CN113640569A - 一种电压检测装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种电压检测装置，涉及机电技术领域，解决目前电压检测方式中高电压侧和低电压侧没有电学隔离，存在较大安全隐患的问题。所述电压检测装置中，第一压电柱的第一端与绝缘框架固定连接，第一弹性悬臂梁的第一端与绝缘框架固定连接，第一压电柱的第二端与第一弹性悬臂梁的第二端固定连接；第一变形检测模块与第一弹性悬臂梁固定连接，用于检测所述第一弹性悬臂梁的变形并输出相应电信号；信号处理模块与第一变形检测模块连接，用于对所述第一变形检测模块输出的电信号进行处理得到电压值。本申请提供的电压检测装置用于检测电压。

Description

一种电压检测装置

技术领域

本申请涉及机电技术领域，尤其涉及一种电压检测装置。

背景技术

基于电阻分压原理或电容分压原理的电压检测方式是目前检测高电压较为常用的方式。

然而，在基于上述电压检测方式得到的电压检测电路中，高电压侧和低电压侧没有电学隔离，存在较大的安全隐患。

发明内容

本申请提供一种电压检测装置，能够用于解决目前电压检测方式中高电压侧和低电压侧没有电学隔离，存在较大安全隐患的技术问题。

本申请实施例提供一种电压检测装置，所述电压检测装置包括第一压电柱、第一弹性悬臂梁、绝缘框架、第一变形检测模块和信号处理模块；

其中，所述第一压电柱具有第一端和第二端，所述第一弹性悬臂梁具有第一端和第二端；

所述第一压电柱的第一端与所述绝缘框架固定连接，所述第一弹性悬臂梁的第一端与所述绝缘框架固定连接，所述第一压电柱的第二端与所述第一弹性悬臂梁的第二端固定连接；

所述第一变形检测模块与所述第一弹性悬臂梁固定连接，用于检测所述第一弹性悬臂梁的变形并输出相应电信号；

所述信号处理模块与所述第一变形检测模块连接，用于对所述第一变形检测模块输出的电信号进行处理得到电压值。

可选地，在一个实施例中，所述第一变形检测模块包括变形响应元件和支撑部件；

所述变形响应元件与所述支撑部件固定连接，所述支撑部件与所述第一弹性悬臂梁固定连接，所述变形响应元件随所述第一弹性悬臂梁发生变形而产生变形。

可选地，在一个实施例中，所述变形响应元件包括电阻应变片或音叉谐振器。

可选地，在一个实施例中，所述第一变形检测模块包括第一变形检测单元和第二变形检测单元，所述第一弹性悬臂梁具有相对的第一表面和第二表面；

所述第一弹性悬臂梁的第一表面与所述第一弹性悬臂梁的第一端以及所述第一弹性悬臂梁的第二端连接；所述第一弹性悬臂梁的第二表面与所述第一弹性悬臂梁的第一端以及所述第一弹性悬臂梁的第二端连接；

所述第一变形检测单元与所述第一弹性悬臂梁的第一表面固定连接，所述第二变形检测单元与所述第一弹性悬臂梁的第二表面固定连接。

可选地，在一个实施例中，所述电压检测装置还包括金属屏蔽壳体；

所述第一变形检测模块设置于所述金属屏蔽壳体的内部，所述第一压电柱设置于所述金属屏蔽壳体的外部，所述金属屏蔽壳体接地。

可选地，在一个实施例中，所述电压检测装置还包括第一金属预紧弹簧；

所述第一压电柱的第一端通过所述第一金属预紧弹簧与所述绝缘框架固定连接。

可选地，在一个实施例中，所述电压检测装置还包括第二压电柱；

所述第二压电柱具有第一端和第二端，所述第二压电柱的第一端与所述绝缘框架固定连接，所述第二压电柱的第二端与所述第一弹性悬臂梁的第二端固定连接；

所述第二电压柱的第一端与所述第一电压柱的第一端同为正极，所述第二电压柱的第二端与所述第一电压柱的第二端同为负极；或者，所述第二电压柱的第一端与所述第一电压柱的第一端同为负极，所述第二电压柱的第二端与所述第一电压柱的第二端同为正极。

可选地，在一个实施例中，所述电压检测装置包括第一金属预紧弹簧和第二金属预紧弹簧；

所述第一压电柱的第一端通过所述第一金属预紧弹簧与所述绝缘框架固定连接；以及，所述第二压电柱的第一端通过所述第二金属预紧弹簧与所述绝缘框架固定连接。

可选地，在一个实施例中，所述电压检测装置还包括第二弹性悬臂梁和第二变形检测模块；

所述第二弹性悬臂梁具有第一端和第二端；

所述第二弹性悬臂梁的第一端与所述绝缘框架固定连接，所述第一压电柱的第二端与所述第二弹性悬臂梁的第二端固定连接；

所述第二变形检测模块与所述第二弹性悬臂梁固定连接，用于检测所述第二弹性悬臂梁的变形并输出相应电信号；

所述信号处理模块与所述第一变形检测模块以及所述第二变形检测模块连接，用于对所述第一变形检测模块输出的电信号以及所述第二变形检测模块输出的电信号进行处理得到电压值。

