CN116466128A - 用于输电线路电压近端测量的mems电压传感器及测量方法 - Google Patents
用于输电线路电压近端测量的mems电压传感器及测量方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116466128A CN116466128A CN202310430039.6A CN202310430039A CN116466128A CN 116466128 A CN116466128 A CN 116466128A CN 202310430039 A CN202310430039 A CN 202310430039A CN 116466128 A CN116466128 A CN 116466128A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- mems
- electric field
- electrode
- voltage
- transmission line
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 title claims abstract description 62
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 46
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 title claims description 5
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 90
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 47
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims abstract description 36
- 238000013461 design Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 21
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 17
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 16
- 244000126211 Hericium coralloides Species 0.000 claims description 15
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 13
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 claims description 12
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 7
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 6
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 6
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims 1
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 11
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 4
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 4
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 2
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- QVFWZNCVPCJQOP-UHFFFAOYSA-N chloralodol Chemical compound CC(O)(C)CC(C)OC(O)C(Cl)(Cl)Cl QVFWZNCVPCJQOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000005290 field theory Methods 0.000 description 1
- -1 foreign matters Substances 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 description 1
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
- G01R19/25—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof using digital measurement techniques
- G01R19/2503—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof using digital measurement techniques for measuring voltage only, e.g. digital volt meters (DVM's)
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
- B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R1/00—Details of instruments or arrangements of the types included in groups G01R5/00 - G01R13/00 and G01R31/00
- G01R1/02—General constructional details
- G01R1/04—Housings; Supporting members; Arrangements of terminals
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R1/00—Details of instruments or arrangements of the types included in groups G01R5/00 - G01R13/00 and G01R31/00
- G01R1/30—Structural combination of electric measuring instruments with basic electronic circuits, e.g. with amplifier
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
Abstract
本发明属于传感与量测技术领域，公开一种用于输电线路电压近端测量的MEMS电压传感器及测量方法；MEMS电压传感器包括壳体以及安装在壳体内的金属感应电极和MEMS电场敏感器件；所述壳体包括上壳体和下壳体；上壳体和下壳体相对的一面各设有一个半圆孔，上壳体和下壳体合在一起时两个半圆孔合成一个圆孔，所述圆孔的直径大于待测输电导线的直径；所述金属感应电极为一个半圆形金属薄片，所述半圆形金属薄片固定在上壳体的半圆孔上；所述MEMS电场敏感器件设置于下壳体中；金属感应电极通过屏蔽电缆连接所述MEMS电场敏感器件。本发明为一种非侵入式电压传感器，整体结构设计现场容易安装，方便大量部署，迅速实现电能质量监测、线路故障监测等业务的部署、接入。
Description
技术领域
本发明属于传感与量测技术领域，特别涉及一种用于输电线路电压近端测量的MEMS电压传感器及测量方法。
背景技术
随着新型电力系统的建设，以及能源互联网数字孪生搭建，需要更多电网运行数据和异常状态数据实现电网安全态势的分析、评估，这对输电线路运行参数和故障状态开展高频次采集变得越来越重要。现有的电压互感器弊端开始突出，体积庞大、设备及安装成本高昂、磁滞效应及运行功耗等制约着在电网实现大量部署。
随着电力系统传输的电力容量不断增大，电网运行电压等级越来越高，现代化电网面向智能化、微型化、集成化方面的发展趋势，急需新型的电力设备测量技术和测量方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于输电线路电压近端测量的MEMS电压传感器及测量方法，以解决现有电压互感器体积庞大、磁滞效应及运行功耗高等制约着在电网实现大量部署的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供用于输电线路电压近端测量的MEMS电压传感器，用于部署在待测输电导线的近端位置进行测量，MEMS电压传感器结构包括卡套在测量导线上的壳体以及安装在壳体内的金属感应电极和MEMS电场敏感器件；
所述壳体包括上壳体和下壳体；上壳体和下壳体相对的一面各设有一个半圆孔，上壳体和下壳体合在一起时两个半圆孔合成一个圆孔，所述圆孔的直径大于待测输电导线的直径；
所述金属感应电极为一个半圆形金属薄片，所述半圆形金属薄片固定在上壳体的半圆孔上；
所述MEMS电场敏感器件设置于下壳体中；金属感应电极通过屏蔽电缆连接所述MEMS电场敏感器件。
本发明进一步的改进在于：所述MEMS电场敏感器件包括间隔设置的第一感应电极、第二感应电极和接地电极；接地电极设置于第一感应电极和第二感应电极之间。
本发明进一步的改进在于：第一感应电极和第二感应电极为齿状结构；接地电极与第一感应电极、第二感应电极对应设计成相应的齿状结构；第一感应电极和第二感应电极为非对称设计，第二感应电极有效面积小于第一感应电极有效面积。
本发明进一步的改进在于：第一感应电极、第二感应电极和接地电极设置于同一平面上。
