CN113702685B - 压电式超声-暂态地电压复合传感器及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电式超声‑暂态地电压复合传感器及测量装置，压电式超声‑暂态地电压复合传感器中，金属匹配层包括设在下表面的第一绝缘层和设在上表面的第二绝缘层，金属匹配层经由暂态地电压信号输出线输出暂态地电压信号，第一压电元件具有紧贴金属匹配层上表面的第一负极面和相对于第一负极面的第一正极面，第二压电元件具有经由导电胶紧贴第一正极面的第二正极面和相对于第二正极面的第二负极面，第一正极面和第二正极面连接超声信号输出线以输出超声信号，第一负极面和第二负极面通过导线连接以等电位，背衬块具有紧贴第二负极面的第一表面和相对于第一表面的第二表面，第二表面设有金属外壳。

Description

压电式超声-暂态地电压复合传感器及测量装置

技术领域

本发明涉及传感器检测技术领域，尤其涉及一种压电式超声-暂态地电压复合传感器及测量装置。

背景技术

超声、暂态地电压传感器检测技术在开关柜局部放电检测应用上日趋成熟。局部放电检测技术包括暂态地电压检测法、超声波检测法、脉冲电流法、特高频检测仪法等，国内外的电力运行单位都倾向于采用非侵入式检测。在众多非侵入式检测方法中，目前以超声波检测法及暂态地电波检测法最为前沿。暂态地电压法不对运行设备产生影响、灵敏度高、操作简单，检测结果可以用于判断放电强度和发展趋势。超声波检测法属于非侵入式检测方法的一种，该检测方法是基于局部放电发生时伴随着机械振动的超声波产生提出的，具有较高的抗电磁干扰能力，在开关柜局部放电的检测与定位方面应用广泛了实现在线检测且不影响开关柜的运行状态。因此，暂态地电压法和超声波法适用于在各种场合检测开关柜局部放电。

设备的局部放电可以通过多种方法进行检测，而目前的设备局部放电检测方法主要基于单一传感器或者两个传感器联合检测，这种方法易受干扰、准确性差，不能同时准确地获得设备上某一点的多物理量参数，难以全面地反映设备的综合运行状态。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种压电式超声-暂态地电压复合传感器及测量装置，其可同时并准确地获得设备同一位置的超声、暂态地电压信号，从而实现设备的多物理量检测。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明的一种压电式超声-暂态地电压复合传感器包括，

金属匹配层，其包括设在下表面的第一绝缘层和设在上表面的第二绝缘层，所述第一绝缘层与金属匹配层下表面和待测物体表面构成第一分压电容C₁，所述第二绝缘层与金属匹配层上表面和第一负极面构成第二分压电容C2，所述金属匹配层经由暂态地电压信号输出线输出暂态地电压信号，

第一压电元件，其具有紧贴所述上表面的第一负极面和相对于所述第一负极面的第一正极面，

第二压电元件，其具有经由导电胶紧贴所述第一正极面的第二正极面和相对于所述第二正极面的第二负极面，所述第一正极面和第二正极面连接超声信号输出线以输出超声信号，第一负极面和第二负极面通过导线连接以等电位，

背衬块，其具有紧贴所述第二负极面的第一表面和相对于所述第一表面的第二表面，所述第二表面设有金属外壳。

所述的一种压电式超声-暂态地电压复合传感器中，所述金属匹配层的声阻抗Zm为：

或

其中，Z_p为第一压电元件和第二压电元件的声阻抗，Z_t为被测对象的声阻抗。

所述的一种压电式超声-暂态地电压复合传感器中，所述金属匹配层的厚度为复合传感器中心频率对应声波长的四分之一。

所述的一种压电式超声-暂态地电压复合传感器中，所述第一分压电容C₁和/或第一分压电容C₂根据公式得出，

其中，C为第一分压电容C₁或第一分压电容C₂，S为上表面或下表面的表面积；d为第一绝缘层或第二绝缘层的介质厚度；ε₀为真空介电常数，ε_r为第一绝缘层或第二绝缘层的介质的相对介电常数。

所述的一种压电式超声-暂态地电压复合传感器中，所述压电式超声-暂态地电压复合传感器还包括，

传感器壳体，其套设于所述金属匹配层，

金属弹簧，其一端连接所述金属外壳，另一端连接所述传感器壳体内壁。

所述的一种压电式超声-暂态地电压复合传感器中，所述传感器壳体可拆卸连接所述金属匹配层以形成或打开密封空间，所述传感器壳体设有可拆卸连接的盖子以及导出所述暂态地电压信号输出线和超声信号输出线的通道。

