CN112798848A - 一种基于逆压电效应的电压测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于逆压电效应的电压测量系统，包括光源模块、分压模块、压电陶瓷片及信号处理模块，其中，电网电压施加在分压模块上，然后分压模块将电网电压降到压电陶瓷片所能承受的电压范围内，利用压电陶瓷片的逆压电效应，压电陶瓷片在待测电压的作用下会产生形变，且一定的形变量对应着相应的电压值，然后利用光源模块输出的第一光信号检测压电陶瓷片的形变量，得到第二光信号，从而计算出待测电压的强度，再乘以分压模块的分压比就可以实现对电网电压的测量。可见，本申请中的压电陶瓷片及光源模块能够实现基于光信号对待测电压的测量，且光信号通过光纤传输时不容易受到电磁干扰，提高了测量电网电压的准确性。

Description

一种基于逆压电效应的电压测量系统

技术领域

本发明涉及电压测量领域，特别是涉及一种基于逆压电效应的电压测量系统。

背景技术

现有技术中测量电网电压的方式，通常是先将电网电压通过电阻和/或电容组成的分压模块进行降压处理，然后根据分压模块输出的电压信号计算出电信号的电网电压后，通过电缆将电信号的电网电压通过电缆传输至远端监测设备。其中，使用电信号进行传输或者计算时容易受到外界的电磁干扰，使电信号在传输或计算的过程中可能会产生偏差，从而造成对电网电压测量的不准确。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于逆压电效应的电压测量系统，本申请中的压电陶瓷片及光源模块能够实现基于光信号对待测电压的测量，且光信号通过光纤传输时不容易受到电磁干扰，提高了测量电网电压的准确性。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于逆压电效应的电压测量系统，应用于电网，包括：

光源模块，用于输出第一光信号；

输入端与电网的高压端连接的分压模块，用于将电网电压降压至压电陶瓷片的输入电压范围内，得到待测电压；

分别与分压模块的输出端及所述光源模块的输出端连接的压电陶瓷片，用于基于所述第一光信号及所述待测电压输出携带待测电压的第二光信号；

与所述压电陶瓷片的输出端连接的信号处理模块，用于基于所述第二光信号计算所述待测电压的强度，并乘以所述分压模模块的分压比得到所述电网电压的强度。

优选地，所述信号处理模块包括：

与所述压电陶瓷片的输出端连接的光电转换模块，用于将所述第二光信号由光信号转换为电信号；

与所述光电转换模块的输出端连接的采样模块，用于对所述电信号进行采样，得到采样电信号；

与所述采样模块的输出端连接的计算模块，用于根据所述采样电信号计算所述待测电压的强度，并乘以所述分压模块的分压比得到所述电网电压的强度。

优选地，还包括：

与所述计算模块的输出端连接的电光转换模块，用于将所述电网电压的强度由电信号转换为光信号以便通过光纤传输至远端监测设备。

优选地，还包括：

设置于所述光电转换模块及所述采样模块之间的跟随模块，用于对所述电信号进行跟随以增大所述电信号的驱动能力。

优选地，还包括：

设置于所述跟随模块与所述采样模块之间的滤波模块，用于滤除所述电信号中的杂波。

优选地，还包括：

与所述滤波模块的输出端连接的移相模块，用于将所述滤波模块输出的电信号移相预设角度；

与所述移相模块的输出端连接的乘法器，用于将移相所述预设角度后的电信号乘以所述分压模块的分压比；

所述采样模块具体用于对乘法器输出的信号进行采样，得到采样乘法信号；

所述计算模块还用于基于所述采样乘法信号计算所述电网电压的强度。

优选地，还包括：

与所述采样模块的输入端连接的控制模块，用于控制所述采样模块的采样频率。

优选地，还包括：

分别与所述光源模块的电源端及信号处理模块的电源端连接的电源模块，用于为所述光源模块及所述信号处理模块供电。

优选地，还包括：

一端与电网的高压端连接，另一端与所述电源模块的输入端连接的电源处理模块，用于将所述电网电压进行处理以通过所述电源模块以为所述光源模块及所述信号处理模块供电。

本申请提供了一种基于逆压电效应的电压测量系统，包括光源模块、分压模块、压电陶瓷片及信号处理模块，其中，电网电压施加在分压模块上，然后分压模块将电网电压降到压电陶瓷片所能承受的电压范围内，利用压电陶瓷片的逆压电效应，压电陶瓷片在待测电压的作用下会产生形变，且一定的形变量对应着相应的电压值，然后利用光源模块输出的第一光信号检测压电陶瓷片的形变量，得到第二光信号，从而计算出待测电压的强度，再乘以分压模块的分压比就可以实现对电网电压的测量。可见，本申请中的压电陶瓷片及光源模块能够实现基于光信号对待测电压的测量，且光信号通过光纤传输时不容易受到电磁干扰，提高了测量电网电压的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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他的附图。

