CN114200199B - 一种基于多级板差分探头的非接触式电压测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多级板差分探头的非接触式电压测量装置，包括：依次串联的多极板差分探头、信号处理模块、模数转换模块和MCU数据处理模块，以及独立在外的电源模块；在进行非接触电压测量时，探头类似于夹子一样，将待测导线夹于绝缘弹性材料中心，并将探头安装外壳扣合，使探头包合待测导线，这样通过探头与待测线路形成的寄生电容获取多个输入信号，通过信号处理模块中放大和滤波单元对输入信号的处理并生成输出信号，数据处理模块结合传递函数以及对应的输出信号的关系构建有关输入电压信号与输出电压信号的关系式并进行求解，从而得到待测线路的电压值。

Description

一种基于多级板差分探头的非接触式电压测量装置

技术领域

本发明属于电压测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于多级板差分探头的非接触式电压测量装置。

背景技术

传统的接触式电表在安装时首先需要破坏导线绝缘层，在一些不能破坏绝缘层的测量点就需要用到非接触式电压测量装置对其进行电压测量。

传统的非接触式电压测量装置基于一个差分式传感器探头进行电压测量，它由两个极板构成，在感应待测线路所产生的电场时只能获得一个感应电压，此外，因其形状不固定，前后多次对同一线路进行测量时所得测试数据会发生变化，因此只能提供一个误差较大的估测值，不能精确的测量出待测线路的电压值。

目前，基于差分式传感器的非接触式电压测量方法其原理已经趋于成熟，是一种能满足大多数电压测量需求的测量方法。但在一些精度要求较高的测量点，传统的非接触式电压测量装置仍不能满足其测试要求。故此，该测量方法的进一步研究基本都是围绕怎样可以最大地消除测量误差为目的而展开。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于多级板差分探头的非接触式电压测量装置，通过电容耦合的非接触方式感应待测线路所产生的电场强度，并以此获取待测线路的交流电压信号，完成待测线路的电压测量。

为实现上述发明目的，本发明一种基于多级板差分探头的非接触式电压测量装置，其特征在于，包括：依次串联的多极板差分探头、信号处理模块、模数转换模块和MCU数据处理模块，以及独立在外的电源模块；

所述多级板差分探头，包括：电极板、探头安装外壳、探头安装盖、约束磁体和绝缘弹性材料；

所述电极板采用柔性PCB板，其顶层为阵列式对称分布的2N个极板，顶层空余区域与底层通过“过孔”连接，构成用于屏蔽干扰的接地层；每个阵列式对称分布的极板与接地层形成一对电极板，共形成2N对电极板；阵列式极板与接地层之间为绝缘层；

所述探头安装外壳为一对空心的半圆柱空芯体，其内圆柱面的内表面用于贴合柔性PCB板，两个半圆柱体扣合为一个完整的圆柱空芯体；

所述探头安装盖为一对半圆柱面，通过内扣固定于探头安装外壳，使柔性PCB板形成固定的圆柱面，其内表面粘合绝缘弹性材料；

所述约束磁体置于探头安装外壳的空芯区域，并贴近内表面，用于约束屏蔽层所形成的环路电流，增强其屏蔽能力；

所述绝缘弹性材料粘合于探头安装盖内表面，为一对空心的半圆柱实芯体，用于固定待测导线的位置；

在进行非接触电压测量时，探头类似于夹子一样，将待测导线夹于绝缘弹性材料中心，并将探头安装外壳扣合，使探头包合待测导线，这样探头中的每一对电极板与待测导线耦合形成两个不同的寄生电容，再与加在这对电极板之间的采样电容C一起感应由待测线路电压辐射产生的电场信号，从而获取待测导线的输入电压信号U_i，记第n对电极板所在支路获取的输入电压信号为

n＝1,2,…,N；在采样电容C两端得到一个与电压信号

相关的差分电压信号

再将差分电压信号

输入至信号处理模块进行处理；

所述信号处理模块包括2N路结构相同的附带有放大功能的滤波电路，其2N路滤波电路的正输入端分别通过凸出的导电部件与2N个极板接触连接，其负输入端均通过凸出的导电部件与屏蔽接地层接触连接，每一对电极板获取该支路输入的差分电压信号