可选地，在一个实施例中，所述电压检测装置还包括第一应力释放弹簧和第二应力释放弹簧；

所述第一弹性悬臂梁的第一端通过所述第一应力释放弹簧与所述绝缘框架固定连接；以及，所述第二弹性悬臂梁的第一端通过所述第二应力释放弹簧与所述绝缘框架固定连接。

本申请带来的有益效果如下：

采用本申请实施例提供的电压检测装置，所述电压检测装置包括第一压电柱、第一弹性悬臂梁、绝缘框架、第一变形检测模块和信号处理模块；其中，所述第一压电柱具有第一端和第二端，所述第一弹性悬臂梁具有第一端和第二端；所述第一压电柱的第一端与所述绝缘框架固定连接，所述第一弹性悬臂梁的第一端与所述绝缘框架固定连接，所述第一压电柱的第二端与所述第一弹性悬臂梁的第二端固定连接；所述第一变形检测模块与所述第一弹性悬臂梁固定连接，用于检测所述第一弹性悬臂梁的变形并输出相应电信号；所述信号处理模块与所述第一变形检测模块连接，用于对所述第一变形检测模块输出的电信号进行处理得到电压值；使得当第一压电柱上施加待测电压时，第一压电柱发生变形，带动第一弹性悬臂梁的第二端移动，引起第一弹性悬臂梁的弹性弯曲变形，第一变形检测模块可以对第一弹性悬臂梁的变形进行检测并输出相应电信号，信号处理模块可以对所述电信号进行处理得到待测电压值。可见，通过本申请实施例提供的电压检测装置，高电压侧(第一压电柱)与弱电压侧(第一变形检测模块和信号处理模块)之间没有电气连接，实现了高电压侧与弱电电侧之间的隔离，从而有效减少了安全隐患。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，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他的附图。在附图中：

图1为现有技术中一种电压检测电路的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种电压检测装置的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种电压检测装置中压电柱的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种电压检测装置工作状态示意图；

图5为本申请实施例提供的另一种电压检测装置的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的一种电压检测装置中变形检测模块的结构示意图；

图7-1和图7-2为本申请实施例提供的又一种电压检测装置的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的又一种电压检测装置的结构示意图；

图9为本申请实施例提供的又一种电压检测装置的结构示意图；

图10为本申请实施例提供的一种电压检测装置中变形检测模块的结构示意图；

图11为本申请实施例提供的一种电压检测装置中变形检测模块的结构示意图；

图12为本申请实施例提供的一种电压检测装置中变形检测模块的结构示意图；

图13为本申请实施例提供的又一种电压检测装置的结构示意图；

图14为本申请实施例提供的又一种电压检测装置的结构示意图；

图15为本申请实施例提供的又一种电压检测装置的结构示意图；

图16为本申请实施例提供的又一种电压检测装置的结构示意图；

图17为本申请实施例提供的又一种电压检测装置的结构示意图；

图18为本申请实施例提供的一种电压检测装置中变形检测模块的结构示意图；

图19为本申请实施例经测试得到的输入电压与输出的差分频率之间的线性图；

图20-1和图20-2为本申请实施例提供的一种电压检测装置中变形检测模块的结构示意图；

图21为惠斯通电桥电路结构示意图；

图22为本申请实施例提供的又一种电压检测装置的结构示意图。

附图标记：

10—电压检测装置；101—第一压电柱；1011—正极；1012—负极；1013—柱体；102—第一弹性悬臂梁；1021—第一表面；1022—第二表面；103—缘框架；104—第一变形检测模块；1041—变形响应元件；1042—信号输出单元；1043—支撑部件；10431—弹性支撑板；105—金属屏蔽壳体；106—第一金属预紧弹簧；107—第二压电柱；108—第二金属预紧弹簧；109—第二弹性悬臂梁；110—第二变形检测模块；111—第一应力释放弹簧；112—第二应力释放弹簧。

20—电压检测装置；201—第一压电柱；202—第二压电柱；203—第一金属预紧弹簧；204—第二金属预紧弹簧；205—第一弹性悬臂梁；206—绝缘框架；207—第一变形检测模块；2071—变形响应元件；2072—信号输出单元；2073—支撑部；208—金属屏蔽壳体。

30—电压检测装置；301—第一压电柱；302—第二压电柱；303—第一金属预紧弹簧；304—第二金属预紧弹簧；305—第一弹性悬臂梁；306—第二弹性悬臂梁；307—第一应力释放弹簧；308—第二应力释放弹簧；309—绝缘框架；310—第一变形检测模块；311—第二变形检测元件；312—第一金属屏蔽壳体；313—第二金属屏蔽壳体。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术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，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

如本申请背景技术中所描述的，基于电阻分压原理或电容分压原理的电压检测电路中，高电压侧和低电压侧没有电学隔离，存在较大的安全隐患。如图1所示为现有技术中基于电阻分压原理的电压检测电路，多用于检测高电压，电路中包括电阻R1和电阻R2，还包括电压输入端Ui和电压输出端Uo，电阻R1和电阻R2串联；输入电压Ui施加在电阻R1和电阻R2上，输出电压Uo为电阻R2上的电压，基于电阻R2上的电压Uo以及电阻R1与电阻R2的阻值比就可以得到待测输入电压Ui的值。可见，该电压检测电路中，高电压侧(电压输入端)和低电压侧(电压输出端)通过电气连接，没有进行隔离，从而高电压侧可能会影响低电压侧，如出现高压击穿、导致低电压侧检测不准确等情况，因而存在较大的安全隐患。

针对此，本申请实施例提供了一种电压检测装置10，用于解决上述电压检测电路中高电压侧和低电压侧没有隔离，存在较大安全隐患的技术问题。如图2所示，所述电压检测装置10包括第一压电柱101、第一弹性悬臂梁102、绝缘框架103、第一变形检测模块104和信号处理模块；所述第一压电柱101具有第一端和第二端，所述第一弹性悬臂梁102具有第一端和第二端；所述第一压电柱101的第一端与所述绝缘框架103固定连接，所述第一弹性悬臂梁102的第一端与所述绝缘框架103固定连接，所述第一压电柱101的第二端与所述第一弹性悬臂梁102的第二端固定连接；所述第一变形检测模块104与所述第一弹性悬臂梁102固定连接，用于检测所述第一弹性悬臂梁102的变形并输出相应电信号；所述信号处理模块与所述第一变形检测模块104连接，用于对所述第一变形检测模块104输出的电信号进行处理得到电压值。

