CN113484597B - 电压测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电压测量装置及方法。该电压测量装置包括：差分探头，包括内极板及外极板；内极板适于位于待测导线外围，且与待测导线具有间距；外极板位于内极板外围，且与内极板具有间距；差分探头用于感应待测导线上的电压以产生输入电场信号；信号处理模块，具有至少三种不同传递函数特性的拓扑电路结构状态，以处理输入电场信号输出至少三种不同的输出电压；数据处理模块，用于根据至少三种输出电压和所对应的传递函数得到待测导线的电压。通过差分探头获得与待测导线的电压对应的输入电场信号，然后利用信号处理模块和数据处理模块对输入电场信号进行处理和计算，得到待测导线的电压，实现了电压的非接触式测量。

Description

电压测量装置及方法

技术领域

本发明涉及电压测量技术领域，特别是涉及一种电压测量装置及方法。

背景技术

现有的测量装置通常为电压互感器，当需要采集低压配电网某点电压数据时，需要在线路上挂接电压采集终端，通过电压采集终端获取所需的电压。

而用于低压配电网的电压采集终端多为接触式设备，即要求将线路金属部分引出，再接入设备进行电压测量，测试完成后，又需要对被破坏的绝缘层进行修补，但若修补不牢固易引发短路等问题。另外，在进行实际电压测量时，较多复杂的环境中经常会遇到无法剥离绝缘层，或是不便破坏绝缘层的情况。

发明内容

基于此，有必要提供一种以非接触方式测量电压的电压测量装置。一种电压测量装置，包括：

差分探头，包括内极板及外极板；所述内极板适于位于待测导线外围，且与所述待测导线具有间距；所述外极板位于所述内极板外围，且与所述内极板具有间距；所述差分探头用于感应所述待测导线上的电压以产生输入电场信号；

信号处理模块，与所述内极板及所述外极板相连接，且具有至少三种不同传递函数特性的拓扑电路结构状态，以处理所述输入电场信号输出至少三种不同的输出电压；

数据处理模块，其与所述信号处理模块的输出端连接，用于根据至少三种输出电压和所对应的传递函数得到所述待测导线的电压。

在其中一个实施例中，所述差分探头与所述待测导线的等效电路包括：

第一寄生电容，为所述外极板与所述待测导线之间的寄生电容，所述第一寄生电容的上极板与所述待测导线相连接，所述第一寄生电容的下极板与所述信号处理模块相连接；

第二寄生电容，为所述内极板与所述待测导线之间的寄生电容，所述第二寄生电容的上极板与所述待测导线相连接，所述第二寄生电容的下极板与所述信号处理模块相连接；

第三寄生电容，为所述外极板与所述内极板之间的寄生电容，所述第三寄生电容的上极板与所述信号处理模块及所述第一寄生电容的下极板相连接；

第四寄生电容，为所述外极板与大地之间的寄生电容，所述第四寄生电容的上极板与所述信号处理模块、所述第一寄生电容的下极板及所述第三寄生电容的上极板相连接；所述第四寄生电容的下极板接地；

第五寄生电容，为所述内极板与大地之间的寄生电容，所述第五寄生电容的上极板与所述信号处理模块、所述第二寄生电容的下极板及所述第三寄生电容的下极板相连接；所述第五寄生电容的下极板接地。

在其中一个实施例中，所述信号处理模块包括拓扑单元及运算放大器单元；其中，

所述拓扑单元包括两个子电路，其中一个所述子电路的输入端连接至所述第四寄生电容与所述第一寄生电容及所述的第三寄生电容之间，另一个所述子电路的输入端连接至所述第五寄生电容与所述第二寄生电容及所述第三寄生电容之间；各所述子电路均包括切换单元，所述切换单元状态改变时，所述信号处理模块的拓扑电路结构状态改变；

所述运算放大器单元的一个输入端连接至所述第一寄生电容、所述第三寄生电容及所述第四寄生电容的连接节点处，所述运算放大器单元的另一个输入单元连接至所述第二寄生电容、所述第三寄生电容及所述第五寄生电容的连接节点处。