图1为本发明提供的一种基于逆压电效应的电压测量系统的结构框图；

图2为本发明提供的另一种基于逆压电效应的电压测量系统的结构框图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种基于逆压电效应的电压测量系统，本申请中的压电陶瓷片及光源模块能够实现基于光信号对待测电压的测量，且光信号通过光纤传输时不容易受到电磁干扰，提高了测量电网电压的准确性。

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、完整地描述，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，图1为本发明提供的一种基于逆压电效应的电压测量系统的结构框图，应用于电网，包括：

光源模块1，用于输出第一光信号；

输入端与电网的高压端连接的分压模块2，用于将电网电压降压至压电陶瓷片3的输入电压范围内，得到待测电压；

分别与分压模块2的输出端及光源模块1的输出端连接的压电陶瓷片3，用于基于第一光信号及待测电压输出携带待测电压的第二光信号；

与压电陶瓷片3的输出端连接的信号处理模块4，用于基于第二光信号计算待测电压的强度，并乘以分压模模块的分压比得到电网电压的强度。

现有技术中测量电网电压的方式，通常是先将电网电压通过电阻和/或电容组成的分压模块2进行降压处理，然后根据分压模块2输出的电压信号计算出电信号的电网电压后，通过电缆将电信号的电网电压通过电缆传输至远端监测设备。其中，使用电信号进行传输或者计算时容易受到外界的电磁干扰，使电信号在传输或计算的过程中可能会产生偏差，从而造成对电网电压测量的不准确。

为解决上述技术问题，本申请的设计思路为利用光纤传输信号时，不易受到电磁干扰的特性，从而将光信号引入对电网电压的测量系统，然后使用光纤对光信号进行传输，并在其中进行光电转换，计算出待测电压的强度，进而计算出电网电压的强度。

基于此，本申请中的基于逆压电效应的电压测量系统利用压电陶瓷片3的逆压电效应对电网进行测量，其中，逆压电效应指压电陶瓷片3上加上电压时，压电陶瓷片3会发生相应的机械形变(伸长或缩短)，如果压电陶瓷片3上加交变电场，则压电晶体就会交替出现伸长和缩短，即发生机械振动。利用这种压电陶瓷片3的逆压电效应结合光纤光栅测量技术对电网电压进行测量。

具体地，电网电压先通过分压模块2将电网电压降到压电陶瓷片3所能承受的电压范围(60～100V)，压电陶瓷片3由于逆压电效应发生形变，然后再通过光纤光栅测量技术，根据光强的改变来检测压电陶瓷片3的形变量，而一定的形变量对应着相应的陶瓷片上的电压值，再乘以分压器的分压比，这样就可以测量到高压端的电压值

综上，本申请中以光源模块1发出的光作为载体传输信号，提高了信号传输过程中的抗电磁干扰的能力，提高了电网的建设性，提高了测量电网电压的准确性。

在上述实施例的基础上：

请参照图2，图2为本发明提供的另一种基于逆压电效应的电压测量系统的结构框图。

作为一种优选的实施例，信号处理模块4包括：

与压电陶瓷片3的输出端连接的光电转换模块41，用于将第二光信号由光信号转换为电信号；

与光电转换模块41的输出端连接的采样模块45，用于对电信号进行采样，得到采样电信号；

与采样模块45的输出端连接的计算模块，用于根据采样电信号计算待测电压的强度，并乘以分压模块2的分压比得到电网电压的强度。

考虑到信号处理模块4的输入端的信号为光纤传输的第二光信号，而后端的电路及模块一般是对电信号进行处理，因此，本申请中的信号处理模块4包括光电转换模块41，将携带待测电压的第二光信号转换为电信号，以便于后续电路对电信号进行计算处理等，其中，本申请中的电信号为电压信号。此外，还考虑到计算模块一般只能对数字量的信号进行处理，因此，本申请中还包括采样模块45，对携带待测电压的电信号进行采样，得到数字量的电信号，也即采样电信号，以便后续的计算模块对其进行计算得到待测电压的强度，进而得到乘以分压模块2的分压比得到电网电压的强度。其中，采样模块45可以但不限于为A/D转换电路，

