CN112180142B - 交流电压检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种交流电压检测装置，包括第一基板、第二基板和第一绝缘隔离层，所述第一基板和第二基板平行设置，所述第一绝缘隔离层位于所述第一基板和第二基板之间；所述第一基板的下表面具有至少一个测头感应电极；所述第二基板的上表面具有至少一个被测导线电极；每一所述测头感应电极和一个被测导线电极通过所述第一绝缘隔离层绝缘隔离形成电容，第一基板上表面及第二基板下表面共同组成屏蔽体，屏蔽此电容不受外接电磁干扰。本发明利用印制电路板的机械加工精度高、内部结构稳定、加工效率高、成本低的优势，大幅提高了交流电压检测装置的精度，极大提高了非接触交流电压检测的稳定性。

Description

交流电压检测装置

技术领域

本发明涉及电压检测领域，更具体地说，涉及一种交流电压检测装置。

背景技术

目前，对交流电压的检测主要由交流电压传感器实现，现有的交流电压传感器均使用直接接触方式对被测电压信号进行采样，之后送入后续处理电路；

现有的电压传感器所用的采样方式主要为电阻分压和电压互感器(PT)方式，不管是电阻分压方式还是PT互感器方式，均是将被测线路上的交流电压通过直接接触采样后转换为后续电路可处理的低压，此种方式具有方便检测、结构简单、成本低廉、检测精度高等优势，但这两种方式在其故障模式下存在不可回避的安全性问题：分压电阻可能被击穿而短路，电压互感器可能出现匝间短路等，这些故障在使用过程中较常见，最终导致传感器输入阻抗降低甚至短路，从而影响被测线路或系统的正常工作。对于类似铁路、化工、煤炭、军用等对安全性要求较高的领域，这种短路导致的影响将可能带来严重后果，甚至威胁人生和财产安全。为了降低交流电压采样器件的故障率，采样器件在使用前需要实施严苛的器件生产、质控工艺、进行大量筛选实验，使用后还需定期维护检查等，耗费大量人力物力，尽管如此仍然无法完全避免采样器件发生故障后给被测系统带来的影响。

为提高安全性，出现了通过非接触式的交流电压检测装置。如图1所示，该交流电压检测装置包括绝缘外壳11以及检测电极，且上述检测电极位于绝缘外壳11内，上述绝缘外壳11上具有供被测线缆走线的走线孔13，且检测电极与走线孔13相邻设置(走线孔13的内部空间与检测电极之间通过绝缘层相隔)。在绝缘外壳11通过走线孔13装配到被测线缆(即被测线缆穿过走线孔13)时，检测电极和被测线缆构成一个无极电容(检测电极和被测线缆各构成该电容的一个电极)，并通过电容电极间的电场耦合将被测线缆上的交流电压转换为检测信号(即被测线缆上的交流电压通过电容电极之间的电场被耦合到检测电极上)，从而实现被测线缆电压的辅助检测。

然而，由于被测导线的截面积、外径、绝缘皮材质的不同，以及被测导线与走线孔13之间的间隙不一致、检测装置人工组装工艺一致性等问题，使得被测导线与检测装置之间的结构不稳定，大大影响了检测精度。并且，上述检测装置内部结构复杂，加工难度大。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述非接触式的交流电压检测装置因结构、工艺导致检测精度不高、加工难度较大的问题，提供一种新的交流电压检测装置。

本发明实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供一种交流电压检测装置，包括第一基板、第二基板和第一绝缘隔离层，所述第一基板和第二基板平行设置，且所述第一基板的下表面与所述第二基板的上表面相对，所述第一绝缘隔离层位于所述第一基板和第二基板之间；

所述第一基板上具有至少一个用于连接射频连接头的第一焊盘，所述第二基板上具有至少一个用于连接被测导线的第二焊盘；

所述第一基板的下表面具有至少一个测头感应电极，且每一所述测头感应电极与一个所述第一焊盘电性连接；所述第二基板的下表面具有至少一个被测导线电极，且每一所述被测导线电极与一个所述第二焊盘电性连接；每一所述测头感应电极和一个被测导线电极通过所述第一绝缘隔离层绝缘隔离形成电容。

