TWI745478B - 用於非接觸式電壓測量裝置的傳感器子系統 - Google Patents

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Abstract

本發明題為“用於非接觸式電壓測量裝置的傳感器子系統”。本公開提供了用於測量絕緣導體的交流(AC)電壓，而不需要導體和測試電極之間的電流連接的系統和方法。非電流接觸式電壓測量裝置包括導電傳感器、內部接地保護件和參考遮罩件。參考電壓源可電耦合在保護件和參考遮罩件之間，以生成使參考電流穿過導電傳感器的AC參考電壓。傳感器子系統可佈置在導體和絕緣體的層（例如，堆疊層、嵌套層或部件）中。傳感器子系統可被封裝為成形片、柔性電路、積體電路(IC)晶片、嵌套部件、印刷電路板(PCB)等。傳感器子系統可電耦合到非接觸式電壓測量裝置的合適的處理或控制電路，以允許測量絕緣導體中的電壓。

Description

用於非接觸式電壓測量裝置的傳感器子系統
本公開整體涉及電特性的測量，並且更具體地講，涉及交流(AC)電壓的非接觸式測量。
電壓表是用於測量電路中的電壓的儀器。測量多於一種電特性的儀器稱為萬用表或數位萬用表(DMM)，並且用於測量服務、故障排除和維護應用通常需要的許多參數。此類參數通常包括交流(AC)電壓和電流、直流(DC)電壓和電流以及電阻或通斷性。還可以測量其他參數，諸如功率特性、頻率、電容和溫度，以滿足特定應用的要求。
對於測量AC電壓的常規電壓表或萬用表，需要使至少兩個測量電極或探頭與導體電流接觸，這通常需要切除絕緣電線的一部分絕緣，或提前提供測量端子。除了需要暴露的電線或端子進行電流接觸之外，將電壓表探頭接觸到剝離的電線或端子的步驟可能相當危險，因為具有被電 擊或觸電的危險。
非接觸式電壓檢測器通常用於檢測交流(AC)電壓(通常為高電壓)的存在，而不需要與電路電流接觸。當檢測到電壓時，通過指示諸如燈、蜂鳴器或振動電機來警告用戶。然而，此類非接觸式電壓檢測器僅提供AC電壓存在或不存在的指示，並且不提供AC電壓的實際大小(例如，RMS值)的指示。
因此，需要一種AC電壓測量系統，其提供方便和準確的電壓測量，而不需要與被測電路電流接觸。
用於操作以測量絕緣導體中的交流(AC)電壓的電壓測量裝置的傳感器子系統可以總結為包括：設置在電壓測量裝置的外殼內的導電傳感器，該導電傳感器可選擇性地定位成接近絕緣導體而不與導體電流接觸，其中該導電傳感器與絕緣導體電容耦合；設置在外殼內的導電內部接地保護件，其中該內部接地保護件至少部分地圍繞導電傳感器並且與導電傳感器電流隔離，該內部接地保護件的大小和尺寸被設計成遮罩導電傳感器免受雜散電流的影響；以及圍繞外殼的至少一部分並且與內部接地保護件電流絕緣的導電參考遮罩件，該導電參考遮罩件的大小和尺寸被設計成減小內部接地保護件和外部接地端之間的電流。導電內部接地保護件和導電參考遮罩件可電耦合到共模參考電壓源，在操作中，該共模參考電壓源可生成具有參考頻 率的交流(AC)參考電壓。導電傳感器和導電內部接地保護件可設置在多層電路的層中。導電傳感器和導電內部接地保護件可設置在多層電路的單層中。導電傳感器、導電內部接地保護件和導電參考遮罩件可設置在多層柔性電路的層中。導電傳感器、導電內部接地保護件或導電參考遮罩件中的至少一者可包括導電帶、導電片、導電板或導電固化液。
傳感器子系統還可包括設置在導電傳感器和導電內部接地保護件之間的絕緣層。絕緣層可包括塑膠、矽或陶瓷。
傳感器子系統還可包括設置在導電傳感器上方的高介電常數材料。導電參考遮罩件可被模制到電壓測量裝置的外殼的至少一部分中。導電傳感器和內部接地保護件可被佈置為堆疊層或嵌套部件中的一者。傳感器子系統的至少一部分可包括成形片、柔性電路、積體電路晶片、嵌套部件或印刷電路板。傳感器子系統可包括非接觸式電流傳感器、紅外傳感器、指示器或照明源中的至少一者。
用於操作以測量絕緣導體中的交流(AC)電壓的電壓測量裝置的傳感器子系統可以總結為包括多層柔性電路，其包括：傳感器/保護層，該傳感器/保護層包括導電傳感器部分和與導電傳感器部分電流隔離的保護部分；以及與傳感器/保護層電流隔離的參考遮罩層，其中傳感器/保護層的保護部分以及參考遮罩層可電耦合到共模參考電壓源，在操作中，該共模參考電壓源生成具有參考頻率的 交流(AC)參考電壓。多層柔性電路可折疊成自訂形狀，並且當為自訂形狀時，多層柔性電路可定位在電壓測量裝置的外殼內。
傳感器子系統還可包括耦接到多層柔性電路的非接觸式電流傳感器、紅外傳感器、指示器或照明源中的至少一者。
傳感器子系統還可包括耦接到多層柔性電路的羅戈夫斯基線圈、磁通門傳感器或霍爾效應傳感器中的至少一者。
傳感器子系統還可包括設置在傳感器/保護層上方的遮罩層，該遮罩層在其中具有與傳感器/保護層的導電傳感器部分對準的開口，其中該遮罩層與傳感器子系統的任何導電部件電流隔離。
用於操作以測量絕緣導體中的交流(AC)電壓的電壓測量裝置的傳感器子系統可以總結為包括：外殼，該外殼包括限定第一內部體積的開口；設置在外殼的第一內部體積內的保護絕緣體，該保護絕緣體包括限定第二內部體積的開口；設置在保護絕緣體的第二內部體積內的導電保護件，該導電保護件包括限定第三內部體積的開口；設置在導電保護件的第三內部體積內的傳感器絕緣體，該傳感器絕緣體包括限定第四內部體積的開口；以及設置在傳感器絕緣體的第四內部體積內的導電傳感器。
傳感器子系統還可包括電耦合到導電保護件和導電傳感器的印刷電路元件。
傳感器子系統還可包括被模制到外殼中的參考遮罩件，其中導電保護件和參考遮罩件可電耦合到共模參考電壓源，在操作中，該共模參考電壓源生成具有參考頻率的交流(AC)參考電壓。
100:環境
102:非接觸式電壓測量裝置
104:操作者
106:導線
108:外殼
110:握持部分