在其中一个实施例中，各所述子电路均包括：接地电容、接地电阻、投切电容及切换单元；一所述子电路中的所述投切电容的上极板与所述第一寄生电容的下极板、所述第三寄生电容的上极板及所述第四寄生电容的上极板相连接，另一所述子电路中的所述投切电容的上极板与所述第二寄生电容的下极板、所述第三寄生电容的下极板及所述第五寄生电容的上极板相连接；各所述子电路中的所述接地电容的上极板与所述投切电容的下极板相连接，所述接地电容的下极板接地，所述接地电阻与所述接地电容并联，所述切换单元与所述投切电容并联。

在其中一个实施例中，所述数据处理模块包括计算单元，所述计算单元用于获取所述信号处理模块输出的输出电压、所述接地电容的电容值、所述投切电容的电容值及所述第三寄生电容的电容值，并根据获取的数据以预设算法计算所述待测导线的电压。

在其中一个实施例中，所述信号处理模块还包括切换单元控制单元，其用于在检测到所述输入电场信号时，以预设时序控制各所述切换单元的通断。

在其中一个实施例中，所述切换单元包括开关。

在其中一个实施例中，所述差分探头还包括绝缘粘结层，所述绝缘粘结层位于所述内极板与所述外极板之间，以将所述内极板与所述外极板粘结在一起。

在其中一个实施例中，所述绝缘粘结层为PET胶带层。

一种基于如上所述的电压测量装置的电压测量方法，所述电压测量方法包括以下步骤：

将差分探头贴近待测导线；

获取不同传递函数特性的拓扑电路结构状态的信号处理模块的输出电压；

基于所述输出电压以预设算法进行计算，得到待测导线的电压。

上述电压测量装置及方法，该电压测量装置通过差分探头以电气耦合的非接触方式感应待测导线的电压，获得与待测导线的电压对应的输入电场信号，然后利用信号处理模块和数据处理模块对输入电场信号进行处理和计算，得到待测导线的电压，该测量过程操作简单，无需破坏待测导线，实现了电压的非接触式测量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统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申请的一些实施例，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为一实施例的差分探头测量电压时的截面示意图；

图2为一实施例的差分探头测量电压的原理示意图

图3为一实施例的电压测量装置的结构示意图；

图4为一实施例的信号处理模块的结构示意图。

图5为一实施例的电压测量装置的等效拓扑电路结构示意图；

图6为另一实施例的电压测量装置的结构示意图。

附图标记说明：

1-待测导线，2-内极板，3-绝缘粘结层，4-外极板；

500-差分探头，600-信号处理模块，610-切换开关，620-拓扑单元，621-子电路，700-数据处理模块。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一电阻称为第二电阻，且类似地，可将第二电阻称为第一电阻。第一电阻和第二电阻两者都是电阻，但其不是同一电阻。

可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。

如图1至图3所示，本申请一实施例中提供的电压测量装置，包括：差分探头500，包括内极板2及外极板4；所述内极板2适于位于待测导线1外围，且与所述待测导线1具有间距；所述外极板4适于位于所述内极板2外围，且与所述内极板2具有间距；所述差分探头500用于感应所述待测导线1上的电压以产生输入电场信号；信号处理模块600，与所述内极板2及所述外极板4相连接，且具有至少三种不同传递函数特性的拓扑电路结构状态，以处理所述输入电场信号输出至少三种不同的输出电压；数据处理模块700，其与所述信号处理模块600的输出端连接，用于根据至少三种输出电压和所对应的传递函数得到所述待测导线1的电压。

具体地，如图1至图2所示，当测量待测导线1的电压时，内极板2位于待测导线1外围，外极板4位于内极板2外围，则内极板2和外极板4分别会与待测导线1电气耦合产生输入电场信号。则内极板2和外极板4分别与待测导线1形成寄生电容，即下述的第一寄生电容C_p1和第二寄生电容C_p2。由于内极板2和外极板4与待测导线1的距离不同，因此，内极板2和外极板4与待测导线1形成的寄生电容不同。应用中，由于内极板2和外极板4与待测导线1耦合形成的两种寄生电容与多种因素有关，例如待测导线1的绝缘层材料、绝缘层厚度、极板与待测导线1的金属线之间的距离等因素。因此，只能获取第一寄生电容C_p1和第二寄生电容C_p2的大致范围，无法获取第一寄生电容C_p1和第二寄生电容C_p2的准确值，第一寄生电容C_p1和第二寄生电容C_p2实际是未知量。