所述的一种压电式超声-暂态地电压复合传感器中，所述金属外壳与传感器壳体等电位。

所述的一种压电式超声-暂态地电压复合传感器中，所述金属外壳顶端设有可拆卸连接金属弹簧的凹槽。

所述的一种压电式超声-暂态地电压复合传感器中，所述金属外壳为喇叭状结构。

一种测量装置包括，

所述的压电式超声-暂态地电压复合传感器，

信号调理器，其连接所述暂态地电压信号输出线和超声信号输出线，

示波器，其连接所述信号调理器。

在上述技术方案中，本发明提供的一种压电式超声-暂态地电压复合传感器，具有以下有益效果：压电式超声-暂态地电压复合传感器稳定性高、制造方便、成本低、抗干扰性强、灵敏度高，兼具测量超声、暂态地电压的特点，可同时获得被测对象同一位置的超声波和暂态地电压信号。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是压电式超声-暂态地电压复合传感器的一个实施例的金属外壳的结构示意图；

图2是压电式超声-暂态地电压复合传感器的一个实施例的金属外壳的结构示意图；

图3是压电式超声-暂态地电压复合传感器的一个实施例的结构示意图；

图4是压电式超声-暂态地电压复合传感器的一个实施例的剖面结构示意图；

图5是压电式超声-暂态地电压复合传感器的一个实施例的立体结构示意图；

图6是压电式超声-暂态地电压复合传感器的一个实施例的等效电路图；

图7是测量装置的一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图图1至图7，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

在一个实施例中，如图1至图6所示，压电式超声-暂态地电压复合传感器包括，

金属匹配层9，其包括设在下表面的第一绝缘层10和设在上表面的第二绝缘层8，所述第一绝缘层10与金属匹配层下表面和待测物体表面构成第一分压电容C₁，所述第二绝缘层8与金属匹配层上表面和第一负极面构成第二分压电容C2，所述金属匹配层9经由暂态地电压信号输出线5输出暂态地电压信号，

第一压电元件12，其具有紧贴所述上表面的第一负极面和相对于所述第一负极面的第一正极面，

第二压电元件7，其具有经由导电胶紧贴所述第一正极面的第二正极面和相对于所述第二正极面的第二负极面，所述第一正极面和第二正极面分别连接超声信号输出线11以输出超声信号，第一负极面和第二负极面导线连接以等电位，

背衬块6，其具有紧贴所述第二负极面的第一表面和相对于所述第一表面的第二表面，所述第二表面设有金属外壳4。

所述的一种压电式超声-暂态地电压复合传感器的优选实施例中，所述金属匹配层9的声阻抗Z_m为：

或

其中，Z_p为第一压电元件12和第二压电元件7的声阻抗，Z_t为被测对象的声阻抗。

所述的一种压电式超声-暂态地电压复合传感器的优选实施例中，所述金属匹配层9的厚度为复合传感器中心频率对应声波长的四分之一。

所述的一种压电式超声-暂态地电压复合传感器的优选实施例中，所述第一分压电容C₁和/或第一分压电容C₂根据公式得出，

其中，C为第一分压电容C₁或第一分压电容C₂，S为上表面或下表面的表面积；d为第一绝缘层10或第二绝缘层8的介质厚度；ε_r为第一绝缘层10或第二绝缘层8的介质的相对介电常数；ε₀为绝对介电常数，ε₀＝8.85×10^-12F/m。

所述的一种压电式超声-暂态地电压复合传感器的优选实施例中，所述压电式超声-暂态地电压复合传感器还包括，

传感器壳体3，其套设于所述金属匹配层9，

金属弹簧2，其一端连接所述金属外壳4，另一端连接所述传感器金属盖子1。

所述的一种压电式超声-暂态地电压复合传感器的优选实施例中，所述传感器壳体3可拆卸连接所述金属匹配层9以形成或打开密封空间，所述传感器壳体3设有可拆卸连接的盖子1以及导出所述暂态地电压信号输出线5和超声信号输出线11的通道。

所述的一种压电式超声-暂态地电压复合传感器的优选实施例中，所述金属外壳4与传感器壳体3等电位。

所述的一种压电式超声-暂态地电压复合传感器的优选实施例中，所述金属外壳4顶端设有可拆卸连接金属弹簧2的凹槽17。

所述的一种压电式超声-暂态地电压复合传感器的优选实施例中，所述金属外壳4为喇叭状结构。

在一个实施例中，压电式超声-暂态地电压复合传感器自下而上的结构为第一绝缘层10、金属匹配层9、第二绝缘层8、第一压电元件12、第二压电元件7、背衬块6、传感器壳体3和引线。