112:探頭部分
114:使用者介面
116:凹部
118:第一延伸部分
120:第二延伸部分
122:導體
124:絕緣體
126:導電傳感器
128:接地端
130:共模參考電壓源
132:內部接地保護件
134:參考遮罩件
136:輸入放大器
137:回饋電路
138:內部接地端
139:測試導線
140:信號處理模組
142:使用者介面
300:非接觸式電壓測量裝置
302:模數轉換器
306:快速傅裡葉變換
308:框
310:數模轉換器
312:顯示器
500:傳感器元件
502:傳感器
504:保護件
506:隔離層
600:前端
602:外殼層
604:絕緣線
606:絕緣線
608:凹部
610:隔離層
700:前端
702:凹部
704:第一延伸部分
706:第二延伸部分
708:上部弓形部分
710:絕緣線
712:下部弓形部分
714:絕緣線
716:傳感器子系統
718:參考信號層
720:保護層
722:傳感器
724:窗口
726:印刷電路組件
900:傳感器子系統
902:外殼
903:前部
904:凹部
906:待測線
908:保護絕緣體
910:保護件
912:傳感器絕緣體
914:傳感器
916:PCA
918:固件
920:窗口
1300:柔性電路
1302:導電遮罩層
1304:黏合劑背襯層
1306:第一絕緣層
1308:傳感器/保護層
1308a:導電傳感器部分
1308b:保護部分
1309:間隙
1310:第二絕緣層
1312:連接器層
1314:第三絕緣層
1316:中心開口
1318:開口
1320:通孔
1322:通孔
1324:襯墊
1326:開口
1400:柔性電路
1404:切線
1430:附加部件
1600:傳感器子系統
1602:傳感器
1604:保護件
1606:正參考遮罩件
1608:負參考遮罩件
1610:隔離層
1612:高介電常數材料
在附圖中，相同的附圖標記指示相似的元件或動作。附圖中的元件的大小和相對位置不一定按比例繪製。例如，各種元件的形狀和角度不一定按比例繪製，並且這些元件中的一些可能被任意地放大和定位，以提高附圖的可讀性。此外，繪製的元件的特定形狀不一定意圖傳達關於特定元件的實際形狀的任何資訊，並且可能僅為了便於在附圖中識別而被選擇。
圖1A是根據一個例示的具體實施的環境的示意圖，在該環境中操作者可使用非接觸式電壓測量裝置來測量絕緣線中存在的AC電壓，而不需要與線電流接觸。
圖1B是根據一個例示的具體實施的圖1A的非接觸式電壓測量裝置的俯視圖，其示出了在絕緣線和非接觸式電壓測量裝置的導電傳感器之間形成的耦合電容、絕緣導體電流分量以及非接觸式電壓測量裝置和操作者之間的體電容。
圖2是根據一個例示的具體實施的非接觸式電壓測量裝置的各種內部部件的示意圖。
圖3是根據一個例示的具體實施的示出非接觸式電壓 測量裝置的各種信號處理部件的框圖。
圖4是根據一個例示的具體實施的實現快速傅裡葉變換(FFT)的非接觸式電壓測量裝置的示意圖。
圖5是根據一個例示的具體實施的非接觸式電壓測量裝置的傳感器子系統的透視圖，該非接觸式電壓測量裝置包括導電傳感器和內部接地保護元件。
圖6是根據一個例示的具體實施的定位在非接觸式電壓測量裝置前端中的“U”形或“V”形傳感器子系統的剖視圖。
圖7是根據一個例示的具體實施的定位在非接觸式電壓測量裝置前端中的弓形傳感器子系統的正視圖。
圖8是根據一個例示的具體實施的圖7的傳感器子系統的剖視正視圖。
圖9是利用嵌套部件的傳感器子系統的另一具體實施的透視圖。
圖10是根據一個例示的具體實施的圖9的傳感器子系統的右側正視圖。
圖11是根據一個例示的具體實施的沿著圖10的線11-11截取的圖9的傳感器子系統的剖視圖。
圖12是根據一個例示的具體實施的圖9的傳感器子系統的分解透視圖。
圖13是利用柔性電路技術的傳感器子系統的另一具體實施的分解透視圖。
圖14A是被實現為多功能柔性電路的傳感器子系統的 俯視圖，其示出了傳感器子系統被製造為多個導電層和絕緣層。
圖14B是根據一個例示的具體實施的圖14A的傳感器子系統的俯視圖，其示出了傳感器子系統可被折疊或彎曲成用於非接觸式電壓測量裝置的三維形式的各種折疊線。
圖14C是根據一個例示的具體實施的圖14A的傳感器子系統的透視圖。
圖15A是根據一個例示的具體實施的圖14A的傳感器子系統的後方透視圖，其被示出為在傳感器子系統已經沿著圖14B和圖14C所示的折疊線折疊或彎曲之後。
圖15B是根據一個例示的具體實施的圖15A的傳感器子系統的俯視圖。
圖15C是根據一個例示的具體實施的圖15A的傳感器子系統的前方正視圖。
圖15D是根據一個例示的具體實施的圖15A的傳感器子系統的右側正視圖。
圖15E是根據一個例示的具體實施的圖15A的傳感器子系統的前方透視圖。
圖16是根據一個例示的具體實施的傳感器子系統的剖視圖，該傳感器子系統包括由設置在導電傳感器上方的高介電常數材料製成的絕緣層。
本公開的系統和方法涉及用於非接觸式電壓測量裝置 的傳感器子系統。非接觸式電壓測量裝置操作以測量絕緣導體(例如，絕緣線)或未絕緣的裸導體(例如，母線)中的交流(AC)電壓，而不需要導體和測試電極或探頭之間的電流連接。一般來說，提供非電流接觸式(或“非接觸式”)電壓測量裝置，該裝置使用電容傳感器來測量絕緣導體中相對於接地端的AC電壓信號。不需要電流連接的此類裝置在本文中稱為“非接觸式”。如本文所用，“電耦合”包括直接和間接電耦合，除非另有說明。
