基于超聲波的高壓接口裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高壓接口裝置和系統(tǒng)，其中，該裝置包括：用于進(jìn)行通信的光纖；用于傳輸超聲波的絕緣器件；第一超聲換能器元件，置于絕緣器件的一端；以及第二超聲換能器元件，置于絕緣器件的另一端；其中，第一超聲換能器元件用于將輸入的電功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波并傳輸給絕緣器件，第二超聲換能器元件用于將來自絕緣器件的超聲波轉(zhuǎn)換成待輸出的電功率信號(hào)。本裝置避免采用隔離變壓器，從而避免了隔離變壓器所帶來的重量和體積大，成本提高的問題。
【專利說明】基于超聲波的高壓接口裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高壓接口技術(shù)，具體涉及一種基于超聲波的高壓接口裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]通常在諸如輸電或配電的高壓或超高壓領(lǐng)域中，需要對主干線進(jìn)行實(shí)時(shí)的電參數(shù)采樣以進(jìn)行自動(dòng)控制。如圖1所示，在現(xiàn)有技術(shù)中，通常將傳感器組件設(shè)置在主干線附件，將控制器設(shè)置在地面上，如此使得傳感器組件和控制器之間的電位差可達(dá)幾千伏到幾十千伏。從而難以從控制器向傳感器組件供電并同時(shí)從傳感器組件獲取采樣數(shù)據(jù)。
[0003]圖2示出了當(dāng)前最常用的高壓接口裝置20，其由隔離變壓器和光纖兩部分構(gòu)成。隔離變壓器具有較高的隔離能力并且可以有效地將電功率從低壓側(cè)的控制器傳輸?shù)礁邏簜?cè)的傳感器組件，而光纖可以在二者之間進(jìn)行可靠的通信。
[0004]然而，由于這樣一種高壓接口裝置采用了隔離變壓器，隔離變壓器隨著絕緣等級(jí)的升高，其重量和體積會(huì)不斷增大，而且成本也會(huì)提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于上述問題，本發(fā)明提供一種高壓接口裝置和方法，其具有高壓隔離能力強(qiáng)且重量和體積較小，同時(shí)成本也比較低等優(yōu)點(diǎn)。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種高壓接口裝置，包括:用于進(jìn)行通信的光纖；用于傳輸超聲波的絕緣器件；第一超聲換能器兀件，置于絕緣器件的一端；以及第二超聲換能器元件，置于絕緣器件的另一端；其中，第一超聲換能器元件用于將輸入的電功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波并傳輸給絕緣器件，第二超聲換能器元件用于將來自絕緣器件的超聲波轉(zhuǎn)換成待輸出的電功率信號(hào)。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種高壓接口裝置，包括:用于傳輸超聲波的絕緣器件；第一超聲換能器元件，一端置于絕緣器件的一端；以及第二超聲換能器元件，一端置于絕緣器件的另一端；其中，第一超聲換能器元件用于將輸入的電功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成第一超聲波并傳輸給絕緣器件，第二超聲換能器元件用于將來自絕緣器件的第一超聲波轉(zhuǎn)換成待輸出的電功率信號(hào)；第一超聲換能器元件還用于將輸入的電調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成第二超聲波并傳輸給絕緣器件，第二超聲換能器元件用于將來自絕緣器件的第二超聲波轉(zhuǎn)換成待輸出的電調(diào)制信號(hào)；第二超聲換能器元件還用于將輸入的電調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成第三超聲波并傳輸給絕緣器件，第一超聲換能器元件用于將來自絕緣器件的第三超聲波轉(zhuǎn)換成待輸出的電調(diào)制信號(hào)。
