CN115523998A - 一种振动电容检测装置、系统、方法及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动电容检测装置、系统、方法及存储介质。振动电容检测装置包括振动电容模块、数据处理模块、微处理器模块和数据传输接口模块；振动电容模块与数据处理模块电连接，数据处理模块与微处理器模块电连接，微处理器模块与数据传输接口模块电连接；振动电容模块用于在电场力的作用下产生可变电容信号；数据处理模块用于在检测到可变电容信号后，将可变电容信号转换为模拟电压信号，并将模拟电压信号输出至微处理器模块；微处理器模块用于将接收到的模拟电压信号转换为数字电压信号，以通过数据传输接口模块将数字电压信号进行输出。本发明实现在原理上无需驱动电压，同时有益于实现批量化制造和系统集成。

Description

一种振动电容检测装置、系统、方法及存储介质

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种振动电容检测装置、系统、方法及存储介质。

背景技术

振动电容模块利用谐振片震荡改变电容原理实现对被振动物体检测，适用于检测各种物体振动，使用效果好，方便、可靠，抗声波电磁场干扰能力强，有广泛的应用领域和实用价值。

针对智能电网和数字电网的发展需求，目前应用的振动电容模块因传感机理而呈现出自身不可克服的问题，例如，磁饱和、铁磁谐振、易燃易爆及动态范围小，并且还存在体积大、功耗高、绝缘成本高、造价昂贵等局限，不利于在电网建设中大规模应用，难于适应电力物联网的广泛应用。

发明内容

本发明提供了一种振动电容检测装置、系统、方法及存储介质，以解决目前振动电容模块功耗高和造价高等自身局限难于适应电力物联网广泛应用的问题。

根据本发明的一方面，提供了一种振动电容检测装置，所述振动电容检测装置包括振动电容模块、数据处理模块、微处理器模块和数据传输接口模块；所述振动电容模块与所述数据处理模块电连接，所述数据处理模块与所述微处理器模块电连接，所述微处理器模块与所述数据传输接口模块电连接；