本文公開的傳感器子系統可包括耦合電容器或“電容傳感器”、保護件和/或遮罩件以及彼此獨立存在的參考信號或電壓。例如，本文討論的傳感器子系統的部件可佈置在導體和絕緣體的多層(例如，堆疊層、嵌套層)中。每個導體可包括任何合適類型的導體，諸如導電帶、導電片、導電板、導電固化液等。絕緣體可包括阻擋電荷的任何合適類型的材料，諸如塑膠、矽、陶瓷等。絕緣層可由高介電常數材料製成，該高介電常數材料設置在傳感器上方，以將場聚焦到傳感器，從而增加靈敏度並減少雜散效應(參見圖16)。傳感器子系統可以任何形式封裝，包括成形片、一個或多個柔性電路、一個或多個積體電路(IC)晶片、嵌套部件、印刷電路板(PCB)等。傳感器子系統可電耦合到非接觸式電壓測量裝置的合適的處理或控制電路，以允許測量絕緣導體中的電壓。
首先，參考圖1A至圖4，討論非接觸式電壓測量裝置的示例。然後，參考圖5至圖16，討論了用於非接觸式電 壓測量裝置的傳感器子系統的各種示例。
在下面的描述中，闡述了某些具體細節以便提供對所公開的各種具體實施的徹底理解。然而，相關領域的技術人員將認識到，可以在沒有這些具體細節中的一個或多個的情況下，或者使用其他方法、部件、材料等的情況下實現這些具體實施。在其他實例中，沒有詳細示出或描述與電腦系統、伺服器電腦和/或通信網路相關聯的公知結構，以避免不必要地模糊這些具體實施的描述。
除非上下文另有要求，否則貫穿整個說明書和權利要求書，單詞“包含”與“包括”是同義的，並且是包容性的或開放式的(即，不排除額外的、未被引用的元件或方法動作)。
本說明書通篇對“一個具體實施”或“具體實施”的引用意指結合該具體實施描述的特定特徵、結構或特性包括在至少一個具體實施中。因此，本說明書通篇各個地方出現的短語“在一個具體實施中”或“在具體實施中”不一定全部指代相同的具體實施。此外，在一個或多個具體實施中，特定特徵、結構或特性可以任何合適的方式組合。
如說明書和所附權利要求所用，單數形式“一個”、“一種”和“該”包括複數指示物，除非上下文另有明確指示。還應指出的是，術語“或”通常被使用為在其意義上包括“和/或”，除非上下文另有明確指示。
本文提供的標題和說明書摘要僅為了方便而提供，並且不解釋具體實施的範圍或含義。
圖1A是環境100的示意圖，在該環境中操作者104可使用本公開的非接觸式電壓測量裝置102來測量絕緣線106中存在的AC電壓，而不需要非接觸式電壓測量裝置和線106之間的電流接觸。圖1B是圖1A的非接觸式電壓測量裝置102的俯視圖，其示出了操作期間非接觸式電壓測量裝置的各種電特性。非接觸式電壓測量裝置102包括外殼或主體108，該外殼或主體包括握持部分或端部110以及與該握持部分相對的探頭部分或端部112(在本文中也稱為前端)。外殼108還可包括便於使用者與非接觸式電壓測量裝置102交互的使用者介面114。使用者介面114可包括任何數量的輸入件(例如，按鈕、撥盤、開關、觸摸傳感器)和任何數量的輸出件(例如，顯示器、LED、揚聲器、蜂鳴器)。非接觸式電壓測量裝置102還可包括一個或多個有線和/或無線通訊介面(例如，USB、Wi-Fi®、Bluetooth®)。
在至少一些具體實施中，如圖1B中最佳地示出，探頭部分112可包括由第一延伸部分和第二延伸部分118，120限定的凹部116。凹部116接收絕緣線106(參見圖1A)。絕緣線106包括導體122和圍繞導體122的絕緣體124。當絕緣線106定位於非接觸式電壓測量裝置102的凹部116內時，凹部116可包括鄰近該絕緣線的絕緣體124安置的傳感器或電極126。儘管為了清楚起見未示出，但傳感器126可設置在外殼108的內側，以防止傳感器和其他物體之間的物理接觸和電接觸。
如圖1A所示，在使用中，操作者104可抓握外殼108的握持部分110並且將探頭部分112放置成接近絕緣線106，使得非接觸式電壓測量裝置102可準確地測量該線中存在的相對於接地端(或另一參考節點)的AC電壓。或者，可使用諸如經由測試導線139到接地端128的直接連接。雖然探頭端部112被示出為具有凹部116，但是在其他具體實施中，探頭部分112可被不同地配置。例如，在至少一些具體實施中，探頭部分112可包括可選擇性地移動的夾具、鉤、包括傳感器的平坦或弓形表面，或允許非接觸式電壓測量裝置102的傳感器被定位成接近絕緣線106的其他類型的介面。下面參考圖5至圖16討論各種傳感器子系統的示例。
可能只在某些具體實施中使用操作者的身體充當地面/接地參考。本文討論的非接觸式測量功能不限於僅相對於地表測量的應用。外部參考可電容耦合到任何其他電位。例如，如果外部參考電容耦合到三相系統中的另一相，則測量相間電壓。一般來說，本文討論的概念不限於僅使用連接到參考電壓和任何其他參考電位的體電容耦合來相對於地表參考。
如下面進一步討論的，在至少一些具體實施中，非接觸式電壓測量裝置102可在AC電壓測量期間利用操作者104和接地端128之間的體電容(CB)。儘管術語“接地端”用於節點128，但是該節點不一定是地面/接地，而是可以通過電容耦合以電流隔離的方式連接到任何其他參考電 位。
下面參考圖2至圖4討論非接觸式電壓測量裝置102測量AC電壓使用的特定系統和方法。
圖2示出了也在圖1A和圖1B中示出的非接觸式電壓測量裝置102的各種內部部件的示意圖。在該示例中，非接觸式電壓測量裝置102的導電傳感器126大體上為“V”形並被定位成接近待測絕緣線106，並且與絕緣線106的導體122電容耦合，從而形成傳感器耦合電容器(CO)。操控非接觸式電壓測量裝置102的操作者104具有對地體電容(CB)。因此，如圖1B和圖2所示，線122中的AC電壓信號(VO)通過串聯連接的耦合電容器(CO)和體電容(CB)生成絕緣導體電流分量或“信號電流”(IO)。在一些具體實施中，體電容(CB)還可包括生成對地或對任何其他參考電位的電容的電流隔離的測試導線。
