CN117330817B - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了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，涉及电位测量技术领域，包括，通过解调电路对弱交流电流调制信号进行解调，将弱交流电流调制信号放大输出稳定、放大的可测电压信号，将电压信号经过噪声处理，得到稳定的直流电压信号；直流电压信号输入至综合运算模块进行分析处理；采用微型传感器测量信息，输入至综合运算模块分析修正测量电位结果，测量结果输出至通信模块对外输出；将设备进行封装，形成电位采集“探头”、电位测量“单元”，电位测量“单元”支持多个电位采集“探头”接入。本发明消除了传统驱动结构存在的机械摩擦，长时间运行下功耗低于其它驱动方式，其稳定性更高，也降低运维成本。
Description
技术领域
本发明涉及电位测量技术领域，尤其涉及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。
背景技术
电力系统厂站内的二次系统起到对一次设备工况进行监视、控制、调节和保护的作用，二次直流回路是二次系统的重要组成部分，作为联系一、二次设备的信息“桥梁”，承担传输二次设备监视、控制、调节和保护信号与指令的任务。当二次直流回路出现虚接、断线或错接等缺陷时，将无法正确可靠传输相应的信号和指令，导致测控、继电保护、安全自动装置等二次设备和断路器误动、拒动，造成一次设备严重损毁，甚至造成人身事故、电力系统大面积停电等极其严重的后果。二次直流回路各个节点的电位作为回路运行状态的直接表征，是回路运行状态监视、故障及缺陷处置的基本依据，测量二次直流回路的电位是实现二次直流回路虚接、断线和错接等缺陷引起预警和分析处置的必要手段。目前，二次直流回路电位主要采用万用表进行测量，该方法需要测量元件（表笔）与被测位置有良好的电气接触，测量过程中容易发生表计档位错误、人员误碰、寄生回路等引发的直流短路、接地以及人员触电，同时，不便于开展实时监测。因此，通过非接触式的方式实现二次回路直流电位测量是有效解决方案。
随着高压直流输电工程的建设与应用，非接触式测量直流电位的技术研究与工程实践逐渐引起关注。目前，非接触式测量直流电位的方法主要有三种：一是冲击电流法（也称探针法）。利用在强直流电场中置入测量探针瞬间感应产生的冲击电流获取电场强度，2002年，Harland C J等学者在期刊《Applied Physics Letters》发表论文介绍了具体的测量方法。该方法测量结果易受静电干扰影响，误差表现不稳定，工程实践中已较少应用。二是光电效应法。利用特殊晶体材料在不同电场中光的传输特性变化以测量电场强度，常见的有泡克耳效应和磁光科尔效应。比较典型的，2007年，Cecelja F等学者在期刊《Measurement》发表了相关研究成果。该方法材料昂贵，同时易受外界温度或者振动干扰，长期运行稳定性和可靠性差。上述两种方法应用和报道大多出现在高压直流输电发展早期，现已较少应用。三是变电容法。该方法通过某种特殊处理方式在静态直流电场中产生动态变化电容，通过对变化电容测量或是测量电容变化产生的电流，从而测量得到直流电场强度，进而测出直流电位。常见的产生变化电容的处理方式有场磨式传感器、变容二极管的场控效应传感器、压电器件的逆压电效应传感器等。该方法可实现较高灵敏度测量，传感器体积较小，抗干扰能力更强，同时更为经济，具有很好地应用前景。
申请号202310430039.6 的专利公开了一种利用MEMS电压传感器进行输电线路电压测量的方法，该方法采用梳齿形驱动结构，驱动屏蔽电极横向振动，改变与感应电极的投影面积，引起感应电极表面电荷改变产生感应电流，实现静电测量。但该方法所采用的梳齿形驱动结构易磨损，难以满足长时间（12年以上）持续使用要求，改变屏蔽面积方式来获取变化电容，在弱场强的工况下测量精度不及预期，采用不锈钢盒子封装测量、处理、通信等元器件将导致传感器质量过重、尺寸偏大，同时，简单采用封装解决灰尘、湿度等问题的方法只能解决敏感芯片受环境影响问题，仍有部分电场暴露在环境中且可能导致散热性能差。