其中，第一压电柱101可以在施加待测电压的情况下发生变形。如图3所示，第一压电柱101包括正极1011、负极1012以及用于连接所述正极1011和所述负极1012的柱体1013，正极1011用于输入待测电压，负极1012用于接地。所述柱体1013由压电材料制成，从而使得第一压电柱101在施加待测电压的情况下可以基于逆电压效应发生变形，该变形可以是伸长，也可以是压缩，具体可以根据压电材料的性能等决定。为获得更大的灵敏度和能够承受更高输入电压的特性，所述压电材料可以选择具有高阻抗、高压电常数的压电材料，如锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)、铌镁钛酸铅压电陶瓷(PMN-PT)等。当第一压电柱101上施加待测电压时，柱体1013将沿极化方向产生变形，进而第一压电柱101发生伸长或压缩变形。所述第一压电柱101的正极1011和负极1012分布情况可以是，第一压电柱101的第一端为正极，第一压电柱101的第二端为负极，或者，第一压电柱101的第一端为负极，第一压电柱101的第二端为正极。

第一弹性悬臂梁102由弹性材料制成，在施加外力的情况下可以发生弹性弯曲变形。第一弹性悬臂梁102的第二端为自由端，自由端的偏移可以引起第一弹性悬臂梁102发生弯曲。第一弹性悬臂梁102的第二端与第一压电柱101的第二端固定连接，使得第一压电柱101的变形可以引起第一弹性悬臂梁102的第二端的移动，从而引起第一弹性悬臂梁102发生弯曲，如图4所示，第一压电柱101输入待测电压后发生伸长变形，引起第一弹性悬臂梁102向下弯曲；也可以理解为第一压电柱101的纵向应力/应变转换为第一弹性悬臂梁102的弯曲应力/应变，当然，在压电柱101发生压缩变形时，第一弹性悬臂梁102的弯曲方向也可以向上。为尽量避免高电压侧(第一压电柱101)对低电压侧(第一变形检测模块104和信号处理模块)的影响，第一弹性悬臂梁102优选由绝缘弹性材料制成，如氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等绝缘性能和机械性能良好的陶瓷材料。另外，为了避免对第一压电柱101施加待测电压时，误触碰到第一弹性悬臂梁102的自由端，引起电压的误测，在一种优选的实施方式中，第一压电柱101的第一端为正极，第一压电柱101的第二端为负极；即第一压电柱101中与第一弹性悬臂梁102自由端固定连接的一端为负极，并接地，如图5所示。

在实际应用中，为增大第一弹性悬臂梁102响应于第一压电柱101的变形而产生的弹性弯曲变形，提高电压检测装置10的灵敏度，优选地，如图2所示，第一压电柱101垂直于第一弹性悬臂梁102。在此种情况下，第一压电柱101在纵向方向上发生变形，即在与第一弹性悬臂梁102垂直的方向上发生变形，从而可以引起第一弹性悬臂梁102发生较大程度的弯曲变形。

绝缘框架103可以用于固定第一压电柱101和第一弹性悬臂梁102，从而使得第一压电柱101发生变形时能够将相应的应力/应变传递给第一弹性悬臂梁102，引起第一弹性悬臂梁102的弹性弯曲变形。所述绝缘框架103用绝缘材料制成，可以尽量减少高电压侧对低电压侧的影响，如具有良好绝缘性能以及机械加工性能的氧化铝陶瓷、氧化镁陶瓷、氧化锆陶瓷等；在保证电压检测装置10整体结构绝缘安全性能的同时，还可以保证机械强度。为便于安装，绝缘框架3上还可以留有安装孔位。图2中绝缘框架103的形状仅为一种示例，绝缘框架103的具体形状可以根据实际需要进行设计，在此不再赘述。

第一变形检测模块104可以用于检测第一弹性悬臂梁102发生的弹性弯曲变形并输出相应的信号。为了让第一变形检测模块104能够检测到第一弹性悬臂梁102发生的弹性弯曲变形，优选地，第一弹性悬臂梁102具有相对的第一表面和第二表面，第一弹性悬臂梁102的第一表面与所述第一弹性悬臂梁的第一端以及第一弹性悬臂梁的第二端连接，第一弹性悬臂梁102的第二表面与所述第一弹性悬臂梁102的第一端和所述第一弹性悬臂梁102的第二端连接，第一变形检测模块104与第一弹性悬臂梁102的第一表面或第二表面固定连接。

由于变形可以体现在物体外观的具体变化上，还可以体现在物体应力和/或应变的变化上；因此，第一变形检测模块104可以是检测第一弹性悬臂梁102外观具体变化的检测模块，也可以是检测第一弹性悬臂梁102应力和/或应变的检测模块。为了准确进行检测以及使检测简便化，优选地，第一变形检测模块104为检测第一弹性悬臂梁102应力和/或应变的检测模块。那么，第一变形检测模块104进一步可以包括变形响应元件1041和信号输出单元1042，变形响应元件1041的数量至少为一个；在实际应用中为了提高检测准确性，变形响应元件1041的数量也可以为多个。如图6所示，变形响应元件1041与信号输出单元1042连接，所述信号输出单元1042可以是传感电路，变形响应元件1041可以直接贴设在第一弹性悬臂梁102上，传感电路的具体类型可以根据变形响应元件1041的类型进行设定。变形响应元件1041可以响应于第一弹性悬臂梁102发生的变形而产生变形，信号输出单元1042可以检测变形响应元件因变形而产生的相关信息并输出相应的信号。例如所述变形响应元件1042可以是音叉谐振器(具体可以是具有高Q值的音叉谐振器)，信号输出单元1042可以是门振荡电路(一种传感电路)；音叉谐振器的两端固定在第一弹性悬臂梁102上，第一弹性悬臂梁102发生的弹性弯曲变形，引起应力和/或应变发生变化，音叉谐振器受到拉升或压缩，从而音叉谐振器的谐振频率发生变化，门振荡电路可以检测音叉谐振器的谐振频率并输出与所述谐振频率相关的信号，作为第一变形检测模块104输出的信号。

