CN113030550A - 非接触式电压传感器 - Google Patents

Abstract

非接触式电压传感器，包括：传感电极，传感电极具有供被测导体穿过的空间，被测导体和传感电极之间形成输入耦合电容，传感电极与地之间形成接地阻抗；至少一反馈导体，反馈导体穿过传感电极，并与传感电极之间形成反馈耦合电容，反馈耦合电容和输入耦合电容成比例；信号放大模块，传感电极的输出端与信号放大模块的输入端相连，信号放大模块的输出端与反馈导体相连，信号放大模块输出电压测量结果，信号放大模块用于放大传感电极感应到的交流电压信号并对电压信号进行移相，使信号放大模块输出的电压的幅值与待测电压的幅值成线性关系、相位与待测电压的相位相反。本发明采用了闭环传感原理，可以实现交流电压幅值、相位、频率的非接触测量。

Description

非接触式电压传感器

技术领域

本发明属于电力传感技术领域，尤指涉及一种非接触式电压传感器。

背景技术

电压在电子系统中是最基础的信号之一，电压测量装置的应用在电力系统中无处不见。在电力传感领域，交流电压信号的采集、交流电压幅值大小的测量十分重要。在低压测量领域，电压测量装置通常为接触式测量，在高压测量领域，电压测量装置包括电压互感器和电容式电压传感器，电压互感器可以实现变电站及换流站内部的电气设备和关键节点的实时传感和量测，但其功能单一，仅能用于测量工频电压信号。电容式电压传感器利用传感电极与被测导电体形成耦合电容，可以采集到被测导体上的交流电压信号，但仅能采集到被测交流电压信号的频率信息，在未标定的情况下，不能直接得到被测交流电压的幅值信息，而且在电压检测场景中，传感电极与被测导体之间形成的空间耦合电容还会随空气湿度、绝缘材料老化、空间相对位置发生变化而变化，标定后采集到的电压幅值信息也会因上述因素而产生极大的误差。交流电压的幅值的采集是当前非接触电压传感器的难点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于空间耦合电容的闭环非接触式电压传感器，能够实现交流电压幅值的采集。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

非接触式电压传感器，包括：传感电极，所述传感电极具有供被测导体穿过的空间，被测导体和所述传感电极之间形成输入耦合电容，所述传感电极与地之间形成接地阻抗；至少一反馈导体，所述反馈导体穿过所述传感电极，并与所述传感电极之间形成反馈耦合电容，所述反馈耦合电容和所述输入耦合电容成比例；信号放大模块，所述传感电极的输出端与所述信号放大模块的输入端相连，所述信号放大模块的输出端与所述反馈导体相连，所述信号放大模块输出电压测量结果，所述信号放大模块用于放大传感电极感应到的交流电压信号并对电压信号进行移相，使信号放大模块输出的电压的幅值与待测电压的幅值成比例、相位与待测电压的相位相反。

进一步的，所述反馈导体和被测导体采用相同的导电材料制成，和/或所述反馈导体的形状和被测导体的形状相同。

进一步的，所述信号放大模块包括信号放大电路和积分电路，所述信号放大电路用于将传感电极感应到的交流电压信号放大，所述积分电路用于将信号放大电路的输出信号进行90°移相后输出。进一步的，所述信号放大模块还包括设置于所述积分电路之后的滤波电路。

优选的，所述信号放大模块的输入端或输出端设置有电压跟随器，通过设置电压跟随器可以避免信号放大模块的输入或输出阻抗对空间耦合电容造成影响。

进一步的，所述反馈导体的数量为1，反馈导体和被测导体对称设置，且相互平行，反馈耦合电容和输入耦合电容的比值为1:1。

进一步的，所述反馈导体的数量为2以上，反馈导体和被测导体均匀间隔设置，且相互平行，反馈耦合电容和输入耦合电容的比值为n:1，n为反馈导体的数量。

进一步的，所述反馈导体和被测导体沿圆周均匀间隔布置。

进一步的，所述传感电极为中空筒状。

进一步的，所述传感电极为中空圆筒或中空矩形壳体或半圆筒形壳体或C形壳体或U形壳体或圆环形或半圆环形或平板状。

由以上技术方案可知，本发明通过设置反馈导体，采用闭环传感的方式将反馈导体与传感电极形成的反馈耦合电容作为负反馈信号的输入通道，当被测导体有电压输入时，电压信号通过电场在传感电极上感应出电荷从而产生电压信号，信号放大模块接收传感电极上的电压信号后输出与输入电压反相的电压信号并将这一信号施加到反馈导体上，反馈导体上的电压与被测导体上相位相反，从而产生与被测导体产生的电场大小相等、方向相反的电场，抵消被测导体产生的电场，当反馈导体上的电压过小、产生的电场不能抵消待测导体产生的电场，信号放大模块将输出更大的电压，反之信号放大模块输出电压减小，以维持被测导体和反馈导体在传感电极上产生的电荷为零，由此本发明不需要采取固定的耦合电容值和放大器的放大倍数值，只需控制反馈导体和传感电极间形成的反馈耦合电容和被测导体和传感电极间形成的输入耦合电容之间具有一定的比例关系，使得被测导体和反馈导体在传感电极上感应出的电荷为零，则从输出端就能得到待测电压的幅值信息。本发明的电压传感器采用了闭环传感原理，具有精度高、响应快、频带宽、测量范围大、结构简单的优点，可以针对不同的电压测量环境调整传感器中放大器、反馈导体的参数，应用范围广，实现了交流电压幅值、相位、频率的非接触测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，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为本发明实施例1待测导体、反馈导体和传感电极的位置示意图；