申请号202210425080.X的专利公开了一种电线直流电压的非接触测量装置及方法，该方法基于压电器件的逆压电效应实现电线直流电压非接触测量，期望通过取消测量元器件的机械振动结构以达到减少元器件功耗、缩小体积、提高精度的目的，但未明确描述设备体积和精度情况。
上述方法未深度考虑复杂电磁环境抗干扰、体积小型化、轻质化以及弱电场的精准测量问题，在高压一次测量场景下，对上述性能要求不高时，具有一定的使用前景，但很难适用于二次直流回路电位测量场景。
适用于二次直流回路电位的非接触式智能测量技术研究刚刚兴起，申请号202211136966.9的专利公开了一种硬压板非接触式直流电场测量方法和装置，该方法以变容二极管的势垒电容变化为特征进行二次回路引线表面电场的测定，能够较为准确地实现保护屏柜压板端子电位的测量，基于测量得到的电位解决保护屏柜压板状态识别的问题，对测量二次直流回路电位具有较强的工程指导价值。
但是，二次直流回路分布范围广（如保护屏、端子箱、汇控柜等均有分布），既有在保护小室内的部分又有在户外高压开关场的部分，所处环境复杂、运行工况恶劣，通常测量器件安装空间狭窄、运行环境交直流电磁场耦合影响严重、温湿度及气压变化大，工程应用上，还要求测量器件具备高测量精度和长时间稳定运行的性能，因此，需要解决以下问题：
（1）具有高测量精度。
（2）小型化及轻量化。
（3）具备强抗电磁干扰能力。
（4）具备温湿度、气压广谱适应性。通常，室内运行环境较好，温湿度及气压不会发生大范围波动（如保护屏柜内部二次直流回路电位测量场合），但户外开关场的端子箱和汇控柜内温度、湿度和气压变化较大，上述气候参数会显著影响空气相对介电系数，进而影响电容量测量，要求测量元器件具有对温湿度、气压的广谱适应性。
能满足较长时间稳定运行要求。测量元器件实时采集二次回路电位，实现二次回路状态实时监测，应具备长时间稳定运行能力，避免高故障损坏率导致设备运维工作量增加。
发明内容
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明提供了二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法，可以解决传统技术中被测对象电场强度弱，高精度测量困难的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案，二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法，包括：
通过解调电路对弱交流电流调制信号进行解调，将弱交流电流调制信号经过三运放差分放大器放大输出稳定、放大的可测电位信号，将电位信号经过相敏检测器剔除非驱动频率的噪声信号，剔除噪声后的电位信号经低通滤波器滤除交流信号，得到稳定的直流电位信号；直流电位信号输入至综合运算模块进行分析处理得到被测对象电位；采用微型温湿度、气压传感器测量环境温湿度、气压信息，输入至综合运算模块分析修正测量电位结果，测量结果输出至通信模块对外输出，支持模拟量和数字量两种输出方式；将感应极板、微型洛伦兹力驱动器、三运放差分放大器、相敏检测器、低通滤波器进行封装，形成电位采集“探头”，将综合运算模块、微型温湿度、气压传感器、通信模块进行封装，形成电位测量“单元”，电位测量“单元”支持多个电位采集“探头”接入。
作为本发明所述的二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法的一种优选方案，其中：所述对弱交流电流调制信号进行解调包括，在待测的二次直流回路上安装智能传感器,基于振动电容器调制原理，感应极板与被测带电体的电容在基于洛伦兹力驱动器的驱动下产生交变电容，引起感应极板上电荷周期性变化，在感应极板上采集到交流电流信号。
通过三运放差分放大器，将交流电流信号变成放大的交流电位信号，获得交流电位信号。
交流电位信号通过相敏检测和低通滤波器数据处理后，输出待测二次直流回路的实时电位信号。
通过修正影响电容测量的空气相对介电系数，解决温湿度、气压对测量信号的影响，获取修正后的直流电位信号。
根据智能传感器在电位测量场景中输出电位，结合拟合公式/>对智能传感器实际输出电位进行标定，电位标定后的智能传感器的测量单元的输出电位即为待测量的二次直流回路电位。
