系统接收所述第一传感器电压信号、所述第二传感器电压信号和所述第三传感器电压信号；以及
通过所述至少一个处理器至少部分地基于所接收的第一传感器电压信号、第二传感器电压信号和第三传感器电压信号来确定所述绝缘导体中的所述AC电压。
21.根据权利要求20所述的方法，其中提供传感器组件包括提供包括第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器的传感器组件，并且相对于至少一个物理尺寸，所述第一导电传感器、所述第二导电传感器和所述第三导电传感器彼此不同。
22.根据权利要求20所述的方法，其中提供传感器组件包括提供包括第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器的传感器组件，并且相对于物理面积、物理取向、或在所述传感器组件被定位成邻近所述绝缘导体时与所述绝缘导体的物理分离中的至少一者，所述第一导电传感器、所述第二导电传感器和所述第三导电传感器彼此不同。
23.根据权利要求20所述的方法，其中提供传感器组件包括提供包括第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器的传感器组件，并且所述第一导电传感器和所述第二导电传感器中的每一者具有平面直角三角形形状，所述平面直角三角形形状限定用于形成直角的第一边缘和第二边缘、以及与所述直角相对的斜边边缘，并且所述第一导电传感器和所述第二导电传感器的所述斜边边缘被定位成彼此邻近。
24.根据权利要求23所述的方法，其中提供传感器组件包括提供包括第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器的传感器组件，并且所述第三导电传感器具有平面矩形形状。
25.根据权利要求24所述的方法，其中提供传感器组件包括提供包括第一导电传感器、第二导电传感器和第三导电传感器的传感器组件，并且所述第一导电传感器和所述第二导电传感器被定位在第一平面中，并且所述第三导电传感器被定位在第二平面中，并且所述第一平面相对于所述第二平面成锐角设置。
26.根据权利要求20所述的方法，还包括：
提供第一绝缘层，当所述传感器组件被定位成邻近所述绝缘导体时，所述第一绝缘层使所述第一导电传感器和所述第二导电传感器与所述绝缘导体绝缘，所述第一绝缘层具有第一厚度；以及
提供第二绝缘层，当所述传感器组件被定位成邻近所述绝缘导体时，所述第二绝缘层使所述第三导电传感器与所述绝缘导体绝缘，所述第二绝缘层具有不同于所述第一厚度的第二厚度。
27.根据权利要求20所述的方法，还包括提供至少一个内部接地保护件，所述至少一个内部接地保护件至少部分地围绕所述第一导电传感器、所述第二导电传感器和所述第三导电传感器中的每一者。
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