所述振动电容模块用于在电场力的作用下产生可变电容信号；

所述数据处理模块用于在检测到所述可变电容信号后，将所述可变电容信号转换为模拟电压信号，并将所述模拟电压信号输出至所述微处理器模块；

所述微处理器模块用于将接收到的所述模拟电压信号转换为数字电压信号，以通过所述数据传输接口模块将所述数字电压信号进行输出。

可选的，所述振动电容模块包括可动结构和固定电极，所述可动结构包括一组支撑梁和振动薄膜；所述支撑梁和所述振动薄膜连接，所述固定电极设置在所述可动结构下方；

所述振动电容模块具体用于在电场力的作用下，所述振动薄膜发生位移，所述固定电极上电容变化，产生可变电容信号。

可选的，所述数据处理模块包括电容检测单元、信号转换单元和滤波单元；所述电容检测单元与所述信号转换单元电连接，所述信号转换单元与所述滤波单元电连接。

可选的，所述微处理器模块包括MCU和辅助电路；所述MCU与所述辅助电路电连接；

所述MCU用于采集所述模拟电压信号；

所述辅助电路用于将所述MCU采集到的所述模拟电压信号转换为数字电压信号。

可选的，所述数据传输接口模块包括有线数据传输单元和无线数据传输单元。

可选的，所述振动电容检测装置还包括电源模块；所述电源模块分别与所述数据处理模块、所述微处理器模块和所述数据传输接口模块电连接。

根据本发明的另一方面，提供了一种振动电容检测系统，其特征在于，所述振动电容检测系统包括电场发生器、上位机以及本发明任一实施例所述的振动电容检测装置。

根据本发明的另一方面，提供了一种振动电容检测方法，所述振动电容检测方法包括：

在输电线路上加载电压产生电场，振动电容模块放置于电场上，并在电场力的作用下产生可变电容信号；

通过数据处理模块检测所述可变电容信号，并将所述可变电容信号转换为模拟电压信号；

通过微处理器模块将接收到的所述模拟电压信号转换为数字电压信号，并通过所述数据传输接口模块将所述数字电压信号进行输出。

可选的，所述振动电容检测方法还包括：

基于多个在输电线路上加载的电压以及对应输出的数字电压信号，得到电压关系曲线，所述电压关系曲线用于振动电容模块的校准。

根据本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行时实现本发明任一实施例所述的振动电容检测方法。

本发明实施例的技术方案，所述振动电容检测装置包括振动电容模块、数据处理模块、微处理器模块和数据传输接口模块；所述振动电容模块与所述数据处理模块电连接，所述数据处理模块与所述微处理器模块电连接，所述微处理器模块与所述数据传输接口模块电连接；所述振动电容模块用于在电场力的作用下产生可变电容信号；所述数据处理模块用于在检测到所述可变电容信号后，将所述可变电容信号转换为模拟电压信号，并将所述模拟电压信号输出至所述微处理器模块；所述微处理器模块用于将接收到的所述模拟电压信号转换为数字电压信号，以通过所述数据传输接口模块将所述数字电压信号进行输出。本发明解决了目前振动电容模块功耗高和造价高等自身局限难于适应电力物联网广泛应用的问题，实现在原理上无需驱动电压，减少了功耗，体积小，结构简单，同时有益于实现批量化制造和系统集成。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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是根据本发明实施例一提供的一种振动电容检测装置的结构示意图；

图2是根据本发明实施例二提供的一种振动电容检测系统的结构示意图；

图3是根据本发明实施例二所适用的电场发生器的结构示意图；

图4是根据本发明实施例三提供的一种振动电容检测方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例一

图1为本发明实施例一提供了一种振动电容检测装置的结构图，本实施例可适用于针对电力物联网应用以及智能电网发展的实际需求，提供小型化、低功耗的微型振动电容检测装置对电场进行测量的情况，该振动电容检测装置可配置于电力物联网相关中。

如图1所示，所述振动电容检测装置100包括振动电容模块110、数据处理模块120、微处理器模块130和数据传输接口模块140；所述振动电容模块110与所述数据处理模块120电连接，所述数据处理模块120与所述微处理器模块130电连接，所述微处理器模块130与所述数据传输接口模块140电连接；

所述振动电容模块110用于在电场力的作用下产生可变电容信号；

所述数据处理模块120用于在检测到所述可变电容信号后，将所述可变电容信号转换为模拟电压信号，并将所述模拟电压信号输出至所述微处理器模块130；

所述微处理器模块130用于将接收到的所述模拟电压信号转换为数字电压信号，以通过所述数据传输接口模块140将所述数字电压信号进行输出。

其中，振动电容模块110可以采用微纳米加工技术、微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)技术、SOI MEMS(Silicon On Insulator)、体硅工艺、表面工艺或精密机械加工技术实现，本实施例对此不作任何限制。

继续参见图1，在上述实施例的基础上，所述振动电容模块110包括可动结构和固定电极，所述可动结构包括一组支撑梁和振动薄膜；所述支撑梁和所述振动薄膜连接，所述固定电极设置在所述可动结构下方；

所述振动电容模块110具体用于在电场力的作用下，所述振动薄膜发生位移，所述固定电极上电容变化，产生可变电容信号。

具体的，振动电容模块110利用电容分压的方式得到耦合电压，该耦合电压在振动薄膜和固定电极间形成电场，在电场力的作用下振动薄膜发生位移，导致其与固定电极的电容发生变化，产生可变电容信号。

本发明提供一种振动电容检测装置100，该一种振动电容检测装置100在输电线或者待测导体电压作用下，通过耦合电容分压的方式得到耦合电压，该耦合电压在振动薄膜和固定电极间形成电场，对振动电容模块110的可动结构和固定电极进行合理布局，利用电场形成的电场力驱动微弹簧支撑的振动薄膜发生位移，导致其与固定电极的电容发生变化，将电场强度转化为可变电容信号，进而通过微小电容检测电路测量电场强度的大小，本实施例中，通过数据处理模块120、微处理器模块130对振动电容模块110的输出电容信号进行测量，可实现对所形成电场的测量。本发明在测量原理上实现了非接触式测量，没有额外引入驱动电压，减少了功耗，并且振动电容模块110采用MEMS技术进行制造，有益于实现批量化制造和系统集成，同时降低成本，结构简单。

进一步的，在上述实施例的基础上，所述数据处理模块120包括电容检测单元、信号转换单元和滤波单元；所述电容检测单元与所述信号转换单元电连接，所述信号转换单元与所述滤波单元电连接。

其中，电容检测单元可以采用高精度跨阻放大器实现，也可以采用其他现有采集方式进行实现，本实施例对此不作任何限制。

具体的，当振动薄膜发生位移变化时，固定电极上的电容发生变化，从而在电极上输出电流信号，采用电容检测单元的高精度跨阻放大器进行I/V转换，通过信号转换单元将电流信号转换成电压信号，再通过滤波单元对电压信号进行滤波处理，最后输出模拟电压信号。