待測量的線122中的AC電壓(VO)具有到外部接地端128(例如，零線)的連接。非接觸式電壓測量裝置102本身也具有對接地端128的電容，當操作者104(圖1)將非接觸式電壓測量裝置握在其手中時，該對接地端的電容主要由體電容(CB)組成。電容CO和CB都形成AC的導電回路，並且該回路內的電壓生成信號電流(IO)。信號電流(IO)由電容耦合到導電傳感器126的AC電壓信號(VO)生成，並且通過非接觸式電壓測量裝置的外殼108和對接地端128的體電容器(CB)回到外部接地端128。電流信號(IO)取決於非接觸式電壓測量裝置102的導電傳感器126 和待測絕緣線106之間的距離、導電傳感器126的特定形狀，以及導體122的大小和電壓電平(VO)。
為了補償直接影響信號電流(IO)的距離方差和隨之而來的耦合電容器(CO)方差，非接觸式電壓測量裝置102包括生成具有參考頻率(fR)的AC參考電壓(VR)的共模參考電壓源130。
為了減少或避免雜散電流，非接觸式電壓測量裝置102的至少一部分可被導電內部接地保護件或遮蔽件132圍繞，這使得大部分電流流過與絕緣線106的導體122形成耦合電容器(CO)的導電傳感器126。內部接地保護件132可由任何合適的導電材料(例如，銅)形成，並且可為實心的(例如，金屬片、塑膠殼體內的濺射金屬)、柔性的(例如，箔)，或具有一個或多個開口(例如，網眼)。
此外，為了避免內部接地保護件132和外部接地端128之間的電流，非接觸式電壓測量裝置102包括導電參考遮罩件134。參考遮罩件134可由任何合適的導電材料(例如，銅)形成，並且可為實心的(例如，金屬片、塑膠殼體內的濺射金屬)、柔性的(例如，箔)，或具有一個或多個開口(例如，網眼)。在至少一些具體實施中，參考遮罩件134可定位在電壓測量裝置的外殼內，例如被模制到外殼的至少一部分中。共模參考電壓源130電耦合在參考遮罩件134和內部接地保護件132之間，這可產生用於非接觸式電壓測量裝置102的具有參考電壓(VR)和參考頻 率(fR)的共模電壓。此類AC參考電壓(VR)驅動額外的參考電流(IR)通過耦合電容器(CO)和體電容器(CB)。
圍繞導電傳感器126的至少一部分的內部接地保護件132保護導電傳感器免受AC參考電壓(VR)的直接影響，該直接影響會導致導電傳感器126和參考遮罩件134之間的參考電流(IR)發生不期望的偏移。如上所述，內部接地保護件132是用於非接觸式電壓測量裝置102的內部電子接地端138。在至少一些具體實施中，內部接地保護件132還圍繞非接觸式電壓測量裝置102的部分或全部電子器件，以避免AC參考電壓(VR)耦合到電子器件中。
如上所述，參考遮罩件134用於將參考信號注入到輸入AC電壓信號(VO)上，並且作為第二功能，最小化保護件132對接地端128的電容。在至少一些具體實施中，參考遮罩件134圍繞非接觸式電壓測量裝置102的部分或全部外殼108。在此類具體實施中，部分或全部電子器件參見參考共模信號，該信號還生成導電傳感器126和絕緣線106中的導體122之間的參考電流(IR)。在至少一些具體實施中，參考遮罩件134中的唯一間隙可以是用於導電傳感器126的開口，該開口允許導電傳感器在非接觸式電壓測量裝置102的操作期間被定位成接近絕緣線106。
內部接地保護件132和參考遮罩件134可提供圍繞非接觸式電壓測量裝置102的外殼108(參見圖1A和圖1B)的雙層遮蔽件。參考遮罩件134可設置在外殼108的外表面 上，並且內部接地保護件132可用作內部遮罩件或保護件。導電傳感器126通過保護件132遮罩參考遮罩件134，使得任何參考電流均由導電傳感器126和待測導體122之間的耦合電容器(CO)生成。圍繞傳感器126的保護件132還減少了靠近傳感器的相鄰線的雜散影響。
如圖2所示，非接觸式電壓測量裝置102可包括作為反相電流-電壓轉換器工作的輸入放大器136。輸入放大器136具有非反相端子，該非反相端子電耦合到用作非接觸式電壓測量裝置102的內部接地端138的內部接地保護件132。輸入放大器136的反相端子可電耦合到導電傳感器126。回饋電路137(例如，回饋電阻器)還可耦接在輸入放大器136的反相端子和輸出端子之間，以提供用於輸入信號調節的回饋和適當的增益。
輸入放大器136從導電傳感器126接收信號電流(IO)和參考電流(IR)，並將所接收的電流轉換成指示輸入放大器的輸出端子處的導電傳感器電流的傳感器電流電壓信號。該傳感器電流電壓信號可例如是類比電壓。該類比電壓可被饋送到信號處理模組140，如下文進一步討論的，該信號處理模組處理傳感器電流電壓信號以確定絕緣線106的導體122中的AC電壓(VO)。信號處理模組140可包括數位和/或類比電路的任何組合。
非接觸式電壓測量裝置102還可包括通信地耦接到信號處理模組140的使用者介面142(例如，顯示器)，以呈現所確定的AC電壓(VO)或以通過介面與非接觸式電壓 測量裝置的操作者104進行通信。
圖3是非接觸式電壓測量裝置300的框圖，其示出了該非接觸式電壓測量裝置的各種信號處理部件。圖4是圖3的非接觸式電壓測量裝置300的更詳細的圖。
非接觸式電壓測量裝置300可與上述非接觸式電壓測量裝置102相似或相同。因此，相似或相同的部件用相同的附圖標號標記。如圖所示，輸入放大器136將來自導電傳感器126的輸入電流(IO+IR)轉換成指示輸入電流的傳感器電流電壓信號。使用模數轉換器(ADC)302將傳感器電流電壓信號轉換成數位形式。
線122中的AC電壓(VO)與AC參考電壓(VR)相關，如等式(1)所示：
Figure 106138281-A0305-02-0019-1
 其中(IO)是由於導體122中的AC電壓(VO)而通過導電傳感器126的信號電流，(IR)是由於AC參考電壓(VR)而通過導電傳感器126的參考電流，(fO)是正被測量的AC電壓(VO)的頻率，並且(fR)是參考AC電壓(VR)的頻率。
