CN111562427B - 一种非接触式任意波形交变电压测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式任意波形交变电压测量装置，所述测量装置包括：感应电极，用于分别和被测线缆耦合形成两个不同的寄生电容，感应由被测线缆输入电压产生的信号；信号处理电路，用于依次对所述感应电极感应的电流信号进行高阻抗变换、幅度比例变换及差分输出；传输线，用于连接所述感应电极和所述信号处理电路，将所述感应电极感应的信号传输至所述信号处理电路。本发明所述的非接触式任意波形交变电压测量装置可以测量包括方波的任意波形，测量精度高。

Description

一种非接触式任意波形交变电压测量装置

技术领域

本发明属于电压测量领域，特别涉及一种非接触式任意波形交变电压测量装置。

背景技术

随着轨道交通装备的不断发展，列控设备智能监测和敏捷运维被提到重要的位置上，是列控系统的发展方向，监测数据绝大多数都是电压电流数据，电流根据其特性可用电流互感器和霍尔传感器进行非接触测量，但是列控设备内的电压数据目前尚无非接触测量方案，现行的方案均为接触式测量，主要方法如下：

1、将电压信号分路，采用电阻分压后接入AD进行采集；

2、对于交变信号，还可以在电压回路中串入变压边源边线圈，在副边线圈通过采样电阻接入AD进行采样。

在上述的方法1中，在被测回路中串入器件，测量电路若出现故障，则会影响被测回路的功能。方法2中在被测回路中加入磁性元件，会改变被测回路的电性能，从而使设备功能无法实现。

由于接触式测量无法保证对被测电路完全无影响，故在列控设备内部存在多种重要电压信号，如转辙机密检器电压、轨道电路谐调匹配单元电压信号均无法进行监测，给设备的运行状态准确获取和故障定位带来很大的困难。

目前，市场上虽然出现了部分非接触式电压测量装置，但是只能测量正弦波，不能测量方波。

因此，如何实现包括方波等任意波形电压的非接触测量是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种非接触式任意波形交变电压测量装置。

