CN109387685A - 一种差分探头及非接触式电压测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种差分探头及非接触式电压测量装置，所述差分探头由电路板中相邻的两层金属基板组成，所述两层金属基板之间通过绝缘层进行分隔；所述两层金属基板之间形成固定电容C_a。该差分探头将差分探头的两个电极整合至电路板中，减小了差分探头的体积和降低了差分探头的制作成本；该非接触式电压测量装置通过电容耦合的非接触方式获取待测线路的交流电压信号，具有良好的适应性；作业目标为单根导线，装置体积较少，便于携带；通过两个继电开关使电路产生三种拓扑结构，零件数量较少，制造成本较低，有利于大规模生产应用；通过无线传输电路上传线路电压至云服务器，可以大规模收集线路电压数据，具有良好的实用性。

Description

一种差分探头及非接触式电压测量装置

技术领域

本发明涉及到电压测量领域，具体涉及到一种差分探头及非接触式电压测量装置。

背景技术

传统的差分探头通常由分立的两个电极组成并通过导线传输信号，在非接触式电压测量应用场景中，两个电极需要双手进行固定，在离地作业时十分不方便；或使用夹持式电极进行固定，但夹持式电极体积较大，携带不方便；另一方面，分立式的差分探头成本较高。

传统的接触式电表在安装时首先需要破坏导线绝缘层，在一些不能破坏绝缘层的测量点就无法获取电压值，因此急需一种低成本、安装简易、精度较高、适应环境能力较强的非接触式电压测量装置对配电网进行大规模的电压监控。

在不破坏导线绝缘层的前提下，待测线路的绝缘层厚度随实际情况是变化的，一些传统的固定参数式的非接触式测量方式只能提供一个误差较大的估测值，不能精确的测量出待测线路的电压值。

另一方面，还有一些非接触式电压测量装置是对零线和火线两条导线进行测量的，设备体积较大，作业难度高。

发明内容

为了解决现有差分探头及非接触式电压测量装置存在的问题，本发明提供了一种差分探头及非接触式电压测量装置，该差分探头将差分探头的两个电极整合至电路板中，减小了差分探头的体积和降低了差分探头的制作成本；该非接触式电压测量装置通过电容耦合的非接触方式获取待测线路的交流电压信号，具有良好的适应性；作业目标为单根导线，装置体积较少，便于携带；通过两个继电开关使电路产生三种拓扑结构，零件数量较少，制造成本较低，有利于大规模生产应用；通过无线传输电路上传线路电压至云服务器，可以大规模收集线路电压数据，具有良好的实用性。

相应的，本发明提供了一种差分探头，所述差分探头由电路板中相邻的两层金属基板组成，所述两层金属基板之间通过绝缘层进行分隔；

所述两层金属基板之间形成固定电容C_a。

所述电路板还包括用于屏蔽干扰的接地层，所述接地层设置在所述两层金属基板上方。

所述绝缘层材料为玻璃纤维环氧树脂。

相应的，本发明还提供了一种非接触式电压测量装置，所述非接触式电压测量装置包括导线夹具和权利要求1至3任意一项所述的差分探头；

所述电路板还包括布线层，所述布线层上设置有信号处理电路和数据处理电路；

在进行非接触式电压测量时，两层金属基板分别与待测线路耦合形成两个不同的寄生电容，用于感应由待测线路输入电压产生的电场信号；

所述信号处理电路具有多种不同传递函数特性的拓扑电路结构，所述电场信号经所述信号处理电路后形成多个不同的输出电压；

从所述两路子电路的接地电阻的前端取信号分别输入至所述差分放大器的两个输入端；

所述数据处理电路包括MCU处理电路，所述MCU处理电路基于所述多个不同的输出电压和所对应的多个不同的传递函数方程式，计算出所述输入电压；

所述电路板固定在所述导线夹具内侧，当所述导线夹具夹紧固定在待测线路上时，所述电路板紧贴所述待测线路。

优选的实施方式，所述信号处理电路包括两路结构相同的子电路和差分放大器，两路子电路输入端分别与两个探测电极连接，获取输入信号，然后依次经投切电容和接地电阻后接地，在所述投切电容上并联有用于控制的继电开关；