本发明进一步的改进在于：第一感应电极包括第一长梁和设置在第一长梁上朝向接地电极的若干第一梳齿；第二感应电极包括第二长梁和设置在第二长梁上朝向接地电极的若干第二梳齿；接地电极的一侧对应若干第一梳齿，设置有若干第三梳齿，每个第三梳齿设置于对应第一梳齿的旁侧；接地电极的另一侧对应若干第二梳齿，设置有若干单第四梳齿，第四梳齿设置于对应第二梳齿的旁侧。
本发明进一步的改进在于：第一感应电极、第二感应电极和接地电极构成MEMS敏感芯片；所述MEMS电场敏感器件还包括陶瓷封装腔体和金属封帽；陶瓷封装腔体底部固定有一个或者多个MEMS敏感芯片，陶瓷封装腔体及金属封帽之间采用平行缝焊或回流焊进行密封连接；MEMS敏感芯片的引脚从陶瓷封装腔体的底部伸出。
本发明进一步的改进在于：还包括信号处理电路、主控板和无线通信单元；
信号处理电路包括相互连接的前置放大电路和带通滤波器；前置放大电路包括两路I/V转换电路，所述两路I/V转换电路的输出端连接一个差分电路；
MEMS电场敏感器件包括差分输出的第一输出端和第二输出端；第一输出端和第二输出端经过两路I/V转换电路连接差分电路；差分电路的输出端连接带通滤波器；
带通滤波器的输出端连接主控板；主控板的输出端连接无线通信单元。
本发明进一步的改进在于：带通滤波器使用高通滤波器及低通滤波器串联组成；高通滤波器使用截止频率为20Hz、增益为1的四阶巴特沃斯滤波器，低通滤波器使用截止频率为2kHz、增益为1的四阶巴特沃斯滤波器。
本发明进一步的改进在于：MEMS电场敏感器件、信号处理电路、主控板和无线通信单元封装在不锈钢盒子里，放置在下壳体中；不锈钢盒子一侧有开孔，覆盖有电磁屏蔽用的金属网。
第二方面，本发明提供一种用于输电线路电压近端测量的MEMS电压测量方法，包括：
将上壳体和下壳体紧固在一起，并使待测输电导线穿过上壳体和下壳体之间的圆孔；
处于静电平衡状态的金属感应电极表面由于静电感应原理出现感应电荷；感应电荷通过屏蔽电缆传输MEMS电场敏感器件；MEMS电场敏感器件产生感应电流，感应电流经过I/V变换电路变成电压，电压信号进行放大和滤波，经过AD采集和数字化处理，获得待测输电导线的实时电压信息。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种用于输电线路电压近端测量的MEMS电压传感器及测量方法；本发明基于MEMS器件的电压传感器，主要包括金属感应电极、MEMS电场敏感器件、信号处理电路、主控板、无线通信单元和供电模块。MEMS电场敏感器件基于MEMS敏感芯片封装而成，对电场强度变化敏感，在电场强度变化时MEMS敏感芯片产生感应电流，感应电流经过I/V变换电路变成电压，进行放大和滤波。；输出的电压信号经过AD采集和数字化处理，计算出线路的实时电压信息。本发明设计的非侵入式电压传感器具有重多优点，提出的MEMS电场敏感器件功耗低、体积小、结构稳定、灵敏度高、易于集成、无电机易磨损部件、可靠性高等突出优点，提出的电压传感器整体结构设计现场容易安装，运维成本降低，方便在输电线路上大量部署，迅速实现电能质量监测、线路故障监测等业务的部署、接入，在电力领域中低压配电网络具有广阔的应用前景。
本发明考虑到输电线路的导线都是圆柱形，输电线路电场是以导线为轴的辐射状分布。因此在导线近场附近电场强度非常大。为了便于控制测量电场强度适应MEMS敏感芯片的测量量程，设计了通过金属感应电极构造可控测量电场的间接测量方式，即MEMS电场敏感器件通过屏蔽线连接着一块金属感应电极，通过控制金属感应电极的面积、形状、与导线的距离控制感应电场的大小。
本发明针对输电线路运行电压感知需求提出一种MEMS器件结构和测量系统的设计，研制出基于MEMS电场传感器件和场源逆计算实现对运行电压的非侵入式测量装置，攻克MEMS微米级器件制备、近端电场可测量、微弱感应电流量测等关键技术，实现小型化、低功耗、宽频带的电压参数的测量。
本发明具体包括MEMS敏感芯片，利用MEMS工艺制备在SOI体上硅上加工金属感应电极、接地电极结构，实现了高性能的电场测量；根据输电线路电场分布特点，设计了环形金属电极结构；利用MEMS电场敏感器件感知电场，得到感应电流并设计对应的转换、放大、滤波处理电路；通过电压传感器整体结构的设计，获取测量电场信号的幅值、相位等信息。实现了输电线路电压的非侵入式测量。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明用于输电线路电压近端测量的MEMS电压传感器的整体结构框图；
图2为本发明MEMS敏感芯片的结构示意图；其中，图2(a)为MEMS敏感芯片的梳齿状电极实物加工示意图；图2(b)为MEMS敏感芯片的梳齿状电极理论结构图；
图3为MEMS电场敏感器件的封装示意图；
图4为MEMS电场敏感器件前置放大电路的电路图；
图5为本发明用于输电线路电压近端测量的MEMS电压传感器的卡扣式结构示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