[0008]其中，在第一時(shí)間段內(nèi)，第一超聲換能器兀件陣列用于將輸入的電功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波，第二超聲換能器元件陣列用于經(jīng)由絕緣器件接收來自第一超聲換能器元件陣列的超聲波并將其轉(zhuǎn)換成待輸出的電功率信號(hào)；在第二時(shí)間段內(nèi)，第二超聲換能器元件陣列用于將輸入的電調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波，第一超聲換能器元件陣列用于經(jīng)由絕緣器件接收來自第二超聲換能器元件陣列的超聲波并將其轉(zhuǎn)換成待輸出的電調(diào)制信號(hào)。[0009]其中，第一超聲換能器元件陣列中的部分超聲換能器元件用于將輸入的電功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波，第二超聲換能器元件陣列中的部分超聲換能器元件用于經(jīng)由絕緣器件接收來自第一超聲換能器7Π件陣列中的部分超聲換能器7Π件的超聲波并將其轉(zhuǎn)換成待輸出的電功率信號(hào)；第二超聲換能器元件陣列中的剩余部分超聲換能器元件用于將輸入的電調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波，第一超聲換能器元件陣列中的剩余部分超聲換能器元件用于經(jīng)由絕緣器件接收來自第二超聲換能器元件陣列中的剩余部分超聲換能器元件的超聲波并將其轉(zhuǎn)換成待輸出的電調(diào)制信號(hào)。
[0010]其中，絕緣器件包括玻璃管，在玻璃管中充滿蒸餾水。
[0011]其中，第一和第二超聲換能器元件陣列為壓電陶瓷元件陣列。
[0012]其中，壓電陶瓷元件陣列中的壓電陶瓷元件相同，而且壓電陶瓷元件的共振頻率與電功率信號(hào)和電調(diào)制信號(hào)的頻率相等。
[0013]其中，由位于絕緣器件一端的超聲換能器元件所發(fā)射的超聲波能夠通過相控陣技術(shù)聚焦在位于絕緣器件的另一端的相應(yīng)超聲換能器元件表面。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種在高壓下進(jìn)行交互的方法，包括:將如上所述的高壓接口裝置耦合在低壓側(cè)的控制器和高壓側(cè)的傳感器組件之間，其中，第一超聲換能器元件陣列與所述控制器耦合，所述第二超聲換能器元件陣列與所述傳感器組件。
[0015]從下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的詳細(xì)說明使本發(fā)明的這些和其他目的、特征、方案和優(yōu)點(diǎn)變得更加明顯。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]下面將通過參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更清楚本發(fā)明的上述及其它特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖中:
[0017]圖1示出了傳感器組件和控制器之間的高電位差的示意圖；
[0018]圖2示出了常規(guī)高壓接口裝置的示意圖；
[0019]圖3示出了按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的高壓接口裝置的示意圖；
[0020]圖4示出了按照本發(fā)明另一實(shí)施例的高壓接口裝置的示意圖；以及
[0021]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的超聲換能器元件陣列的微結(jié)構(gòu)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，以下舉實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0023]圖3示出了按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的高壓接口裝置的示意圖。圖3所示的高壓接口裝置30可包括光纖310、適于傳輸超聲波的絕緣器件320、以及分別設(shè)置在絕緣器件320兩端的第一超聲換能器元件330和第二超聲換能器元件340。高壓接口裝置30可實(shí)現(xiàn)從互相隔離的低壓側(cè)向高壓側(cè)供電的功能，為微功耗的設(shè)備供電。例如，高壓接口裝置30可以耦合在低壓側(cè)的控制器50和高壓側(cè)的傳感器組件60之間，將控制器50的電能傳輸?shù)絺鞲衅鹘M件60中。光纖310可以用于在二者之間進(jìn)行通信。此外，第一超聲換能器元件330用于將從控制器50輸入的電能，即電功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波，超聲波沿著絕緣器件320傳遞到第二超聲換能器元件340，其將所接收到的超聲波轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電功率信號(hào)，即電能，并將該信號(hào)輸出到傳感器組件60?？梢越柚夹g(shù)使傳感器組件60將其所接收到的電功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成能夠使其各部件正常工作的供電電壓。在該實(shí)施例中，由于采用適于傳輸超聲波的絕緣器件和超聲換能器元件來代替隔離變壓器，因此高壓接口裝置不僅具有高壓隔離能力，而且重量輕、體積小。此外，其制造成本也相對較低。