信号处理模块可以用于对第一变形检测模块104输出的信号进行处理得到第一压电柱101上施加的待测电压值。所述信号处理模块可以根据第一变形检测模块104输出信号的不同而有所不同。例如，当第一变形检测模块104输出信号是与谐振频率相关的信号，那么信号处理模块可以是将谐振频率相关信息转变为电压值的处理模块。信号处理模块与第一变形检测模块104可以是电连接，信号处理模块在图中未示出。

可以理解，采用本申请实施例提供的电压检测装置10，当第一压电柱101上施加待测电压时，第一压电柱101发生变形，带动第一弹性悬臂梁102的第二端移动，引起第一弹性悬臂梁102的弹性弯曲变形，第一变形检测模块104可以对第一弹性悬臂梁102的变形进行检测并输出相应信号，信号处理模块可以对所述信号进行处理得到待测电压值。可见，在本申请实施例提供的电压检测装置10中，高电压侧与弱电压侧之间没有电气连接，发生的是“高电压—第一压电柱的变形—第一弹性悬臂梁的变形”的电—力的转换，是将电学物理量的变化转变为了力学物理量的变化，通过应力/应变纵向-弯曲转换机械结构(主要由第一压电柱10和第一弹性悬臂梁102构成)实现高电压侧和低电压侧的耦合，从而实现了高电压侧与弱电压侧之间的隔离，能够有效减少安全隐患。

另一方面，由于本申请实施例提供的电压检测装置10中，第一压电柱101由压电材料制成，压电材料具有体积小、高电压反应灵敏的特点，因此可以减小电压检测装置10的体积，也使得电压检测装置10更适用于高电压检测。同时，由于压电材料具有非常高的电阻率(例如压电陶瓷PZT-8的电阻率可达10¹⁰Ωm级)，输入阻抗非常高，对待测电源几乎没有影响，基本不会出现发热等问题，也不需要额外的散热装置，因此可以节约设备资源。

为了进一步提高高电压侧与弱电压侧之间的隔离效果，在一种实施方式中，本申请实施例提供的电压检测装置10还包括金属屏蔽壳体105，如图7-1和图7-2所示(图7-1为金属屏蔽壳体105的剖面图，图7-2为金属屏蔽壳体105的主视图)，所述第一变形检测模块104设置于所述金属屏蔽壳体105的内部，所述第一压电柱101设置于所述金属屏蔽壳体105的外部，所述金属屏蔽壳体105接地。在图7-2中，用虚线表示在金属屏蔽壳体105内部的第一变形检测模块104和第一弹性悬臂梁102)。

其中，信号处理模块可以根据实际情况确定是否设置于金属屏蔽壳体105内部。例如，若信号处理模块为远程处理模块，那么可以不设置于金属屏蔽壳体105内部。

金属屏蔽壳体105的外表面还可以进一步覆上绝缘层，防止高电压爬电等产生的击穿、放电现象。

可以理解，通过上述方案，将第一变形检测模块104设置于金属屏蔽壳体105的内部，可以保证第一变形检测模块104输出信号的精度，防止第一变形检测模块104输出信号受到高电压侧的电磁干扰。

为了提高第一压电柱101的性能，使第一压电柱101在施加待测电压时可以发生有效的变形，在一种实施方式中，本申请实施例提供的电压检测装置10还包括第一金属预紧弹簧106，如图8所示，所述第一压电柱101的第一端通过所述第一金属预紧弹簧106与所述绝缘框架103固定连接。

其中，第一金属预紧弹簧106可以给第一压电柱101提供预紧力，保证第一压电柱101的性能。第一压电柱101的第一端通过第一金属预紧弹簧106与绝缘框架103固定连接，可以理解为第一金属预紧弹簧106与绝缘框架103固定连接，然后第一压电柱101的第一端再与第一金属预紧弹簧106固定连接，从而可以实现第一压电柱101与绝缘框架103的固定连接。第一金属预紧弹簧106可以作为待测电压输入端。

可以理解，通过上述方案，将第一金属预紧弹簧106设置于第一压电柱101和绝缘框架103之间，可以为第一压电柱101提供预紧力，从而可以提高第一压电柱101的性能，使第一压电柱101在施加待测电压时可以发生有效的变形。

在实际应用中，为了进一步提高电压检测装置10的灵敏度，在一种实施方式中，本申请实施例提供的电压检测装置10中，如图9所示，第一变形检测模块104在包括变形响应元件1041与信号输出单元1042的基础上，还包括支撑部件1043；所述变形响应元件1041与所述支撑部件1043固定连接，所述支撑部件1043与所述第一弹性悬臂梁102固定连接，所述变形响应元件1041随所述第一弹性悬臂梁102发生变形而产生变形。

其中，支撑部件1043的结构可以根据变形响应元件1041的类型进行设置。

将变形响应元件1041与支撑部件1043固定连接，以及将支撑部件1043与第一弹性悬臂梁102固定连接，也就是说，变形响应元件1041与第一弹性悬臂梁102通过支撑部件1043间接连接。

可以理解，通过上述方案，在变形响应元件1041和第一弹性悬臂梁102之间设置支撑部件1043，使变形响应元件1041偏离第一弹性悬臂梁102的中性层一定距离，从而可以放大第一弹性悬臂梁102在弯曲时传递到变形响应元件1041的应力和/或应变，进而可以提高电压检测装置10的灵敏度。

在上述实施例中，变形响应元件1041可以包括电阻应变片或音叉谐振器。那么，当变形响应元件1041类型不同时，支撑部件1043的具体结构也可能不同。例如，变形响应元件1041为电阻应变片，那么支撑部件1043包括弹性支撑板10431，如图10所示，弹性支撑板10431具有相对的第一侧面和第二侧面，电阻应变片贴设于弹性支撑板10431的第一侧面，弹性支撑板10431的第二侧面与第一弹性悬臂梁102的第一表面固定连接。或者例如，变形响应元件1041为音叉谐振器，那么支撑部件1043包括第一支撑柱a和第二支撑柱b，如图11所示，所述第一支撑柱a具有第一端和第二端，所述第二支撑柱b具有第一端和第二端，所述音叉谐振器包括第一端和第二端，所述音叉谐振器的第一端与所述第一支撑柱a的第一端固定连接，所述音叉谐振器的第二端与所述第二支撑柱b的第一端固定连接，所述第一支撑柱a的第二端与所述第一弹性悬臂梁102的第一表面固定连接，所述第二支撑柱b的第二端与所述第一弹性悬臂梁102的第一表面固定连接。