研究结果表明，输电线路在周围环境中产生的电场随着输电线上电压的变化而同步发生变化，源与场之间存在着显著的正相关性，因此可以通过建立场-源物理模型，由在输电线下测量得到的电场数据反演逆推得到输电线上电压。输电线周围空间电场的测量不需要与输电线进行连接，因此可以达到非接触式测量的效果。另外与传统互感器相比，采用微型电场传感器的电场测量方法，可以很大程度的减小传感器的体积和功耗，并能够避免输电线路出现暂态故障时发生高频谐振。但是，现有的基于电场的非侵入式电压测量技术都在远端进行测量，存在测量精度低、受多回线路影响等问题，因为电压测量精度问题致使该技术并没推广应用。
微型电场传感器具有体积小、功耗低、易于安装和集成等方面的优势，采用微型电场传感器进行电场测量具有非常好的应用前景。本发明针对输电线路运行电压感知需求，提出一种用于输电线路电压近端测量的MEMS传感器、测量方法及系统，研制出基于MEMS电场传感器件和场源逆计算实现对运行电压的非侵入式测量装置，攻克MEMS微米级器件制备、近端电场可测量、微弱感应电流量测等关键技术，实现小型化、低功耗、宽频带的电压参数的测量。
实施例1：
请参阅图1所示，本发明一种用于输电线路电压近端测量的MEMS电压传感器，用于挂接在输电导线100上进行电压测量，包括感应电极1、MEMS电场敏感器件2、信号处理电路3、主控板4、无线通信单元5和供电模块6。
MEMS电场敏感器件2是封装了MEMS敏感芯片的独立电路模块，对电场强度变化敏感，在电场强度变化时MEMS敏感芯片产生感应电流，感应电流经过I/V变换电路变成电压，电压信号进入信号处理电路3进行放大和滤波，输出的电压信号进入主控板4经过AD采集和数字化处理，计算出线路的实时电压信息。无线通信单元5完成传感器数据传输，根据调度任务将线路电压数据经无线通信单元5传输给上位机系统。
供电模块6连接MEMS电场敏感器件2、信号处理电路3、主控板4、无线通信单元5，用于向MEMS电场敏感器件2、信号处理电路3、主控板4、无线通信单元5供电。
考虑到输电线路的输电导线100都是圆柱形，输电线路电场是以输电导线100为轴的辐射状分布。因此在导线近场附近电场强度非常大。为了便于控制测量电场强度适应MEMS电场敏感器件2的测量量程，本发明设计了通过金属感应电极1构造可控测量电场的间接测量方式，即MEMS电场敏感器件2通过金属屏蔽线10连接着一块金属感应电极1，金属感应电极1设计成半圆环形，通过控制金属感应电极1的面积、形状、与导线的距离获得需要的感应电场的大小。
当MEMS电压传感器放置在电场强度为E(r,t)的空间中时，在电场的作用下，处于静电平衡状态的金属感应电极1表面将会由于静电感应原理出现感应电荷，电荷量为q。按照高斯定理可知：
其中，A为有效的金属感应电极1感应面积，E(r,t)为空间电场强度，ε0为真空介电常数，dA为感应电极的微元。
当电场强度随着时间变化时，将会导致感应电荷随着也发生变化，因此由式1可知：
将MEMS电场敏感器件2及后面连接的电路标记为电阻Rm，当金属感应电极1与电阻Rm连接起来时，这时变化的感应电荷产生的电流将流过电阻Rm，在其上产生电压V0(t)，构成如下的关系：
由电磁场理论可知，带电导体会在周围空间中形成矢量电场，并且导体的电压和电场存在着量值关系：
其中，为导体的电压，K(r)为电场分布系数。因此，可以获得MEMS电压传感器输出结果与导体的电压之间的关系：
按照上述方法，设计出了基于MEMS电场敏感器件的电压传感器结构、部署安装和系统。下述给出了电压传感器结构中典型的设计实例。
考虑到电场测量与金属感应电极有效耦合面积相关，在设计MEMS敏感芯片结构使采用了梳齿状的第一感应电极21和第二感应电极22，接地电极20与第一感应电极21、第二感应电极22对应设计成相应的齿状结构，一起构成MEMS电场敏感器件2。感应电极另一特征是第一感应电极21与第二感应电极22为非对称设计，即第二感应电极22有效面积小于第一感应电极21，通过感应电极非对称设计提升感应效率。感应电极输出接差分放大电路放大感应电流，有效屏蔽了感知电极产生的共模噪声和外界干扰，获得有效的感应电压差分信号。MEMS电场敏感芯片利用MEMS工艺制备而成，在SOI硅基上通过溅射、刻蚀、对准等工艺流程加工制备，其中第一感应电极21和第二感应电极22和接地电极20在同一平面上。设计的敏感结构最小图形特征尺寸为5μm，选择结构厚度25μm的SOI晶圆，在长梁和梳齿结构连接处嵌入了四分之一圆环结构。
请参阅图2(a)所示，在一具体实施方式中，第一感应电极21包括第一长梁210和设置在第一长梁210上朝向接地电极20的两个第一梳齿211；第二感应电极22包括第二长梁220和设置在第二长梁220上朝向接地电极20的一个第二梳齿221；接地电极20设置在第一感应电极21和第二感应电极22之间，接地电极20的第三长梁200一侧对应两个第一梳齿，设置有两个第三梳齿201，每个第三梳齿设置于对应第一梳齿的旁侧；接地电极20的另一侧对应一个第二梳齿，设置有一个第四梳齿202，第四梳齿设置于对应第二梳齿的旁侧。