其中，传递函数是指零初始条件下线性系统响应(即输出)量的拉普拉斯变换(或z变换)与激励(即输入)量的拉普拉斯变换之比。而输入量为输入电场信号，由于差分探头500是感应待测导线1的电压形成输入电场信号，因此，输入量实际为待测导线1的电压，基于此，定义输入量为输入电压V_i(s)，输出量是信号处理模块600的输出电压。因此，传递函数为输入电压V_i(s)与输出电压的拉普拉斯变换之比。

基于上述描述，可以发现，在传递函数公式中，存在第一寄生电容C_p1和第二寄生电容C_p2以及输入电压V_i(s)三个未知数。基于此，为了求解输入电压V_i(s)，需要三个不同的传递函数公式。因此，信号处理模块600具有至少三种不同传递函数特性的拓扑电路结构状态，以便构建至少三个不同的传递函数公式，并输出三种不同的输出电压。在得到三种不同的输出电压时，根据三种输出电压和所对应的传递函数即可得到待测导线1的电压。

上述电压测量装置通过差分探头500以电气耦合的非接触方式感应待测导线1的电压，获得与待测导线1的电压对应的输入电场信号，然后利用信号处理模块600和数据处理模块700对输入电场信号进行处理和计算，得到待测导线1的电压，该测量过程操作简单，无需破坏待测导线1，实现了电压的非接触式测量。

在一个实施例中，如图5所示，所述差分探头500与所述待测导线1的等效电路包括：第一寄生电容C_p1，为所述外极板4与所述待测导线1之间的寄生电容，所述第一寄生电容C_p1的上极板与所述待测导线1相连接，所述第一寄生电容C_p1的下极板与所述信号处理模块600相连接；第二寄生电容C_p2，为所述内极板2与所述待测导线1之间的寄生电容，所述第二寄生电容C_p2的上极板与所述待测导线1相连接，所述第二寄生电容C_p2的下极板与所述信号处理模块600相连接；第三寄生电容C_a，为所述外极板4与所述内极板2之间的寄生电容，所述第三寄生电容C_a的上极板与所述信号处理模块600及所述第一寄生电容C_b1的下极板相连接；第四寄生电容C_s1，为所述外极板4与大地之间的寄生电容，所述第四寄生电容C_s1的上极板与所述信号处理模块600、所述第一寄生电容C_p1的下极板及所述第三寄生电容C_a的上极板相连接；所述第四寄生电容C_s1的下极板接地；第五寄生电容C_s2，为所述内极板2与大地之间的寄生电容，所述第五寄生电容C_s2的上极板与所述信号处理模块600、所述第二寄生电容C_p2的下极板及所述第三寄生电容C_a的下极板相连接；所述第五寄生电容C_s2的下极板接地。

具体地，为了保证电压测量的准确性，需要全面考虑寄生电容，即上述的第一寄生电容C_p1、第二寄生电容C_p2、第三寄生电容C_a、第四寄生电容C_s1和第五寄生电容C_s2。其中，第一寄生电容C_p1、第二寄生电容C_p2、第四寄生电容C_s1和第五寄生电容C_s2为未知量，而由于内极板2及外极板4的材料确定，内极板2和外极板4的距离固定，第三寄生电容C_a实际是固定值，则可以通过测量装置测量出第三寄生电容C_a，然后将测量值作为第三寄生电容C_a的值。

此时，传递函数公式中存在第一寄生电容C_p1、第二寄生电容C_p2、第四寄生电容C_s1、第五寄生电容C_s2和输入电压V_i(s)五个未知量，因此，在不做特殊限定的情况下，信号处理模块600需要具有至少五种不同传递函数特性的拓扑电路结构状态，以便输出五种不同的输出电压，并构建五种传递函数公式，然后根据五种不同的输出电压和对应的传递函数公式得到输入电压V_i(s)，进而得到待测导线1的电压。