作为本发明所述的二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法的一种优选方案，其中：所述对弱交流电流调制信号进行解调包括，基于振动电容调制原理利用后端电信号检测电路对此电信号放大产生电位信号输出，感应极板与待测二次直流回路的距离为：
；
其中，为振动极板处于平衡位置时与待测二次直流回路的距离，/>为感应极板的振动振幅，当基于洛伦兹力的驱动结构选定后，/>、/>可通过测量得到，/>为振动的角频率，/>，/>为驱动结构的振动悬臂梁中通入的交流电频率，/>为时间。
则振动极板上的电容为：；
其中，为空气介电系数，S为振动极板面积。
则感应极板上的感应电流为：
；
其中，U为感应极板与待测二次直流回路表面之间的电势差。
作为本发明所述的二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法的一种优选方案，其中：所述解调包括，振动电容调制电路输出的交流电流信号需要通过运算放大器转换成输出电位，输出电位为：
其中，i（t）为输入的交流电流，R为输入电阻,为反馈电阻，输入电阻R取10/>。
作为本发明所述的二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法的一种优选方案，其中：所述解调还包括，将被测信号和参考信号/>标记为：
；
其中，、/>分别为被测信号和参考信号的幅值，/>分别为被测信号和参考信号的相位，/>为角频率，参考信号/>采用微洛伦兹力驱动器的驱动电源。
被测信号和参考信号同时输入乘法器相乘后，则解调的输出响应信号为：
；
其中，、/>分别为被测信号和参考信号的幅值，/>分别为被测信号和参考信号的相位，/>为角频率。
解调的输出响应信号再经过低通滤波器进行滤波，则将式中的高频交流信号剔除掉，则经过信号解调电路输出的最终电位为：
；
其中，各物理量含义与前述公式定义相同。
作为本发明所述的二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法的一种优选方案，其中：所述综合运算模块分析包括，建立空气介电系数和空气温度、湿度、大气压强之间的关系式，如下所示：
；
式中，为大气压强，/>为空气的相对湿度，/>为摄氏温度，/>由微型温湿度传感器测量得到，P由微型气压传感器测量得到，/>为比例常数，/>为干空气气体常数，/>为水蒸气气体常数，/>为对应环境温度下的饱和水蒸气压强。
修正后的输出电位为：
；
其中，为通过A/D转换器后输出电位，/>为大气压强，/>为空气的相对湿度，/>为摄氏温度，/>为比例常数，/>为干空气气体常数，/>为水蒸气气体常数，为对应环境温度下的饱和水蒸气压强。
作为本发明所述的二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法的一种优选方案，其中：所述测量电位结果包括，测量装置外壳材料的夹层结构单位面积重量为：
；
式中，分别为内层面板、夹芯层、外层面板的材料密度，分别为内层面板、夹芯层、外层面板的厚度。
测量装置外壳材料的电磁屏蔽效能计算公式：
；
式中，为真空磁导率，/>为真空电导率，/>为材料的体积电导率，分别为内层面板、夹芯层、外层面板的厚度，c为材料的厚度。
利用拉格朗日乘数法，构建拉格朗日函数，将内层面板、夹心层、外层面板厚度作为变量，求取在满足强度、刚度和电磁屏蔽效能的约束条件下，使得测量装置外壳重量W最小，构建的拉格朗日函数为：
；
其中，为拉格朗日乘数，/>为内层面板、外层面板材料的弹性模量参数，/>为剪切模量参数，/>为外壳弯曲刚度初始参数，/>为外壳扭转刚度初始参数，/>为材料最小电磁屏蔽效能，取58dB。
本发明的另外一个目的是提供二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化系统，其能通过实现二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法，解决现有技术中无法解决的问题。