图2为本发明实施例1的电路原理图；

图3为本发明实施例1待测导体、反馈导体和传感电极的等效电路图；

图4本发明实施例1的仿真电路图；

图5为本发明实施例1的电压波形仿真图；

图6为本发明实施例2待测导体、反馈导体和传感电极的位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例1

参照图1、图2和图3，本实施例的电压传感器包括传感电极1、反馈导体2以及信号放大模块。传感电极1为金属、半导体等导电材料制成，被测导体10和反馈导体2均穿过传感电极1形成的非封闭空间。如图1和图2所示，本实施例的传感电极1为中空圆筒形，被测导体10穿过传感电极1，并可与传感电极1之间形成耦合电容，将被测导体10和传感电极1之间形成的耦合电容定义为输入耦合电容C1，通过输入耦合电容采集被测导体10上的电压信号。反馈导体2也穿过传感电极1，其与被测导体10间隔设置，反馈导体2和传感电极1之间也形成耦合电容，将反馈导体2和传感电极1之间形成的耦合电容定义为反馈耦合电容C2。传感电极1上设置有输出端子，传感电极1通过输出端子和信号放大模块的输入端相连，同时输出端子通过接地阻抗Z接地，使被测导体10和地之间形成回路，可以采集传感电极1上的电压信号。信号放大模块的输出端输出电压测量结果，信号放大模块的输出端同时还与反馈导体2相连，反馈导体的电压与输出信号一致，不需要形成回路。

本实施例在传感电极1内只设置了一反馈导体2，适用于低电压的测量。反馈导体2优选采用与被测导体10相同的导电材料制成，且优选采用和被测导体10相同的形状。为了可以更直观的观察待测电压，可调整反馈导体与传感电极间的相对位置，使反馈导体2和被测导体10对称且平行穿过传感电极1，由此反馈导体与传感电极间形成的反馈耦合电容与被测导体与传感电极间形成的输入耦合电容相等（C1≈C2，即C1∶C2=1∶1），从而可直接得到幅值与待测电压相等、相位与待测电压相差180°的输出电压。反馈耦合电容和输入耦合电容的相等不是指两者在数值上严格相等，而是近似相等，只要两者的电容值相差10%以内都可以认为是相等。

根据电路特性，待测电压信号经过输入耦合电容后，从传感电极1输出的电压与待测电压的相位相差90°，通过设置信号放大模块，将传感电极1输出的电压输入信号放大模块进行滤波、放大、积分或移相，信号放大模块输出的电压与待测电压的相位相差180°。本发明的信号放大模块包括信号放大电路和积分电路，信号放大电路用于放大传感电极感应到的交流电压信号，信号放大电路可以是信号放大器、功率放大器等具有放大功能的电路或电子器件，可以包括多级同相或反相放大器，积分电路可以采用积分器，用于将信号放大电路的输出信号进行90°移相，使输出信号和被测导体上的信号反相，最终输出电压与输入电压相位相差180°。本实施例的积分电路包括运算放大器、积分电容C3和电阻R。优选的，在积分电路之后还可设置滤波电路，用于消除电路中信号的直流分量。为减小测量误差，信号放大模块的放大倍数在10到100000000倍范围内，根据测量电压和耦合电容的大小，在可以形成负反馈的范围内应尽可能取较大的值。更优选的，在信号放大模块的输入或输出端可以设置电压跟随器，通过设置电压跟随器避免信号放大模块的输入或输出阻抗对空间耦合电容造成影响。

信号放大模块的输出端与反馈导体2相连，反馈导体2与传感电极1间形成反馈耦合电容，当被测导体10有信号输出时，信号放大模块输出相位相反的信号到反馈导体2上，反馈信号与待测信号叠加，使得传感电极1输出的信号变小，形成负反馈。当信号放大模块的输出电压与输入电压平衡时，传感器保持在稳定状态。当反馈耦合电容与输入耦合电容相等或成一定线性关系时（放大倍数足够大），传感器的输出电压与待测电压相位相反幅值相等，从而能够得到被测电压的相位、频率和幅值信息。