优选地，所述第一基板的上表面具有第一覆铜层，所述第二基板的下表面具有第二覆铜层，且所述第一覆铜层和第二覆铜层通过焊盘通孔电性连接形成屏蔽层。

优选地，所述测头感应电极位于所述第一覆铜层和第二覆铜层在所述第一基板的下表面的正投影区域内，所述被测导线电极位于所述第一覆铜层和第二覆铜层在所述第二基板的上表面的正投影区域内。

优选地，每一所述测头感应电极和对应的被测导线电极之间的第一绝缘隔离层的厚度为0.05～3mm，且所述测头感应电极和对应的被测导线电极之间的隔离耐压不小于现场对非接触检测的耐压要求。

优选地，每一所述测头感应电极和对应的被测导线电极形成的电容的容值≤200pF，且每一所述测头感应电极和对应的被测导线电极在第一基板或第二基板上的正投影重叠的区域的面积的大小根据所述测头感应电极和对应的被测导线电极组成的电容的容值确定。

优选地，所述交流电压检测装置包括两个所述第一基板、两个所述第二基板和两个所述第一绝缘隔离层，且每一所述第一基板与一个所述第二基板平行设置并通过一个所述第一绝缘隔离层绝缘隔离形成一个测头组件；其中一个所述测头组件的第一基板上的每一第一焊盘与另一所述测头组件的第一基板上的一个第一焊盘电性连接，其中一个所述测头组件的第二基板上的每一第二焊盘与另一所述测头组件的第二基板上的一个第二焊盘电性连接。

本发明实施例还提供一种交流电压检测装置，包括第一基板、第二基板、第三基板、第一绝缘隔离层和第二绝缘隔离层，所述第一基板、第二基板及第三基板平行设置，且所述第一基板的下表面与所述第二基板的上表面相对，所述第三基板的上表面与所述第二基板的下表面相对，所述第一绝缘隔离层位于所述第一基板和第二基板之间，所述第二绝缘隔离层位于所述第二基板和第三基之间；

所述第一基板上具有至少一个用于连接射频连接头的第一焊盘，所述第三基板上具有至少一个用于连接被测导线的第二焊盘；

所述第一基板的下表面具有至少一个第一测头感应电极，且每一所述第一测头感应电极与一个所述第一焊盘电性连接；所述第二基板的上表面具有至少一个第一被测导线电极，且每一所述第一被测导线电极与一个所述第二焊盘电性连接；每一所述第一测头感应电极和一个第一被测导线电极通过所述第一绝缘隔离层绝缘隔离形成第一电容；

所述第三基板的上表面具有至少一个第二测头感应电极，且每一所述第二测头感应电极与一个所述第一焊盘电性连接；所述第二基板的下表面具有至少一个第二被测导线电极，且每一所述第二被测导线电极与一个所述第二焊盘电性连接；每一所述第二测头感应电极和一个第二被测导线电极通过所述第二绝缘隔离层绝缘隔离形成第二电容，且连接到同一第一焊盘的第一测头感应电极与第二测头感应电极分别与连接到同一第二焊盘的第一被测导线电极和第二被测导线电极相对。

优选地，所述第一基板的上表面具有第一覆铜层，所述第三基板的下表面具有第二覆铜层，且所述第一覆铜层和第二覆铜层通过焊盘通孔电性连接形成屏蔽层。

优选地，所述第一测头感应电极位于所述第一覆铜层和第二覆铜层在所述第一基板的下表面的正投影区域内，所述第一被测导线电极、第二被测导线电极分别位于所述第一覆铜层和第二覆铜层在所述第二基板的上表面和下表面的正投影区域内，所述第二测头感应电极位于所述第一覆铜层和第二覆铜层在所述第三基板的上表面的正投影区域内。