考虑到外界温度变化可能会影响到第一弹性悬臂梁102的变形，进而影响电压检测装置10的准确度。因此，在一种实施方式中，如图12所示，所述第一变形检测模块104包括第一变形检测单元A和第二变形检测单元B，所述第一变形检测单元A与所述第一弹性悬臂梁102的第一表面1021固定连接，所述第二变形检测单元B与所述第一弹性悬臂梁102的第二表面1022固定连接。

其中，第一变形检测单元A可以包括至少一个变形响应元件1041，第二变形检测单元B也可以包括至少一个变形响应元件1041。第一变形检测单元A中的变形响应元件1041和第二变形检测单元B中的变形响应元件1041可以与同一个信号输出单元1042连接，也可以各自与不同的信号输出单元连接。优选地，第一变形检测单元A中包括的变形响应元件1041的数量与第二变形检测单元B中包括的变形响应元件1041的数量相同，以及第一变形检测单元A中包括的变形响应元件1041的设置方式和设置位置与第二变形检测单元B中包括的变形响应元件1041的设置方式和设置位置相同，即第一变形检测单元A中的变形响应元件和第二变形检测单元B中的变形响应元件在第一弹性悬臂梁102上对称设置。例如，第一变形检测单元A包括两个电阻应变片，平行设置于第一弹性悬臂梁102的第一表面1021，第二变形检测单元B也包括两个电阻应变片，平行设置在第一弹性悬臂梁102的第二表面1022，第一弹性悬臂梁102第一表面1021上的电阻应变片和第二表面1022上的电阻应变片对称设置。同时，第一变形检测单元A包括的两个电阻应变片和第二变形检测单元B包括的两个电阻应变片可以连接同一个信号输出单元1042，该信号输出单元1042可以是惠斯通电桥电路。

能够理解的是，若仅在第一弹性悬臂梁102的第一表面1021和第二表面1022中的一个表面上设置变形检测单元，例如，仅在第一弹性悬臂梁102的第一表面1021设置电阻应变片，那么，受周围环境温度影响，第一弹性悬臂梁102的变形可能包括第一压电柱101引起的变形和温度引起的变形，如高温引起第一弹性悬臂梁102一定程度上伸长，进而电阻应变片受到的应力/应变也变大，拉伸变形也更大，导致电压检测装置10检测结果不准确。

可以理解，通过上述方案，将第一变形检测模块104分为第一变形检测单元A和第二变形检测单元B，并将第一变形检测单元A与第一弹性悬臂梁102的第一表面1021固定连接，以及将第二变形检测单元B与第一弹性悬臂梁102的第二表面1022固定连接，可以使第一变形检测模块104工作于差分模式，在差分模式下，第一变形检测单元A检测到的变形(如检测应力/应变)减去第二变形检测单元B检测到的变形(如检测应力/应变)，可以得到由第一压电柱101引起的第一弹性悬臂梁102两倍变形量，其中温度引起的变形会抵消。例如，在第一压电柱101变形引起第一弹性悬臂梁102的第一表面1021拉伸1cm，高温引起第一弹性悬臂梁102的第一表面1021拉伸0.5cm，那么第一弹性悬臂梁102的第一表面1021的变形拉伸量为(1+0.5)cm；同时，第一弹性悬臂梁102的第二表面1022受到压缩，拉伸为-1cm，高温引起第二表面1022拉伸0.5cm，那么第二表面的变形拉伸量为(-1+0.5)cm，相减得到[(1+0.5)-(-1+0.5)]，即得2cm，刚好为第一弹性悬臂梁102两倍变形量。可见，通过上述设置，使第一变形检测模块104工作于差分模式，可以减小外界环境温度对电压检测装置10的影响，减小温度漂移，从而提高电压检测装置10的温度稳定性和灵敏度。

在实际应用中，外界温度变化不仅可能会影响到第一弹性悬臂梁102的变形，还可能会影响第一压电柱101的变形，进而影响电压检测装置10的准确度。也就是说，受周围环境温度影响，第一压电柱101的变形可能包括输入待测电压引起的变形和温度引起的变形，如高温引起第一压电柱101一定程度上伸长，进而第一压电柱101的伸长量增大，第一弹性悬臂梁102的变形也增大，电阻应变片受到的应力/应变也变大，拉伸变形也更大，导致电压检测装置10检测结果不准确。因此，在一种实施方式中，本申请实施例提供的电压检测装置10还包括第二压电柱107，如图13所示，第二压电柱107具有第一端和第二端，所述第二压电柱107的第一端与所述绝缘框架103固定连接，所述第二压电柱107的第二端与所述第一弹性悬臂梁102的第二端固定连接；所述第二电压柱107的第一端与所述第一电压柱101的第一端同为正极，所述第二电压柱107的第二端与所述第一电压柱101的第二端同为负极；或者，所述第二电压柱107的第一端与所述第一电压柱101的第一端同为负极，所述第二电压柱107的第二端与所述第一电压柱101的第二端同为正极。

其中，第二电压柱107和第一压电柱101对称设置在第一弹性悬臂梁102上，构成“T字形”结构，如图13所示，第二电压柱107的构造可以参见第一压电柱101，在此不再赘述。