在一个实施例中，压电式超声-暂态地电压复合传感器通过环氧胶将两个如环氧绝缘层的第一绝缘层10和第二绝缘层8与金属匹配层9紧密粘贴在一起，并从金属匹配层9侧面引出暂态地电压信号输出线5；通过导电胶将第一压电元件12的第一负极面与粘有环氧绝缘层的金属匹配层9的上表面紧密粘贴在一起；用导电胶将第一压电元件12的第一正极面与第二压电元件7的第二正极面紧密粘贴在一起，并从第一正极面和第二正极面连接面一点引出超声信号输出线11；通过导电胶将第二压电元件7的第二负极面与背衬块6的第一表面接触面紧密粘贴在一起，并使该第二负极面与背衬块6的金属外壳4等电位；通过导线将第一压电元件12的第一负极面与第二压电元件7的第二负极面等电位；将整个部件装入传感器壳体3，两条输出线分别通过壳体3侧方的小孔引出，并用金属盖子1密封传感器。

在一个实施例中，所述第一压电元件12和第二压电元件7为厚向振动模式的压电元件片。

在一个实施例中，两层绝缘层为薄厚均匀，材质均匀的薄片，作为暂态地电压传感器的分压电容介质，其中传感器检测面上的绝缘层还可以避免试验过程中的地回路干扰。

在一个实施例中，所述金属匹配层9的材料取决于被测物的声阻抗特性，一般为但不仅限于金属或金属氧化物元件。

在一个实施例中，所述背衬块6由金属外壳4和背衬组成。金属外壳4为中空，用以填充背衬，尺寸、形状与压电元件接触面的尺寸近似；上方为实心，用以支撑弹簧。

在一个实施例中，所述金属弹簧2为金属良导体弹簧，可实现背衬块6外壳与金属盖子1的电气连接。

在一个实施例中，金属匹配层9的材料选择及厚度尺寸应遵循以下原则：针对不同的应用和检测对象，金属匹配层9的材料选择是不同的，选择合理的匹配层材料对于提高传感器的性能是十分重要的，应选择声透率高、阻抗匹配的材料制作匹配层。已知压电元件和被测对象的声阻抗分别为Z_p、Z_t，则理想的金属匹配层9声阻抗Z_m应由公式计算获得：

但对于检测、成像应用的宽频换能器，匹配层的声阻抗计算公式如下：

此外，金属匹配层9的厚度应基于超声学中的四分之一波长公式来确定，即匹配层的厚度应为传感器中心频率对应声波长的四分之一。

压电陶瓷的表面尺寸决定了分压电容C₂的大小，金属匹配层9的下表面尺寸决定了分压电容C₁的大小，分压电容的具体数值可以根据如下公式进行计算：

其中S为极板的表面积；d为绝缘层介质的厚度；ε_r为绝缘层介质的相对介电常数。根据所需要的分压比以及压电陶瓷的表面尺寸选择介质的厚度和金属匹配层9的表面积。

在一个实施例中，背衬块6由金属外壳4和背衬组成，图1至图2所示，背衬块6的外壳由金属制作，形状如喇叭，这种设计可以更好地吸收投射过压电元件的声波，避免二次回波干扰传感器的输出信号。目前背衬大多使用环氧树脂与钨粉混合形成，以达到阻尼的作用，二者的配比直接与传感器的频率响应有关，不同频谱宽度的传感器对配比量要求不同。按照相应的配比调配好背衬并将其浇注在背衬块6的外壳内，待其凝固后磨平抛光，即可完成背衬块6的制作。

在一个实施例中，如图3所示，首先将金属匹配层9的上下表面打磨平整，并将上下两个第一绝缘层10和第二绝缘层8紧密粘贴到金属匹配层9表面并压紧，以降低超声信号透过介质时的损耗。通过导电胶将第一压电元件12的第一正极面与第二压电元件7的第二正极面紧密粘贴在一起，抽真空并高温固化，并从压电元件的正极侧面引出传感器输出线；通过导电胶将第一压电元件12的第一负极面与金属匹配层9的上表面紧密粘贴在一起，抽真空并高温固化；通过导电胶将第二压电元件7的第二负极面与背衬块6的接触面紧密粘贴在一起，并使该第二负极面与背衬块6的金属外壳4等电位，抽真空并高温固化；通过导线连接使第一压电元件12的第一负极面与第二压电元件7的第二负极面等电位；在背衬块6的上方固定安装金属弹簧2，将其卡入背衬块6的金属外壳4并在金属盖子1盖好时能保证背衬块6的金属外壳4与金属外壳4等电位；将组装好的整个部件装入传感器外壳并密封，金属匹配层9与外壳之间需要进行良好地绝缘处理，否则分压电容C₁与分压电容C₂均无法工作。超声信号输出线11通过外壳侧方的引线接口引出，暂态地电压信号输出线5通过外壳侧方的引线接口引出，最后用金属盖子1密封整个复合传感器。