优选地，每一所述第一测头感应电极与对应的第一被测导线电极在第一基板或第二基板上的正投影重叠的区域的面积与连接到同一第一焊盘的第二测头感应电极与对应的第二被测导线电极在第二基板或第三基板上的正投影重叠的区域的面积之和，不小于0.1平方厘米。

本发明实施例的交流电压检测装置，通过将测头感应电极和被测导线电极构成的无极电容封装在印制电路板内，利用印制电路板的机械加工精度高、内部结构稳定、加工效率高、成本低的优势，大幅提高了交流电压检测装置的精度，极大提高了非接触交流电压检测的稳定性。并且，通过设置屏蔽层，可屏蔽同频干扰，使得测量下限可达50mV，大大提高了测量范围。

附图说明

图1是现有非接触式交流电压检测装置的结构示意图；

图2是本发明第一实施例提供的交流电压检测装置的结构示意图；

图3是本发明第二实施例提供的交流电压检测装置的结构示意图；

图4是图3的交流电压检测装置中第一基板下表面的结构示意图；

图5是图3的交流电压检测装置中第二基板上表面的结构示意图；

图6是本发明第三实施例提供的交流电压检测装置的结构示意图；

图7是图6的交流电压检测装置中第一基板上表面的结构示意图；

图8是图6的交流电压检测装置中第二基板下表面的结构示意图；

图9是本发明第四实施例提供的交流电压检测装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2所示，是本发明实施例提供的交流电压检测装置的结构示意图，该交流电压检测装置可通过非接触方式对设备相关模块或端子的交流电压进行检测。本实施例的交流电压检测装置包括第一基板21、第二基板22和第一绝缘隔离层23，其中第一基板21和第二基板22平行设置，且第一基板21的下表面与第二基板22的上表面相对，第一绝缘隔离层23位于第一基21板和第二基板22之间，即上述第一基板21、第二基板22和第一绝缘隔离层23组成多层印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)结构。根据使用场合，上述第一基板21和第二基板22可采用刚性印制电路板，或者采用柔性印制电路板。并且，在实际应用中，上述第一基板21和第二基板22可相互独立，并以第一绝缘隔离层23相隔的方式叠合在一起。

并且，第一基板21上具有一个用于连接射频连接头的第一焊盘212，该第一焊盘212可位于第一基板21的上表面，且每一第一焊盘212可连接一个射频连接头；第二基板22上具有一个用于连接被测导线的第二焊盘222，该第二焊盘222可位于第二基板22的下表面，且每一第二焊盘222可用于连接一根被测导线。

上述第一基板21的下表面具有一个测头感应电极211，且该测头感应电极211与第一焊盘212电性连接。第二基板22的下表面具有一个被测导线电极221，且该被测导线电极221与第二焊盘222电性连接。具体地，上述测头感应电极211和被测导线电极221可分别由第一基板21和第二基板22的对应表面所覆铜箔构成，并且为提高检测信号的强度，以实现高精度检测，上述测头感应电极211和被测导线电极221分别可具有较大的表面积。

在本实施例中，测头感应电极211和被测导线电极221通过第一绝缘隔离层23绝缘隔离形成电容。即测头感应电极211和被测导线电极221在第一基板21或第二基板22上的的正投影至少部分重合(最好全部重合)。这样，测头感应电极211在与被测导线电性连接的被测导线电极221作用下，通过电容电极间的电场耦合将被测导线上的交流电压转换为检测信号(即被测导线上的交流电压通过电容电极之间的电场被耦合到测头感应电极211上)，并将检测信号通过对应的第一焊盘212输出到射频连接头，再通过射频连接头和射频线将上述检测信号传输到后端处理模块进行测量和转化，即可获得被测导线的电压。