作为本发明所述的二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化系统的一种优选方案，其中：所述系统包括，指令采集单元，用于采集系统发出的指令；系统逻辑单元，用于搭载系统标定规则和系统控制逻辑；数据处理单元，用于对指令中或系统程序中的数据进行处理；数据存储单元，用于对采集、计算以及驱动阶段的指令及操作进行存储；数据主控台，对于程序控制的全过程进行跟踪处理。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法的步骤。
本发明的有益效果：本发明方法基于洛伦兹力的电磁驱动的振动电容式测量装置具备电磁驱动具备响应快、驱动电位低、驱动力和驱动位移大等特点，消除了传统驱动结构存在的机械摩擦，因此长时间运行下基于洛伦兹力的磁驱结构测量装置的功耗低于其它驱动方式，其稳定性更高，也降低运维成本。基于振动电容器调制原理，考虑温湿度、气压对测量信号的影响，建立温湿度、气压与空气相对介电系数的计算模型。再通过修正影响电容测量的空气相对介电系数，实现测量元件对温湿度、气压的广谱适应性。基于电磁屏蔽原理，采用高屏蔽效能的复合材料作为屏蔽层将测量元件与待测低压二次直流回路包封起来，处于同一电场空间并将屏蔽层接地，从而有效地抑制和削弱外部电磁场及相邻带电间隔的长时干扰，提高测量精度。信号解调电路中采用运算放大器为三运放差分放大器，具有高增益、高输入阻抗和高共摸抑制比的特点，从而使得测量装置具有高精度、测量回路强抗干扰能力。信号解调电路中采用相敏检测技术，具有响应速度快、频率响应特性良好、抗电磁干扰能力强、测量准确率高和使用安全性高等突出优势。利用试验数据线性拟合结果对输出电位进行标定，实现智能传感器最终输出电位为待测二次直流回路电位，实现了传感器的测量相对误差小于1%，提高了测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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它的附图。
图1为本发明一个实施例提供的二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法流程示意图。
图2为本发明一个实施例提供的二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法的振动电容式测量装置原理图。
图3为本发明一个实施例提供的二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法的三运放差分放大器原理图。
图4为本发明一个实施例提供的二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法的相敏检测原理示意图。
图5为本发明一个实施例提供的二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法的试验数据拟合曲线示意图。
图6为本发明一个实施例提供的二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法智能传感器测量的相对误差示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
参照图1-图6，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法，包括：
S1：通过解调电路对弱交流电流调制信号进行解调，将弱交流电流调制信号经过三运放差分放大器放大输出稳定、放大的可测电位信号，将电位信号经过相敏检测器剔除非驱动频率的噪声信号，剔除噪声后的电位信号经低通滤波器滤除交流信号，得到稳定的直流电位信号。
所述对弱交流电流调制信号进行解调包括，在待测的二次直流回路上安装智能传感器,基于振动电容器调制原理，感应极板与被测带电体的电容在基于洛伦兹力驱动器的驱动下产生交变电容，引起感应极板上电荷周期性变化，在感应极板上采集到交流电流信号。
通过三运放差分放大器，将交流电流信号变成放大的交流电位信号，获得交流电位信号。
交流电位信号通过相敏检测和低通滤波器数据处理后，输出待测二次直流回路的实时电位信号。
通过修正影响电容测量的空气相对介电系数，解决温湿度、气压对测量信号的影响，获取修正后的直流电位信号。
根据智能传感器在电位测量场景中输出电位，结合拟合公式/>对智能传感器实际输出电位进行标定，电位标定后的智能传感器的测量单元的输出电位即为待测量的二次直流回路电位。