[0024]圖4示出了按照本發(fā)明另一實(shí)施例的高壓接口裝置的示意圖。如圖4所示，高壓接口裝置40可包括適于傳輸超聲波的絕緣器件410、以及分別設(shè)置在絕緣器件410兩端的超聲換能器元件420、430。高壓接口裝置40可實(shí)現(xiàn)從互相隔離的低壓側(cè)向高壓側(cè)供電的功能，為微功耗的設(shè)備供電。例如，高壓接口裝置40也可以耦合在控制器50和傳感器組件60之間。其中，第一超聲換能器兀件420用于將從控制器50輸入的電功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波，超聲波沿著絕緣器件410傳遞到第二超聲換能器元件430，其將所接收到的超聲波轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電功率信號(hào)并將該信號(hào)輸出到傳感器組件60?？梢越柚夹g(shù)使傳感器組件60將其所接收到的電功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成能夠使其各部件正常工作的供電電壓。
[0025]此外，第一超聲換能器元件420和第二超聲換能器元件430還可相互傳送電調(diào)制信號(hào)。其中，通過第一超聲換能器元件420將控制器50的電調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波，經(jīng)由絕緣器件410將超聲波傳遞給第二超聲換能器元件430并由其將超聲波轉(zhuǎn)換成待輸出的電調(diào)制信號(hào)，傳給傳感器組件60。此電調(diào)制信號(hào)可包含一些初始化信息。此外，通過第二超聲換能器元件430將傳感器組件60的電調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波，經(jīng)由絕緣器件410將超聲波傳遞給第一超聲換能器元件420并由其將超聲波轉(zhuǎn)換成電調(diào)制信號(hào)，傳給控制器50。上述電調(diào)制信號(hào)可包括傳感器組件60的采樣信息，例如高壓側(cè)一端的電流和電壓。
[0026]在一個(gè)范例中，在一時(shí)間段內(nèi)，第一超聲換能器兀件420將從控制器50輸入的電功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波，所述超聲波沿著絕緣器件410傳遞到第二超聲換能器元件430，其將所接收到的超聲波轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電功率信號(hào)并將該信號(hào)輸出到傳感器組件60。可以借助公知技術(shù)使傳感器組件60將其所接收到的電功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成能夠使其各部件正常工作的供電電壓。
[0027]在另一時(shí)間段內(nèi)，第一超聲換能器兀件420將從控制器50輸入的電調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波，其中該電調(diào)制信號(hào)可以利用公知技術(shù)來產(chǎn)生，其可含有控制器50中的初始化信息。所述超聲波沿著絕緣器件410傳遞到第二超聲換能器元件430，其將所接收到的超聲波轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電調(diào)制信號(hào)并將該信號(hào)輸出到傳感器組件60?？梢越柚夹g(shù)使傳感器組件60對所接收到的電調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從而得到初始化信息。第二超聲換能器元件430將從傳感器組件60輸入的電調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波，其中該電調(diào)制信號(hào)可以利用公知技術(shù)來產(chǎn)生，其可含有傳感器組件60所采樣的信息。所述超聲波沿著絕緣器件410傳遞到第一超聲換能器元件420，其將所接收到的超聲波轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電調(diào)制信號(hào)并將該信號(hào)輸出到控制器50?？梢越柚夹g(shù)使控制器50對所接收到的電調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從而得到傳感器組件60所采樣的信息。