然后对差分电压信号

进行放大处理和滤波处理，得到一个波形良好的差分电压信号U_on，最后通过输出端口输入至模数转换模块；

所述模数转换电路将模拟的差分电压信号U_on转变为数字信号，再输入至MCU数据处理模块；

所述MCU数据处理模块基于2N个数字的差分电压信号和对应的N个不同的传递函数方程计算出待测线路电压；

其中，d表示电极板与待测线路间的距离，系数

计算待测线路电压为：

所述电源模块为装置中各模块供电。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明基于多级板差分探头的非接触式电压测量装置，包括：依次串联的多极板差分探头、信号处理模块、模数转换模块和MCU数据处理模块，以及独立在外的电源模块；在进行非接触电压测量时，探头类似于夹子一样，将待测导线夹于绝缘弹性材料中心，并将探头安装外壳扣合，使探头包合待测导线，这样通过探头与待测线路形成的寄生电容获取多个输入信号，通过信号处理模块中放大和滤波单元对输入信号的处理并生成输出信号，数据处理模块结合传递函数以及对应的输出信号的关系构建有关输入电压信号与输出电压信号的关系式并进行求解，从而得到待测线路的电压值。

同时，本发明基于多级板差分探头的非接触式电压测量装置还具有以下有益效果：

(1)、差分式多级板传感器探头，该探头包括了2N个极板和一个屏蔽接地层，体积小，成本低；便于携带，制造成本低，有利于大规模生产应用

(2)、非接触式电压测量装置通过电容耦合的非接触方式感应待测线路所产生的电场强度，并以此获取待测线路的交流电压信号，具有良好的适应性；

(3)、非接触式电压测量时可以通过2N个极板同时得到2N组数据，根据极板相对位置进而划分为N对数据，以此可以更精确地求得待测电压，具有良好的实用性。

附图说明

图1是本发明基于多级板差分探头的非接触式电压测量装置原理图；

图2是多极板差分探头的三维视图；

图3是N＝1和N＝2时差分电极的结构分布截面图和展开图；

图4是多极板差分探头及信号处理模块的电路原理图；

图5是信号处理模块其中一路拓扑结构图；

图6是通用放大器电路原理图；

图7是多极板差分探头及信号处理模块级联的结构示意图；

图8是非接触式电压测量装置的简化电路图；

图9是非接触式电压测量装置的三维结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明基于多级板差分探头的非接触式电压测量装置原理图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种基于多级板差分探头的非接触式电压测量装置，包括：依次串联的多极板差分探头、信号处理模块、模数转换模块和MCU数据处理模块，以及独立在外的电源模块；

在本实施例中，如图2所示，多级板差分探头，包括：电极板2、探头安装盖3、探头安装外壳4、绝缘弹性材料5和约束磁体6；其中，图2中的1为待测线路；

电极板2采用柔性PCB板，其顶层为阵列式对称分布的2N个极板，顶层空余区域与底层通过“过孔”连接，构成用于屏蔽干扰的接地层；每个阵列式对称分布的极板与接地层形成一对电极板，共形成2N对电极板；阵列式极板与接地层之间为绝缘层，其目的是为了获取待测线路电压信号，因为待测线路电压所产生的辐射电场，电极板上会产生感应电荷，同时电极板与电测线路之间形成耦合电容，从而产生电流信号；

在本实施例中，多级板差分探头中的每一对电极板与待测导线耦合形成两个不相等的寄生电容，记为第一寄生电容C_PN1和第二寄生电容C_PN2，并基于第一寄生电容C_PN1和第二寄生电容C_PN2以及加载在每一对电极板之间的采样电容C获取所述待测线路的输入电压信号U_i。

图3出示了N＝1和N＝2时差分电极的结构分布截面图和展开图。在本实施例中，待测线路绝缘层内的金属导线与差分式探头中的每一对电极板之间形成寄生电容。为方便说明，本实施例中N取2，极板对数为四对，所以本实施例的多级板差分探头包括四对共五个探测电极，为方便区分，分别命名为第一电极221、第二电极222、第三电极223、第四电极224和第五电极225。因此第一电极221、第二电极222、第三电极223、第四电极224同第五电极225分别与待测线路形成四组共八个寄生电容。