所述对弱交流电流调制信号进行解调包括，基于振动电容调制原理利用后端电信号检测电路对此电信号放大产生电位信号输出，感应极板与待测二次直流回路的距离为：
；
其中，为振动极板处于平衡位置时与待测二次直流回路的距离，/>为感应极板的振动振幅，当基于洛伦兹力的驱动结构选定后，/>、/>可通过测量得到，/>为振动的角频率，/>，/>为驱动结构的振动悬臂梁中通入的交流电频率，/>为时间。
则振动极板上的电容为：；
其中，为空气介电系数，S为振动极板面积。
则感应极板上的感应电流为：
；
其中，U为感应极板与待测二次直流回路表面之间的电势差。
所述解调包括，振动电容调制电路输出的交流电流信号需要通过运算放大器转换成输出电位，输出电位为：
其中，i（t）为输入的交流电流，R为输入电阻,为反馈电阻，输入电阻R取10/>，A1,A2,A3组成三运放差分放大器，A1,A2,A3为运算放大器，运放A1和A2构成第Ⅰ级运算放大器，主要用来提高整个放大电路的输入阻抗，运放A3构成第Ⅱ级差分运算放大器，采用差动电路用以提高共摸抑制比。
所述解调还包括，将被测信号和参考信号/>标记为：
；
其中，、/>分别为被测信号和参考信号的幅值，/>分别为被测信号和参考信号的相位，/>为角频率，参考信号/>采用微洛伦兹力驱动器的驱动电源。
被测信号和参考信号同时输入乘法器相乘后，则解调的输出响应信号为：
；
其中，、/>分别为被测信号和参考信号的幅值，/>分别为被测信号和参考信号的相位，/>为角频率。
解调的输出响应信号再经过低通滤波器进行滤波，则将式中的高频交流信号剔除掉，则经过信号解调电路输出的最终电位为：
；
其中，各物理量含义与前述公式定义相同。
S2：直流电位信号输入至综合运算模块进行分析处理得到被测对象电位。
S3：采用微型温湿度、气压传感器测量环境温湿度、气压信息，输入至综合运算模块分析修正测量电位结果，测量结果输出至通信模块对外输出，支持模拟量和数字量两种输出方式。
所述综合运算模块分析包括，建立空气介电系数和空气温度、湿度、大气压强之间的关系式，如下所示：
；
式中，为大气压强，/>为空气的相对湿度，/>为摄氏温度，/>由微型温湿度传感器测量得到，P由微型气压传感器测量得到，/>为比例常数，/>为干空气气体常数，/>为水蒸气气体常数，/>为对应环境温度下的饱和水蒸气压强。
修正后的输出电位为：
；
其中，为通过A/D转换器后输出电位，/>为大气压强，/>为空气的相对湿度，/>为摄氏温度，/>为比例常数，/>为干空气气体常数，/>为水蒸气气体常数，为对应环境温度下的饱和水蒸气压强。/>
所述测量电位结果包括，测量装置外壳材料的夹层结构单位面积重量为：
；
式中，分别为内层面板、夹芯层、外层面板的材料密度，分别为内层面板、夹芯层、外层面板的厚度。
测量装置外壳材料的电磁屏蔽效能计算公式：
；
式中，为真空磁导率，/>为真空电导率，/>为材料的体积电导率，分别为内层面板、夹芯层、外层面板的厚度，c为材料的厚度。
利用拉格朗日乘数法，构建拉格朗日函数，将内层面板、夹心层、外层面板厚度作为变量，求取在满足强度、刚度和电磁屏蔽效能的约束条件下，使得测量装置外壳重量W最小，构建的拉格朗日函数为：
；
其中，为拉格朗日乘数，/>为内层面板、外层面板材料的弹性模量参数，/>为剪切模量参数，/>为外壳弯曲刚度初始参数，/>为外壳扭转刚度初始参数，/>为材料最小电磁屏蔽效能，取58dB。
公式求解得到，内层面板厚度为0.08mm，夹层厚度为1mm，外层面板厚度为0.5mm，测量装置外壳的长、宽、高分别为3cm、3cm、4cm，测量装置外壳最小重量为9.9g，最大电磁屏蔽效能为63dB。满足了测量装置小型化、轻量化、强抗电磁干扰能力。
S4：将感应极板、微型洛伦兹力驱动器、三运放差分放大器、相敏检测器、低通滤波器进行封装，形成电位采集“探头”，将综合运算模块、微型温湿度、气压传感器、通信模块进行封装，形成电位测量“单元”，电位测量“单元”支持多个电位采集“探头”接入。
实施例2