與AC電壓(VO)相關的標記有“O”的信號具有和與共模參考電壓源130相關的標記有“R”的信號不同的頻率。在圖4的具體實施中，數文書處理諸如實現快速傅裡葉變換(FFT)演算法306的電路可用於分離信號大小。在下面討論的圖5的具體實施中，可使用類比電子濾波器將“O”信號特性(例如，大小、頻率)與“R”信號特性分開。
電流(IO)和(IR)由於耦合電容器(CO)而分別取決於頻率(fO)和(fR)。流過耦合電容器(CO)和體電容(CB)的電流與頻率成比例，因此需要測量待測導體122中AC電壓(VO)的頻率(fO)，以確定參考頻率(fR)與信號頻率(fO)的比率，該比率在上面列出的等式(1)中被使用，或者參考頻率是已知的，因為參考頻率是由系統本身生成的。
在輸入電流(IO+IR)已由輸入放大器136調節並由ADC 302數位化之後，可通過使用FFT 306表示頻域中的信號來確定數位傳感器電流電壓信號的頻率分量。當已經測量頻率(fO)和(fR)兩者時，可確定頻率視窗，以計算來自FFT 306的電流(IO)和(IR)的基本大小。
接下來，如框308所示，分別指定為IR,1和IO,1的電流(IR)和(IO)的基波諧波的比率可通過所確定的頻率(fO)和(fR)來校正，並且該因數可用於通過線上122中添加諧波(VO)來計算所測量的原始基波或RMS電壓，該原始基波或RMS電壓可在顯示器312上呈現給用戶。
耦合電容器(CO)通常可具有約0.02pF至1pF範圍內的電容值，例如具體取決於絕緣導體106和導電傳感器126之間的距離以及傳感器126的特定形狀和尺寸。體電容(CB)可例如具有約20pF至200pF的電容值。
從上述等式(1)可以看出，由共模參考電壓源130生成的AC參考電壓(VR)不需要處於與導體122中的AC電壓(VO)相同的範圍來實現類似的信號電流(IO)和參考 電流(IR)的電流大小。通過選擇相對較高的參考頻率(fR)，AC參考電壓(VR)可能相對較低(例如，小於5V)。例如，可將參考頻率(fR)選擇為3kHz，這比具有60Hz的信號頻率(fO)的典型的120 VRMS AC電壓(VO)高50倍。在這種情況下，可將AC參考電壓(VR)選擇為僅2.4V(即，120V÷50)，以生成與信號電流(IO)相同的參考電流(IR)。一般來說，將參考頻率(fR)設置為信號頻率(fO)的N倍允許AC參考電壓(VR)具有線122中的AC電壓(VO)的(1/N)倍的值，以產生處於彼此相同範圍的電流(IR)和(IO)，以實現類似的IR和IO的不確定性。
可使用任何合適的信號發生器來生成具有參考頻率(fR)的AC參考電壓(VR)。在圖3所示的示例中，使用Σ-△數模轉換器(Σ-△ DAC)310。Σ-△ DAC 310使用位元流來產生具有限定的參考頻率(fR)和AC參考電壓(VR)的波形(例如，正弦波形)信號。在至少一些具體實施中，Σ-△ DAC 310可生成與FFT 306的視窗同相的波形以減少抖動。可使用任何其他參考電壓發生器，諸如PWM，其可使用比Σ-△ DAC更少的計算功率。
在至少一些具體實施中，ADC 302可具有14位的解析度。在操作中，對於標稱的50Hz輸入信號，ADC 302可以10.24kHz的採樣頻率對來自輸入放大器136的輸出進行採樣，以在100ms(FFT 306的10Hz視窗)中提供2n個樣本(1024)以準備好由FFT 306進行處理。對於60Hz輸入信 號，採樣頻率可例如為12.28kHz。ADC 302的採樣頻率可與參考頻率(fR)的全數週期同步。例如，輸入信號頻率可在40Hz至70Hz的範圍內。根據所測量的AC電壓(VO)的頻率，可使用FFT 306來確定AC電壓(VO)的視窗，並使用漢寧窗函數進行進一步的計算，以抑制由在聚合間隔中捕獲的不完整信號週期引起的相移抖動。
在一個示例中，共模參考電壓源130生成具有2419Hz的參考頻率(fR)的AC參考電壓(VR)。對於60Hz的信號，該頻率介於第40個諧波和第41個諧波之間，並且對於50Hz的信號，該頻率介於第48個諧波和第49個諧波之間。通過提供具有不是預期AC電壓(VO)的諧波的參考頻率(fR)的AC參考電壓(VR)，AC電壓(VO)不太可能影響參考電流(IR)的測量。
在至少一些具體實施中，將共模參考電壓源130的參考頻率(fR)選擇為最不可能受到待測導體122中的AC電壓(VO)的諧波的影響的頻率。例如，當參考電流(IR)超過極限時(這可指示導電傳感器126正在接近待測導體122)，可關斷共模參考電壓源130。可在共模參考電壓源130被關斷的情況下進行測量(例如，100ms測量)，以檢測一定數量的(例如，三個、五個)候選參考頻率處的信號諧波。然後，可在該數量的候選參考頻率處確定AC電壓(VO)中的信號諧波的大小，以識別哪個候選參考頻率可能受到AC電壓(VO)的信號諧波的影響最小。然後可將參考頻率(fR)設置為所識別的候選參考頻率。參考頻 率的這種切換可避免或減少信號頻譜中可能的參考頻率分量的影響，而這種影響可能增加所測量的參考信號並降低準確度，並且可能產生不穩定的結果。
圖5是用於非接觸式電壓測量裝置(諸如，上述任何非接觸式電壓測量裝置)的示例性傳感器和保護元件或子系統500的透視圖。在該示例中，傳感器和保護元件500包括導電傳感器502、內部接地保護件504以及設置在傳感器和內部接地保護件之間的隔離層506。一般來說，傳感器元件500應在傳感器502和待測線之間提供良好的耦合電容(CO)，並且應抑制對其他相鄰線的電容和對外部接地端的電容。傳感器元件500還應使傳感器502和參考遮罩件(例如，參考遮罩件134)之間的電容(C傳感器_參考)最小化。
作為一個簡單的示例，傳感器502、保護件504和隔離層506可各自包括一片箔。保護件504可耦接到載體(參見圖6)，隔離層506(例如，Kapton®帶)可耦接到保護件，並且傳感器502可耦接到隔離層。
圖6示出了非接觸式電壓測量裝置的探頭或前端600的傳感器實現的示例的剖視圖，該探頭或前端包括覆蓋傳感器元件500以避免傳感器元件和任何物體之間的直接電流接觸的外殼層602(例如，塑膠)。前端600可與圖1A和圖1B中所示的非接觸式電壓測量裝置102的前端112相似或相同。在該圖示中，包括傳感器502、保護件504和隔離層506的傳感器元件500的形狀為“U”形或“V”形，以允許傳感 器組件500圍繞不同直徑的絕緣線，從而增加耦合電容(CO)，並且通過保護件更好地遮罩相鄰的導電物體。參考遮罩件(例如，參考遮罩件134)可設置在外殼層中(例如，模制在其中)，以圍繞傳感器502和保護件504的至少一部分以及/或者電壓測量裝置的其他部分。
在圖6所示的示例中，傳感器元件500被成形為適應各種直徑的絕緣線，諸如具有相對較大直徑的絕緣線604或具有相對較小直徑的絕緣線606。在每種情況下，當線被定位在前端600的凹部608中時，傳感器組件500基本上圍繞該線。限定凹部608並且定位在傳感器元件500和待測線之間的前端600的壁可相對較薄(例如，可為1mm、3mm、5mm)，以提供電流隔離，同時仍允許適當的電容耦合。由於凹部608具有“V”形，因此較粗的線604比較細的線606具有更大的距離，以減小耦合電容的寬度範圍並且還將環境電容減小為較少依賴於線直徑。
圖7示出了非接觸式電壓測量裝置的弓形前端700的正視圖。圖8示出了前端700的剖視正視圖，其示出了前端的傳感器子系統716。前端700包括外殼701，該外殼具有由第一延伸部分和第二延伸部分704，706限定的凹部702。凹部702包括相對較大的上部弓形部分708，其接收具有相對較大直徑的絕緣線710。凹部702還包括位於部分708下方的相對較小的下部弓形部分712，其接收具有相對較小直徑的絕緣線714。傳感器子系統或元件716可具有與凹部702的形狀大致相符的形狀，使得傳感器子系統716的至少 一部分至少部分地圍繞具有相對較大直徑的線(例如，線710)和具有相對較小直徑的線(例如，線714)。
傳感器子系統716包括被模制到外殼701(例如，塑膠外殼)中的參考信號層718。參考信號層718可電耦合到參考電壓源，諸如圖2至圖4所示的參考電壓源130。參考信號層718可圍繞傳感器子系統716的其他部件的至少一部分，並且還可圍繞前端700是其一部分的電壓測量裝置的至少一些其他部分(例如，電子器件)。
傳感器子系統716還包括設置在參考信號層718下方和導電傳感器722上方的保護層720。保護層720可包括開口或窗口724，使得保護層不會使傳感器722與待測線閉塞。類似於圖2和圖4所示的保護件132，保護層720可耦接到電壓測量裝置的接地端。
保護層720和傳感器722可各自耦接到印刷電路組件(PCA)726。PCA 726可包括電壓測量裝置的各種處理電路，諸如上述圖2至圖4所示的電路。另外或另選地，PCA 726可包括允許保護層720和傳感器722連接到此類電路的一個或多個連接器。
圖9至圖12示出了包括多個嵌套部件的電壓測量裝置的前端傳感器子系統900的各種視圖。傳感器子系統900包括具有前部903的外殼902(例如，塑膠外殼)，該前部限定在操作中接收待測絕緣電線906的凹部904。
傳感器子系統900包括外殼902、嵌套在外殼的內部體積內的保護絕緣體908、嵌套在保護絕緣體的內部體積內 的保護件910、嵌套在保護絕緣體的內部體積內的傳感器絕緣體912、嵌套在傳感器絕緣體的內部體積內的傳感器914以及電耦合到至少傳感器914和保護件910的PCA 916。提供緊固件918(例如，螺釘)以將PCA 916和其他部件固定到外殼902。參考信號層(未示出)可結合到外殼902中。例如，參考信號層可被模制到外殼902的至少一部分中。
如圖11中最佳地示出，保護件910可包括開口或窗口920，該開口或窗口防止保護件將傳感器914與待測線906閉塞。
圖13示出了可用於實現用於電壓測量裝置的傳感器子系統的示例性多層柔性電路1300的分解圖。在至少一些具體實施中，柔性電路1300可包括擴展傳感器子系統(諸如，圖14A-C和圖15A-E所示的傳感器子系統1400)的一部分。
柔性電路1300包括多個堆疊層。具體地講，柔性電路1300包括導電遮罩層1302、黏合劑背襯層1304、第一絕緣層1306、包括由間隙1309隔開的導電傳感器部分1308a和保護部分1308b的導電傳感器/保護層1308、第二絕緣層1310、連接器層1312和第三絕緣層或覆蓋層1314。在至少一些具體實施中，柔性電路1300可包括附加或更少的層。導電層可由銅或其他合適的導電材料形成。絕緣層可由阻擋電荷的任何材料形成，諸如塑膠、矽、陶瓷等。
導電遮罩層1302可以是“自由浮動的”，並且通過第 一絕緣層1306與導電傳感器/保護層1308隔離。導電遮罩層1302包括中心開口1316，因此遮罩層1302不會將傳感器與待測線阻擋開。第一絕緣層1306在其中包括多個開口1318，這些開口允許黏合劑背襯層1304接觸傳感器/保護層1308的保護部分1308b，以將層1302-1308黏合在一起。
傳感器/保護層1308的導電傳感器部分1308a和保護部分1308b可分別通過第二絕緣層1310中的通孔1320和1322電耦合到連接器層1312。連接器層1312可包括襯墊1324，連接器(未示出)可附接(例如，焊接)到該襯墊上。連接器可耦接到包括本文討論的各種處理電路的電壓測量裝置的主電路板。第三絕緣層1314可包括丙烯酸覆蓋層，該丙烯酸覆蓋層包括開口1326，該開口的大小和尺寸被設計成允許耦接到連接器層1312的連接器通過。