[0028]在另一個(gè)范例中，第一超聲換能器兀件420中的一部分超聲換能器兀件將從控制器50輸入的電功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波，所述超聲波沿著絕緣器件410傳遞到第二超聲換能器元件430中的一部分超聲換能器元件，其將所接收到的超聲波轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電功率信號(hào)并將該信號(hào)輸出到傳感器組件60。于此同時(shí),第一超聲換能器兀件420的另一部份與第二超聲換能器兀件430中的另一部分互傳信息。其中，第一超聲換能器兀件420將從控制器50輸入的電調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波，其中，該電調(diào)制信號(hào)可以利用公知技術(shù)來產(chǎn)生，其可含有控制器50中的初始化信息。所述超聲波沿著絕緣器件410傳遞到第二超聲換能器元件430，其將所接收到的超聲波轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電調(diào)制信號(hào)并將該信號(hào)輸出到傳感器組件60。可以借助公知技術(shù)使傳感器組件60對所接收到的電調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從而得到初始化信息。第二超聲換能器兀件430中的另一部分超聲換能器兀件將從傳感器組件40輸入的電調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波，其中，該電調(diào)制信號(hào)可以利用公知技術(shù)來產(chǎn)生，其可含有傳感器組件40中的采樣信息。所述超聲波沿著絕緣器件410傳遞到第一超聲換能器元件420中的另一部分超聲換能器元件，其將所接收到的超聲波轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電調(diào)制信號(hào)并將該信號(hào)輸出到控制器50?？梢越柚夹g(shù)使控制器50對所接收到的電調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從而得到采樣信息。
[0029]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第一超聲換能器元件或第二超聲換能器元件可以是由多個(gè)壓電陶瓷元件構(gòu)成的陣列。壓電陶瓷元件可以進(jìn)行電能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換。當(dāng)然除了壓電式換能器，還可以使用其他類型超聲換能器元件，例如:靜電超聲換能器元件陣列、電磁超聲換能器元件陣列、磁致伸縮式換能器、電動(dòng)式換能器、電磁式換能器、電容式換能器等。選地，輸入到壓電陶瓷元件的信號(hào)的頻率可以等于電陶瓷元件的共振頻率，這使得所發(fā)射出的超聲波最強(qiáng)并且傳輸效率最大。而且，可以使接收超聲波的壓電陶瓷元件與發(fā)射超聲波的壓電陶瓷元件相同，由此使接收超聲波的壓電陶瓷元件也處于共振狀態(tài)，這使其能夠恢復(fù)最大的能量。參見圖5，其示出了根據(jù)本發(fā)明的超聲換能器元件陣列的微結(jié)構(gòu)的示意圖。為了進(jìn)一步提高超聲波的傳輸效率，可以利用相控陣技術(shù)將一側(cè)超聲換能器元件所發(fā)射的超聲波聚焦在另一側(cè)的相應(yīng)的超聲換能器元件表面。
[0030]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，絕緣器件410中的絕緣介質(zhì)為可蒸餾水。壓電陶瓷元件所發(fā)射出的超聲波可以沿著充滿了蒸餾水的玻璃管傳播。蒸餾水是絕緣材料，而且與空氣相比其對超聲波的衰減率更低。然而，本發(fā)明不限于此，絕緣器件也可以是絕緣油脂、絕緣凝膠、陶瓷棒、玻璃棒或其它絕緣性高且超聲波在其中的衰減率小的絕緣材料。
[0031]上文通過附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)展示和說明，然而本發(fā)明不限于這些已揭示的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員從中推導(dǎo)出來的其他方案也在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)由所附的權(quán)利要求書來定義。