一种非接触式任意波形交变电压测量装置，包括：

感应电极，用于分别和被测线缆耦合形成两个不同的寄生电容，感应由被测线缆输入电压产生的信号；

信号处理电路，用于依次对所述感应电极感应的电流信号进行高阻抗变换、幅度比例变换及差分输出；

传输线，用于连接所述感应电极和所述信号处理电路，将所述感应电极感应的信号传输至所述信号处理电路。

优选的，所述感应电极为采用金属铜颗粒喷涂技术喷涂在所述被测线缆绝缘皮外部形成的金属薄膜。

优选的，所述感应电极设置为两个，两个所述感应电极分别和被测线缆耦合形成两个不同的寄生电容，感应由被测线缆输入正、负电压产生的信号。

优选的，所述信号处理电路包括：差分运放和两路相同的子电路，两路相同的所述子电路的输出端分别与所述差分运放的两个输入端相连，其中，

所述子电路，用于对所述感应电极感应的电流信号进行阻抗变换、幅度比例变换，

所述差分运放，用于将两路相同的子电路输出的信号进行差分输出。

优选的，所述子电路包括：

高阻抗运放，用于将所述感应电极感应的电流信号进行阻抗变换；

幅度变换运放，用于对阻抗变换后的电压信号进行幅度比例变换。

优选的，所述高阻抗运放的等效阻抗为GΩ级别。

优选的，所述高阻抗运放的输入端通过传输线与所述感应电极相连，

所述高阻抗运放的输出端与所述幅度变换运放的输入端相连，

所述幅度变换运放的输出端与所述差分运放的输入端相连。

优选的，所述传输线上设有屏蔽层。

优选的，所述子电路还包括：

电压跟随运放，用于使得所述屏蔽层的信号波形幅度与传输线信号波形幅度一致；

所述电压跟随运放的同相输入端与所述高阻抗运放的输出端连接，

所述电压跟随运放的输出端与所述屏蔽层连接。

优选的，所述子电路还包括可变电阻，

所述可变电阻的一端与所述高阻抗运放的输出端相连，另一端与所述幅度变换运放的输入端相连。

优选的，所述传输线固定在PCB板上采用浮地式焊接的方式。

本发明所述的非接触式任意波形交变电压测量装置采用了高阻抗设计，使之可以测量包括方波的任意波形。其感应电极是使用金属涂料喷涂形成的，而不是使用金属极板或者金属膜，这样不用考虑金属镀层与电极外壳间固定方式，可随外壳形状紧密贴合被测线缆，不但可以简化加工，增加感应电极的使用寿命，并且可以通过控制镀层形状来适应不同被测电压幅度。同时，本发明采用了传输线屏蔽层保护和全浮地焊接，使电流泄放达到了最小，可以实现高精度测量。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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他的附图。

图1示出了本发明所述的非接触式任意波形交变电压测量装置的原理图；

图2示出了本发明所述的非接触式任意波形交变电压测量装置的电路图；

图3示出了本发明所述的非接触式任意波形交变电压测量装置的感应电极的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1和图2，本实施例公开了一种非接触式任意波形交变电压测量装置，所述测量装置包括：

感应电极，用于分别和被测线缆耦合形成两个不同的寄生电容，感应由被测线缆输入电压产生的信号；

信号处理电路，用于依次对所述感应电极感应的电流信号进行高阻抗变换、幅度比例变换及差分输出；

传输线，用于连接所述感应电极和所述信号处理电路，将所述感应电极感应的信号传输至所述信号处理电路。

其中，考虑到需要测量被测电缆输入的正电压和负电压，本实施例所述的所述感应电极设置为两个，两个所述感应电极分别和被测线缆耦合形成两个不同的寄生电容，用于感应由被测线缆输入正、负电压产生的电场信号。

需要说明的是，本实施例所述信号处理电路包括：两路相同的子电路和差分运放。具体的，两路相同的所述子电路的输出端分别与所述差分运放的两个输入端相连，其中，

所述子电路，用于对所述感应电极感应的电流信号进行阻抗变换、幅度比例变换，

所述差分运放，用于将两路相同的子电路输出的信号进行差分输出。

具体的，所述子电路包括：

高阻抗运放，用于将所述感应电极感应的电流信号进行阻抗变换；

幅度变换运放，用于对阻抗变换后的电压信号进行幅度比例变换。

需要说明的是，所述高阻抗运放的输入端通过传输线与所述感应电极相连，所述高阻抗运放的输出端与所述幅度变换运放的输入端相连，所述幅度变换运放的输出端与所述差分运放的输入端相连。

结合具体实施过程，本实施例示例性的给出所述非接触式任意波形交变电压测量装置中的一种电路结构形式。

本实施例所述的测量装置包括感应电极、第一子电路、第二子电路、差分运放及传输线，所述第一子电路包括第一高阻抗运放U2B、第一幅度变换运放U5A，所述第二子电路包括第二高阻抗运放U2A、第二幅度变换运放U6A。

具体的，所述第一高阻抗运放U2B的正相输入端与第一感应电极相连，所述第一感应电极用于感应被测线缆输入正电压变化产生的信号。所述第一高阻抗运放U2B的输出端与所述第一幅度变换运放U5A的反相输入端相连，所述第一幅度变换运放U5A的输出端与所述差分运放U7A的反相输入端相连。

所述第二高阻抗运放U2A的正相输入端与第二感应电极相连，所述第二感应电极用于感应被测线缆输入负电压变化产生的信号。所述第二高阻抗运放U2A的输出端与所述第二幅度变换运放U6A的反相输入端相连，所述第二幅度变换运放U6A的输出端与所述差分运放U7A的正相输入端相连。

其中，所述第一幅度变换运放U5A与第二幅度变换运放U6A均为反相放大器，即第一幅度变换运放U5A与第二幅度变换运放U6A的同相输入端接地，所述第一幅度变换运放U5A的反相输入端与输出端之间跨接设有电阻R5，所述第二幅度变换运放U6A的反相输入端与输出端之间跨接设有电阻R6。