进一步的，在上述实施例的基础上，所述微处理器模块包括MCU和辅助电路；所述MCU与所述辅助电路电连接；

所述MCU用于采集所述模拟电压信号；

所述辅助电路用于将所述MCU采集到的所述模拟电压信号转换为数字电压信号。

其中，MCU(Micro Control Unit，微控制单元)可以为不同的应用场合做不同组合控制，在本实施例中对数据处理模块120输出的模拟电压信号进行采集。

辅助电路可以采用现有技术进行实现，本实施例在此不对其电路结构和元器件进行任何限制，均可由本领域技术人员进行选择设置。

具体的，采用MCU进行电压模拟信号的采集、数字化滤波处理，辅助电路将模拟电压信号转换成数字电压信号进行输出。

进一步的，在上述实施例的基础上，所述数据传输接口模块140包括有线数据传输单元和无线数据传输单元。

具体的，本实施例中振动电容检测装置100输出的数字电压信号，可以通过有线数据传输单元或无线数据传输进行传输，可选的，有线数据传输单元可以通过现有USB或Type-C等接口形式进行实现，无线数据传输单元可以通过蓝牙模块或WLAN模块等技术形式进行实现，本实施例对有线数据传输单元和无线数据传输单元的具体实现手段不作任何限制。

继续参见图1，在上述实施例的基础上，所述振动电容检测装置100还包括电源模块150；所述电源模块150分别与所述数据处理模块120、所述微处理器模块130和所述数据传输接口模块140电连接。

其中，电源模块150可以为振动电容检测装置100内置的电源装置，或是可拆卸的电源装置，例如各种类型的电池等，本实施例对此不作任何限制，可由本领域技术人员根据实际情况进行选择设置。

具体的，电源模块150可以向所述数据处理模块120、所述微处理器模块130和所述数据传输接口模块140提供电源。

实施例二

图2为本发明实施例二提供的一种振动电容检测系统的结构示意图，所述振动电容检测系统包括电场发生器200、上位机300以及本发明任一实施例所述的振动电容检测装置100。本发明实施例所提供的振动电容检测系统具备振动电容检测装置相应的功能模块和有益效果。

电场发生器200由高压电源和平行金属极板构成，具体参见图3，平行金属极板下极板接电压，上极板接地，平行金属极板之间形成均匀电场，已知极板间距和加载的电压值，可计算出金属极板之前的均匀电场值大小，把振动电容模块放置在均匀电场中，振动电容模块输出相应的信号。

可以理解的是，通过改变高压电源输出的电压值，振动电容模块输出值会产生相应的变化，从而可基于多个在输电线路上加载的电压以及对应输出的数字电压信号，得到电压关系曲线，所述电压关系曲线用于振动电容模块的校准。

在本实施例中，振动电容检测装置输出的数字电压信号通过数据传输接口模块，传输至上位机，上位机可以根据接收到的数字电压信号对振动电容检测装置的情况，以及后续振动电容传感器的校准进行进一步的分析处理。

本发明实施例的技术方案，振动电容检测系统包括振动电容检测装置，所述振动电容检测装置包括振动电容模块、数据处理模块、微处理器模块和数据传输接口模块；所述振动电容模块与所述数据处理模块电连接，所述数据处理模块与所述微处理器模块电连接，所述微处理器模块与所述数据传输接口模块电连接；所述振动电容模块用于在电场力的作用下产生可变电容信号；所述数据处理模块用于在检测到所述可变电容信号后，将所述可变电容信号转换为模拟电压信号，并将所述模拟电压信号输出至所述微处理器模块；所述微处理器模块用于将接收到的所述模拟电压信号转换为数字电压信号，以通过所述数据传输接口模块将所述数字电压信号进行输出。本发明解决了目前振动电容模块功耗高和造价高等自身局限难于适应电力物联网广泛应用的问题，实现在原理上无需驱动电压，减少了功耗，体积小，结构简单，同时有益于实现批量化制造和系统集成。

实施例三

图4为本发明实施例三提供的一种振动电容检测方法的流程示意图。

如图4所示，该振动电容检测方法包括：

S410、在输电线路上加载电压产生电场，振动电容模块放置于电场上，并在电场力的作用下产生可变电容信号；

S420、通过数据处理模块检测所述可变电容信号，并将所述可变电容信号转换为模拟电压信号；

S430、通过微处理器模块将接收到的所述模拟电压信号转换为数字电压信号，并通过所述数据传输接口模块将所述数字电压信号进行输出。

在上述基础上，基于多个在输电线路上加载的电压以及对应输出的数字电压信号，得到电压关系曲线，所述电压关系曲线用于振动电容模块的校准。

具体的，振动电容检测方法为在输电线路上加载一定的电压值，输电线路周边产生相应的电场，振动电容模块放置在电场中时，振动电容模块的振动薄膜受到静电力而产生位移，导致振动薄膜与固定电极之间的电容发生变化，从而在固定电极上输出电流信号(即产生的可变电容信号)，该可变电容信号和电场值成比例关系，通过测量该可变电容信号即可实现对电场的测量。