为了验证本发明传感器的测量效果，以图4所示的仿真电路进行仿真。如图4所示的电压传感器，C1为被测导体和传感电极之间形成的输入耦合电容，C2为反馈导体与传感电极之间形成的反馈耦合电容，C1=C2≈7pF，R9为接地电阻，C5为接地电容，接地电阻和接地电容组成接地阻抗，待测电压为Vin，输出电压为Vb，VCC为供电电源正压端，VEE为供电电源负压端。信号放大模块中采用4个TL064CD运算放大器（U1D、U1A、U1B、U1C）将传感电极输出的信号进行电压跟随隔离、两次反相放大和一次积分进行移相，所得的输出信号经过反馈耦合电容C2将反馈信号耦合到传感电极上。仿真波形图如图5所示，图5中的a为待测电压的波形，其频率为1kHz，幅值为5Vpp，b为输出电压的波形，其相位与输入电压相反，幅值近似相等。

实施例2

如图6所示，本实施例和实施例1不同的地方在于：在传感电极1内设置了多个反馈导体（2_(1)，2_(2)，…，2_(n)），多个反馈导体和被测导体10沿圆周方向均匀间隔布置，被测导体和各反馈导体的位置旋转对称，各反馈导体与传感电极1间都形成反馈耦合电容。每一反馈导体均为和被测导体选取相同材料制成的相同形状的导体，每一反馈导体都与信号放大模块的输出端连接，此时反馈耦合电容为输入耦合电容的n倍（nC1≈C2，即C2∶C1= n∶1，同样的，nC1和C2之间相差10%以内就认为是近似相等），n为反馈导体的数量，因此输出电压的相位与待测电压相反，幅值大小为待测电压的1/n。本实施例的电压传感器适用于高电压测量，通过增加反馈导体的数量，调整反馈耦合电容和输入耦合电容的关系，用低压信号的输出反应高压信号的大小或用较高电压信号的输出反应低压信号的大小。

当然，本发明的技术构思并不仅限于上述实施例，还可以依据本发明的构思得到许多不同的具体方案，例如，为了方便测量导体上的电压信号，获得更稳定的性能，传感电极优选采用中空圆筒形或中空的矩形壳体等筒状电极，但传感电极也可以是圆柱形、半圆筒形、C形壳体、U形壳体，或者圆环形、半圆环形、平板状等，只要可以和被测导体以及反馈导体形成耦合电容即可；反馈导体也可以是任意形状的导体；除了可以通过改变反馈导体的数量来调整反馈耦合电容和输入耦合电容之间的关系外，实际应用中还可以通过改变被测导体和反馈导体的相对位置、反馈导体的形状、材料等其它参数来改变反馈耦合电容和输入耦合电容的关系，从而改变输出电压与输入电压的幅值比，以针对不同的被测电压输出大小合适的输出电压；诸如此等改变以及等效变换均应包含在本发明所述的范围之内。

Claims (10)

1.非接触式电压传感器，其特征在于，包括：

传感电极，所述传感电极具有供被测导体穿过的空间，被测导体和所述传感电极之间形成输入耦合电容，所述传感电极的输出端通过接地阻抗接地；

至少一反馈导体，所述反馈导体穿过所述传感电极，并与所述传感电极之间形成反馈耦合电容，所述反馈耦合电容和所述输入耦合电容成比例；

信号放大模块，所述传感电极的输出端与所述信号放大模块的输入端相连，所述信号放大模块的输出端与所述反馈导体相连，所述信号放大模块输出电压测量结果，所述信号放大模块用于放大传感电极感应到的交流电压信号并对电压信号进行移相，使信号放大模块输出的电压的幅值与待测电压的幅值成比例、相位与待测电压的相位相反。

2.如权利要求1所述的非接触式电压传感器，其特征在于：所述反馈导体和被测导体采用相同的导电材料制成，和/或所述反馈导体的形状和被测导体的形状相同。

3.如权利要求1所述的非接触式电压传感器，其特征在于：所述信号放大模块包括信号放大电路和积分电路，所述信号放大电路用于将传感电极感应到的交流电压信号放大，所述积分电路用于将信号放大电路的输出信号进行90°移相后输出。

4.如权利要求3所述的非接触式电压传感器，其特征在于：所述信号放大模块还包括设置于所述积分电路之后的滤波电路。

5.如权利要求1所述的非接触式电压传感器，其特征在于：所述信号放大模块的输入端或输出端设置有电压跟随器。

6.如权利要求1所述的非接触式电压传感器，其特征在于：所述反馈导体的数量为1，反馈导体和被测导体对称设置，且相互平行。

7.如权利要求1所述的非接触式电压传感器，其特征在于：所述反馈导体的数量为2以上，反馈导体和被测导体均匀间隔设置，且相互平行。

8.如权利要求7所述的非接触式电压传感器，其特征在于：所述反馈导体和被测导体沿圆周均匀间隔布置。

9.如权利要求1所述的非接触式电压传感器，其特征在于：所述传感电极为中空筒状。

10.如权利要求1所述的非接触式电压传感器，其特征在于：所述传感电极为中空圆筒或中空矩形壳体或半圆筒形壳体或C形壳体或U形壳体或圆环形或半圆环形或平板状。

Images