CN115542009B - 一种铜排电性能自动检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铜排电性能自动检测系统及方法。所述系统包括：被测铜排，与被测铜排串联的电流采样模块，与被测铜排并联的第一电压采样模块，与被测铜排和电流采样模块串联支路并联的第二电压采样模块，与第一电压采样模块和第二电压采样模块的输出端相连的测量模块，与测量模块相连的中央处理单元；第一电压采样模块和第二电压采样模块均为输出正极性直流电压的有源电阻串联分压电路；中央处理单元根据第一电压采样模块和第二电压采样模块的输出电压计算被测铜排的接触电阻。本发明能够在线自动测量铜排的接触电阻；解决了现有技术在被测铜排两端电压极性可正可负的应用场景下，直接采集被测铜排两端电压不能直接进行A/D转换的问题。

Description

一种铜排电性能自动检测系统及方法

技术领域

本发明属于铜排电性能测量技术领域，具体涉及一种铜排电性能自动检测系统及方法。

背景技术

铜排又称铜母排或铜汇流排，是由铜材质制作截面为矩形或倒角(圆角)矩形的长导体。铜排在电路中起输送电流和连接电气设备的作用，由于铜的导电性能等优于铝等多数金属，铜排在电气设备特别是成套配电装置中得到了广泛的应用。

铜排常用作大电流连接器。连接器的两个导体相接触时，看似光滑的导体表面其实并不平整，两导体的接触面上存在许多凸起和坑洼。其接触也并非面接触，而是点接触。当电流流过导体接触面时，电流会向这些接触点聚拢，而发生收缩现象，导致电阻值增大，从而产生收缩电阻。另外，暴露在空气中的金属材料，如铝、铜，其表面会生成一层氧化膜，这些氧化物导电性能极差，从而产生了膜电阻。导体接触时的接触电阻主要由收缩电阻和膜电阻构成。接触电阻是衡量连接器性能的重要指标，当接触电阻过大时，电流产生的大量焦耳热会使接触表面金属发生软化、粘结，影响接触性能，严重时会导致连接失效，对整个系统产生非常严重的影响。铜的电阻率很小，铜排的体电阻很小，因此，铜排用作连接器时的电阻主要是接触电阻，尤其是当铜排松动时，接触电阻会非常大，严重时会表现为断路。因此铜排连接器在电路中的实时监测非常重要。

有鉴于此，本发明提出一种铜排电性能自动检测系统及方法。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种铜排电性能自动检测系统及方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

第一方面，本发明提供一种铜排电性能自动检测系统，包括：被测铜排，与被测铜排串联的电流采样模块，与被测铜排并联的第一电压采样模块，与被测铜排和电流采样模块串联支路并联的第二电压采样模块，与第一电压采样模块和第二电压采样模块的输出端相连的测量模块，与测量模块相连的中央处理单元；第一电压采样模块和第二电压采样模块均为输出正极性直流电压的有源电阻串联分压电路；中央处理单元根据第一电压采样模块和第二电压采样模块的输出电压计算被测铜排的接触电阻。

进一步地，所述电流采样模块为一电流采样电阻R。

更进一步地，所述第一电压采样模块包括两个串联电阻R₁、R₂和一直流电源E₁，E₁的负极与被测铜排的一端相连并接地，第一电压采样模块的输出端为R₁、R₂的连接点。

更进一步地，所述第二电压采样模块包括两个串联电阻R₃、R₄和一直流电源E₂，E₂的负极与被测铜排的一端相连并接地，第二电压采样模块的输出端为R₃、R₄的连接点。

更进一步地，所述根据第一电压采样模块和第二电压采样模块的输出电压计算被测铜排的接触电阻，具体包括：

根据第一电压采样模块的输出电压计算被测铜排两端的电压，公式如下：

                      (1)

式中，V_S为被测铜排两端的电压，V₁为第一电压采样模块的输出电压；

计算电流采样电阻R两端的电压，公式如下：

            (2)