在其中一个实施例中，如图4所示，所述信号处理模块600包括拓扑单元620及运算放大器单元630；其中，所述拓扑单元620包括两个子电路621，其中一个所述子电路621的输入端连接至所述第四寄生电容C_s1与所述第一寄生电容C_b1及所述的第三寄生电容C_a之间，另一个所述子电路621的输入端连接至所述第五寄生电容C_s2与所述第二寄生电容C_p2及所述第三寄生电容C_a之间；各所述子电路621均包括切换单元，所述切换单元状态改变时，所述信号处理模块600的拓扑电路结构状态改变；所述运算放大器单元630的一个输入端连接至所述第一寄生电容C_p1、所述第三寄生电容C_a及所述第四寄生电容C_s1的连接节点处，所述运算放大器单元630的另一个输入单元连接至所述第二寄生电容C_p2、所述第三寄生电容C_a及所述第五寄生电容C_s2的连接节点处。

其中，运算放大器单元630包括运算放大器A，运算放大器A是具有很高放大倍数的电路单元，设有正相输入端Vin(+)(又称同相输入端)、反相输入端Vin(－)和输出端Vout。一般而言，常用的运算放大器A有通用型运算放大器(如μA741、LM358和LM324等)、高阻型运算放大器(如LF355、CA3130和CA3140等)、低温漂型运算放大器(如OP07、OP27等AD508)、高速型运算放大器(如LM318、μA715等)、低功耗型运算放大器(如TL-022C、TL-060C等)、高压大功率型运算放大器(如D41)和可编程控制型(如PGA103A)等。本实施例采用的运算放大器A可以为以上任意类型的运算放大器A，在此不做具体限定。

通过加入运算放大器单元630，使得输出信号被放大，从而便于数据处理模块700进行数据处理。其中，若运算放大器单元630的输出信号为模拟信号，为了便于数据处理模块700进行数据处理，在运算放大器单元630与数据处理模块700之间连接模数转换电路，以将输出信号转换为数字信号后传输至数据处理模块700。

通过上述等效连接方式，实现电压的输出，并将相应寄生电容加入至传递函数中，以便构建关于相应寄生电容的传递函数公式。

在一个实施例中，如图5所示，各所述子电路621均包括：接地电容C、接地电阻R、投切电容及切换单元；一所述子电路621中的所述投切电容的上极板与所述第一寄生电容C_p1的下极板、所述第三寄生电容C_a的上极板及所述第四寄生电容C_s1的上极板相连接，另一所述子电路621中的所述投切电容的上极板与所述第二寄生电容C_p2的下极板、所述第三寄生电容C_a的下极板及所述第五寄生电容C_s2的上极板相连接；各所述子电路621中的所述接地电容C的上极板与所述投切电容的下极板相连接，所述接地电容C的下极板接地，所述接地电阻R与所述接地电容C并联，所述切换单元与所述投切电容并联。

具体地，由于切换单元与投切电容并联，当切换单元状态改变时，投切电容接入电路的状态改变，进而使信号处理模块600的拓扑电路结构状态改变。即通过拓扑单元620内部结构的改变来实现信号处理模块600的拓扑电路结构状态改变。可理解地，以投切电容和与其并联的切换单元为一组合结构时，通过增加该组合结构的数量可增加信号处理模块600的拓扑电路结构状态，进而在全面考虑到相应寄生电容时，也可实现得到待测导线1的电压。在此情况下，可无需设置多个拓扑单元620，仅凭单个拓扑单元620即可达到同样的效果。

通过拓扑单元620设置为上述结构，使得信号处理模块600无需包括多个拓扑单元620，从而降低了电压测量装置的体积，有利于电压测量装置的小型化。

在一个实施例中，所述切换单元包括开关。

具体地，当切换单元导通时，投切电容被短接；当切换单元断开时，投切电容接入电路。

电压测量装置的结构还可以进一步优化，具体如下：限定电压测量装置的接地电容的电容值C和投切电容的电容值C_b远远大于第四寄生电容C_s1的电容值和第五寄生电容C_s2的电容值，使得第四寄生电容C_s1和第五寄生电容C_s2的影响忽略不计，以此来避免在传递函数中引入第四寄生电容C_s1和第五寄生电容C_s2。则在所述拓扑单元620包括的两个子电路621结构相同时，子电路621只需包括一个接地电容、一个接地电阻、一个投切电容及一个切换单元，即可得到待测导线1的电压，从而进一步降低了电压测量装置的体积。