此时，电压检测装置10的工作过程可以为：如图13所示，待测电压U1和U2分别施加到第一电压柱101和第二电压柱107上，由于逆压电效应，第一电压柱101和第二电压柱107将沿极化方向(纵向)产生应力/应变，进而产生变形。当两个压电柱受到的电压U1<U2或U1>U2时，第一电压柱101和第二电压柱107产生的纵向应力/应变传递到第一弹性悬臂梁102上，并使第一弹性悬臂梁102的自由端向受到电压较小的压电柱所在的一侧方向进行弯曲变形，第一弹性悬臂梁102的第一表面1021和第二表面1022中的一个表面上的变形响应元件受到拉伸，另一个表面上的变形响应元件受到压缩，第一变形检测模块104工作于差分模式，通过对第一变形检测模块104输出的信号进行处理可得到待测电压U1和U2之间的电压差值，即U1-U2。当两个压电柱受到的电压U1＝U2时，两个压电柱沿纵向产生的应力/应变相互抵消，第一弹性悬臂梁102不产生弯曲变形，待测电压U1和U2之间的电压差值为零。特别地，输入电压U1或U2为零时，测出的电压值即为U2或U1的电压。

可以理解，通过上述方案，第一电压柱101和第二电压柱107与第一弹性悬臂梁102连接的一端均为正极或者均为负极，使得第一电压柱101和第二电压柱107的极化方向相反，如极化方向均朝向第一弹性悬臂梁102，进而组成反相压电双晶结构，可以抵消第一电压柱101和第二电压柱107因温度影响产生的热应变(第一电压柱101和第二电压柱107由温度影响产生的应力/应变传递到悬臂梁上时会相互抵消)，减小电压检测装置10的温度漂移，提高电压检测装置10的温度稳定性，进而提高检测的准确性。

相应地，在一种实施方式中，本申请实施例提供的电压检测装置10可以包括第一金属预紧弹簧106和第二金属预紧弹簧108；如图14所示，所述第一压电柱101的第一端通过所述第一金属预紧弹簧106与所述绝缘框架103固定连接；以及，所述第二压电柱107的第一端通过所述第二金属预紧弹簧108与所述绝缘框架103固定连接。

其中，第二金属预紧弹簧108的功能可以参见第一金属预紧弹簧106，在此不再赘述。

可以理解，通过上述方案，将第一金属预紧弹簧106设置于第一压电柱101和绝缘框架103之间，以及将第二预紧弹簧108设置于第二压电柱107和绝缘框架103之间，可以为第一压电柱101和第二压电柱107提供预紧力，从而可以提高第一压电柱101和第二压电柱107的性能，使第一压电柱101和第二压电柱107在施加待测电压时可以发生有效的变形。

在实际应用中，为了延长电压检测装置10的使用寿命，在一种实施方式中，本申请实施例提供的电压检测装置10还包括第二弹性悬臂梁109和第二变形检测模块110；如图15所示，所述第二弹性悬臂梁109具有第一端和第二端；所述第二弹性悬臂梁109的第一端与所述绝缘框架103固定连接，所述第一压电柱101的第二端与所述第二弹性悬臂梁109的第二端固定连接；所述第二变形检测模块110与所述第二弹性悬臂梁109固定连接，用于检测所述第二弹性悬臂梁109的变形并输出相应电信号；所述信号处理模块与所述第一变形检测模块104和所述第二变形检测模块110连接，用于对所述第一变形检测模块104输出的电信号以及所述第二变形检测模块110输出的电信号进行处理得到电压值。

其中，第二弹性悬臂梁109可以与第一弹性悬臂梁102相同，具体参见上述实施例对第一弹性悬臂梁102的阐述，在此不再赘述。同样的，第二变形检测模块110可以与第一变形检测模块104相同，具体参见上述实施例对第一变形检测模块104的阐述，在此不再赘述。优选地，第二弹性悬臂梁109与第一弹性悬臂梁102对称设置，第二变形检测模块110与第一变形检测模块104对称设置。

可以理解，通过上述方案，使用两套变形检测模块的设计，可以保证其中一套变形检测模块损坏的条件下，另一套变形检测模块还能正常进行工作，从而本申请实施例提供的电压检测装置10也能正常工作，提高了电压检测装置10的使用寿命。

相应地，在一种实施方式中，本申请实施例提供的电压检测装置10可以进一步包括第一应力释放弹簧111和第二应力释放弹簧112；如图16所示，所述第一弹性悬臂梁102的第一端通过所述第一应力释放弹簧111与所述绝缘框架103固定连接；以及，所述第二弹性悬臂梁109的第一端通过所述第二应力释放弹簧112与所述绝缘框架103固定连接。

其中，第一应力释放弹簧111和第二应力释放弹簧112的可以帮助第一弹性悬臂梁102和第二弹性悬臂梁109释放一部分由温度影响产生应力/应变。另外，为了尽量避免高电压侧对低电压侧的影响，第一应力释放弹簧111和第二应力释放弹簧112优选由绝缘弹性材料制成，如氧化铝，氧化锆等陶瓷材料，也可以是其他具有较好机械性能的绝缘材料。

可以理解，通过上述方案，在第一弹性悬臂梁102和绝缘框架103之间设置第一应力释放弹簧111，以及在第二弹性悬臂梁109绝缘框架103之间设置第二应力释放弹簧112，两个弹性悬臂梁在温度影响下由于热胀冷缩产生的应力/应变的一部分可以通过应力释放弹簧得到释放，另一部分则可以通过机械结构的对称性相互抵消，从而可以减少电压检测装置10温度漂移，使电压检测装置10具有优异的宽温度范围内的稳定性。

以下将结合具体的实施方式对本申请实施例提供的电压检测装置进行阐释，应当理解的是，以下的各实施方式仅为示例，并不表示对申请实施例提供的电压检测装置的限制。

示例一：如图17所示，一种电压检测装置20，包括第一压电柱201、第二压电柱202、第一金属预紧弹簧203、第二金属预紧弹簧204、第一弹性悬臂梁205、绝缘框架206、第一变形检测模块207、信号处理模块和金属屏蔽壳体208。

