基于差動式輸入的開口式多重電極并聯(lián)結構電壓傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于差動式輸入的開口時多重電機并聯(lián)結構的電壓傳感器，屬于電氣工程【技術領域】。包括多塊環(huán)形PCB板，所述環(huán)形PCB板由兩塊設置有電極的半環(huán)形PCB板拼接而成，所述電極相互連接并沿著環(huán)形PCB板正面和反面的多層環(huán)線設置，形成若干半徑不同的環(huán)形電極；正面環(huán)形電極之間并聯(lián)形成正面總電極，反面環(huán)形電極之間也并聯(lián)形成反面總電極；多塊環(huán)形PCB板上的正面總電極和反面總電極再各自并聯(lián)。本發(fā)明的電壓傳感器具有低壓側無短路危險；傳感器頻率響應范圍寬；檢測電路采用差動式的輸入方式，有效抑制共模干擾量；能夠實現(xiàn)非接觸式的電壓測量等優(yōu)點。
【專利說明】基于差動式輸入的開口式多重電極并聯(lián)結構電壓傳感器

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電氣工程【技術領域】，特別涉及一種基于差動式輸入的開口式多重電極并聯(lián)結構電壓傳感器。

【背景技術】
[0002]電壓傳感器作為獲取測量信號的重要結構，其性能將在很大程度上影響到整個測量系統(tǒng)的應用范圍和測量準確度。當前電力系統(tǒng)中，包括電容分壓電子式電壓互感器和光學電子式電壓互感器等在內(nèi)的電壓測量設備，大多采用獨立的分壓器對高壓端電壓進行衰減后再輸入到后級的測量電路中。為了保證分壓器的絕緣強度與準確性，使得分壓器具有較高的造價、較大的體積和復雜的工藝，此外還在其他方面也存在一定的局限性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供基于差動式輸入的開口式多重電極并聯(lián)結構電壓傳感器。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
[0005]—種基于差動式輸入的開口式多重電極并聯(lián)結構電壓傳感器，包括多塊環(huán)形PCB板，所述環(huán)形PCB板由兩塊設置有電極的半環(huán)形PCB板拼接而成，所述電極相互連接并沿著環(huán)形PCB板正面和反面的多層環(huán)線設置，形成若干半徑不同的環(huán)形電極；正面環(huán)形電極之間并聯(lián)形成正面總電極，反面環(huán)形電極之間也并聯(lián)形成反面總電極；多塊環(huán)形PCB板上的正面總電極和反面總電極再各自并聯(lián)。
[0006]進一步的，所述正面環(huán)形電極與反面環(huán)形電極在半徑不同的環(huán)線上交替間隔設置。
[0007]進一步的，所述兩半環(huán)形PCB板依靠絕緣壓板固定，所述絕緣壓板壓覆在拼接處的開口沿線上，使絕緣壓板的一端位于上半環(huán)形PCB板，另一端位于下半環(huán)形PCB板；所述絕緣壓板再通過固定鎖將其兩端固定。
[0008]進一步的，所述兩塊半環(huán)形PCB板均設置有的正面接線柱和反面接線柱，所述正面接線柱用于連接正面環(huán)形電極之間并聯(lián)的導線，反面接線柱用于連接反面環(huán)形電極之間并聯(lián)的導線。
[0009]進一步的。所述環(huán)形PCB板上的設置有至少三個連接鍵槽，且所述連接鍵槽處于同一環(huán)線上。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點在于:本發(fā)明設計的電壓傳感器采用了開口式設計，便于安裝和拆卸；同時本電壓傳感器的體積小重量輕，采用絕緣材料設計成本較低，能夠適用于各種場合的電器設備電壓的檢測，本發(fā)明的電壓傳感器還具有低壓側無短路危險；傳感器頻率響應范圍寬；檢測電路采用差動式的輸入方式，有效抑制共模干擾量；能夠實現(xiàn)非接觸式的電壓測量等優(yōu)點。
[0011]本發(fā)明的其它優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其它優(yōu)點可以通過下面的說明書，權利要求書，以及附圖中所特別指出的結構來實現(xiàn)和獲得。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]為了使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述，其中:
[0013]圖1為本發(fā)明中環(huán)形PCB板的整體結構及電極設置示意圖；
[0014]圖2為本發(fā)明的電壓傳感器及其檢測電路系統(tǒng)的實施方式圖；
[0015]圖3為圖2的檢測系統(tǒng)的硬件電路結構示意圖；
[0016]圖4為傳感器測量系統(tǒng)的集總參數(shù)等效電路；
[0017]圖5為傳統(tǒng)的傳感器上引入差動輸入結構后的等效電路圖；
[0018]其中:1_反面接線柱；2_連接鍵槽；3_絕緣壓板；4_固定鎖；5_正面接線柱；6-開口沿線7-反面環(huán)形電極；8_正面環(huán)形電極。

【具體實施方式】
[0019]以下是本發(fā)明優(yōu)選實施例的詳細描述，應當理解，優(yōu)選實施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。
[0020]圖1為本發(fā)明中環(huán)形PCB板的整體結構及電極設置示意圖，參照圖1，一種基于差動式輸入的開口式多重電極并聯(lián)結構電壓傳感器，包括多塊環(huán)形PCB板，所述環(huán)形PCB板由兩塊設置有電極的半環(huán)形PCB板拼接而成，所述電極相互連接并沿著環(huán)形PCB板正面和反面的多層環(huán)線設置，形成若干半徑不同的環(huán)形電極，且正面環(huán)形電極8之間并聯(lián)形成正面總電極，反面環(huán)形電極7之間也并聯(lián)形成反面總電極；多塊環(huán)形PCB板上的正面總電極和反面總電極再各自并聯(lián)。
[0021 ] 所述正面環(huán)形電極與反面環(huán)形電極在半徑不同的環(huán)線上交替設置。
[0022]所述兩半環(huán)形PCB板依靠絕緣壓板3固定，所述絕緣壓板3壓覆在拼接處的開口沿線6上，使絕緣壓板3的一端位于上半環(huán)形PCB板，另一端位于下半環(huán)形PCB板；所述絕緣壓板3再通過固定鎖4將其兩端固定。
[0023]所述兩塊半環(huán)形PCB板均設置有的正面接線柱5和反面接線柱1，所述正面接線柱5用于連接正面環(huán)形電極8之間并聯(lián)的導線，反面接線柱I用于連接反面環(huán)形電極7之間并聯(lián)的導線。
[0024]所述環(huán)形PCB板上的設置有至少三個連接鍵槽2，且所述連接鍵槽2處于同一圓環(huán)上。
[0025]在具體實施時，將兩塊半環(huán)形PCB板(A和B)拼接在一起，并利用絕緣壓板3固定好。之后將兩塊或者兩塊以上的環(huán)形PCB板保持同軸連接起來。若三塊環(huán)形PCB板并聯(lián)，其具體連接方式為:先利用連接鍵槽3相互對應的關系將三塊環(huán)形PCB板保持同軸，且正面接線柱5和反面接線柱I的位置都相互對應；之后將三塊環(huán)形PCB板的上的六個正面接線柱5相互連接起來；六個反面接線柱I相互也連接起來。這種多重電極的結構設置用于進一步增大互電容參數(shù)，減小傳感器測量誤差。
[0026]最后在正面的導線和反面的導線之間連接硬件電路部分，形成檢測系統(tǒng)。將待檢測的導體貫穿在三個環(huán)形PCB板的中心孔中，即可實現(xiàn)檢測，實施方式參見附圖2。
[0027]所述硬件電路部分包括差分放大電路、濾波電路、可編程增益放大電路、Α/D轉換電路、處理器電路等組成。
[0028]差分放大電路:考慮到傳感器工作環(huán)境電磁場較為復雜，傳感器輸出的信號可能被環(huán)境中的其他電磁波所干擾，因此，針對干擾信號為傳感器電極之間的共模信號，對傳感器電極產(chǎn)生的擾動量相同的特點，設計中采用差動放大電路對傳感器輸出信號進行采集。差動放大電路輸出與兩路輸入信號之差之間具有固定增益的信號，通過對兩路輸入信號求差，可以去掉兩者中具有的極性相同的共模分量，放大極性相反的差模分量。因此，可以通過差動放大電路實現(xiàn)對傳感器輸入信號放大的同時，抑制環(huán)境干擾信號對測量結果帶來的誤差。
[0029]濾波電路:本設計采用帶通濾波電路，主要實現(xiàn)檢測50Hz的工頻電壓信號，同時濾除高頻的干擾信號等，保證信號采集的準確性。
[0030]可編程增益放大電路:為了適應不同電壓等級用電設備的漏電保護，使得檢測電路成為具有寬動態(tài)范圍的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因此可以通過可編程增益放大器電路來實現(xiàn)信號與Α/D滿量程電壓的匹配。
[0031]處理器電路:處理器采用MSP430超低功耗單片機作為主控制器，用于對信號進行計算、處理，同時設計按鍵電路，實現(xiàn)對預設值的調(diào)整、系統(tǒng)復位等功能。
[0032]通過分析，被測導體與傳感器構成的測量系統(tǒng)中輸入輸出的時域關系表達式可以表示為:
[0033]
V=I
oW ' Jt
[0034]因此，只要對測量到的傳感器信號在時域上進行積分，便可以還原得到與電場強度成正比的測量值。由式(I)可以得到整個測量系統(tǒng)的集總參數(shù)等效電路模型，如圖4所示:
[0035]被測導體電壓等效為對地電位為q>(t)的電壓源，Cm為傳感器電極與被測導體之間的等效分布互電容，Cs為傳感器電極的對地等效分布雜散電容，Rm為接地負載電阻，傳感器等效為由Cm、Cs以及Rm所構成的一階RC電路。傳感器輸出V(t)輸入到由電阻R1、電容Cl所構成的無源積分電路中，積分電路輸出信號Vo(t)即為得到的測量信號。
[0036]通過拉普拉斯變換，傳感器的傳遞函數(shù)可以表示為:
[0037]
Hp(s)^ ^ CmC2)
咖)Cm+Cs
[0038]根據(jù)公式⑵可以得出為了使電場耦合電壓傳感器能夠在工頻50Hz工作于自積分模式，以達到擴大帶寬、減小誤差以及避免積分電路影響的目的，角頻率《h至少需要滿足條件:
[0039]ojh =—~1 <2ττχ50(j)

\Cm + Cs)Km
[0040]由于考慮到絕緣強度以及導體自身的幾何參數(shù)結構，電場耦合傳感器與被測導體之間的距離不可能很近，被測導體與傳感器電極之間互電容Cm的電容值以及電極自身的對地雜散電容Cs的電容值一般情況下只有pF級別(10-12)大小，因此需要使用電阻值大小為GQ級別的負載電阻Rm，這將會在電阻的選擇與阻抗的匹配方面存在問題。
[0041]在傳統(tǒng)的傳感器上引入差動輸入結構后，通過一對工作于自積分模式的電場I禹合傳感器電極輸出的懸浮電位之差作為傳感器的輸出，其等效電路如圖5所示:
[0042]新的結構，并不會改變傳感器自身的傳遞函數(shù)形式，只是在傳感器傳遞函數(shù)的極點中引入了一個新的參數(shù)，即為互電容CmO。由于電極之間距離可以自由調(diào)整，相較于傳統(tǒng)的傳感器被測導體與電極之間的互電容Cm由于距離較遠無法獲得較大電容值的情況，本發(fā)明的電極之間互電容CmO可以獲得遠大于導體與電極之間互電容Cm以及電極自身對地雜散電容Cs的電容值。因此，可以得出，提高互電容CmO的電容值，可以有效提高C2的值，并且由于運算放大器輸入阻抗一般都能達到GQ等級以上，因此，通過差動輸入結構，避免了使用負載電阻的同時，還能使傳感器能夠在工頻下工作于自積分模式。
[0043]最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權利要求書所限定的范圍。
【權利要求】
1.一種基于差動式輸入的開口式多重電極并聯(lián)結構電壓傳感器，包括多塊環(huán)形PCB板，所述環(huán)形PCB板由兩塊設置有電極的半環(huán)形PCB板拼接而成，其特征在于:所述電極相互連接并沿著環(huán)形PCB板正面和反面的多層環(huán)線設置，形成若干半徑不同的環(huán)形電極；正面環(huán)形電極之間并聯(lián)形成正面總電極，反面環(huán)形電極之間也并聯(lián)形成反面總電極；多塊環(huán)形PCB板上的正面總電極和反面總電極再各自并聯(lián)。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于差動式輸入的開口式多重電極并聯(lián)結構電壓傳感器，其特征在于:所述正面環(huán)形電極與反面環(huán)形電極在半徑不同的環(huán)線上交替間隔設置。
3.根據(jù)權利要求2所述的基于差動式輸入的開口式多重電極并聯(lián)結構電壓傳感器，其特征在于:所述兩半環(huán)形PCB板依靠絕緣壓板固定，所述絕緣壓板壓覆在拼接處的開口沿線上，使絕緣壓板的一端位于上半環(huán)形PCB板，另一端位于下半環(huán)形PCB板；所述絕緣壓板再通過固定鎖將其兩端固定。
4.根據(jù)權利要求3所述的基于差動式輸入的開口式多重電極并聯(lián)結構電壓傳感器，其特征在于:所述兩塊半環(huán)形PCB板均設置有的正面接線柱和反面接線柱，所述正面接線柱用于連接正面環(huán)形電極之間并聯(lián)的導線，反面接線柱用于連接反面環(huán)形電極之間并聯(lián)的導線。
5.根據(jù)權利要求4所述的基于差動式輸入的開口式多重電極并聯(lián)結構電壓傳感器,其特征在于:所述環(huán)形PCB板上的設置有至少三個連接鍵槽，且所述連接鍵槽處于同一環(huán)線上。
【文檔編號】G01R19/00GK104181378SQ201410427619
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月27日 優(yōu)先權日:2014年8月27日
【發(fā)明者】何為, 周強 申請人:重慶大學