例如，在子电路621包括一个接地电容、一个接地电阻、一个投切电容及一个切换单元时，信号处理模块600至少具有以下三种不同的拓扑电路结构状态：

1、两个子电路621中的切换单元的状态均不变时，信号处理模块600的拓扑电路结构状态；

2、一个子电路621的切换单元的状态改变，另一个子电路621的切换单元的状态不变时，信号处理模块600的拓扑电路结构状态；

3、同时改变两个子电路621中的切换单元的状态时，信号处理模块600的拓扑电路结构状态。

应用中，所述拓扑单元620包括的两个子电路621中的各电路元件的参数值可以不相同，例如两个子电路621中的投切电容的电容值可以不同。

其中，具体原理如下：当考虑第四寄生电容C_s1和第五寄生电容C_s2时，由于第四寄生电容C_s1和第五寄生电容C_s2是内极板2和外极板4与大地间的寄生电容，又由于接地电容C的下极板接地，接地电阻R与接地电容C并联。则当切换单元导通时，投切电容被短接，接入子电路621的元件只包括接地电容C、接地电阻R时，该子电路621中，可视为接地电容与第四寄生电容C_s1或第五寄生电容C_s2并联，由于并联的多个电容的总电容等于各电容的电容值之和，又由于C>>C_S1且C>>C_S2，则此时可忽略第四寄生电容C_s1或第五寄生电容C_s2。同样地，在信号处理模块600其他传递函数特性的拓扑电路结构状态时，由于C>>C_S1，C>>C_S2，C_b>>C_S1，C_b>>C_S2，同样可以忽略第四寄生电容C_s1或第五寄生电容C_s2。

如图5所示，以两子电路621的投切电容分别为第一投切电容C_b1和第二投切电容C_b1，以两子电路621的切换单元分别为第一切换单元和第二切换单元。第一投切电容C_b1与第一切换单元并联，第二投切电容C_b2与第二切换单元并联，限定两子电路621的投切电容的电容值均为C_b，输入电压的具体计算过程如下：

获取第三寄生电容C_a的电容值，C_a可通过测量得出。通常由于第四寄生电容C_S1的电容值和第五寄生电容C_S2的电容值在nF级及以下，投切电容的电容值C_b选择为nF级，接地电容C的电容值选择μF级，接地电阻的电阻值R选择MΩ级，并限定C>>C_b，C_b>>C_S1，C_b>>C_S2。

1)C_b1、C_b2均不投入电路时，即闭合第一切换单元和第二切换单元。由于C>>C_S1，C>>C_S1，此时一子电路621的接地电容C与第四寄生电容C_s1并联，另一子电路621的接地电容C与第五寄生电容C_s2并联，则可以直接忽略第四寄生电容C_s1和第五寄生电容C_s2的影响。又因为C_p1和C_p2通常为pF级，则C＞＞max(C_p1，C_p2)，电压主要分布在第四寄生电容C_s1和第五寄生电容C_s2上，所以第三寄生电容C_a的分流作用较小，可以忽略第三寄生电容C_a的影响；由于接地电阻R选择较大阻值，则sRC＞＞1。因此，从输入电压V_i(s)到输出电压V_o(s)的传递函数可以简化为：

式(1)中，H₁(s)是在该拓扑电路结构下输入电压V_i到输出电压V_o之间的传递函数。s＝σ+jω，是复参变量，称为复频率，拉普拉斯变换的频域表示符号。

2)仅投入C_b1，将C_b2短接后，即断开第一切换单元，闭合第二切换单元。由于C＞＞C_b，接地电容C和第一投切电容C_b1串联后可以忽略接地电容的影响，又由于C_b>>C_S1，此时可忽略第四寄生电容C_s1，因此可以忽略第四寄生电容C_s1和接地电容C的影响；由于满足C＞＞C_p2，电压主要分布在第二寄生电容C_p2；而另一子电路621中，C＞＞C_b＞＞C_p1，虽然电压主要分布在第一寄生电容C_p1，但此时第一投切电容C_b1的分压效果明显强于接地电容C，因此可简化认为图5中2点的电压为零；此时不再忽略第三寄生电容C_a的影响。从V_i(s)到输出电压V_o(s)的传递函数可以简化为：