由于待测线路的输入电压信号U_i为交流电压，因此，由电容的物理性质可知，待测线路(相当于寄生电容的其中一块电极)的电流方向变化会引起寄生电容的另一块电极的电流发生变化，因此，差分式探测模块将待测线路的输入电压U_i以电流形式输入系统，供信号处理模块进行处理。

图4(a)出示了多极板差分探头的电路原理图。差分探头的目的是为了获取待测线路的输入电压信号U_i，因待测线路的输入电压所产生的辐射电场，会在电极板上产生感应电荷，同时电极板与电测线路之间形成耦合电容，产生电流信号，通过接地的采样电容C获取与待测线路输入电压信号U_i相关的差分电压信号U_C，并输出到信号处理模块进行处理。总的来说，多级板差分探头用于以电容耦合的方式，获取待测线路的电压信号并以双路差分的形式输入至后续测量装置中，作为装置的输入。

探头安装外壳为一对空心的半圆柱空芯体，其内圆柱面的内表面用于贴合柔性PCB板，两个半圆柱体扣合为一个完整的圆柱空芯体；

探头安装盖为一对半圆柱面，通过内扣固定于探头安装外壳，使柔性PCB板形成固定的圆柱面，其内表面粘合绝缘弹性材料；

约束磁体置于探头安装外壳的空芯区域，并贴近内表面，用于约束屏蔽层所形成的环路电流，增强其屏蔽能力；

绝缘弹性材料粘合于探头安装盖内表面，为一对空心的半圆柱实芯体，用于固定待测导线的位置；

在本实施例中，进行非接触式电压测量时，探头类似于夹子一样，将待测导线夹于绝缘弹性材料中心，并将探头安装外壳扣合，使探头包合待测导线，这样探头中的每一对电极板与待测导线耦合形成两个不同的寄生电容，再与加载在这对电极板之间的采样电容C一起感应由待测线路电压辐射产生的电场信号，从而获取待测导线的输入电压信号U_i，在采样电容C两端得到一个与输入电压相关的差分电压信号U_C，再将差分电压信号U_C输入至信号处理模块进行处理；

信号处理模块包括2N路结构相同的附带有放大功能的滤波电路，其2N路滤波电路的正输入端分别通过凸出的导电部件与2N个极板接触连接，其负输入端均通过凸出的导电部件与屏蔽接地层接触连接，以获取该模块输入的差分电压信号U_C，然后对差分电压信号U_C进行放大处理和滤波处理，得到一个波形良好的电压信号U_o，最后通过输出端口输入至模数转换模块；

在本实施例中，当N取2时，四路输入信号的处理电路设计完全相同，故可选用其中任意一路加以说明。

图4(b)出示了信号处理模块的其中一路拓扑电路原理图。其中，第一电极221和第五电极225分别接入差分放大单元的正极输入端和负极输入端；为在放大单元输入端得到较好的电压信号，在两极板之间加一个采样电容C，这样可以防止线路测试造成误差的影响。

图5出示了信号处理模块的其中一路拓扑结构图，包含放大器模块和带通滤波器模块，其中放大器模块输出端与带通滤波器模块负输入端相连接。

本实施例中，放大模块增益为G₁，带通滤波模块增益为G₂，整个模块完全放大增益为G，其中，G＝G₁×G₂；

本实施例中，图6出示的通用放大器电路原理图。放大器模块采用通用运算放大器，电路放大增益G₁＝R_G/R_F。带通滤波器模块可采用高阶巴特沃兹带通滤波器，但不仅限于巴特沃兹滤波器。设置其通带为Δf，中心频率设为f₀，增益为G₂。特别的，在50Hz的电网中，其中心频率可设置为50Hz，通带可依据实际要求设定，一般情况下可设为10Hz。