上述交流电压检测装置，通过封装在印制电路板内的测头感应电极211和被测导线电极221构成的无极电容，可将被测导线上的交流电压转换为检测信号，以实现被测导线上交流电压的检测，由于检测过程与被测系统无任何直接接触，整个测量过程对被测导线及相关系统无任何影响，安全性较高。同时，利用印制电路板的机械加工精度高、内部结构稳定、加工效率高、成本低的优势，该交流电压检测装置可大幅降低附图1所示方案中的不可控因素(例如导线截面积、外径、绝缘皮材质及厚度的不同，以及导线与测头之间间隙不一致、测头的人工组装工艺不一致等)对非接触交流电压检测的影响，极大提高了非接触式交流电压检测的精度及稳定性。

结合图3-5所示，在本发明的另一实施例中，上述第一基板21上具有两个分别用于连接射频连接头的第一焊盘212，且每一第一焊盘212可连接一个射频连接头；第二基板22上具有两个用于连接被测导线的第二焊盘222，且每一第二焊盘222可用于连接一根被测导线(例如两个第二焊盘222可分连接火线和零线)。

上述第一基板21的下表面具有一对第一检测件，该对第一检测件包括相互绝缘(例如隔离耐压大于10000VAC)的两个测头感应电极211，且每一测头感应电极211与一个第一焊盘212电性连接。第二基板22的下表面具有一对第二检测件，该对第二检测件包括相互绝缘(例如隔离耐压大于2500VAC)的两个被测导线电极221，且每一被测导线电极221与一个第二焊盘222电性连接。

同样地，上述测头感应电极211和被测导线电极221可分别由第一基板21和第二基板22的对应表面所覆铜箔构成，并且为提高检测信号的强度，以实现高精度检测，上述测头感应电极211和被测导线电极221分别可具有较大的表面积。

在本实施例中，每一测头感应电极211和一个被测导线电极221通过第一绝缘隔离层23绝缘隔离形成电容。即每一测头感应电极211和一个对应的被测导线电极221在第一基板21或第二基板22上的的正投影至少部分重合(最好全部重合)。这样，每一对第一检测件的两个测头感应电极211，分别在与被测导线电性连接的被测导线电极221作用下，通过电容电极间的电场耦合将被测导线上的交流电压转换为检测信号(即被测导线上的交流电压通过电容电极之间的电场被耦合到测头感应电极211上)，并将检测信号通过对应的第一焊盘212输出到射频连接头，再通过射频连接头和射频线将上述检测信号传输到后端处理模块进行测量和转化，即可获得被测导线的电压。例如当两个第二焊盘212分连接火线和零线时，可测得火线和零线之间的电压。

在实际应用中，第一基板21上可具有更多个第一焊盘212和更多个测头感应电极211，相应地，第二基板22上可具有更多个第二焊盘222和更多个被策导线电极221，从而形成多个测量通道，实现多路电压检测。

结合图6所示，在本发明的交流电压检测装置的另一实施例中，上述第一基板21的上表面具有第一覆铜层214(该第一覆铜层214上可具有绝缘层)，第二基板22的下表面具有第二覆铜层224(该第二覆铜层224上可具有绝缘层)，且第一覆铜层214和第二覆铜层224通过焊盘通孔电性连接形成屏蔽层。通过上述屏蔽层，可屏蔽外界的干扰信号，使得交流电压检测装置的测量下限可达50mV，大大提高了检测精度。

具体地，上述第一覆铜层214和第二覆铜层224可分别与各个测头感应电极211和被测导线电极221对应，即在第一基板21的上表面设置多个相互绝缘的第一覆铜层214，如图7-8所示。每一测头感应电极211位于一个第一覆铜层214和一个第二覆铜层224在第一基板21的下表面的正投影区域内，每一被测导线电极221位于一个第一覆铜层214和一个第二覆铜层224在第二基板22的上表面的正投影区域内(例如每一第一覆铜层214在第二基板22的下表面的正投影与第二覆铜层224的区域重合)。