式(2)中，H₂(s)为该拓扑电路结构状态下的传递函数。

3)同理，仅投入C_b2，将C_b1短接后，从V_i(s)到输出电压V_o(s)的传递函数可以简化为：

式(3)中，H₃(s)为该拓扑电路结构状态下的传递函数。

考虑到输出电压锁相的难度，为方便传感器的运算，我们取上述三个公式的绝对值进行后续计算。

由(2)-(3)可知，如果当C_p1＞C_p2，有V₂＞V₃，(1)-(3)表述为：

其中，V₁、V₂、V₃分别为式(1)-(3)中V_{oi，i＝1，2，3}的有效值；V_I是被测导线电压V_i的有效值。

联立得：

即：

结果取正值。

如果当C_p2＞C_p1，有V₃＞V₂，(1)-(3)重新表述为：

即：

之后代入

可得：

其中，V₂＞V₃，根据式(6)计算C_P1，代入式(10)计算输入电压的有效值V_I；如果V₃＞V₂，根据式(9)计算C_P1，代入式(10)计算输入电压的有效值V_I。

在一个实施例中，所述数据处理模块700包括计算单元，所述计算单元用于获取所述信号处理模块600输出的输出电压、所述接地电容C的电容值、所述投切电容的电容值及所述第三寄生电容C_a的电容值，并根据获取的数据以预设算法计算所述待测导线1的电压。

具体地，如上述的式(6)、式(9)和式(10)所示，当获取到三个不同输出电压V₁、V₂、V₃、投切电容的电容值C_b、接地电容C的电容值C以及第三寄生电容C_a的电容值时，根据式(6)、式(9)和式(10)可计算得出输入电压，即待测导线1的电压的有效值，从而实现对待测导线1的电压的测量。

应用中，可直接预存式(6)、式(9)和式(10)，在获取到三个不同的输出电压时，对比输出电压的大小，根据对比结果将输出电压和预存的已知参数代入相应公式，计算输入电压。

在一个实施例中，所述信号处理模块600还包括切换单元控制单元，其用于在检测到所述输入电场信号时，以预设时序控制各所述切换单元的通断。

可选地，各切换单元的初始化状态为闭合状态，以预设时序控制各切换单元的通断包括：

当各切换单元初始化时，切换单元控制单元开始计时，若计时时间达到阈值，则控制第二切换单元保持闭合，第一切换单元断开，并控制计时时间清零再次进行计时；若计时时间再次达到阈值，则控制断开的切换单元闭合，控制闭合的切换单元断开，控制计时时间清零再次进行计时；在计时时间达到阈值时，切换单元控制单元控制各切换单元初始化，然后重复上述流程。

可选地，如图6所示，所述信号处理模块600包括切换开关610和多个不同传递函数特性的拓扑单元620，所述切换开关610适于切换与其连接的拓扑单元620以改变所述信号处理模块600的拓扑电路结构状态。

示例性地，信号处理模块600包括切换开关610和五个不同传递函数特性的拓扑单元620。其中，切换开关610设置于拓扑单元620与差分探头500之间，切换开关610用于连接拓扑单元620和差分探头500，并适于切换与差分探头500连接的拓扑单元620，以改变信号处理模块600的拓扑电路结构状态。进一步地，所述信号处理模块600还可包括切换开关控制单元，所述切换开关控制单元用于在检测到所述输入电场信号时，以预设规则控制所述切换开关610进行切换。

具体地，与差分探头500连接的拓扑单元620在同一时间只能有一个，为了得到至少五种不同的输出电压，拓扑单元620在预定时间内需要分别与各拓扑单元620连接。其中，为了实现切换开关610的自动切换，需要通过切换开关控制单元以预设规则控制切换开关610进行切换。

其中，预设规则可设定如下：将各拓扑单元620进行顺序编号，当切换开关610与当前拓扑单元620的连接时间达到预设值时，控制切换开关610与下一顺序编号的拓扑单元620进行连接。其中，可选地，在对待测导线1进行测量时，切换控制单元会控制切换开关610进行初始化，即控制切换开关610与初始编号的拓扑单元620连接，以保证测量过程的稳定性。