模数转换模块将信号处理模块输出的模拟信号转变为数字信号，再输入至MCU数据处理模块；

MCU数据处理模块基于所述2N个不同的输出电压和对应的N个不同的传递函数方程式计算所述待测线路电压；

在本实施例中，当N取2时，根据图4所示的拓扑电路结构构建传递函数公式1为：

其中，G为放大系数；

在具体实施例中，当C＞＞C_P21时，图4所示拓扑电路的传递函数可以简化为公式2：

其中，

ε为介电常数，S为电极板面积，r为电极板与待测线路间的距离，k为常数；

故公式2可进一步改写为公式3：

其中，

所以，传递函数最终关系式为公式4：

U_i＝K₀rU_o

其中，

在本实施例中，当N取2时，如图7所示，存在两组共四对极板用于获取输入电压信号，对于相对的一组极板所测得的输出电压信号U_O1和U_O3或者U_O2和U_O4，可求出2个输入电压

和

通过极板的对称分布将其划分两对，基于关系式r₁+r₃＝r₂+r₄＝d，从而将距离r化为直径d，得到简化传递函数，方便计算其关系可表示为公式5：

或者公式6：

最终求得待测线路电压为：

上述实施例中，将第一寄生电容C_P21近似为平行板电容器来进行计算。实际上，第一寄生电容C_P21与待测线路绝缘层材料、绝缘层厚度、测试极板距待测线路距离(因导线在不同程度上存在一定的弯曲，该距离在不同地方存在一定的差别)等诸多因素相关，本实施例由于简化了寄生电容计算的复杂性，测试装置存在一定的测量误差，但由于本实施例测试极板的特殊性，该测试装置相比于传统固定参数式的非接触测量装置测量结果更加精确。

另外，非接触式电压测量装置通过差分探头与待测电路形成的寄生电容获取多个输入信号，通过信号处理模块中放大和滤波单元对输入信号的处理并生成输出信号，数据处理模块结合传递函数以及对应的输出信号的关系构建有关输入电压信号U_i和输出电压信号U_O的关系式进行求解。该系统通过单线完成非接触式的电压测量工作，方便作业，具有良好的实用性。

电源模块，用于为装置中各模块供电。

图8出示了本发明所述的非接触式电压测量装置的简化电路图。

在本实施例中，选用通过第一电极221、第三电极223和第五电极225这两对3个电极来获取输入电压信号的两路电路为例。所述多级差分探头包含第一电极221、第三电极223和第五电极225，三个极板221、223和225与待测线路之间耦合形成第一寄生电容C_P21 ⁽¹⁾、C_P21 ⁽³⁾和第二寄生电容C_P22，基于待测线路的交流电在空间内形成电场，第一寄生电容C_P21 ⁽¹⁾、C_P21 ⁽³⁾和第二寄生电容C_P2获取电场信号并转换为差分输入电路的电流信号，并在信号处理模块输出端得到一对输出电压信号U_O1和U_O3。

同样的，其余两对电极第二电极222、第四电极224和第五电极225均可与待测线路间形成寄生电容。基于待测线路周围产生的电场获得另外两个差分输入信号，并在信号处理模块输出端得到另一对输出信号U_O2和U_O4。

其中，信号处理模块包含四路相同的放大电路和滤波电路。每路子电路输入端与电极连接以接收输入信号，为方便区分，将连接第一电极的子电路命名为第一子电路，与第二电极连接的子电路命名为第二子电路，与第三电极连接的子电路命名为第三子电路，与第四电极连接的子电路命名为第四子电路，输入信号经四路子电路放大、滤波后将信号输出到模数转换模块。

一般的，信号处理模块输出的信号为模拟信号，为方便MCU数据处理模块处理，在信号处理模块的输出端连接模数转换模块，用于将输出的模拟信号转变为数字信号。在该实施例中，使用模数转换器ADC将模拟信号数字化。本测量装置对于标称的50Hz输入信号，为方便采样起见，ADC可采用10.24KHz的采样频率对来自信号处理电路的输出信号进行采样，以在100ms中提供1024个样本以准备好通过FFT进行处理。

MCU数据处理模块获取数模转换模块所输出的数字信号，通过数据传输线传输到计算机云端，并结合电路传递函数构建方程并编写计算机程序对待测电压进行求解，解出待测线路电压值。

图9出示了本发明实施例的非接触式电压测量装置的三维结构示意图。本发明实施例的非接触式电压测量装置包括电路板7和探头5。

所述电路板由两部分构成，两者之间用接口连接。为方便区分，将与探头直接连接的电路板命名为第一电路板701，将通过接口与第一电路板701连接的电路板命名为第二电路板702，两块电路板通过导线8连接；第一电路板701在Top和Bottom两层设置有差分输入电路和信号处理电路，第二电路板702的Top层上设置有数据处理电路、数据传输接口以及电源模块。

所述探头由外壳和金属极板构成，所述金属极板由柔性PCB板构成。在本实施例中，将柔性PCB极板2置于探头安装外壳4和探头安装盖3的固形夹层中，可使极板形状固定，避免测试时因极板形状发生变化而产生误差。测试时，测试人员将外壳扣合，并使待测导线完全包合，通过绝缘弹性材料5对待测导线进行固定，以此减小测试结果误差。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于多级板差分探头的非接触式电压测量装置，其特征在于，包括：依次串联的多极板差分探头、信号处理模块、模数转换模块和MCU数据处理模块，以及独立在外的电源模块。

所述多级板差分探头，包括：电极板、探头安装外壳、探头安装盖、约束磁体和绝缘弹性材料；

所述电极板采用柔性PCB板，其顶层为阵列式对称分布的2N个极板，顶层空余区域与底层通过“过孔”连接，构成用于屏蔽干扰的接地层；每个阵列式对称分布的极板与接地层形成一对电极板，共形成2N对电极板；阵列式极板与接地层之间为绝缘层；

所述探头安装外壳为一对空心的半圆柱空芯体，其内圆柱面的内表面用于贴合柔性PCB板，两个半圆柱体扣合为一个完整的圆柱空芯体；

所述探头安装盖为一对半圆柱面，通过内扣固定于探头安装外壳，使柔性PCB板形成固定的圆柱面，其内表面粘合绝缘弹性材料；

所述约束磁体置于探头安装外壳的空芯区域，并贴近内表面，用于约束屏蔽层所形成的环路电流，增强其屏蔽能力；

所述绝缘弹性材料粘合于探头安装盖内表面，为一对空心的半圆柱实芯体，用于固定待测导线的位置；

在进行非接触电压测量时，探头类似于夹子一样，将待测导线夹于绝缘弹性材料中心，并将探头安装外壳扣合，使探头包合待测导线，这样探头中的每一对电极板与待测导线耦合形成两个不同的寄生电容，再与加在这对电极板之间的采样电容C一起感应由待测线路电压辐射产生的电场信号，从而获取待测导线的输入电压信号U_i，记第n对电极板所在支路获取的输入电压信号为

n＝1,2,…,N；在采样电容C两端得到一个与电压信号

相关的差分电压信号

再将差分电压信号

输入至信号处理模块进行处理；

所述信号处理模块包括2N路结构相同的附带有放大功能的滤波电路，其2N路滤波电路的正输入端分别通过凸出的导电部件与2N个极板接触连接，其负输入端均通过凸出的导电部件与屏蔽接地层接触连接，每一对电极板获取该支路输入的差分电压信号

然后对差分电压信号

进行放大处理和滤波处理，得到一个波形良好的差分电压信号U_on，最后通过输出端口输入至模数转换模块；

所述模数转换电路将模拟的差分电压信号U_on转变为数字信号，再输入至MCU数据处理模块；

所述MCU数据处理模块基于2N个数字的差分电压信号和对应的N个不同的传递函数方程计算出N个电压值，然后再对N个电压值求均值，从而得到待测线路的电压值；

所述电源模块为装置中各模块供电。

2.根据权利要求书1所述的基于多级板差分探头的非接触式电压测量装置，其特征在于，所述MCU数据处理模块求取待测线路的电压值的具体公式为：

其中，d表示电极板直径，系数

G为放大系数，ε为介电常数，S为电极板面积，k为常数；

计算待测线路电压为：

Images