本实施例所述的非接触式任意波形交变电压测量装置测量电压的工作原理如下：感应电极利用寄生电容的概念，在被测线缆绝缘皮外部包裹金属薄膜，这样绝缘皮外面的金属层与被测导线等效为一个极小的寄生电容(Pf级别，10^-12f)，当被测导线上面发生电压变化时，相当于对寄生电容进行充放电(Pa级别，10^-12a)，将金属薄膜通过传输线，接入高等效阻抗的运放中进行阻抗变换，输出至幅度变换运放进行幅值的等比例放大或缩小，再输入至差分运放中进行差分输出，完成交变电压的采集过程。

根据欧姆定律可知，最后所测电压＝感应电流*输入电阻，要想进行任意波形(不包含直流)测量，就需要保持感应电流不因泄放减小，并尽量提高输入阻抗。

本实施例采用高输入阻抗的运放，即高阻抗运放作为输入端第一级。本实施例所说的高阻抗运放是指输入阻抗高于10⁹Ω的运放。具体的，本实施例所述的所述高阻抗运放的等效阻抗为GΩ级别，即10⁹Ω级别。

通过傅里叶变换方程可知，任意波形都可以分解成不同幅度，多种频率的正弦波。其中理想方波包含非常丰富的频谱成分，若不采用高阻抗输入设计，则方波相当一部分频谱成分应为幅度过小无法被测量，导致测量波形失真。本实施例所述的非接触式任意波形交变电压测量装置采用了高阻抗设计，使之可以测量包括方波的任意波形。

由于感应电流极小，并且需要通过传输线进行一定距离传输，非常容易对其他物体泄放或受到干扰。因此，本实施例所述的测量装置在所述传输线上设置屏蔽层。

需要说明的是，为了防止传输线被其他信号干扰，一定要加入屏蔽层，但是屏蔽层会与传输线形成寄生电容，导致微弱信号对屏蔽层泄放，所以本实施例所述的非接触式任意波形交变电压测量装置的子电路还包括：电压跟随运放，用于使得所述屏蔽层的信号波形幅度与传输线信号波形幅度一致。

其中，所述电压跟随运放的同相输入端与所述高阻抗运放的输出端连接，所述电压跟随运放的输出端与所述屏蔽层连接。具体的，所述第一电压跟随运放U3B的同相输入端与所述第一高阻抗运放U2B的输出端连接，输出端与第一感应电极对应的传输线的屏蔽层相连。所述第二电压跟随运放U3A的同相输入端与所述第二高阻抗运放U2A的输出端连接，输出端与第二感应电极对应的传输线的屏蔽层相连。

采用通过将高阻抗运放U2B、U2A输出的电压经电压跟随运放U3B、U3A进行阻抗变换后接入至屏蔽层，这样屏蔽层上面的就会有一个与感应信号幅值相同，相位一致的信号，这样不但可以屏蔽干扰，减小外部干扰对微弱信号的影响，还可以可减少传输线对屏蔽层的漏电流泄放。

需要说明的是，为了防止感应电流对其他物体泄放或受到干扰，本实施例所述的非接触式任意波形交变电压测量装置还采用浮地式焊接的方式将所述传输线固定在PCB板上。

具体的，在所述传输线进入到处理单元后，即进入高阻抗运放后，若在PCB板上用传统方式进行走线，则微弱电流会对周围铜箔，甚至会对走线周围有杂质或助焊剂、清洗剂残留的FR4材料进行电流泄放，为了防止上述情况发生，PCB上传输线部采用浮地式焊接方式，即采用小型的绝缘子紧固在PCB板上，传输线不和电路板接触直接焊接在绝缘子上，后面的电阻器件(后面线路只有电阻)均采用插装形式，焊接在绝缘子上，保证整个线路离PCB和高阻抗运放外壳均有20mm以上距离，使整个回路做到电流无泄放。正是因为采用了上述设置，可以做到非接触电压的高精度和任意波形测量，最小测量电压可达100mV(峰峰值)，并可测量包含但不限于方波、正弦波、三角波、锯齿波的任意波形。需要说明的是，本实施例所称的高精度测量是指电压幅度最小可测量100mV，精度为1％。