综上，本实施例中信号处理模块4包括光电转换模块41、采样模块45及计算模块时，可以对压电陶瓷片3输出的第二光信号进行处理，以计算出电网电压的强度，且实现方式简单可靠。

作为一种优选的实施例，还包括：

与计算模块的输出端连接的电光转换模块5，用于将电网电压的强度由电信号转换为光信号以便通过光纤传输至远端监测设备。

考虑到对电网电压进行测量时，可能会需要将测得的电网电压的强度值传输至远端监测设备以使工作人员能及时的监测到电网电压的变化，且使用电信号进行传输时，容易受到电磁干扰。

基于此，本申请还设置了电光转换模块5，用于将电网电压的强度由电信号转换为光信号以通过光纤传输至远端监测设备，光纤的抗干扰能力较强，提高了信号传输过程中的抗干扰能力。

对于本申请中的光电转换模块41中的具体实现方式，电光转换模块5中的电光转换器件目前一般选用发光二极管，其可靠性高，寿命长，价格低廉且驱动电路简单，也可以为其他的实现方式，本申请不再限定。

作为一种优选的实施例，还包括：

设置于光电转换模块41及采样模块45之间的跟随模块42，用于对电信号进行跟随以增大电信号的驱动能力。

考虑到光电转换模块41的输出信号的驱动能力较小，可能不足以驱动后续的采样模块45等电路，此时采样模块45的采样动作可能会失败。

基于此，本申请还设置了一个跟随模块42，将光电转换模块41的输出信号的驱动能力增强，此外，跟随模块42还具有隔离的作用。

可见，本实施例中的跟随模块42可以增强光电转换模块41输出的电信号的驱动能力，保证了对电网电压测量的可靠性。

作为一种优选的实施例，还包括：

设置于跟随模块42与采样模块45之间的滤波模块43，用于滤除电信号中的杂波。

考虑到对电网电压进行测量时，电网中的高频信号容易掺杂在电信号中，也即电信号中可能会存在高频杂波等，影响对电网电压测量的准确性。

为解决上述技术问题，本申请还设置了滤波模块43，滤除跟随模块42输出的电信号中的杂波及高频波等，以避免杂波和/或高频波对后续的采样模块45产生影响以使电网电压的测量不准确。

综上，本实施例中的滤波模块43能够滤除跟随模块42输出的电信号中的杂波及高频波，提高采样模块45采样的准确性及可靠性，进而提高电网电压测量的准确性。

作为一种优选的实施例，还包括：

与滤波模块43的输出端连接的移相模块44，用于将滤波模块43输出的电信号移相预设角度；

与移相模块44的输出端连接的乘法器，用于将移相预设角度后的电信号乘以分压模块2的分压比；

采样模块45具体用于对乘法器输出的信号进行采样，得到采样乘法信号；

计算模块还用于基于采样乘法信号计算电网电压的强度。

考虑到交流电信号在传输的过程中可能交流电信号(包括交流电)的波形在变化时没有按原来角度变化，从而发生角度变化，需要通过移相将信号的相位移动一个角度，以使得交流电信号更加准确。此外，本实施例还提供一种使用硬件计算乘以分压模块2的分压比之一步骤，具体的，在计算出待测电压之的强度之前，使用乘法器将移项后的电信号乘以分压模块2的分压比，然后再使用采样模块45将模拟量的电信号转换为数字量，计算模块最后根据数字量的采样乘法信号进行计算，计算出电网电压的强度，其中，硬件的计算速度比软件的计算速度快。

综上，通过本实施例中的移相模块44可以避免交流电信号在传输过程中波形发生变化以使交流电信号不准确，从而避免电网电压计算不准确，提高了电网电压的计算的准确度。此外，本实施例中的乘法器可以提高计算电网电压的效率。

作为一种优选的实施例，还包括：

与采样模块45的输入端连接的控制模块，用于控制采样模块45的采样频率。

本申请中的采样模块45进行采样时，具有一定的采样频率，本实施例旨在提供一种控制模块，用于控制采样模块45的采样频率，对其进行设置或者调整等，此外，本申请中的控制模块可以但不限于为MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)，也可以为其他的装置，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选的实施例，还包括：

分别与光源模块1的电源端及信号处理模块4的电源端连接的电源模块，用于为光源模块1及信号处理模块4供电。

本申请还提供了一种电源模块，为光源模块1及信号处理模块4供电，以保证各模块的正常使用。本申请中的电源模块可以是可充电电池等，本申请不再限定，此外本申请中的电源模块还可以采用激光供能的方式，也即是在激光光源出推动激光二级管发光，然后利用光纤将激光能量传递到光电转换模块41，光电转换模块41将光能变为电能，再由后级的变换将输出的电压转换成满足以上模块所需的电源等，以提供稳定的电压输出。