请参阅图2(b)所示，在一具体实施方式中，第一感应电极21包括第一长梁和设置在第一长梁上朝向接地电极20的两个第一梳齿；第二感应电极22包括第二长梁和设置在第二长梁上朝向接地电极20的一个第二梳齿；接地电极20设置在第一感应电极21和第二感应电极22之间，接地电极20的一侧对应两个第一梳齿，设置有两个第三梳齿，每个第三梳齿设置于对应第一梳齿的旁侧；接地电极20的另一侧对应一个第二梳齿，设置有一个第四梳齿，第四梳齿设置于对应第二梳齿的旁侧。
请参阅图3所示，MEMS电场敏感器件2的封装结构，包括MEMS敏感芯片23、陶瓷封装腔体24、金属封帽25，陶瓷封装腔体24底部使用导热胶固定3个MEMS敏感芯片23构成并行测量单元，陶瓷封装腔体24及金属封帽25之间采用平行缝焊或回流焊进行连接。封装结构所用的陶瓷封装腔体24及金属封帽25具备优异的强度及致密结构、抗静电特性，焊接牢固可靠，从而实现气密性、抗静电积聚干扰。封装后在实际应用环境条件下，封装腔体内部气压可维持不变。与传统裸露可动部件的电场传感器相比，封装后敏感芯片可避免湿度、灰尘、异物、气压变化等影响，适用于更广泛的应用环境。MEMS敏感芯片23的引脚从陶瓷封装腔体24的底部伸出。
MEMS电场敏感器件2输出的电流只有pA量级，基本被淹没在串扰噪声里面，所以低噪声前置放大电路的设计异常关键。前置放大电路采用对称布板设计方案并采用低噪声精密放大器、精密电阻以及高精度电容，提高了输出信号的信噪比。由于MEMS电场敏感器件2采用差分电路设计方案，所以需要两路I/V转换电路，MEMS电场敏感器件2输出的两路电流i+和i-经过两路I/V转换电路转换为电压信号，后经过差分电路合成一路Vout。本发明设计的信号处理电路3的前置放大电路如图4所示。
为了提高信号的信噪比，I/V转换电路应当尽量选用小偏置电流IB、失调电流IOS以及低失调电压VOS的运放。实际可选用ADI的AD8626作为I/V转换电路。其主要参数为：IB＝0.25pA，IOS＝0.5pA，VOS＝0.05mV，Rf＝4.7MΩ，Cf＝1pF。
信号处理电路3包括前置放大电路和带通滤波器；用于检测工频电场(50Hz)的带通滤波器使用高通滤波器及低通滤波器串联组成。高通滤波器使用截止频率为20Hz、增益为1的四阶巴特沃斯滤波器，低通滤波器使用截止频率为2kHz增益为1的四阶巴特沃斯滤波器。
主控板4包括微处理器(MCU)；微处理器具有Cortex-M内核的STM32F103C8，最高频率可达72MHZ。微处理器通过SPI串行接口与AD转换模块相连。
无线通信单元5的型号为SX1278ZTR4，频段410-525MHz，发射功率19±1dBm(max)，有效通讯距离5Km@250bps，采用LoRa调制方式，支持硬件跳频(FHSS)，低功耗接收电流≤13mA；睡眠电流≤2uA。无线通信单元5利用RS485接口与微处理器相连。
实施例2：
请参阅图5所示，本发明一种用于输电线路电压近端测量的MEMS电压传感器在实施例1的基础上，还包括上壳体101和下壳体102；上壳体101和下壳体102相对的一面各设有一个半圆孔，上壳体101和下壳体102为聚氯乙烯材料，由固定螺栓103安装在一起，固定在一起后两个半圆孔合成一个圆孔，圆孔尺寸由穿过的输电导线100的直径确定。在圆孔的周围围绕着一个半圆形金属薄片，作为金属感应电极1，MEMS电场敏感器件2的第一感应电极21和第二感应电极22与半圆形金属薄片通过屏蔽电缆10连接起来。半圆形金属薄片的宽度由MEMS电场敏感器件2的测量范围、分辨率特性通过试验测试的方式确定，保证输出电压在V级。MEMS电场敏感器件2、信号处理电路3、主控板4、无线通信单元5和供电模块6封装在不锈钢盒子里，放置在下壳体102中。不锈钢盒子一侧有开孔，覆盖有电磁屏蔽用的金属网，起着屏蔽电场和发射无线信号的作用。在传感器使用时，可以让输电导线100穿过传感器的圆孔，从而将传感器挂装在待测量的输电导线100上；半圆形金属薄片通过屏蔽电缆10连接MEMS电场敏感器件2，通过固定螺栓103便可以将上壳体101和下壳体102紧固且挂在待测输电导线100上。传感器测得的数据将通过无线通信发送到上位机接收平台，获得输电线路的运行电压。
实施例3
本发明还提供一种用于输电线路电压近端测量的MEMS电压测量方法，包括：
将上壳体101和下壳体102紧固在一起，并使待测输电导线100穿过上壳体101和下壳体102之间的圆孔；
处于静电平衡状态的金属感应电极1表面由于静电感应原理出现感应电荷；感应电荷通过屏蔽电缆10传输MEMS电场敏感器件2；MEMS电场敏感器件2产生感应电流，感应电流经过I/V变换电路变成电压，电压信号进行放大和滤波，经过AD采集和数字化处理，获得待测输电导线100的实时电压信息。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (10)
1.用于输电线路电压近端测量的MEMS电压传感器，其特征在于，用于部署在待测输电导线(100)的近端位置进行测量，MEMS电压传感器包括卡套在测量导线上的壳体以及安装在壳体内的金属感应电极(1)和MEMS电场敏感器件(2)；
所述壳体包括上壳体(101)和下壳体(102)；上壳体(101)和下壳体(102)相对的一面各设有一个半圆孔，上壳体(101)和下壳体(102)合在一起时两个半圆孔合成一个圆孔，所述圆孔的直径大于待测输电导线(100)的直径；