此外，还可在第一基板21的上表面设置一个面积较大的第一覆铜层214，在第二基板22的下表面设置一个面积较大的第二覆铜层224，第一基板21上所有的测头感应电极211和第二基板22上所有的被测导线电极221均位于同一第一覆铜层214和第二覆铜层224之间。

为保证测头感应电极211可在被测导线电极221作用下形成感应电压，每一测头感应电机211和对应的被测导线电极221之间的间距为0.1～3mm。并且为保证测头感应电极211可在被测导线电极221之间的绝缘，上述测头感应电极211和对应的被测导线电极221之间的隔离耐压不小于2500VAC。

为保证安全行，上述每一测头感应电极211和对应的被测导线电极221形成的电容的容值≤200pF，且每一测头感应电极和对应的被测导线电极在第一基板或第二基板上的正投影重叠的区域的面积的大小根据测头感应电极211和对应的被测导线电极221组成的电容的容值确定。为了保证测量精度，每一测头感应电极211和对应的被测导线电极221在第一基板21或第二基板22上的正投影重叠的区域(即测头感应电极211和对应的被测导线电极221相对的区域)的面积不小于0.1平方厘米。

如图9所示，本发明实施例还提供一种交流电压检测装置，本实施例的交流电压检测装置包括第一基板91、第二基板92、第三基板93、第一绝缘隔离层94和第二绝缘隔离层95，上述第一基板91、第二基板92及第三基板93平行设置，且第一基板91的下表面与第二基板92的上表面相对，第三基板93的上表面与第二基板92的下表面相对，第一绝缘隔离层94位于第一基板91和第二基板92之间，第二绝缘隔离层95位于第二基板92和第三基93之间，即上述第一基板91、第二基板92、第三基板93、第一绝缘隔离层94和第二绝缘隔离层95组成多层印制电路板结构。同样地，上述第一基板91、第二基板92和第三基板93可采用刚性印制电路板，或者采用柔性印制电路板。

在本实施中，第一基板91上具有至少两个分别用于连接射频连接头的第一焊盘912(例如位于该第一基板91的上表面)，第三基板93上具有至少两个分别用于连接被测导线的第二焊盘932(例如位于该第三基板93的下表面)。

第一基板91的下表面具有至少一对第一检测件，每一对第一检测件包括相互绝缘的两个第一测头感应电极911，且每一第一测头感应电极911与一个第一焊盘912电性连接；第二基板92的上表面具有至少一对第二检测件，每一对第二检测件包括相互绝缘的两个第一被测导线电极921，且每一第一被测导线电极921与一个第二焊盘932电性连接；每一第一测头感应电极911和一个第一被测导线电极921通过第一绝缘隔离层94绝缘隔离形成第一电容。

第三基板93的上表面具有至少一对第三检测件，每一对第三检测件包括相互绝缘的两个第二测头感应电极931，且每一第二测头感应电极931与一个第一焊盘912电性连接；第二基板92的下表面具有至少一对第四检测件，每一对第四检测件包括相互绝缘的两个第二被测导线电极922，且每一第二被测导线电极922与一个第二焊盘932电性连接；每一第二测头感应电极931和一个第二被测导线电极922通过第二绝缘隔离层95绝缘隔离形成第二电容，且连接到同一第一焊盘912的第一测头感应电极911与第二测头感应电极931分别与连接到同一第二焊盘932的第一被测导线电极921和第二被测导线电极922相对。即每一组导线上的电压通过并联连接的第一电容和第二电容进行检测。

上述多层印制电路板结构可在不增加交流电压检测装置的占据面积(仅增加厚度)的情况下，增加测头感应电极与被测导线电极之间的电场感应强度，从而提高电压测试的宽度及精度。

同样地，为了提高抗干扰性能，上述第一基板91的上表面可设置第一覆铜层，第三基板93的下表面可设置第二覆铜层，且第一覆铜层和第二覆铜层通过焊盘通孔电性连接形成屏蔽层。