式中，V_R为电流采样电阻R两端的电压，V₂为第二电压采样模块的输出电压；

计算流过被测铜排的电流I_S，公式如下：

                           (3)

式中，I_R为流过采样电阻R的电流；

计算被测铜排的接触电阻，公式如下：

                             (4)

式中，R_S为被测铜排两端的电阻。

更进一步地，R₁=R₃，R₂=R₄，R₁=10R₂，E₁=E₂，R_S为：

。

进一步地，所述测量模块包括两路依次连接的光耦隔离器、电压放大器和A/D转换器。

进一步地，如果被测铜排的接触电阻超过设定的阈值，发出报警提示。

进一步地，所述系统还包括与中央处理单元相连的显示器。

第二方面，本发明提供一种应用所述系统进行铜排电性能检测的方法，包括以下步骤：

实时获取第一电压采样模块的输出电压；

实时获取第二电压采样模块的输出电压；

基于第一电压采样模块和第二电压采样模块的输出电压计算被测铜排的接触电阻。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。

本发明设置与被测铜排串联的电流采样模块，与被测铜排并联的第一电压采样模块，与被测铜排和电流采样模块串联支路并联的第二电压采样模块，与第一电压采样模块和第二电压采样模块的输出端相连的测量模块，与测量模块相连的中央处理单元，中央处理单元根据第一电压采样模块和第二电压采样模块的输出电压计算被测铜排的接触电阻，实现了被测铜排接触电阻的自动测量。本发明能够在线自动测量铜排的接触电阻；本发明通过设置第一电压采样模块和第二电压采样模块，并将它们均设置为输出正极性直流电压的有源电阻串联分压电路，解决了现有技术在被测铜排两端电压极性可正可负的应用场景下，直接采集被测铜排两端电压不能直接进行A/D转换的问题。

附图说明

图1为本发明实施例一种铜排电性能自动检测系统的组成框图。图中：1-中央处理单元，2-测量模块，3-第一电压采样模块，4-被测铜排，5-第二电压采样模块，6-电流采样模块。

图2为被测铜排与第一电压采样模块、第二电压采样模块和电流采样模块连接的电路原理图。其中，R_S为被测铜排的接触电阻，电流采样模块由电流采样电阻R组成，第一电压采样模块由R₁、R₂、E₁组成，第二电压采样模块由R₃、R₄、E₂组成，V₁、V₂分别为第一电压采样模块和第二电压采样模块的输出电压。

图3为本发明实施例应用所述系统进行铜排电性能检测的方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例一种铜排电性能自动检测系统的组成框图，所述系包括：被测铜排4，与被测铜排4串联的电流采样模块6，与被测铜排4并联的第一电压采样模块3，与被测铜排4和电流采样模块6串联支路并联的第二电压采样模块5，与第一电压采样模块3和第二电压采样模块5的输出端相连的测量模块2，与测量模块2相连的中央处理单元1；第一电压采样模块3和第二电压采样模块5均为输出正极性直流电压的有源电阻串联分压电路；中央处理单元1根据第一电压采样模块3和第二电压采样模块5的输出电压计算被测铜排4的接触电阻。

本实施例中，所述系统主要由被测铜排4、电流采样模块6、第一电压采样模块3、第二电压采样模块5、测量模块2和中央处理单元1等组成。各个模块的连接关系如图1所示，下面对每个模块的功能分别进行介绍。

被测铜排4，是所述系统的测量对象，本实施例是在线监测其接触电阻。如前述铜排一般用作连接器，用于传输大电流；铜排本身的体电阻很小（微欧级），铜排在电路中的电阻主要体现为接触电阻，其接触电阻远大于体电阻。

电流采样模块6，与被测铜排4串联，用于输出与流过被测铜排4的电流成正比的电压信号，以测量流过被测铜排4的电流。电流采样模块6可采用互感线圈传感器（霍尔传感器）或电流采样电阻。互感线圈传感器一般用于测量交变电流，不适合直流电流测量；电流采样电阻可用于测量直流电流。