所述金属感应电极(1)为一个半圆形金属薄片，所述半圆形金属薄片固定在上壳体(101)的半圆孔上；
所述MEMS电场敏感器件(2)设置于下壳体(102)中；金属感应电极(1)通过屏蔽电缆(10)连接所述MEMS电场敏感器件(2)。
2.根据权利要求1所述的用于输电线路电压近端测量的MEMS电压传感器，其特征在于，所述MEMS电场敏感器件(2)包括间隔设置的第一感应电极(21)、第二感应电极(22)和接地电极(20)；接地电极(20)设置于第一感应电极(21)和第二感应电极(22)之间。
3.根据权利要求2所述的用于输电线路电压近端测量的MEMS电压传感器，其特征在于，第一感应电极(21)和第二感应电极(22)为齿状结构；接地电极(20)与第一感应电极(21)、第二感应电极(22)对应设计成相应的齿状结构；第一感应电极(21)和第二感应电极(22)为非对称设计，第二感应电极(22)有效面积小于第一感应电极(21)有效面积。
4.根据权利要求2所述的用于输电线路电压近端测量的MEMS电压传感器，其特征在于，第一感应电极(21)、第二感应电极(22)和接地电极(20)设置于同一平面上。
5.根据权利要求2所述的用于输电线路电压近端测量的MEMS电压传感器，其特征在于，第一感应电极(21)包括第一长梁和设置在第一长梁上朝向接地电极(20)的若干第一梳齿；第二感应电极(22)包括第二长梁和设置在第二长梁上朝向接地电极(20)的若干第二梳齿；接地电极(20)的一侧对应若干第一梳齿，设置有若干第三梳齿，每个第三梳齿设置于对应第一梳齿的旁侧；接地电极(20)的另一侧对应若干第二梳齿，设置有若干单第四梳齿，第四梳齿设置于对应第二梳齿的旁侧。
6.根据权利要求2所述的用于输电线路电压近端测量的MEMS电压传感器，其特征在于，第一感应电极(21)、第二感应电极(22)和接地电极(20)构成MEMS敏感芯片(23)；所述MEMS电场敏感器件(2)还包括陶瓷封装腔体(24)和金属封帽(25)；陶瓷封装腔体(24)底部固定有一个或者多个MEMS敏感芯片(23)，陶瓷封装腔体(24)及金属封帽(25)之间采用平行缝焊或回流焊进行密封连接；MEMS敏感芯片(23)的引脚从陶瓷封装腔体(24)的底部伸出。
7.根据权利要求1所述的用于输电线路电压近端测量的MEMS电压传感器，其特征在于，还包括信号处理电路(3)、主控板(4)和无线通信单元(5)；
信号处理电路(3)包括相互连接的前置放大电路和带通滤波器；前置放大电路包括两路I/V转换电路，所述两路I/V转换电路的输出端连接一个差分电路；
MEMS电场敏感器件(2)包括差分输出的第一输出端和第二输出端；第一输出端和第二输出端经过两路I/V转换电路连接差分电路；差分电路的输出端连接带通滤波器；
带通滤波器的输出端连接主控板(4)；主控板(4)的输出端连接无线通信单元(5)。
8.根据权利要求7所述的用于输电线路电压近端测量的MEMS电压传感器，其特征在于，带通滤波器使用高通滤波器及低通滤波器串联组成；高通滤波器使用截止频率为20Hz、增益为1的四阶巴特沃斯滤波器，低通滤波器使用截止频率为2kHz、增益为1的四阶巴特沃斯滤波器。
9.根据权利要求7所述的用于输电线路电压近端测量的MEMS电压传感器，其特征在于，MEMS电场敏感器件(2)、信号处理电路(3)、主控板(4)和无线通信单元(5)封装在不锈钢盒子里，放置在下壳体(102)中；不锈钢盒子一侧有开孔，覆盖有电磁屏蔽用的金属网。
10.用于输电线路电压近端测量的MEMS电压测量方法，其特征在于，基于权利要求1至9中任一项所述的用于输电线路电压近端测量的MEMS电压传感器，包括：
将上壳体(101)和下壳体(102)紧固在一起，并使待测输电导线(100)穿过上壳体(101)和下壳体(102)之间的圆孔；
处于静电平衡状态的金属感应电极(1)表面由于静电感应原理出现感应电荷；感应电荷通过屏蔽电缆(10)传输MEMS电场敏感器件(2)；MEMS电场敏感器件(2)产生感应电流，感应电流经过I/V变换电路变成电压，电压信号进行放大和滤波，经过AD采集和数字化处理，获得待测输电导线(100)的实时电压信息。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310430039.6A CN116466128A (zh) | 2023-04-20 | 2023-04-20 | 用于输电线路电压近端测量的mems电压传感器及测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310430039.6A CN116466128A (zh) | 2023-04-20 | 2023-04-20 | 用于输电线路电压近端测量的mems电压传感器及测量方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116466128A true CN116466128A (zh) | 2023-07-21 |
Family
ID=87181954