综上，本实施例中的电源模块，可以提供稳定的电源输出以为光源模块1及信号处理模块4供电，保证其工作的稳定性。

作为一种优选的实施例，还包括：

一端与电网的高压端连接，另一端与电源模块的输入端连接的电源处理模块，用于将电网电压进行处理以通过电源模块以为光源模块1及信号处理模块4供电。

考虑到对电网电压测量的地点一般是在户外，直接可以使用的直流电较少。因此，可以直接从电网的高压母线处取电，并对高压电进行处理以为上述模块供电。具体地，从电网的高压母线处取电的方式可以为使用线圈从电网的高压母线取电的方式，该供电方式是利用电磁感应原理，通过普通铁磁式互感器从高压母线上感应得到交流电电能，再经过电源处理模块处理后为上述模块供电。或者是使用高压电容分压器的供电方式，该方式为在高压母线与地端之间连接高压电容分压器，从高压母线上直接取得能量，经过电源处理模块处理后，为上述模块供电。其中电源处理模块处理过程中可以但不限于包括整流、稳压、滤波及分压等处理过程。

可见，通过上述电源处理模块，可以将电网电压进行处理以通过电源模块以为光源模块1及信号处理模块4供电，提高了户外用电的便捷性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种基于逆压电效应的电压测量系统，应用于电网，其特征在于，包括：

光源模块，用于输出第一光信号；

输入端与电网的高压端连接的分压模块，用于将电网电压降压至压电陶瓷片的输入电压范围内，得到待测电压；

分别与分压模块的输出端及所述光源模块的输出端连接的压电陶瓷片，用于基于所述第一光信号及所述待测电压输出携带待测电压的第二光信号；

与所述压电陶瓷片的输出端连接的信号处理模块，用于基于所述第二光信号计算所述待测电压的强度，并乘以所述分压模模块的分压比得到所述电网电压的强度。

2.如权利要求1所述的基于逆压电效应的电压测量系统，其特征在于，所述信号处理模块包括：

与所述压电陶瓷片的输出端连接的光电转换模块，用于将所述第二光信号由光信号转换为电信号；

与所述光电转换模块的输出端连接的采样模块，用于对所述电信号进行采样，得到采样电信号；

与所述采样模块的输出端连接的计算模块，用于根据所述采样电信号计算所述待测电压的强度，并乘以所述分压模块的分压比得到所述电网电压的强度。

3.如权利要求2所述的基于逆压电效应的电压测量系统，其特征在于，还包括：

与所述计算模块的输出端连接的电光转换模块，用于将所述电网电压的强度由电信号转换为光信号以便通过光纤传输至远端监测设备。

4.如权利要求2所述的基于逆压电效应的电压测量系统，其特征在于，还包括：

设置于所述光电转换模块及所述采样模块之间的跟随模块，用于对所述电信号进行跟随以增大所述电信号的驱动能力。

5.如权利要求4所述的基于逆压电效应的电压测量系统，其特征在于，还包括：

设置于所述跟随模块与所述采样模块之间的滤波模块，用于滤除所述电信号中的杂波。

6.如权利要求5所述的基于逆压电效应的电压测量系统，其特征在于，还包括：

与所述滤波模块的输出端连接的移相模块，用于将所述滤波模块输出的电信号移相预设角度；

与所述移相模块的输出端连接的乘法器，用于将移相所述预设角度后的电信号乘以所述分压模块的分压比；

所述采样模块具体用于对乘法器输出的信号进行采样，得到采样乘法信号；

所述计算模块还用于基于所述采样乘法信号计算所述电网电压的强度。

7.如权利要求2所述的基于逆压电效应的电压测量系统，其特征在于，还包括：

与所述采样模块的输入端连接的控制模块，用于控制所述采样模块的采样频率。

8.如权利要求1-7任一项所述的基于逆压电效应的电压测量系统，其特征在于，还包括：

分别与所述光源模块的电源端及信号处理模块的电源端连接的电源模块，用于为所述光源模块及所述信号处理模块供电。

9.如权利要求8所述的基于逆压电效应的电压测量系统，其特征在于，还包括：

一端与电网的高压端连接，另一端与所述电源模块的输入端连接的电源处理模块，用于将所述电网电压进行处理以通过所述电源模块以为所述光源模块及所述信号处理模块供电。

Images