第一电压采样模块3，与被测铜排4并联，用于输出与被测铜排4两端电压线性相关的电压信号，经测量模块2放大变换后输出至中央处理单元1，以测量被测铜排4两端的电压。电压采样模块一般采用电阻串联分压电路，也就是将两个或两个以上的串联电阻并联在被测电压两端，其中一个电阻两端输出与被测电压成正比的电压信号。但有些应用场景中被测电压可能会出现正负两种极性，而一般的A/D芯片只能对单一极性的电压进行模数转换，不能同时对正负两种极性的电压进行模数转换。为此，本实施例的第一电压采样模块3（包括第二电压采样模块5）采用有源电阻串联分压电路，也就是将一直流电源与串联电阻串联，这样就可“抬高”输出电压，使原本输出的负电压变成正电压，即只输出正极性直流电压。所述直流电源可利用被测铜排4所属电子设备上已有的直流电源。值得说明的是，一般的无源电压采样电路输出的是与被测电压成正比的直流电压，而本实施例的有源电压采样电路（增加电源）的输出电压与被测电压不成正比，而是线性相关，即函数曲线是一个不过原点的直线。

第二电压采样模块5，与被测铜排4和电流采样模块6串联支路并联，用于测量被测铜排4和电流采样模块6的电压和。有了所述电压和，减去基于第一电压采样模块3测得的被测铜排4两端的电压就可得到电流采样模块6两端的电压，从而得到流过电流采样模块6的电流，即流过被测铜排4的电流。有了被测铜排4的电压和电流，根据欧姆定律就可得到被测铜排4的接触电阻。与第一电压采样模块3一样，第二电压采样模块5同样采用有源电阻串联分压电路。

测量模块2，用于对第一电压采样模块3和第二电压采样模块5输出的电压信号进行放大变换处理。电压采样模块输出的电压幅度一般不适合直接进行模数转换，因此需要对其进行放大（或缩小）处理，然后再将模拟电压信号转换成中央处理单元1能够处理的数字信号。测量模块2一般由放大电路和A/D电路组成。

中央处理单元1，主要用于协调各模块的工作和完成必要的数据处理任务。本实施例中的中央处理单元1与测量模块2相连，控制完成模数转换及数据的读取和存储；基于第一电压采样模块3和第二电压采样模块5输出的电压数据计算被测铜排4的接触电阻。中央处理单元1一般由单片机及外围电路组成。一些具体应用场景还可利用被测铜排4所属电子设备上已有的控制单元，比如汽车上的整车控制单元。

本实施例通过设置第一电压采样模块3和第二电压采样模块5，并将它们均设置为输出正极性直流电压的有源电阻串联分压电路，解决了现有技术在被测铜排4两端电压极性可正可负的应用场景下，直接采集被测铜排4两端电压不能同时对正负两种极性的电压进行A/D转换的问题。

作为一可选实施例，所述电流采样模块6为一电流采样电阻R。

本实施例给出了电流采样模块6的一种技术方案。本实施例的电流采样模块6为一电流采样电阻，如图2中的电阻R。采用单一的电阻进行电流采样是最简单的一种方案，通过测量电阻R两端的电压再除以电阻R就可以得到被测电流。为了减小对原电路的影响，电阻R一般取很小的值，为了得到很小的电阻值，有时可通过多个电阻并联获得。

作为一可选实施例，所述第一电压采样模块3包括两个串联电阻R₁、R₂和一直流电源E₁，E₁的负极与被测铜排4的一端相连并接地，第一电压采样模块3的输出端为R₁、R₂的连接点。

本实施例给出了第一电压采样模块3的一种技术方案。如前述，第一电压采样模块3有源电阻串联分压电路，本实施例的第一电压采样模块3具体由两个电阻R₁、R₂和一直流电源E₁组成，R₁、R₂和E₁串联后并联在被测铜排4两端，如图2所示。第一电压采样模块3的输出电压V₁从R₁、R₂的连接点引出，经测量模块2后送至中央处理单元1，可得到V₁的值。有了R₁、R₂和E₁、V₁的值，根据电路原理即可得到被测铜排4两端的电压。