如图4至图5所示，压电式超声-暂态地电压传感器包括金属外壳4、背衬6、第一压电元件12、第二压电元件7、第二绝缘层8、金属匹配层9、第一绝缘层10、超声信号输出引线11以及暂态地电压信号输出引线5。

图6所示为压电式超声-暂态地电压传感器的等效电路图。其中C₁，C₂为分压电容，C₃为杂散电容，R₁为线路阻抗，R₂为匹配阻抗。u为暂态地电压信号，U₂为传感器输出信号。

本发明的背衬块具有压电型超声传感器的背衬块的作用，可以更好地消除超声回波干扰。所提出的金属匹配层上下两层绝缘介质作为分压电容，将超声传感器与暂态地电压传感器从结构上融合，可获得被测对象在同一位置的超声波和暂态地电压信号。该复合传感器稳定性高、制造方便、成本低、抗干扰性强、灵敏度高，可用于检测和诊断开关柜内部的局部放电情况。

如图7所示，一种测量装置包括，

所述的压电式超声-暂态地电压复合传感器，

信号调理器15，其连接所述暂态地电压信号输出线5和超声信号输出线，

示波器16，其连接所述信号调理器15。

在一个实施例中，首先在被开关柜上尽量选择表面平整的测量点13，将被测点擦洗干净；在被测点处均匀涂抹耦合剂14，并将复合传感器固定在被测点处，使传感器表面与被测处紧密接触；复合传感器的两根输出线接入对应信号调理器15，对输出信号进行放大、滤波等处理；最后通过示波器16采集输出信号，实验结束。

最后应该说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (9)

1.一种压电式超声-暂态地电压复合传感器，其特征在于，其包括，

金属匹配层，其包括设在下表面的第一绝缘层和设在上表面的第二绝缘层，所述第一绝缘层与金属匹配层下表面和待测物体表面构成第一分压电容C₁，所述第二绝缘层与金属匹配层上表面和第一负极面构成第二分压电容C₂，所述金属匹配层经由暂态地电压信号输出线输出暂态地电压信号，

第一压电元件，其具有紧贴所述上表面的第一负极面和相对于所述第一负极面的第一正极面，

第二压电元件，其具有经由导电胶紧贴所述第一正极面的第二正极面和相对于所述第二正极面的第二负极面，所述第一正极面和第二正极面连接超声信号输出线以输出超声信号，第一负极面和第二负极面通过导线连接以等电位，

背衬块，其具有紧贴所述第二负极面的第一表面和相对于所述第一表面的第二表面，所述第二表面设有金属外壳，所述金属外壳为喇叭状结构，所述第一压电元件和第二压电元件为厚向振动模式的压电元件片。

2.根据权利要求1所述的一种压电式超声-暂态地电压复合传感器，其特征在于，所述金属匹配层的声阻抗Z_m为：

或

其中，Z_p为第一压电元件和第二压电元件的声阻抗，Z_t为被测对象的声阻抗。

3.根据权利要求1所述的一种压电式超声-暂态地电压复合传感器，其特征在于，所述金属匹配层的厚度为复合传感器中心频率对应声波长的四分之一。

4.根据权利要求1所述的一种压电式超声-暂态地电压复合传感器，其特征在于，所述第一分压电容C₁和/或第一分压电容C₂根据公式得出，

其中，C为第一分压电容C₁或第一分压电容C₂，S为上表面或下表面的表面积；d为第一绝缘层或第二绝缘层的介质厚度；ε₀为真空介电常数；ε_r为第一绝缘层或第二绝缘层的介质的相对介电常数。

5.根据权利要求1所述的一种压电式超声-暂态地电压复合传感器，其特征在于，所述压电式超声-暂态地电压复合传感器还包括，

传感器壳体，其套设于所述金属匹配层，

金属弹簧，其一端连接所述金属外壳，另一端连接所述传感器壳体内壁。

6.根据权利要求5所述的一种压电式超声-暂态地电压复合传感器，其特征在于，所述传感器壳体设有可拆卸连接的盖子以及导出所述暂态地电压信号输出线和超声信号输出线的通道。

7.根据权利要求6所述的一种压电式超声-暂态地电压复合传感器，其特征在于，所述金属外壳与传感器壳体等电位。

8.根据权利要求1所述的一种压电式超声-暂态地电压复合传感器，其特征在于，所述金属外壳顶端设有可拆卸连接金属弹簧的凹槽。

9.一种测量装置，其特征在于，其包括，

如权利要求1-8中任一项所述的压电式超声-暂态地电压复合传感器，

信号调理器，其连接所述暂态地电压信号输出线和超声信号输出线，

示波器，其连接所述信号调理器。

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