所述差分放大器的两个输入端分别连接至所述两路子电路的投切电容和接地电阻之间；

当所述两路子电路的继电开关状态改变时，所述信号处理电路的拓扑电路结构改变，所述差分放大器输出端形成不同的输出电压。

优选的实施方式，所述两路子电路还分别包括接地电容；所述接地电容与所述接地电阻并联。

优选的实施方式，所述数据处理电路还包括模数转换电路，所述模数转换电路输入端与所述差分放大器输出端连接，输出端与所述MCU数据处理电路输入端连接。

优选的实施方式，所述布线层上还设置有于上传待测线路输入电压的无线传输电路，所述无线传输电路与所述MCU数据处理电路连接。

优选的实施方式，所述非接触式电压测量装置还包括数显模块，所述数显模块固定在所述导线夹具外侧并与所述电路板连接，显示待测线路输入电压。

优选的实施方式，所述数显模块为数码管。

本发明提供了一种差分探头及非接触式电压测量装置，该差分探头将差分探头的两个电极整合至电路板中，减小了差分探头的体积和降低了差分探头的制作成本；该非接触式电压测量装置通过电容耦合的非接触方式获取待测线路的交流电压信号，具有良好的适应性；作业目标为单根导线，装置体积较少，便于携带；通过两个继电开关使电路产生三种拓扑结构，零件数量较少，制造成本较低，有利于大规模生产应用；通过无线传输电路上传线路电压至云服务器，可以大规模收集线路电压数据，具有良好的实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1示出了实施例一的非接触式电压测量系统结构图；

图2示出了实施例一的信号处理模块的拓扑单元原理图；

图3示出了实施例二的信号处理模块结构图；

图4示出了实施例四的信号处理模块结构图；

图5示出了INA332仪表放大器的封装结构图；

图6示出了实施例六的非接触式电压测量系统结构图；

图7示出了实施例七的数据处理模块结构图；

图8示出了实施例八的非接触式电压测量系统结构图；

图9示出了实施例九的非接触式电压测量电路的电路图。

图10示出了实施例十的非接触式电压测量装置三维结构图；

图11示出了实施例十的非接触式电压测量装置的电路板三维结构图；

图12示出了实施例九的非接触式电压测量方法流程图；

图13示出了实施例十的非接触式电压测量方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

图1示出了本发明实施例的非接触式电压测量系统结构图。本发明实施例的非接触式电压测量系统包括有差分式探测模块、信号处理模块和数据处理模块，差分式探测模块、信号处理模块和数据处理模块依次连接。

其中，本发明实施例的差分式探测模块用于与待测线路形成两个不相等的第一寄生电容C_P1和第二寄生电容C_P2，并基于第一寄生电容C_P1和第二寄生电容C_P2获取所述待测线路的输入电压V_i(s)。

一般的，任意两个绝缘金属体之间总能构成一个电容，尤其在绝缘距离较小的情况下，电容特性较为明显。在本发明实施例中，待测线路绝缘层内的金属导线与差分式探测模块之间形成寄生电容。一般的，差分式探测模块包括有两个探测电极，为了便于区分，分别命名为第一电极201和第二电极202。因此，第一电极201和第二电极201分别与待测线路形成两个寄生电容，分别为第一寄生电容C_P1和第二寄生电容C_P2。

由于待测线路的输入电压V_i(s)为交流电压，因此，由电容的物理性质可知，待测线路(相当于寄生电容的其中一块电极)的电流方向变化会引起寄生电容的另一块电极的电流发生变化，因此，差分式探测模块将待测线路的输入电压V_i(s)以电流形式输入系统，供信号处理模块进行处理。

总的来说，差分式探测模块用于以电容耦合的方式，获取待测线路的电压值并以双路差分的形式输入至系统中，作为系统的输入。

其中，本发明实施例的信号处理模块用于根据信号处理模块中包含的多种拓扑单元结构，处理差分式探测模块获取的待测线路的输入电压V_i(s)(指待测线路的输入值，输入形式可以为电压、电流等多种方式)，并输出至数据处理模块进行处理。

图2示出了信号处理模块的一种拓扑单元原理图。图2为本发明实施例信号处理模块其中一种拓扑单元结构，第一电极201和第二电极202分别接入差分放大单元的负极输入端和正极输入端；为了保证差分放大单元的正常工作，首先通过接地电阻R将待测线路的输入电压V_i(s)引起探测电极的电流变化转化为电压值，并通过并联接地电容C防止对地电容对线路造成的影响；差分放大单元的输出端输出值v_o(s)。