作为一可选实施例，所述第二电压采样模块5包括两个串联电阻R₃、R₄和一直流电源E₂，E₂的负极与被测铜排4的一端相连并接地，第二电压采样模块5的输出端为R₃、R₄的连接点。

本实施例给出了第二电压采样模块5的一种技术方案。第二电压采样模块5与第一电压采样模块3的电路结构几乎完全相同，由R₃、R₄和E₂串联而成。与第一电压采样模块3不同的是，R₃、R₄和E₂串联后不是直接并联在R_S（被测铜排4）两端，而是并联在R_S与R（电流采样模块6）的串联支路两端，具体连接方法如图2所示。

作为一可选实施例，所述根据第一电压采样模块3和第二电压采样模块5的输出电压计算被测铜排4的接触电阻，具体包括：

根据第一电压采样模块3的输出电压计算被测铜排4两端的电压，公式如下：

                        (1)

式中，V_S为被测铜排4两端的电压，V₁为第一电压采样模块3的输出电压；

计算电流采样电阻R两端的电压，公式如下：

             (2)

式中，V_R为电流采样电阻R两端的电压，V₂为第二电压采样模块5的输出电压；

计算流过被测铜排4的电流I_S，公式如下：

                           (3)

式中，I_R为流过采样电阻R的电流；

计算被测铜排4的接触电阻，公式如下：

                              (4)

式中，R_S为被测铜排4两端的电阻。

本实施例给出了计算被测铜排4接触电阻的一种技术方案。被测铜排4接触电阻的计算是基于图2所示的电路进行的。计算过程包括：首先计算被测铜排4两端的电压V_S，然后计算流过被测铜排4的电流I_S，最后由R_S=V_S/I_S计算被测铜排4的接触电阻。

可根据并联在被测铜排4两端的R₁、R₂、E₁及V₁的电路关系计算被测铜排4两端的电压V_S。V_S等于V₁减去R₂两端的电压，而R₂两端的电压等于流过R₂的电流（E₁-V₁）/R₁乘以R₂，从而得到V_S=V₁-R₂（E₁-V₁）/R₁。整理后得到公式（1）。

流过被测铜排4的电流I_S等于流过电流采样电阻R的电流I_R，即I_S=I_R。I_R可通过求R两端的电压V_R除以R得到。V_R可根据并联在R_S和R串联支路两端的R₃、R₄、E₂及V₂的电路关系进行计算，V_R等于V₂减去R₄两端的电压再减去V_S，R₄两端的电压等于流过R₄的电流（E₂-V₂）/R₃乘以R₄，从而得到V_R=V₂-R₄（E₂-V₂）/R₃-V_S。整理后得到公式（2）、（3）。

有了V_S、I_S，最后由R_S=V_S/I_S即公式（4）计算被测铜排4的接触电阻。

作为一可选实施例，R₁=R₃，R₂=R₄，R₁=10R₂，E₁=E₂，R_S为：

。

本实施例是上一实施例的一种具体应用。本实施例中，第一电压采样模块3和第二电压采样模块5采用完全相同的电路结构，即R₁=R₃，R₂=R₄，E₁=E₂，且R₁=10R₂。将上述各参数具体的关系式代入式（1）~（4）并化简后得到R_S的简化表达式。

作为一可选实施例，所述测量模块2包括两路依次连接的光耦隔离器、电压放大器和A/D转换器。

本实施例给出了测量模块2的一种技术方案。本实施例的测量模块2主要由光耦隔离器、电压放大器和A/D转换器组成。光耦隔离器主要用于高压隔离，防止后面的低压电路如A/D转换器和中央处理单元1等被损坏。电压放大器用于对采样的电压信号进行放大。A/D转换器用于将模拟电压信号转换成中央处理单元1能够处理的数字信号。由于需要对两个电压采样模块的输出电压进行处理，因此需要设置两路均由光耦隔离器、电压放大器和A/D转换器组成的测量通道。值得说明的是，A/D转换器可以复用，即两路放大器的输出通过连接二选一模拟开关共用一个A/D转换器；有时也可利用中央处理单元1内部的A/D转换器。