参考图2，为本发明的第二个实施例，该实施例提供了一种二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化系统，其包括指令采集单元，系统逻辑单元，数据处理单元，数据存储单元和数据主控台；所述指令采集单元，用于采集系统发出的指令；所述系统逻辑单元，用于搭载系统标定规则和系统控制逻辑；所述数据处理单元，用于对指令中或系统程序中的数据进行处理；所述数据存储单元，用于对采集、计算以及驱动阶段的指令及操作进行存储；所述数据主控台，对于程序控制的全过程进行跟踪处理。
实施例3
本发明第三个实施例，其不同于前两个实施例的是：
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，RandomAccess Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
实施例4
参照图5，本发明通过试验，将智能传感器探头固定到待测的二次直流回路上，改变二次直流回路的电位，电位变化范围为-220V到220V，同时记录下智能传感器的电位测量单元的输出电位，在试验过程中，每个测量点均进行五次试验，取五次数据的平均值。试验结果如表1下：
表1 智能传感器线性度试验数据
/>
由试验数据分析可知，智能传感器的输出电位与二次直流回路的电位成正比关系，通过最小二乘法进行拟合，拟合曲线如图5所示，
试验结果的拟合曲线表达式，式中，/>为智能传感器输出电位，/>为二次直流回路电位，k为电压比例系数，k取51.2。
通过智能传感器线性度测试，并利用试验数据线性拟合结果对输出电位进行标定，实现智能传感器最终输出电位为待测二次直流回路电位，提高了测量精度。
实施例5
参照图6，选取未投运变电站二次直流回路，在二次直流回路中安装智能传感器；
通常变二次直流回路电位分别选取±24V,±48V,±110V,±220V，记录下智能传感器的测量值。
对测量结果进行分析对比，并计算出测量的相对误差，相对误差的计算公式：，式中，/>为智能传感器的测量值，/>为待测直流二次回路的实际电位值。
表2 被测二次直流回路测量数据
对试验数据进行分析处理，电位标定后的智能传感器的测量单元能够准确地测量二次直流回路电位，且测量数据的误差小于1%。因此，二次直流回路电位非接触式微型智能传感器测量二次直流回路的电位时测量精度非常高。
应说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法，其特征在于：包括，
通过解调电路对弱交流电流调制信号进行解调，将弱交流电流调制信号经过三运放差分放大器放大输出稳定、放大的可测电位信号，将电位信号经过相敏检测器剔除非驱动频率的噪声信号，剔除噪声后的电位信号经低通滤波器滤除交流信号，得到稳定的直流电位信号；
直流电位信号输入至综合运算模块进行分析处理得到被测对象电位；
采用微型温湿度、气压传感器测量环境温湿度、气压信息，输入至综合运算模块分析修正测量电位结果，测量结果输出至通信模块对外输出，支持模拟量和数字量两种输出方式；
将感应极板、微型洛伦兹力驱动器、三运放差分放大器、相敏检测器、低通滤波器进行封装，形成电位采集“探头”，将综合运算模块、微型温湿度、气压传感器、通信模块进行封装，形成电位测量“单元”，电位测量“单元”支持多个电位采集“探头”接入；
所述对弱交流电流调制信号进行解调包括，在待测的二次直流回路上安装智能传感器，基于振动电容器调制原理，感应极板与被测带电体的电容在基于洛伦兹力驱动器的驱动下产生交变电容，引起感应极板上电荷周期性变化，在感应极板上采集到交流电流信号i(t)；
通过三运放差分放大器，将交流电流信号变成放大的交流电位信号，获得交流电位信号u0(t)；
交流电位信号通过相敏检测和低通滤波器数据处理后，输出待测二次直流回路的实时电位信号u0；
通过修正影响电容测量的空气相对介电系数，解决温湿度、气压对测量信号的影响，获取修正后的直流电位信号u1；
根据智能传感器在电位测量场景中输出电位u1，结合拟合公式u2＝ku1对智能传感器实际输出电位进行标定，电位标定后的智能传感器的测量单元的输出电位即为待测量的二次直流回路电位；其中，k为电压比例系数;
所述综合运算模块分析包括，建立空气介电系数和空气温度、湿度、大气压强之间的关系式，如下所示：
式中，P为大气压强，ψ为空气的相对湿度，t为摄氏温度，ψ、t由微型温湿度传感器测量得到，P由微型气压传感器测量得到，K为比例常数，Rg为干空气气体常数，Rs为水蒸气气体常数，ps为对应环境温度下的饱和水蒸气压强；