通过图2所示的拓扑单元电路结构，构建传递函数

其中，s为复频域算子。

具体实施中，当C＞＞C_p1、C＞＞C_p2时，图2所示的拓扑单元电路的传递函数可以简化为其中，s为复频域算子。

从传递函数中可以看出，无论是通用的传递函数公式还是简化的传递函数公式，存在着三个未知的代数，分别为待测电路的输入值v_o(s)、第一寄生电容C_P1和第二寄生电容C_P2。

实际上，第一寄生电容C_P1、第二寄生电容C_P2与待测线路的绝缘层材料、绝缘层厚度、差分探测模块距待测线路金属线之间的距离(当差分探测模块并未紧贴待测线路绝缘层时，差分探测模块距待测线路金属线之间的距离并不等于绝缘层厚度)、探测电极的面积、探测电极的形状等众多因素相关，正是由于寄生电容计算的复杂性，传统固定参数式的非接触式测量装置精度不高。虽然可以通过预设参数来获取第一寄生电容C_P1、第二寄生电容C_P2的大概范围，但由于实际作业中，待测线路的绝缘层厚度、测量系统的作业方式差异等各方面情况的影响，实测值往往与预设参数差别较大，根据固定参数所求出的第一寄生电容C_P1、第二寄生电容C_P2和实际值相差较大，最终求出的待测线路的输入电压v_i(s)与实际值相差较大，测量精度较低。

一方面，从图2所示的拓扑单元的传递函数公式中可知，为了使差分探测模块以及信号处理模块起作用，第一寄生电容C_P1和第二寄生电容C_P2的值不相同；要使第一寄生电容C_P1和第二寄生电容C_P2的值不相同，可参考上文提到的寄生电容组成影响因素，不要重复介绍。

因此，本发明实施例的信号处理模块包括有多个拓扑单元，每个拓扑单元具有不同的有关于第一寄生电容C_P1、第二寄生电容C_P2、待测线路的输入电压v_i(s)的传递函数。实质上，至少只需三个有关待测线路的输入电压v_i(s)、第一寄生电容C_P1和第二寄生电容C_P2的拓扑单元(包括图2所述的拓扑单元)，即可根据相对应的传递函数求解出输入电压v_i(s)、第一寄生电容C_P1和第二寄生电容C_P2三个未知数。

需要说明的是，除了第一寄生电容C_P1、第二寄生电容C_P2、待测线路的输入电压v_i(s)以外，所构建的拓扑单元内的各个零件的参数均为已知的，避免引入新的未知量，加大计算难度，具体的信号处理模块结构组成方式在后面的实施例再详细介绍。

其中，本发明实施例的数据处理模块用于根据信号处理模块中多个拓扑单元的传递函数以及拓扑单元的输出值，构建有关输入电压v_i(s)、第一寄生电容C_P1和第二寄生电容C_P2的方程式，并求出输入电压v_i(s)、第一寄生电容C_P1和第二寄生电容C_P2。

具体的，数据处理模块内预设有信号处理模块中多个拓扑单元的传递函数G₁＝f₁(C_p1,C_p2)、G₂＝f₂(C_p1,C_p2)、G₃＝f₃(C_p1,C_p2)……，然后根据多个拓扑单元对应的输出值v_i(s₁)、v_i(s₂)、v_i(s₃)……构建方程组

联立方程组中的多个方程，求出输入电压v_i(s)、第一寄生电容C_P1和第二寄生电容C_P2。

本发明实施例提供的非接触式电压测量系统，通过差分探测模块与待测电路形成的寄生电容获取输入信号，通过信号处理模块中多个不同的拓扑单元对输入信号的处理并生成输出信号，数据处理模块结合传递函数以及对应的输出信号的关系构建有关输入电压v_i(s)、第一寄生电容C_P1和第二寄生电容C_P2的方程组进行求解，并最终求出所需的输入电压v_i(s)。该系统通过单线完成非接触式的电压测量工作，方便作业，具有良好的实用性。

实施例二：

图3示出了本发明实施例的信号处理模块结构图，一般的，信号处理模块包括多个拓扑单元和一个拓扑切换单元。

拓扑切换单元分别与所述差分式探测模块和所述多个拓扑单元连接，用于切换所述多个拓扑单元与差分式探测模块之间的连接状态；

所述多个拓扑单元分别具有不同的传递函数，用于处理所述待测线路的输入电压V_i(s)，生成对应的输出值。

本发明实施例提供了一种信号处理模块的实施方式，本发明实施例的信号处理模块包括一个拓扑切换单元和三个拓扑单元，拓扑切换单元可选用双刀三掷开关(双路三相控制开关)，三个拓扑单元分别为G₁、G₂、G₃，双刀三掷开关分别控制差分式探测模块与三个拓扑单元之间的连接，差分式探测模块同一时间内只与其中一个拓扑单元进行连接。

根据图2所示的拓扑电路的推导方式，分别推导出G₁、G₂、G₃的传递函数，G₁、G₂、G₃的传递函数如下：

其中，

A＝2C_aC_b+C_b ²+C_b ²C²R²s²+2C²C_aC_bR²s²

B＝2C_b ²CR+4CRC_aC_b

D＝C_aC_p1+C_aC_P2+C_bC_P1+C_p1C_P2

v_i(s)为系统的输入电压，即待测线路电压；C_p1、C_P2分别为第一寄生电容和第二寄生电容；C_a为第一电极和第二电极之间形成的固定电容；C_b1、C_b2为拓扑变换模块中的投切电容，C_b＝C_b1＝C_b2；R、C分别为接地电阻和接地电容；s为复频域算子。

需要说明的时，由于差分探测模块的两个电极由金属制成，因此，两个电极之间会产生耦合，本发明实施例以固定电容C_a表示。

在本发明实施例中，差分探测模块同一时间与G₁、G₂、G₃其中一个拓扑单元连接，在G₁、G₂、G₃对应的输出端上会产生相应的输出值v_o1(s)、v_o2(s)、v_o3(s)。数据处理模块接收输出值v_o1(s)、v_o2(s)、v_o3(s)，并结合G₁、G₂、G₃的传递函数v_o1(s)、v_o2(s)、v_o3(s)构建有关第一寄生电容C_P1、第二寄生电容C_P2和输入电压v_i(s)的函数，最终求出所需的输入电压v_i(s)。

具体的，在本发明实施例中，G₁、G₂可视为在G₃的基础上，增加零器件，利用差分放大单元的数据处理，使拓扑单元的传递函数发生改变，利用不同的传递函数构建函数关系，求解出第一寄生电容C_P1、第二寄生电容C_P2和输入电压v_i(s)。

实施例三：

在实施例二的基础上，为了简化模块结构，由信号处理模块的信号处理方式可知，同一时间内，只有一个差分放大单元在工作。因此，G₁、G₂、G₃可以公用一差分放大单元，以节省成本。

实施例四：

在实施例三的基础上，结合G₁、G₂、G₃的结构可知，G₁、G₂、G₃的结构差异性较少，可以在一定程度上进行简化。

图4示出了本发明实施例的信号处理模块结构图。具体的，第一电极201和第二电极202分别经第一投切电容C_b1和第二投切电容C_b2后连接至差分放大单元的反向输入段和正向输入端，第一投切电容C_b1和第二投切电容C_b2上分别并联有第一继电开关301和第二继电开关302；在差分放大单元的反向输入段和正向输入端上，分别并联有接地电容和接地电阻，用于减少不同测量场景下对地电容变化造成的测量精度影响以及为差分放大器提供直流通路，形成稳定的直流工作点。

需要说明的时，在本发明实施例中，当第一继电开关301和第二继电开关302同时断开、或第一继电开关301闭合、第二继电开关302断开、或第一继电开关301和第二继电开关302同时闭合时，分别对应的结构为实施例二中的G₁、G₂、G₃拓扑单元。

第一继电开关301和第二继电开关302的作用与实施例二的双刀三掷开关相同。一般的，第一继电开关301和第二继电开关302由数据处理模块进行控制，数据处理模块内预设有传递函数G₁、G₂、G₃，通过控制第一继电开关301和第二继电开关302，数据处理模块可以区分信号处理模块的拓扑单元情况，便于数据处理模块进行运算。

通过共用零器件，大大的减少了信号处理模块的设置难度，制造成本大大降低，具有良好的经济效益；同时，零器件的减少有利于缩减系统体积，便于携带与作业。

实施例五：

图5示出了INA332仪表放大器的封装结构图，具体实施中，信号处理模块的差分放大单元可选用选用INA332仪表放大器，仪表放大器是一种精密差分电压放大器，具有超高输入阻抗、极其良好的CMRR、低输入偏移、低输出阻抗等优点，能够很好的放大在共模电压下的信号，在微小信号处理上具有独特优势。仪表放大器的增益可通过内部预置，也可由使用者通过引脚内部设置或者通过与输入信号隔离的外部增益电阻预置。

输出端V_OUT可表示为V_OUT＝(V_IN+-V_IN-)*G，G为仪表放大器增益，一般的，增益设置可参照下表进行设置：

实施例六：

实施例一至实施例五介绍了信号处理模块的实施例，本发明实施例介绍数据处理模块的实施方式。

图6示出了本发明实施例的非接触式电压测量系统结构图，其中，带箭头连线为数据信号传输连接，无箭头连线为控制信号传输连接。

本发明实施例的数据处理模块包括模数转换单元和运算单元，一般的，为了能获取信号处理模块的拓扑单元连接状态的实时情况，数据处理模块中还会包括拓扑切换控制单元。信号处理模块中的拓扑切换单元受拓扑切换控制单元控制，数据处理模块从而能根据拓扑切换控制单元的控制情况来获取信号处理模块的拓扑单元连接状态，便于运算单元提取拓扑单元的传递函数。

实施例七：

图7示出了本发明实施例的数据处理模块结构图。在实施例五中，由于仪表放大器INA332具有直流失调电压，因此，可以在数据处理模块中设置巴特沃斯高通滤波单元和小波降噪单元。在运算单元进行运算前，可通过巴特沃斯高通滤波单元滤除直流分量；由于测量环境存在电磁噪声，噪声对输出结果将造成干扰，因此在巴特沃斯高通滤波单元后方，可利用小波降噪单元对信号进行小波降噪，并将经小波降噪处理后信号传递至运算单元进行运算。

实施例八：

图8示出了本发明实施例的非接触式电压测量系统结构图。为了更直观的读取待测线路的电压，本发明实施例在非接触式电压测量系统增加数显模块，数据处理模块驱动数显模块显示最终计算得出的输入电压v_i(s)。

进一步的，在非接触式电压测量系统增加无线传输模块，将数据处理模块计算得出的输入电压v_i(s)上传至原服务器进行备份和处理。

实施例九：

以实施例一至八所述的非接触式电压测量系统为基础，本发明实施例提供一种非接触式电压测量电路，通过电容耦合的方式获取待测线路的交流电压信号，具有良好的适应性；通过两个继电开关使电路产生三种拓扑结构，并以此为基础对待测线路的输入电压进行计算，便于实施，具有良好的实用性。

图9示出了本发明实施例非接触式电压测量电路的电路图。具体的，所述非接触式电压测量电路包括依次连接的差分输入电路、信号处理电路和数据处理电路；

所述差分输入电路包括两个探测电极，为了便于区分，本发明实施例将其命名为第一电极201和第二电极202，两个探测电极分别与待测线路耦合形成两个不同的寄生电容，分别为第一寄生电容C_P1和第二寄生电容C_P2。待测线路的交流电在空间上形成电场，通过第一寄生电容C_P1和第二寄生电容C_P2获取电场信号并转换为差分输入电路的电流信号。

相应的，由探测电极和待测线路形成寄生电容的原理相同，当两个探测电极的相对位置固定时，两个探测电极之间也会形成一固定电容C_a。第一寄生电容C_P1、第二寄生电容C_P2和固定电容C_a都是通过耦合或寄生方式形成的，在电路图中未示出。

所述信号处理电路包括两路结构相同的子电路和差分放大器，两路子电路输入端分别与两个探测电极连接，获取输入信号，然后依次经投切电容和接地电阻后接地，在所述投切电容上并联有用于控制的继电开关；从所述两路子电路的接地电阻的前端取信号分别输入至所述差分放大器的两个输入端。

本发明实施例将与第一电极201连接的子电路命名为第一子电路，与第二电极202连接的子电路命名为第二子电路。相应的，第一子电路中的继电开关命名为第一继电开关301，投切电容命名为第一投切电容C_b1；第二子电路中的继电开关命名为第二继电开关302，投切电容命名为第二投切电容C_b2。

以第一子电路为例介绍子电路的实施原理，当第一继电开关闭合时，短路第一投切电容C_b1，第一寄生电容C_P1的电流信号在接地电阻前形成稳定的电压工作点，将电流信号转换为电压信号并送至差分放大器的输入端中；接地电容的设置减轻对地电容变化对测量精度造成的影响，提高测量精度。

通过同时闭合第一继电开关301和第二继电开关301、或同时断开第一继电开关301和第二继电开关301、或闭合第一继电开关301断开第二继电开关302三种方式，使信号处理电路产生三种拓扑结构，输入差分放大器两个输入端的接收信号发生改变，从而使得输出信号产生改变，以获取信息用于MCU处理电路处理计算。

一般的，第一继电开关301和第二继电开关302通过MCU处理电路进行控制。

本发明实施例的差分放大器选用INA332仪表放大器，INA332仪表放大器，具有超高输入阻抗，极其良好的CMRR，低输入偏移，低输出阻抗，能有效放大那些在共模电压下的信号。

一般的，差分放大器的输出信号为模拟信号，为了便于MCU数据处理电路处理，在差分放大器后端连接由模数转换电路，用于将输出信号转换为数字信号。

所述数据处理电路包括有MCU数据处理器，所述MCU数据处理器与所述差分放大器的输出端连接，获取所述差分放大器的输出信号。

MCU数据处理器获取模数转换电路的数字输出信号，并结合信号处理电路的三种拓扑电路结构的传递函数，构建以下方程组并进行求解，解出待测线路电压。

其中，

A＝2C_aC_b+C_b ²+C_b ²C²R²s²+2C²C_aC_bR²s²

B＝2C_b ²CR+4CRC_aC_b

D＝C_aC_p1+C_aC_P2+C_bC_P1+C_p1C_P2

v_i(s)为系统的输入电压，即待测线路电压；C_p1、C_P2分别为第一寄生电容和第二寄生电容；C_a为第一电极和第二电极之间形成的固定电容；C_b1、C_b2为拓扑变换模块中的投切电容，C_b＝C_b1＝C_b2；R、C分别为接地电阻和接地电容；s为复频域算子。

一般的，通常在MCU处理电路后设置数显电路，显示计算得出的待测线路电压；进一步的，还可以在MCU处理电路后设置无线传输电路，将计算得出的待测线路电压上传至云服务器进行计算。

实施例十：

图10示出了本发明实施例的非接触式电压测量装置三维结构示意图，图11示出了本发明实施例的非接触式电压测量装置的电路板三维结构图。本发明实施例的非接触式电压测量装置包括电路板4和导线夹具6。

所述电路包括接地层、布线层和两层金属基板，所述两层金属基板间由绝缘层分隔；在所述布线层上设置有依次连接的差分输入电路、信号处理电路和数据处理电路。

所述差分输入电路包括两个探测电极，分别为第一电极201和第二电极202；所述第一电极201和第二电极202分别为所述多层电路板中相邻的两层金属基板，所述两层金属基板相互平行。

由于第一电极201和第二电极202为电路板中的金属基板，因此两层金属基板需要通过绝缘层203分隔。

由于第一电极201和第二电极202为电路板中相互绝缘的金属基板设计，因此，所述第一电极和第二电极间会形成固定电容C_a，C_a值可通过试验进行测定。

将第一电极201和第二电极202整合至同一块电路板上，有利于减少差分式金属探头的体积以及组装难度，便于生产以及作业人员的使用。

有关信号处理电路和数据处理电路的布置原理可参照实施例九，本发明实施例不重复进行介绍。

导线夹具6设置为夹子结构，便于作业人员携带和作业，电路板4固定在外壳6的开口方向内侧，其中，第一电极201一侧朝向待测线路1。

进一步的，本发明实施例的非接触式电压测量装置还包括数码管，数码管5固定在外壳6背离待测线路1一侧，便于作业人员观察。

当外壳6夹在待测线路1上时，整体结构如图9的电路结构图所示，结合实施例九的说明，可在数码管5上显示出待测线路的电压值。

进一步的，本发明实施例的非接触式电压测量装置还包括数码管，无线传输电路，可将待测线路的电压值上传至云服务器进行处理。

实施例十一：

相应的，本发明实施例还提供了一种非接触式电压测量方法，通过差分探测模块分别与待测线路形成第一寄生电容C_P1和第二寄生电容C_P2，利用寄生电容的特性完成待测线路的校正，并结合信号处理模块不同拓扑单元的的传递函数，求出第一寄生电容C_P1和第二寄生电容C_P2的电容值，并求出最终待测线路的电压V_i(s)。

图12示出了本发明实施例的非接触式电压测量方法流程图，本发明实施例提供的非接触式电压测量方法包括以下步骤：

S101：在进行非接触式电压测量时，基于差分式探测模块与待测线路形成两个不相等的的第一寄生电容C_P1和第二寄生电容C_P2，并基于所述两个不相等的寄生电容感应由所述待测线路的输入电压V_i(s)产生的电场信号；

差分式探测模块中的两个探测电极分别与待测线路形成两个不相等的第一寄生电容C_P1和第二寄生电容C_P2，第一寄生电容C_P1和第二寄生电容C_P2分别以电容耦合的方式，获取待测线路的输入电压V_i(s)。

具体的，寄生电容通过感应待测线路的输入电压V_i(s)产生的电场信号，将待测线路的输入电压V_i(s)转换成差分式探测模块电极上的电流信号。

需要说明的是，待测线路为单根导线，导线内通有交流电。

S102：通过多个具有不同传递函数特性的拓扑单元对所述电场信号进行处理，形成多个不同的输出电压；

一般的，信号处理模块包括拓扑切换单元和多个拓扑单元，拓扑切换单元用于控制差分式探测模块与多个拓扑单元之间的连接，多个拓扑单元分别具有不同的传递函数，待测线路的输入电压V_i(s)经不同的拓扑单元处理后会相应的生成不同的输出电压值输出至数据处理模块。

S103：基于所述多个不同的输出电压建立所对应的多个不同的传递函数方程式，计算出所述输入电压V_i(s)。

数据处理模块根据不同拓扑电路的传递函数和其对应的输出值，构建有关第一寄生电容C_P1、第二寄生电容C_P2和所述待测线路的电压V_i(s)的方程组，求解得出第一寄生电容C_P1、第二寄生电容C_P2和所述待测线路的电压V_i(s)。

一般的，由于信号处理模块的输出值为模拟信号，为了便于计算，需要基于模数转换单元，将所述输出值转换为数字信号。

实施例十二：

信号处理模块中不同的拓扑单元具有不同的传递函数，当信号处理模块的结构确定后，其对应的传递函数关系也相应确定，当差分式金属模块获取的电场信号(即通过第一寄生电容C_P1和第二寄生电容C_P2获取的信号)经信号处理模块中不同的拓扑单元处理后，会生成不同的输出值；利用信号处理模块的传递函数以及对应的输出值，至少只需建立三个有关第一寄生电容C_P1和第二寄生电容C_P2、待测线路的电压V_i(s)的代数式，即可求出最终的待测线路的电压V_i(s)。

本发明实施例以图4所示的信号处理模块为例对非接触式电压测量方法进行说明。图13示出了本发明实施例的非接触式电压测量方法流程图，本发明实施例的非接触式电压测量方法包括：

S201：基于差分式探测模块与待测线路形成两个不相等的第一寄生电容C_P1和第二寄生电容C_P2，获取待测线路的输入电压V_i(s)；

差分式探测模块的两个探测电极之间产生寄生，形成电容C_a。

S202：同时断开第一继电开关和第二继电开关，数据处理模块获取信号处理模块的输出值并结合对应的传递函数G₁构建函数；

S203：闭合第一继电开关并断开第二继电开关，数据处理模块获取信号处理模块的输出值并结合对应的传递函数G₂构建函数；

S204：同时闭合第一继电开关和第二继电开关，数据处理模块获取信号处理模块的输出值并结合对应的传递函数G₃构建函数；

在步骤S202￣204中，信号处理模块共包括三种拓扑单元结构。在本发明实施例中，当第一继电开关301和第二继电开关302同时断开、或第一继电开关301打开第二继电开关302关闭、或第一继电开关301和第二继电开关302同时闭合，可构建以下三条方程

其中，

A＝2C_aC_b+C_b ²+C_b ²C²R²s²+2C²C_aC_bR²s²

B＝2C_b ²CR+4CRC_aC_b

D＝C_aC_p1+C_aC_P2+C_bC_P1+C_p1C_P2

v_i(s)为系统的输入电压，即待测线路电压；C_p1、C_P2分别为第一寄生电容和第二寄生电容；C_a为第一电极和第二电极之间形成的固定电容；C_b1、C_b2为拓扑变换模块中的投切电容，C_b＝C_b1＝C_b2；R、C分别为接地电阻和接地电容；s为复频域算子。