作为一可选实施例，如果被测铜排4的接触电阻超过设定的阈值，发出报警提示。

本实施例给出了一种报警提示的技术方案。铜排的接触电阻过大时，一方面因铜排上压降过大影响电路正常工作；另一方面因发热可能会损坏电路或铜排本身。因此，当检测到铜排的接触电阻超过设定的阈值时，发出报警提示信号，提醒工作人员及时做出处理。

作为一可选实施例，所述系统还包括与中央处理单元1相连的显示器。

本实施例还设置了与中央处理单元1相连的显示器。通过显示器可以实时显示被测铜排4的监测数据和接触电阻测量结果。

图3为本发明实施例一种应用所述系统进行铜排电性能检测的方法的流程图，所述方法包括以下步骤：

步骤101，实时获取第一电压采样模块3的输出电压；

步骤102，实时获取第二电压采样模块5的输出电压；

步骤103，基于第一电压采样模块3和第二电压采样模块5的输出电压计算被测铜排4的接触电阻。

本实施例的方法，与图1所示装置实施例的技术方案相比，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种铜排电性能自动检测系统，其特征在于，包括：被测铜排，与被测铜排串联的电流采样模块，与被测铜排并联的第一电压采样模块，与被测铜排和电流采样模块串联支路并联的第二电压采样模块，与第一电压采样模块和第二电压采样模块的输出端相连的测量模块，与测量模块相连的中央处理单元；第一电压采样模块和第二电压采样模块均为输出正极性直流电压的有源电阻串联分压电路；中央处理单元根据第一电压采样模块和第二电压采样模块的输出电压计算被测铜排的接触电阻；

所述电流采样模块为一电流采样电阻R；

所述第一电压采样模块包括两个串联电阻R₁、R₂和一直流电源E₁，E₁的负极与被测铜排的一端相连并接地，第一电压采样模块的输出端为R₁、R₂的连接点，R₁、R₂和E₁串联后并联在被测铜排两端，第一电压采样模块的输出电压V₁从R₁、R₂的连接点引出，经测量模块后送至中央处理单元；

所述第二电压采样模块包括两个串联电阻R₃、R₄和一直流电源E₂，E₂的负极与被测铜排的一端相连并接地，第二电压采样模块的输出端为R₃、R₄的连接点，R₃、R₄和E₂串联后并联在R_S与电流采样模块的串联支路两端；

所述根据第一电压采样模块和第二电压采样模块的输出电压计算被测铜排的接触电阻，具体包括：

根据第一电压采样模块的输出电压计算被测铜排两端的电压，公式如下：

式中，V_S为被测铜排两端的电压，V₁为第一电压采样模块的输出电压；

计算电流采样电阻R两端的电压，公式如下：

式中，V_R为电流采样电阻R两端的电压，V₂为第二电压采样模块的输出电压；

计算流过被测铜排的电流I_S，公式如下：

式中，I_R为流过采样电阻R的电流；

计算被测铜排的接触电阻，公式如下：

式中，R_S为被测铜排两端的电阻；

R₁＝R₃，R₂＝R₄，R₁＝10R₂，E₁＝E₂，R_S为：

2.根据权利要求1所述的铜排电性能自动检测系统，其特征在于，所述测量模块包括两路依次连接的光耦隔离器、电压放大器和A/D转换器。

3.根据权利要求1所述的铜排电性能自动检测系统，其特征在于，如果被测铜排的接触电阻超过设定的阈值，发出报警提示。

4.根据权利要求1所述的铜排电性能自动检测系统，其特征在于，所述系统还包括与中央处理单元相连的显示器。

5.一种应用权利要求1所述系统进行铜排电性能检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

实时获取第一电压采样模块的输出电压；

实时获取第二电压采样模块的输出电压；

基于第一电压采样模块和第二电压采样模块的输出电压计算被测铜排的接触电阻。

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