相应地，第一测头感应电极911位于第一覆铜层和第二覆铜层在第一基板91的下表面的正投影区域内，第一被测导线电极921、第二被测导线电极922分别位于第一覆铜层和第二覆铜层在第二基板92的上表面和下表面的正投影区域内，第二测头感应电极931位于第一覆铜层和第二覆铜层在第三基板93的上表面的正投影区域内。

并且，每一第一测头感应电极911与对应的第一被测导线电极921在第一基板91或第二基板92上的正投影重叠的区域的面积与连接到同一第一焊盘912的第二测头感应电极931与对应的第二被测导线电极922在第二基板92或第三基板93上的正投影重叠的区域的面积之和，不小于0.1平方厘米。

在本发明的另一实施例中，也可将两个如图2所示的交流电压检测装置相叠形成与图9所示的交流电压检测装置类似的结构，即交流电压检测装置包括两个第一基板、两个第二基板和两个第一绝缘隔离层，且每一第一基板与一个第二基板平行设置并通过一个第一绝缘隔离层绝缘隔离形成一个测头组件；其中一个测头组件的第一基板上的每一第一焊盘与另一测头组件的第一基板上的一个第一焊盘电性连接，其中一个测头组件的第二基板上的每一第二焊盘与另一测头组件的第二基板上的一个第二焊盘电性连接。该结构同样可减少交流电压检测装置占据的面积。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种交流电压检测装置，其特征在于，包括第一基板、第二基板、第三基板、第一绝缘隔离层和第二绝缘隔离层，所述第一基板、第二基板及第三基板平行设置，且所述第一基板的下表面与所述第二基板的上表面相对，所述第三基板的上表面与所述第二基板的下表面相对，所述第一绝缘隔离层位于所述第一基板和第二基板之间，所述第二绝缘隔离层位于所述第二基板和第三基之间；

所述第一基板上具有至少一个用于连接射频连接头的第一焊盘，所述第三基板上具有至少一个用于连接被测导线的第二焊盘；

所述第一基板的下表面具有至少一个第一测头感应电极，且每一所述第一测头感应电极与一个所述第一焊盘电性连接；所述第二基板的上表面具有至少一个第一被测导线电极，且每一所述第一被测导线电极与一个所述第二焊盘电性连接；每一所述第一测头感应电极和一个第一被测导线电极通过所述第一绝缘隔离层绝缘隔离形成第一电容；

所述第三基板的上表面具有至少一个第二测头感应电极，且每一所述第二测头感应电极与一个所述第一焊盘电性连接；所述第二基板的下表面具有至少一个第二被测导线电极，且每一所述第二被测导线电极与一个所述第二焊盘电性连接；每一所述第二测头感应电极和一个第二被测导线电极通过所述第二绝缘隔离层绝缘隔离形成第二电容，且连接到同一第一焊盘的第一测头感应电极与第二测头感应电极分别与连接到同一第二焊盘的第一被测导线电极和第二被测导线电极相对。

2.根据权利要求1所述的交流电压检测装置，其特征在于，所述第一基板的上表面具有第一覆铜层，所述第三基板的下表面具有第二覆铜层，且所述第一覆铜层和第二覆铜层通过焊盘通孔电性连接形成屏蔽层。

3.根据权利要求2所述的交流电压检测装置，其特征在于，所述第一测头感应电极位于所述第一覆铜层和第二覆铜层在所述第一基板的下表面的正投影区域内，所述第一被测导线电极、第二被测导线电极分别位于所述第一覆铜层和第二覆铜层在所述第二基板的上表面和下表面的正投影区域内，所述第二测头感应电极位于所述第一覆铜层和第二覆铜层在所述第三基板的上表面的正投影区域内。

4.根据权利要求1所述的交流电压检测装置，其特征在于，每一所述第一测头感应电极与对应的第一被测导线电极在第一基板或第二基板上的正投影重叠的区域的面积与连接到同一第一焊盘的第二测头感应电极与对应的第二被测导线电极在第二基板或第三基板上的正投影重叠的区域的面积之和，不小于0.1平方厘米。

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