本发明实施例的技术方案，在输电线路上加载电压产生电场，振动电容模块放置于电场上，并在电场力的作用下产生可变电容信号；通过数据处理模块检测所述可变电容信号，并将所述可变电容信号转换为模拟电压信号；通过微处理器模块将接收到的所述模拟电压信号转换为数字电压信号，并通过所述数据传输接口模块将所述数字电压信号进行输出。本发明解决了目前振动电容模块功耗高和造价高等自身局限难于适应电力物联网广泛应用的问题，实现在原理上无需驱动电压，减少了功耗，体积小，结构简单，同时有益于实现批量化制造和系统集成。

实施例四

在一些实施例中，振动电容检测方法可被实现为计算机程序，其被有形地包含于计算机可读存储介质。本文中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、负载可编程逻辑设备(CPLD)、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。

用于实施本发明的方法的计算机程序可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些计算机程序可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，使得计算机程序当由处理器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。计算机程序可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

在本发明的上下文中，计算机可读存储介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的计算机程序。计算机可读存储介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。备选地，计算机可读存储介质可以是机器可读信号介质。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统(例如，作为数据服务器)、或者包括中间件部件的计算系统(例如，应用服务器)、或者包括前端部件的计算系统(例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互)、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信(例如，通信网络)来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网(LAN)、广域网(WAN)、区块链网络和互联网。

计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，又称为云计算服务器或云主机，是云计算服务体系中的一项主机产品，以解决了传统物理主机与VPS服务中，存在的管理难度大，业务扩展性弱的缺陷。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种振动电容检测装置，其特征在于，所述振动电容检测装置包括振动电容模块、数据处理模块、微处理器模块和数据传输接口模块；所述振动电容模块与所述数据处理模块电连接，所述数据处理模块与所述微处理器模块电连接，所述微处理器模块与所述数据传输接口模块电连接；

所述振动电容模块用于在电场力的作用下产生可变电容信号；

所述数据处理模块用于在检测到所述可变电容信号后，将所述可变电容信号转换为模拟电压信号，并将所述模拟电压信号输出至所述微处理器模块；

所述微处理器模块用于将接收到的所述模拟电压信号转换为数字电压信号，以通过所述数据传输接口模块将所述数字电压信号进行输出。

2.根据权利要求1所述的振动电容检测装置，其特征在于，所述振动电容模块包括可动结构和固定电极，所述可动结构包括一组支撑梁和振动薄膜；所述支撑梁和所述振动薄膜连接，所述固定电极设置在所述可动结构下方；

所述振动电容模块具体用于在电场力的作用下，所述振动薄膜发生位移，所述固定电极上电容变化，产生可变电容信号。

3.根据权利要求1所述的振动电容检测装置，其特征在于，所述数据处理模块包括电容检测单元、信号转换单元和滤波单元；所述电容检测单元与所述信号转换单元电连接，所述信号转换单元与所述滤波单元电连接。

4.根据权利要求1所述的振动电容检测装置，其特征在于，所述微处理器模块包括MCU和辅助电路；所述MCU与所述辅助电路电连接；

所述MCU用于采集所述模拟电压信号；

所述辅助电路用于将所述MCU采集到的所述模拟电压信号转换为数字电压信号。

5.根据权利要求1所述的振动电容检测装置，其特征在于，所述数据传输接口模块包括有线数据传输单元和无线数据传输单元。

6.根据权利要求1所述的振动电容检测装置，其特征在于，所述振动电容检测装置还包括电源模块；所述电源模块分别与所述数据处理模块、所述微处理器模块和所述数据传输接口模块电连接。

7.一种振动电容检测系统，其特征在于，所述振动电容检测系统包括电场发生器、上位机以及权利要求1-6中任一项所述的振动电容检测装置。

8.一种振动电容检测方法，其特征在于，包括：

在输电线路上加载电压产生电场，振动电容模块放置于电场上，并在电场力的作用下产生可变电容信号；

通过数据处理模块检测所述可变电容信号，并将所述可变电容信号转换为模拟电压信号；

通过微处理器模块将接收到的所述模拟电压信号转换为数字电压信号，并通过数据传输接口模块将所述数字电压信号进行输出。

9.根据权利要求8所述的振动电容检测方法，其特征在于，所述振动电容检测方法还包括：

基于多个在输电线路上加载的电压以及对应输出的数字电压信号，得到电压关系曲线，所述电压关系曲线用于振动电容模块的校准。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行时实现权利要求8-9中任一项所述的振动电容检测方法。

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