如上所述，柔性電路1300可形成圖14A-C和圖15A-E所示的擴展柔性電路1400的一部分1402(圖14A)。在該示例中，柔性電路1400被製造為平坦的多層電路，如圖14A至圖14C所示。在製造期間，柔性電路1400可沿著圖14B和圖14C所示的折疊線或切線1404折疊或彎曲成如圖15A至圖15E所示的形狀，並且被定位在電壓測量裝置的外殼的前端部分中。為了清楚起見，柔性電路1400的幾個不同部分在圖14B和圖15A-E中標記。在至少一些具體實施中，多層柔性電路1400可包括設置在電路的一個或多個部分中的絕緣參考信號層(例如，參考信號層134)。例 如，在至少一些具體實施中，柔性電路1400可包括設置在電路的部分或全部部分(除了包括導電傳感器部分1308a(參見圖13)的部分1402之外)中的參考信號層。
在至少一些具體實施中，一個或多個附加部件1430(圖15B)可耦接到柔性電路1400以提供附加功能。此類其他部件可包括AC測量裝置諸如非接觸式電流傳感器(例如，羅戈夫斯基線圈、霍爾效應傳感器、磁通門傳感器)、一個或多個指示器(例如，LED)、照明設備(例如，LED手電筒)、一個或多個紅外(IR)傳感器等。通過包括此類附加部件，可擴展柔性電路1400的功能以有利於附加的應用。此外，使用多個傳感器佈置(例如，分離信號參考傳感器、多參數傳感器)由包括切換電子器件或信號調節電子器件的柔性傳感器結構支援。例如，照明設備可允許電壓測量裝置照亮要測量導體的工作區域。可使用IR傳感器來檢測待檢查電路的熱分佈。可使用電流傳感器來測量電流，該測量可與電壓測量結合以確定其他AC特性，諸如功率特性、相位特性等。
圖16示出了示例性傳感器子系統1600，該傳感器子系統包括導電傳感器1602、保護件1604、正參考遮罩件1606、負參考遮罩件1608、隔離層1610以及設置在傳感器和待測導體之間的高介電常數材料1612(例如，塑膠)。設置在傳感器1602上方的高介電常數材料1612將場聚焦到傳感器，從而增加靈敏度並減少雜散效應。
可提供負參考遮罩件1608，以通過使用耦合到負參考 遮罩件的反向參考信號(-VR)來補償正參考電壓(VR)對傳感器1602的影響。例如，可使用可調節反相放大器來提供反向參考信號(-VR)，以補償參考電壓(+VR)對傳感器1602的影響。這可通過被定位成接近傳感器1602的電容耦合來實現。電容耦合可以是被定位成接近傳感器的線、遮蔽件、遮罩件等的形式。當待測絕緣導體具有相對較小的直徑時，補償可能是特別有利的，因為在這種情況下，來自參考遮罩件1606的參考電壓(VR)可能對傳感器1602具有最大的影響。
前述具體實施方式已通過使用框圖、示意圖和示例闡述了裝置和/或過程的各種具體實施。在此類框圖、示意圖和示例包含一個或多個功能和/或操作的情況下，本領域的技術人員將會理解，可通過廣泛的硬體、軟體、固件或幾乎其任何組合來單獨地和/或共同地實現此類框圖、流程圖或示例內的每個功能和/或操作。在一個具體實施中，本主題可通過專用積體電路(ASIC)來實現。然而，本領域的技術人員將認識到，本文公開的具體實施可全部或部分地在標準積體電路中被等同地實現為在一個或多個電腦上運行一個或多個電腦程式(例如，在一個或多個電腦系統上運行一個或多個程式)、在一個或多個控制器(例如，微控制器)上運行一個或多個程式、在一個或多個處理器(例如，微處理器)上運行一個或多個程式、固件或幾乎其任何組合，並且鑒於本公開，為軟體和/或固件設計電路和/或編寫代碼將完全在本領域的普通技術 人員的技能內。
本領域的技術人員將認識到，本文陳述的許多方法或演算法可採用另外的動作，可省去某些動作，並且/或者可以與指定順序不同的順序來執行動作。例如，在至少一些具體實施中，非接觸式電壓測量裝置可不利用處理器來執行指令。例如，非接觸式電壓測量裝置可以是硬連線的，以提供本文討論的部分或全部功能。另外，在至少一些具體實施中，非接觸式電壓測量裝置可不利用處理器來引起或發起本文討論的不同測量。例如，這種非接觸式電壓測量裝置可依賴於一個或多個單獨的輸入，諸如引起測量發生的使用者致動按鈕。
此外，本領域的技術人員將理解，本文提出的機構能夠作為各種形式的程式產品分配，並且不管用於實際實行該分配的信號承載介質為何種特定類型，例示性具體實施都同樣適用。信號承載介質的示例包括但不限於可記錄型介質諸如軟碟、硬碟驅動器、CD ROM、數位磁帶和電腦記憶體。
可組合上述各種具體實施來提供進一步的具體實施。在與本文的具體教導和定義不矛盾的情況下，2016年11月11日提交的美國臨時專利申請62/421,124和2017年1月23日提交的美國專利申請15/413,025全文以引用方式併入本文。如果必要，可對具體實施的各方面進行修改，以採用各種申請的系統、電路和概念來提供進一步的具體實施。
鑒於上文的具體實施方式，可對這些具體實施做出這 些及其他改變。一般來說，在以下權利要求書中，所用的術語不應被解釋為將權利要求限制於本說明書和權利要求書中公開的具體實施，而應被解釋為包括所有可能的具體實施以及這些權利要求賦予的等效物的全部範圍。因此，權利要求並不受本公開內容所限定。
100‧‧‧環境
102‧‧‧非接觸式電壓測量裝置
104‧‧‧操作者
106‧‧‧導線
108‧‧‧外殼
110‧‧‧握持部分
112‧‧‧探頭部分
114‧‧‧使用者介面
122‧‧‧導體
124‧‧‧絕緣體
128‧‧‧接地端
139‧‧‧測試導線

Claims (21)