修正后的输出电位为：
其中，uout为通过A/D转换器后输出电压，P为大气压强，ψ为空气的相对湿度，t为摄氏温度，K为比例常数，Rg为干空气气体常数，Rs为水蒸气气体常数，ps为对应环境温度下的饱和水蒸气压强。
2.如权利要求1所述的二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法，其特征在于：所述对弱交流电流调制信号进行解调包括，基于振动电容调制原理利用后端电信号检测电路对此电信号放大产生电位信号输出，感应极板与待测二次直流回路的距离为：
d＝d0+Δdsin(ωt)
其中，d0为振动极板处于平衡位置时与待测二次直流回路的距离，Δd为感应极板的振动振幅，当基于洛伦兹力的驱动结构选定后，d0、Δd可通过测量得到，ω为振动的角频率，ω＝2πf，f为驱动结构的振动悬臂梁中通入的交流电频率，t为时间；
则振动极板上的电容为：
其中，ε为空气介电系数，S为振动极板面积；
则感应极板上的感应电流为：
其中，U为感应极板与待测二次直流回路表面之间的电势差。
3.如权利要求2所述的二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法，其特征在于：所述解调包括，振动电容调制电路输出的交流电流信号需要通过运算放大器转换成输出电位，
输出电位为：
其中，i(t)为输入的交流电流，R为输入电阻,R1、R2、R4、R6为反馈电阻，输入电阻R取10MΩ。
4.如权利要求3所述的二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法，其特征在于：所述解调还包括，将被测信号u0(t)和参考信号u1(t)标记为：
u1(t)＝U1 sin(ωt+δ)
其中，U0、U1分别为被测信号和参考信号的幅值，δ分别为被测信号和参考信号的相位，ω为角频率，参考信号u1(t)采用微洛伦兹力驱动器的驱动电源；
被测信号和参考信号同时输入乘法器相乘后，则解调的输出响应信号为：
其中，U0、U1分别为被测信号和参考信号的幅值，δ分别为被测信号和参考信号的相位，ω为角频率；
解调的输出响应信号再经过低通滤波器进行滤波，则将式中的高频交流信号剔除掉，则经过信号解调电路输出的最终电位为：
5.如权利要求4所述的二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法，其特征在于：所述测量电位结果包括，测量装置外壳材料的夹层结构单位面积重量为：
W＝ρ1d1+ρ2d2+ρ3d3
式中，ρ1、ρ2、ρ3分别为内层面板、夹芯层、外层面板的材料密度，d1、d2、d3分别为内层面板、夹芯层、外层面板的厚度；
测量装置外壳材料的电磁屏蔽效能计算公式：
式中，μ0为真空磁导率，ε0为真空电导率，σ为材料的体积电导率，c为材料的厚度c＝d1+d2+d3；
利用拉格朗日乘数法，构建拉格朗日函数，将内层面板、夹心层、外层面板厚度作为变量，求取在满足强度、刚度和电磁屏蔽效能的约束条件下，使得测量装置外壳重量W最小，构建的拉格朗日函数为：
其中，λ1、λ2、λ3为拉格朗日乘数，Ef1、Ef3为内层面板、外层面板材料的弹性模量参数，Gf1、Gf3为剪切模量参数，D1为外壳弯曲刚度初始参数，K1为外壳扭转刚度初始参数，SE1为材料最小电磁屏蔽效能，取58dB。
6.一种采用如权利要求1～5任一所述的二次直流回路电位非接触式微型智能传感优化方法的系统，其特征在于：所述系统包括，
指令采集单元，用于采集系统发出的指令；
系统逻辑单元，用于搭载系统标定规则和系统控制逻辑；
数据处理单元，用于对指令中或系统程序中的数据进行处理；
数据存储单元，用于对采集、计算以及驱动阶段的指令及操作进行存储；
数据主控台，对于程序控制的全过程进行跟踪处理。
7.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至5中任一项所述的方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5中任一项所述的方法的步骤。
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