本实施例为了实现所述测量装置量程的调整，本实施例所述的测量装置的子电路还包括可变电阻，其中，所述可变电阻的一端与所述高阻抗运放的输出端相连，另一端与所述幅度变换运放的输入端相连。具体的，在第一子电路中，第一可变电阻R3的一端与第一高阻抗运放U2B的输出端连接，另一端与第一幅度变换运放U5A的反相输入端连接。在第二子电路中，第二可变电阻R4的一端与第二高阻抗运放U2A的输出端连接，另一端与第二幅度变换运放U6A的反相输入端连接。通过调整所述第一可变电阻R3和第二可变电阻R4的大小来实现电压大量程或小量程的测量。

具体的，本实施例所述感应电极为采用金属铜颗粒喷涂技术喷涂在所述被测线缆绝缘皮外部形成的金属薄膜。

需要说明的是，传统的金属膜加工非常不方便，并且无法固定在塑料外壳上，易与外部发生短路，且易发生变形。而本实施例中使用金属颗粒喷涂技术，将铜离子喷涂在绝缘皮外部上形成金属膜。采用金属铜颗粒喷涂技术形成的金属膜：a)加工简单，占用体积小，方便与传输线进行连接，非常适合现场空间狭小的既有设备进行换装；b)可根据不同电压采用不同长度的喷涂面积，调整寄生电容的容值，达到适配不同最大电压的效果，示意图如图3所示；c)可以控制感应电极的任意形状，具体的，可以将感应电极做成开口型式，可以对被测设备进行在线安装和更换。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种非接触式任意波形交变电压测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：

感应电极，用于分别和被测线缆耦合形成两个不同的寄生电容，感应由所述被测线缆输入电压产生的信号；所述感应电极为采用金属铜颗粒喷涂技术喷涂在所述被测线缆绝缘皮外部形成的金属薄膜；

信号处理电路，用于依次对所述感应电极感应的电流信号进行高阻抗变换、幅度比例变换及差分输出；

传输线，用于连接所述感应电极和所述信号处理电路。

2.根据权利要求1所述的非接触式任意波形交变电压测量装置，其特征在于，所述感应电极设置为两个，两个所述感应电极分别和被测线缆耦合形成两个不同的寄生电容，所述寄生电容用于感应由所述被测线缆输入正、负电压产生的信号。

3.根据权利要求1～2任一项所述的非接触式任意波形交变电压测量装置，其特征在于，所述信号处理电路包括：差分运放和两路相同的子电路，两路相同的所述子电路的输出端分别与所述差分运放的两个输入端相连，其中，

所述子电路，用于对所述感应电极感应的电流信号进行阻抗变换、幅度比例变换，

所述差分运放，用于将两路相同的所述子电路输出的信号进行差分输出。

4.根据权利要求3所述的非接触式任意波形交变电压测量装置，其特征在于，所述子电路包括：

高阻抗运放，用于将所述感应电极感应到的电流信号进行阻抗变换；

幅度变换运放，用于对进行所述阻抗变换后的电压信号进行幅度比例变换。

5.根据权利要求4所述的非接触式任意波形交变电压测量装置，其特征在于，所述高阻抗运放的等效阻抗为GΩ级别。

6.根据权利要求4所述的非接触式任意波形交变电压测量装置，其特征在于，所述高阻抗运放的输入端通过所述传输线与所述感应电极相连，

所述高阻抗运放的输出端与所述幅度变换运放的输入端相连，

所述幅度变换运放的输出端与所述差分运放的输入端相连。

7.根据权利要求4所述的非接触式任意波形交变电压测量装置，其特征在于，所述传输线上设有屏蔽层。

8.根据权利要求7所述的非接触式任意波形交变电压测量装置，其特征在于，所述子电路还包括：

电压跟随运放，用于使得所述屏蔽层的信号波形幅度与所述传输线的信号波形幅度一致；

所述电压跟随运放的同相输入端与所述高阻抗运放的输出端连接，

所述电压跟随运放的输出端与所述屏蔽层连接。

9.根据权利要求4所述的非接触式任意波形交变电压测量装置，其特征在于，所述子电路还包括可变电阻，

所述可变电阻的一端与所述高阻抗运放的输出端相连，另一端与所述幅度变换运放的输入端相连。

10.根据权利要求1所述的非接触式任意波形交变电压测量装置，其特征在于，所述传输线固定在PCB板上采用浮地式焊接。

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