S205：基于数据处理模块计算待测线路的输入电压V_i(s)；

步骤S202￣204所建立的函数方程组，联立求解，最终求出待测线路的输入电压V_i(s)。

S206：基于数显模块显示待测线路的输入电压V_i(s)；

S207：基于无线传输模块上传待测线路的输入电压V_i(s)至云服务器。

步骤S206和步骤S207建立在实施例八的系统基础上，数显模块显示基于数据处理模块计算的输入电压V_i(s)，无线传输模块将输入电压V_i(s)上传至云服务器进行备份处理。

本发明提供了一种差分探头及非接触式电压测量装置，该差分探头将差分探头的两个电极整合至电路板中，减小了差分探头的体积和降低了差分探头的制作成本；该非接触式电压测量装置通过电容耦合的非接触方式获取待测线路的交流电压信号，具有良好的适应性；作业目标为单根导线，装置体积较少，便于携带；通过两个继电开关使电路产生三种拓扑结构，零件数量较少，制造成本较低，有利于大规模生产应用；通过无线传输电路上传线路电压至云服务器，可以大规模收集线路电压数据，具有良好的实用性。

以上对本发明实施例所提供的差分探头及非接触式电压测量装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种差分探头，其特征在于，所述差分探头由电路板中相邻的两层金属基板组成，所述两层金属基板之间通过绝缘层进行分隔；

所述两层金属基板之间形成固定电容C_a。

2.如权利要求1所述的差分探头，其特征在于，所述电路板还包括用于屏蔽干扰的接地层，所述接地层设置在所述两层金属基板上方。

3.如权利要求1所述的差分探头，其特征在于，所述绝缘层材料为玻璃纤维环氧树脂。

4.一种非接触式电压测量装置，其特征在于，所述非接触式电压测量装置包括导线夹具和权利要求1至3任意一项所述的差分探头；

所述电路板还包括布线层，所述布线层上设置有信号处理电路和数据处理电路；

在进行非接触式电压测量时，两层金属基板分别与待测线路耦合形成两个不同的寄生电容，用于感应由待测线路输入电压产生的电场信号；

所述信号处理电路具有多种不同传递函数特性的拓扑电路结构，所述电场信号经所述信号处理电路后形成多个不同的输出电压；

从所述两路子电路的接地电阻的前端取信号分别输入至所述差分放大器的两个输入端；

所述数据处理电路包括MCU处理电路，所述MCU处理电路基于所述多个不同的输出电压和所对应的多个不同的传递函数方程式，计算出所述输入电压；

所述电路板固定在所述导线夹具内侧，当所述导线夹具夹紧固定在待测线路上时，所述电路板紧贴所述待测线路。

5.如权利要求4所述的非接触式电压测量装置，其特征在于，所述信号处理电路包括两路结构相同的子电路和差分放大器，两路子电路输入端分别与两个探测电极连接，获取输入信号，然后依次经投切电容和接地电阻后接地，在所述投切电容上并联有用于控制的继电开关；

所述差分放大器的两个输入端分别连接至所述两路子电路的投切电容和接地电阻之间；

当所述两路子电路的继电开关状态改变时，所述信号处理电路的拓扑电路结构改变，所述差分放大器输出端形成不同的输出电压。

6.如权利要求5所述的非接触式电压测量装置，其特征在于，所述两路子电路还分别包括接地电容；所述接地电容与所述接地电阻并联。

7.如权利要求6所述的非接触式电压测量装置，其特征在于，所述数据处理电路还包括模数转换电路，所述模数转换电路输入端与所述差分放大器输出端连接，输出端与所述MCU数据处理电路输入端连接。

8.如权利要求4至7任一项所述的非接触式电压测量装置，其特征在于，所述布线层上还设置有于上传待测线路输入电压的无线传输电路，所述无线传输电路与所述MCU数据处理电路连接。

9.如权利要求4至7任一项所述的非接触式电压测量装置，其特征在于，所述非接触式电压测量装置还包括数显模块，所述数显模块固定在所述导线夹具外侧并与所述电路板连接，显示待测线路输入电压。

10.如权利要求9所述的非接触式电压测量装置，其特征在于，所述数显模块为数码管。