在一个实施例中，如图1所示，所述差分探头500还包括绝缘粘结层3，所述绝缘粘结层3位于所述内极板2与所述外极板4之间，以将所述内极板2与所述外极板4粘结在一起。

由于内极板2和外极板4材料、厚度确定的情况下，第三寄生电容C_a主要与内极板2和外极板4间的距离有关，因此，为了保证第三寄生电容C_a为固定值，通过绝缘粘结层3粘结内极板2和外极板4，保证内极板2和外极板4的相对位置不发生改变。

在一个实施例中，所述绝缘粘结层3为PET胶带层。

具体地，PET胶带具有良好的绝缘性能和力学性能，并耐折、耐油、耐脂肪、耐稀酸、耐稀碱、耐大多数溶剂。因此，其相对不易损坏，且其价格也相对较低，有利于降低电压测量装置的制作成本。

一种电压测量方法，所述电压测量方法基于上述的电压测量装置实现，所述方法包括以下步骤：

将差分探头500贴近待测导线1。

其中，差分探头500上可设置固定单元，固定单元用于将差分探头500固定于待测导线1的绝缘表层上。

具体地，在差分探头500固定于待测导线1上后，待测导线1与差分探头500之间进行电气耦合，形成两个不同的寄生电容，差分探头500感应待测导线1的电压产生输入电场信号。

获取不同传递函数特性的拓扑电路结构状态的信号处理模块600的输出电压。

具体地，信号处理模块600获取到输入电场信号时，会以预设规则自动改变其拓扑电路结构状态，从而输出不同的输出电压。

获取预存的接地电容C的电容值和投切电容的电容值C_b以及第三寄生电容C_a的电容值。

其中，接地电容C和投切电容是人为加入的电容，因此，接地电容C的电容值和投切电容的电容值C_b可以提前确定并预存在电压测量装置的存储介质中。而第三寄生电容C_a的电容值可以提前测量并预存在电压测量装置的存储介质中。

具体地，通过上述介绍，可以发现，信号处理模块600要具有不同传递函数特性的拓扑电路结构，需要在电路中接入接地电容C、投切电容，而通过限定接地电容C的电容值和投切电容的电容值C_b，可以忽略第四寄生电容C_s1和第五寄生电容C_s2的影响，根据前述的输入电压的相应计算过程，可以发现，只需获取C、C_b、C_a和输出电压的值，即可实现输入电压的计算。因此，在前述步骤已经获取输出电压的情况下，只需获取C、C_b和C_a的值即可。

基于获取的数据以预设算法进行计算，得到待测导线1的电压。

具体地，在获取相应数据后，比较各输出电压V₁、V₂、V₃的大小，在V₂＞V₃，根据式(6)计算C_C1，代入式(10)计算输入电压；如果V₃＞V₂，根据式(9)计算C_P1，代入式(10)计算输入电压。

可以理解，上述差分探头500还可以采用其他形式，而不限于上述实施例已经提到的形式，只要其能够达到完成与待测导线1耦合形成两种不同的寄生电容的功能即可。同样，信号处理模块600也可以采用其他形式，而不限于上述实施例已经提到的形式，只要其能够达到完成处理所述输入电场信号输出至少三种不同的输出电压即可。

上述电路可以应用于诸如计算机设备、电视接收机或视频游戏设备等电子装置的电压检测设备或类似设备中。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电压测量装置，其特征在于，包括：

差分探头，包括内极板及外极板；所述内极板适于位于待测导线外围，且与所述待测导线具有间距；所述外极板位于所述内极板外围，且与所述内极板具有间距；所述差分探头用于感应所述待测导线上的电压以产生输入电场信号；