其中，第一压电柱201的第一端通过第一金属预紧弹簧203与绝缘框架206固定连接，第二压电柱202的第一端通过第二金属预紧弹簧204与绝缘框架206固定连接；第一弹性悬臂梁205的第一端与绝缘框架206固定连接；第一压电柱201的第二端与第一弹性悬臂梁205的第二端固定连接，第二压电柱202的第二端与所述第一弹性悬臂梁205的第二端固定连接；第二电压柱202的第一端与第一电压柱201的第一端同为正极，第二电压柱202的第二端与第一电压柱201的第二端同为负极，负极接地。

第一变形检测模块207包括第一变形检测单元和第二变形检测单元，第一变形检测单元与第一弹性悬臂梁205的第一表面固定连接，第二变形检测单元与第一弹性悬臂梁205的第二表面固定连接。信号处理模块与第一变形检测模块207连接。

第一变形检测模块207设置于金属屏蔽壳体208的内部，第一压电柱201和第二压电柱202设置于金属屏蔽壳体208的外部，金属屏蔽壳体208接地。

第一变形检测模块207进一步包括变形响应元件2071、信号输出单元2072和支撑部2073。

在一种实施方式中，如图18所示，变形响应元件2071为音叉谐振器，具体可以是石英音叉谐振器，信号输出单元2072为门震荡电路(虚线框内)，支撑部2073具体与图11类似，在此不再赘述。那么第一变形检测单元和第二变形检测单元可以分别包括一个音叉谐振器和一个门震荡电路，信号处理模块208接收两个门震荡电路输出的信号，并进行处理、解算，得到第一电压柱201上输入的电压U1与第二电压柱202上输入的电压U2之间的电压差。

在变形响应元件2071为音叉谐振器的情况下，电压检测装置20工作过程具体为：第一弹性悬臂梁205弯曲，发生的应力/应变传递到音叉谐振器上，当第一弹性悬臂梁205一个表面上的音叉谐振器受到拉伸力作用时，谐振频率增大，另一表面上的音叉谐振器则受到压缩力作用，谐振频率减小。通过检测音叉谐振器谐振频率的变化，便可间接测量出两个输入电压U1和U2之间的电压差值。

图18所示的门振荡电路，该门振荡电路使用互补金属氧化物半导体(CMOS)反相器作为有源元件，在原理上，门振荡电路由放大器和反馈网络组成。反馈电阻用于确保反相器工作在其线性区域并且能作为一个放大器工作。当闭环增益等于或者大于1且放大器和反馈网络的总相移为0或者2π(360度)的整数倍时，门振荡电路输出数字频率信号，信号的频率取决于音叉谐振器的谐振频率。特别有利的，这种门振荡电路仅需要微瓦级的功耗便可以激励谐振器产生谐振。可选的，变形响应元件2071为音叉谐振器时，信号输出单元2072还可以是皮尔斯振荡电路，考毕兹振荡电路或克拉普振荡电路等。

如图19所示，变形响应元件2071为音叉谐振器时，使用有限元软件仿真得到的灵敏度曲线，其中横坐标为仿真输入电压，纵坐标为仿真输出音叉谐振器差分谐振频率；从仿真曲线可以看出输入电压与输出的差分频率之间具有良好的线性关系。

在另一种实施方式中，变形响应元件2071为电阻应变片，信号输出单元2072为惠斯通电桥电路，支撑部2073具体与图10类似，在此不再赘述。那么第一变形检测单元包括两个电阻应变片，平行设置于第一弹性悬臂梁205的第一表面，第二变形检测单元也包括两个电阻应变片，平行设置在第一弹性悬臂梁205的第二表面，第一弹性悬臂梁205第一表面的电阻应变片和第二表面的电阻应变片对称设置。使用4个电阻应变片组成惠斯通电桥测量第一弹性悬臂梁205产生的弯曲变形，从而间接测量电压。

优选的，四个电阻应变片以全桥的方式连接，其在第一弹性悬臂梁205上的粘接方式如图20-1和图20-2所示，相应的惠斯通电桥电路如图21所示。当第一弹性悬臂梁205产生弯曲变形时，粘接在第一弹性悬臂梁205上下表面的电阻应变片分别受到拉伸和压缩作用，其电阻阻值会根据受到的拉伸应变或压缩应变而相应的增加或减少，从而惠斯通电桥失去平衡，产生电信号输出，通过使用应变仪测量电桥输出的信号，可以得到电阻应变片产生的应变大小，从而可以间接得到两个输入电压U1和U2之间的电压差值。

在实际应用中，也可以使用1/4桥或半桥的连接方式，相应的，电阻应变片的在第一弹性悬臂梁205上的粘接方式也可以对应改变。

可以理解，采用本申请实施例提供的电压检测装置20，高电压侧与弱电压侧之间没有电气连接，发生的是“高电压—压电柱的变形—弹性悬臂梁的变形”的电—力的转换，是将电学物理量的变化转变为了力学物理量的变化，通过应力/应变纵向-弯曲转换机械结构实现高电压侧和低电压侧的耦合，从而实现了高电压侧与弱电压侧之间的隔离，能够有效减少安全隐患。

示例二，一种电压检测装置30，如图22所示，包括第一压电柱301、第二压电柱302、第一金属预紧弹簧303、第二金属预紧弹簧304、第一弹性悬臂梁305、第二弹性悬臂梁306、第一应力释放弹簧307、第二应力释放弹簧308、绝缘框架309、第一变形检测模块310、第二变形检测元件311、信号处理模块、第一金属屏蔽壳体312和第二金属屏蔽壳体313。

与示例一不同之处包括，该示例中使用了两个弹性悬臂梁以及两个弹性悬臂梁上对称设置有第一变形检测模块310和第二变形检测元件311，且两个弹性悬臂梁与两个压电柱构成“十字形”结构；两个弹性悬臂梁分别通过第一应力释放弹簧307和第二应力释放弹簧308与绝缘框架309固定连接，同时，第一变形检测模块310和第二变形检测元件311分别设置于第一金属屏蔽壳体312和第二金属屏蔽壳体313内。特别地，第一变形检测模块310的具体结构可以是示例一中图18或图20-21的结构，第二变形检测元件311的具体结构可以是示例一中图18或图20-21的结构。其他部件的阐述和各部件之间的连接关系，可以参见前述实施例，在此不再赘述。