  1. 一種用於操作以測量絕緣導體中的交流(AC)電壓的電壓測量裝置的傳感器子系統，所述絕緣導體包括導體及圍繞所述導體之絕緣體，所述傳感器子系統包括：導電傳感器，所述導電傳感器設置在所述電壓測量裝置的外殼內，所述導電傳感器能夠選擇性地定位成接近所述絕緣導體而不與所述絕緣導體之所述導體電流接觸，其中，於操作中，所述導電傳感器與所述導體電容耦合；導電內部接地保護件，所述導電內部接地保護件設置在所述外殼內，其中所述導電內部接地保護件至少部分地圍繞所述導電傳感器並且與所述導電傳感器電流隔離；導電參考遮罩件，所述導電參考遮罩件圍繞所述外殼的至少一部分並且與所述導電內部接地保護件電流絕緣；以及電耦合到所述導電內部接地保護件和所述導電參考遮罩件之共模參考電壓源，組態以生成待施加於所述導電內部接地保護件和所述導電參考遮罩件之具有參考頻率的交流(AC)參考電壓。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的傳感器子系統，更包括用以調節接收自所述導電傳感器之信號的信號調節電路，所述導電參考遮罩件電耦合到所述信號調節電路的輸入。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述的傳感器子系統，其中所述導電傳感器和所述導電內部接地保護件之各者設置在多層電路的複數層之分層中。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述的傳感器子系統，其中所述導電傳感器和所述導電內部接地保護件設置在多層電路的單層中。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述的傳感器子系統，其中所述導電傳感器、所述導電內部接地保護件和所述導電參考遮罩件設置在多層柔性電路的一或多層中。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述的傳感器子系統，其中所述導電傳感器、所述導電內部接地保護件或所述導電參考遮罩件中的至少一者包括導電帶、導電片、導電板或導電固化液。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述的傳感器子系統，還包括：設置在所述導電傳感器和所述導電內部接地保護件之間的絕緣層。
  8. 根據申請專利範圍第7項所述的傳感器子系統，其中 所述絕緣層包括塑膠、矽或陶瓷。
  9. 根據申請專利範圍第1項所述的傳感器子系統，還包括定位在所述導電傳感器前方的高介電常數材料，使得當所述導電傳感器選擇性地定位成接近所述絕緣導體時，所述高介電常數材料係定位於所述導電傳感器與所述絕緣導體間。
  10. 根據申請專利範圍第1項所述的傳感器子系統，其中所述導電參考遮罩件被模制到所述電壓測量裝置的所述外殼的至少一部分中。
  11. 根據申請專利範圍第1項所述的傳感器子系統，其中所述導電傳感器和所述導電內部接地保護件被佈置為堆疊層或嵌套部件中的一者。
  12. 根據申請專利範圍第1項所述的傳感器子系統，其中所述傳感器子系統的至少一部分包括成形片、柔性電路、積體電路晶片、嵌套部件或印刷電路板。
  13. 根據申請專利範圍第1項所述的傳感器子系統，還包括非接觸式電流傳感器、紅外傳感器、指示器或照明源中的至少一者。
  14. 一種用於操作以測量絕緣導體中的交流(AC)電壓的電壓測量裝置的傳感器子系統，所述絕緣導體包括導體及圍繞所述導體之絕緣體，所述傳感器子系統包括：多層柔性電路，所述多層柔性電路包括：傳感器/保護層，所述傳感器/保護層包括導電傳感器部分和與所述導電傳感器部分電流隔離的保護部分；和參考遮罩層，所述參考遮罩層與所述傳感器/保護層電流隔離；以及電耦合到所述傳感器/保護層的所述保護部分與所述參考遮罩層之共模參考電壓源，組態以生成待施加於所述傳感器/保護層的所述保護部分與所述參考遮罩層之具有參考頻率的交流(AC)參考電壓。
  15. 根據申請專利範圍第14項所述的傳感器子系統，其中所述多層柔性電路能夠折疊成自訂形狀，並且當處於所述自訂形狀時，所述多層柔性電路能夠定位在電壓測量裝置的外殼內。
  16. 根據申請專利範圍第14項所述的傳感器子系統，還包括耦接到所述多層柔性電路的非接觸式電流傳感器、紅外傳感器、指示器或照明源中的至少一者。
  17. 根據申請專利範圍第14項所述的傳感器子系統，還包 括耦接到所述多層柔性電路的羅戈夫斯基線圈、磁通門傳感器或霍爾效應傳感器中的至少一者。
  18. 根據申請專利範圍第14項所述的傳感器子系統，還包括：設置在所述傳感器/保護層上方的遮罩層，所述遮罩層在其中具有與所述傳感器/保護層的所述導電傳感器部分對準的開口，其中所述遮罩層與所述傳感器子系統的任何導電部件電流隔離。
  19. 一種用於操作以測量絕緣導體中的交流(AC)電壓的電壓測量裝置的傳感器子系統，所述絕緣導體包括導體及圍繞所述導體之絕緣體，所述傳感器子系統包括：外殼，所述外殼包括限定第一內部體積的開口；保護絕緣體，所述保護絕緣體設置在所述外殼的所述第一內部體積內，所述保護絕緣體包括限定第二內部體積的開口；導電保護件，所述導電保護件設置在所述保護絕緣體的所述第二內部體積內，所述導電保護件包括限定第三內部體積的開口；傳感器絕緣體，所述傳感器絕緣體設置在所述導電保護件的所述第三內部體積內，所述傳感器絕緣體包括限定第四內部體積的開口；導電傳感器，所述導電傳感器設置在所述傳感器絕緣 體的所述第四內部體積內；被模制到所述外殼中的導電參考遮罩件；以及電耦合到所述導電保護件和所述導電參考遮罩件之共模參考電壓源，組態以生成待施加於所述導電保護件和所述導電參考遮罩件之具有參考頻率的交流(AC)參考電壓。
  20. 根據申請專利範圍第19項所述的傳感器子系統，還包括電耦合到所述導電保護件和所述導電傳感器的印刷電路元件。
  21. 根據申請專利範圍第19項所述的傳感器子系統，其中所述導電傳感器、所述導電保護件或所述導電參考遮罩件中的至少一者包括導電帶、導電片、導電板或導電固化液。
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