信号处理模块，与所述内极板及所述外极板相连接，且具有至少三种不同传递函数特性的拓扑电路结构状态，以处理所述输入电场信号输出至少三种不同的输出电压；其中，所述差分探头与所述待测导线的等效电路包括：第一寄生电容，为所述外极板与所述待测导线之间的寄生电容，所述第一寄生电容的上极板与所述待测导线相连接，所述第一寄生电容的下极板与所述信号处理模块相连接；第二寄生电容，为所述内极板与所述待测导线之间的寄生电容，所述第二寄生电容的上极板与所述待测导线相连接，所述第二寄生电容的下极板与所述信号处理模块相连接；第三寄生电容，为所述外极板与所述内极板之间的寄生电容，所述第三寄生电容的上极板与所述信号处理模块及所述第一寄生电容的下极板相连接；第四寄生电容，为所述外极板与大地之间的寄生电容，所述第四寄生电容的上极板与所述信号处理模块、所述第一寄生电容的下极板及所述第三寄生电容的上极板相连接；所述第四寄生电容的下极板接地；第五寄生电容，为所述内极板与大地之间的寄生电容，所述第五寄生电容的上极板与所述信号处理模块、所述第二寄生电容的下极板及所述第三寄生电容的下极板相连接；所述第五寄生电容的下极板接地；所述信号处理模块包括拓扑单元及运算放大器单元；所述拓扑单元包括两个子电路，其中一个所述子电路的输入端连接至所述第四寄生电容与所述第一寄生电容及所述的第三寄生电容之间，另一个所述子电路的输入端连接至所述第五寄生电容与所述第二寄生电容及所述第三寄生电容之间；各所述子电路均包括切换单元，所述切换单元状态改变时，所述信号处理模块的拓扑电路结构状态改变；所述运算放大器单元的一个输入端连接至所述第一寄生电容、所述第三寄生电容及所述第四寄生电容的连接节点处，所述运算放大器单元的另一个输入端连接至所述第二寄生电容、所述第三寄生电容及所述第五寄生电容的连接节点处；各所述子电路均包括：接地电容、接地电阻、投切电容及切换单元；一所述子电路中的所述投切电容的上极板与所述第一寄生电容的下极板、所述第三寄生电容的上极板及所述第四寄生电容的上极板相连接，另一所述子电路中的所述投切电容的上极板与所述第二寄生电容的下极板、所述第三寄生电容的下极板及所述第五寄生电容的上极板相连接；各所述子电路中的所述接地电容的上极板与所述投切电容的下极板相连接，所述接地电容的下极板接地，所述接地电阻与所述接地电容并联，所述切换单元与所述投切电容并联；

数据处理模块，其与所述信号处理模块的输出端连接，用于根据至少三种输出电压和所对应的传递函数得到所述待测导线的电压。

2.根据权利要求1所述的电压测量装置，其特征在于，还包括模数转换电路，所述模数转换电路连接于所述运算放大器单元与所述数据处理模块之间。

3.根据权利要求1所述的电压测量装置，其特征在于，所述接地电容的电容值和所述投切电容的电容值均远远大于所述第四寄生电容的电容值和所述第五寄生电容的电容值。

4.根据权利要求1所述的电压测量装置，其特征在于，所述数据处理模块包括计算单元，所述计算单元用于获取所述信号处理模块输出的输出电压、所述接地电容的电容值、所述投切电容的电容值及所述第三寄生电容的电容值，并根据获取的数据以预设算法计算所述待测导线的电压。

5.根据权利要求1所述的电压测量装置，其特征在于，所述信号处理模块还包括切换单元控制单元，其用于在检测到所述输入电场信号时，以预设时序控制各所述切换单元的通断。

6.根据权利要求1所述的电压测量装置，其特征在于，所述切换单元包括开关。

7.根据权利要求6所述的电压测量装置，其特征在于，当切换单元导通时，所述投切电容被短接；当所述切换单元断开时，所述投切电容接入电路。

8.根据权利要求1至7任一项所述的电压测量装置，其特征在于，所述差分探头还包括绝缘粘结层，所述绝缘粘结层位于所述内极板与所述外极板之间，以将所述内极板与所述外极板粘结在一起。

9.根据权利要求8所述的电压测量装置，其特征在于，所述绝缘粘结层为PET胶带层。

10.一种基于如权利要求1至9中任一项所述的电压测量装置的电压测量方法，其特征在于，所述电压测量方法包括以下步骤：

将差分探头贴近待测导线；

获取不同传递函数特性的拓扑电路结构状态的信号处理模块的输出电压；

基于所述输出电压以预设算法进行计算，得到待测导线的电压。

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