【權(quán)利要求】
1.一種高壓接口裝置，包括: 用于進(jìn)行通信的光纖； 用于傳輸超聲波的絕緣器件； 第一超聲換能器元件，置于所述絕緣器件的一端；以及 第二超聲換能器元件，置于所述絕緣器件的另一端； 其中，所述第一超聲換能器元件用于將輸入的電功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波并傳輸給所述絕緣器件，所述第二超聲換能器元件用于將來自所述絕緣器件的超聲波轉(zhuǎn)換成待輸出的電功率信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的高壓接口裝置，其特征在于，所述絕緣器件中的絕緣介質(zhì)為蒸餾水。
3.如權(quán)利要求1所述的高壓接口裝置，其特征在于，所述電功率信號(hào)的頻率，所述第一超聲換能器元件的共振頻率以及所述第二超聲換能器元件的共振頻率相等。
4.如權(quán)利要求1所述的高壓接口裝置，其特征在于，所述第一超聲換能器元件或所述第二超聲換能器元件為壓電陶瓷元件。
5.如權(quán)利要求1所述的高壓接口裝置，其特征在于，所述第一超聲換能器元件所發(fā)射的超聲波能夠通過相控陣技術(shù)聚焦到所述第二超聲換能器元件表面。
6.一種高壓接口裝置，包括: 用于傳輸超聲波的絕緣器件； 第一超聲換能器元件，一端置于所述絕緣器件的一端；以及 第二超聲換能器元件，一端置于所述絕緣器件的另一端； 其中，所述第一超聲換能器元件用于將輸入的電功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成第一超聲波并傳輸給所述絕緣器件，所述第二超聲換能器元件用于將來自所述絕緣器件的所述第一超聲波轉(zhuǎn)換成待輸出的電功率信號(hào)； 所述第一超聲換能器元件還用于將輸入的電調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成第二超聲波并傳輸給所述絕緣器件，所述第二超聲換能器元件用于將來自所述絕緣器件的所述第二超聲波轉(zhuǎn)換成待輸出的電調(diào)制信號(hào)； 所述第二超聲換能器元件還用于將輸入的電調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成第三超聲波并傳輸給所述絕緣器件，所述第一超聲換能器元件用于將來自所述絕緣器件的所述第三超聲波轉(zhuǎn)換成待輸出的電調(diào)制信號(hào)。
7.如權(quán)利要求6所述的高壓接口裝置，其特征在于，在一時(shí)間段內(nèi)，所述第一超聲換能器元件和所述第二超聲換能器元件用于傳輸電功率信號(hào)，在另一時(shí)間段內(nèi)，所述第一超聲換能器元件和第二超聲換能器元件用于相互傳輸電調(diào)制信號(hào)。
8.如權(quán)利要求6所述的高壓接口裝置，其特征在于，所述第一超聲換能器元件和所述第二超聲換能器元件中的部分超聲換能器元件用于傳輸電功率信號(hào)，所述第一超聲換能器元件和所述第二超聲換能器元件中的另一部分超聲換能器元件用于同時(shí)傳輸電調(diào)制信號(hào)。
9.如權(quán)利要求6中所述的高壓接口裝置，其特征在于，所述絕緣器件中的絕緣介質(zhì)為蒸餾水。
10.如權(quán)利要求6中的所述的高壓接口裝置，其特征在于，所述第一超聲換能器元件或所述第二超聲換能器元件為壓電陶瓷元件。
11.如權(quán)利要求6所述的高壓接口裝置，其特征在于，所述電功率信號(hào)的頻率，所述第一超聲換能器元件的共振頻率以及所述第二超聲換能器元件的共振頻率相等，所述電調(diào)制信號(hào)的頻率，所述第一超聲換能器元件的共振頻率以及所述第二超聲換能器元件的共振頻率相等。
12.如權(quán)利要求6所述的高壓接口裝置，其特征在于，所述第一超聲換能器元件所發(fā)射的超聲波能夠通過相控陣技術(shù)聚焦到所述第二超聲換能器元件表面。
13.—種系統(tǒng):包括如權(quán)利要求1-5任一所述的高壓接口裝置，控制器和傳感器，所述控制器與所述第一超聲換能器元件電連接，所述傳感器與所述第二超聲換能器元件電連接，所述控制器和所述傳感器分別與所述光纖連接。
14.一種系統(tǒng):包括如權(quán)利要求6-12任一所述的高壓接口裝置，控制器和傳感器，所述控制器與所述第一超聲換能器元件電連接，所述傳感器與所述第二超聲換能器元件電連接，所述控制器和所述傳感器分別與所述光纖連接。
【文檔編號(hào)】H02J17/00GK103580295SQ201210264264
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月27日
【發(fā)明者】宋英華, 姚吉隆, 趙研峰 申請人:西門子公司