该示例中具有“十字形”结构的电压检测装置30除了具有示例一中“T字型”结构的电压检测装置20的各项优点外，还在机械结构设计具有良好的对称性，两个压电柱和两个弹性悬臂梁在温度影响下由于热胀冷缩产生的应力/应变的一部分可以通过金属预紧弹簧和应力释放弹簧得到释放，另一部分则可以通过机械结构的对称性相互抵消，从而可以减少电压检测装置30温度漂移，使电压检测装置30具有优异的宽温度范围内的稳定性。

同时，由于使用了两个弹性悬臂梁，以及在两个弹性悬臂梁上对称设置第一变形检测模块310和第二变形检测元件311，分别测量两个悬臂梁的变形，从而可以通过多物理量交叉解耦算法以及差分放大共模抑制等方法提高电压检测装置30的测量精度。

可以理解，采用本申请实施例提供的电压检测装置30，高电压侧与弱电压侧之间没有电气连接，发生的是“高电压—压电柱的变形—弹性悬臂梁的变形”的电—力的转换，是将电学物理量的变化转变为了力学物理量的变化，通过应力/应变纵向-弯曲转换机械结构实现高电压侧和低电压侧的耦合，从而实现了高电压侧与弱电压侧之间的隔离，能够有效减少安全隐患。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种电压检测装置，其特征在于，所述电压检测装置包括第一压电柱、第一弹性悬臂梁、绝缘框架、第一变形检测模块和信号处理模块；

其中，所述第一压电柱具有第一端和第二端，所述第一弹性悬臂梁具有第一端和第二端；

所述第一压电柱的第一端与所述绝缘框架固定连接，所述第一弹性悬臂梁的第一端与所述绝缘框架固定连接，所述第一压电柱的第二端与所述第一弹性悬臂梁的第二端固定连接；

所述第一变形检测模块与所述第一弹性悬臂梁固定连接，用于检测所述第一弹性悬臂梁的变形并输出相应电信号；

所述信号处理模块与所述第一变形检测模块连接，用于对所述第一变形检测模块输出的电信号进行处理得到电压值。

2.根据权利要求1所述的电压检测装置，其特征在于，所述第一变形检测模块包括变形响应元件和支撑部件；

所述变形响应元件与所述支撑部件固定连接，所述支撑部件与所述第一弹性悬臂梁固定连接，所述变形响应元件随所述第一弹性悬臂梁发生变形而产生变形。

3.根据权利要求2所述的电压检测装置，其特征在于，所述变形响应元件包括电阻应变片或音叉谐振器。

4.根据权利要求1所述的电压检测装置，其特征在于，所述第一变形检测模块包括第一变形检测单元和第二变形检测单元，所述第一弹性悬臂梁具有相对的第一表面和第二表面；

所述第一弹性悬臂梁的第一表面与所述第一弹性悬臂梁的第一端以及所述第一弹性悬臂梁的第二端连接；所述第一弹性悬臂梁的第二表面与所述第一弹性悬臂梁的第一端以及所述第一弹性悬臂梁的第二端连接；

所述第一变形检测单元与所述第一弹性悬臂梁的第一表面固定连接，所述第二变形检测单元与所述第一弹性悬臂梁的第二表面固定连接。

5.根据权利要求1所述的电压检测装置，其特征在于，所述电压检测装置还包括金属屏蔽壳体；

所述第一变形检测模块设置于所述金属屏蔽壳体的内部，所述第一压电柱设置于所述金属屏蔽壳体的外部，所述金属屏蔽壳体接地。

6.根据权利要求1所述的电压检测装置，其特征在于，所述电压检测装置还包括第一金属预紧弹簧；

所述第一压电柱的第一端通过所述第一金属预紧弹簧与所述绝缘框架固定连接。

7.根据权利要求1-6任一所述的电压检测装置，其特征在于，所述电压检测装置还包括第二压电柱；

所述第二压电柱具有第一端和第二端，所述第二压电柱的第一端与所述绝缘框架固定连接，所述第二压电柱的第二端与所述第一弹性悬臂梁的第二端固定连接；

所述第二电压柱的第一端与所述第一电压柱的第一端同为正极，所述第二电压柱的第二端与所述第一电压柱的第二端同为负极；或者，所述第二电压柱的第一端与所述第一电压柱的第一端同为负极，所述第二电压柱的第二端与所述第一电压柱的第二端同为正极。

8.根据权利要求7所述的电压检测装置，其特征在于，所述电压检测装置包括第一金属预紧弹簧和第二金属预紧弹簧；

所述第一压电柱的第一端通过所述第一金属预紧弹簧与所述绝缘框架固定连接；以及，所述第二压电柱的第一端通过所述第二金属预紧弹簧与所述绝缘框架固定连接。

9.根据权利要求1所述的电压检测装置，其特征在于，所述电压检测装置还包括第二弹性悬臂梁和第二变形检测模块；

所述第二弹性悬臂梁具有第一端和第二端；

所述第二弹性悬臂梁的第一端与所述绝缘框架固定连接，所述第一压电柱的第二端与所述第二弹性悬臂梁的第二端固定连接；

所述第二变形检测模块与所述第二弹性悬臂梁固定连接，用于检测所述第二弹性悬臂梁的变形并输出相应电信号；

所述信号处理模块与所述第一变形检测模块以及所述第二变形检测模块连接，用于对所述第一变形检测模块输出的电信号以及所述第二变形检测模块输出的电信号进行处理得到电压值。

10.根据权利要求9所述的电压检测装置，其特征在于，所述电压检测装置还包括第一应力释放弹簧和第二应力释放弹簧；

所述第一弹性悬臂梁的第一端通过所述第一应力释放弹簧与所述绝缘框架固定连接；以及，所述第二弹性悬臂梁的第一端通过所述第二应力释放弹簧与所述绝缘框架固定连接。

Images