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310430039.6A Pending CN116466128A (zh) | 2023-04-20 | 2023-04-20 | 用于输电线路电压近端测量的mems电压传感器及测量方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116466128A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117330817A (zh) * | 2023-12-01 | 2024-01-02 | 云南电网有限责任公司 | 二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法及系统 |
-
2023
- 2023-04-20 CN CN202310430039.6A patent/CN116466128A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117330817A (zh) * | 2023-12-01 | 2024-01-02 | 云南电网有限责任公司 | 二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法及系统 |
| CN117330817B (zh) * | 2023-12-01 | 2024-04-19 | 云南电网有限责任公司 | 二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法及系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7141968B2 (en) | Integrated sensor system for measuring electric and/or magnetic field vector components | |
| CN100429523C (zh) | 用于电容膜片式传感器的接口、设备和测量电流差值方法 | |
| CN111983280B (zh) | 磁场聚集组件、非接触式泄漏电流测量装置及测量方法 | |
| CN116466128A (zh) | 用于输电线路电压近端测量的mems电压传感器及测量方法 | |
| US20110148393A1 (en) | System and device for measuring voltage in a conductor | |
| CN107132445A (zh) | 一种交直流避雷器实时在线监测装置 | |
| US11041915B2 (en) | Disturbance detecting current sensor | |
| CN100454028C (zh) | 阻抗检测电路及其方法 | |
| CN208270204U (zh) | 一种基于静电感应原理的风力发电齿轮箱磨损在线监测系统 | |
| WO2023056828A1 (zh) | 一种电流传感器 | |
| SE507933C2 (sv) | Förfarande, anordning och sensor för att kapacitivt detektera fält och spänning samt användning därav | |
| CN102156214B (zh) | 一种双光路泄漏电流光纤传感器装置 | |
| KR20040040456A (ko) | 임피던스 검출 회로 | |
| CN209264895U (zh) | 开关柜局部放电监测装置 | |
| CN114384334B (zh) | 一种无线传输的静电场在线监测装置及无线监控系统 | |
| CN116047351A (zh) | 一种新型可调开合式电力设备漏电流检测装置 | |
| CN106908860A (zh) | 一种雷电预警系统 | |
| CN101819060A (zh) | 一种振动传感器 | |
| RU2318183C1 (ru) | Устройство для измерения воздушного зазора | |
| CN210005707U (zh) | 一种微型高灵敏度磁电速度机 | |
| EP2786483A1 (en) | Turbine meter pre-scaling terminal block electronics | |
| CN1108512C (zh) | 水下位移测量方法及其测量装置 | |
| Donnal et al. | “Stethoscopes” for nonintrusive monitoring | |
| JPH03204097A (ja) | 電極アレー | |
| JP2003075486A (ja) | インピーダンス検出回路及び静電容量検出回路とその方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |