CN115684746A - 一种硬压板非接触式直流电场测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硬压板非接触式直流电场测量方法及装置包括，收集带电体周围电场信号的感应电荷，所述感应电荷传入电路中，形成感应电势差；交流信号根据收到的感应电势差，产生稳定的高频交流信号，驱动变容二极管的势垒电容发生周期性变化；变容二极管的势垒电容发生周期性变化后，电路中的感应电流信号被调制为交流信号，检测电路对最终输出的交流信号进行处理。本发明能够实时采集被测硬压板背部触点引线表面的电场大小，依据此电场信息进而可实现非接触方式判断被测硬压板的供电电源电压状态以及硬压板的投退状态。
Description
技术领域
本发明涉及直流电场测量领域，尤其涉及一种硬压板非接触式直流电场测量方法及装置。
背景技术
近年来，二次设备硬压板作为继电保护装置常规设备，其安全运行与否影响整个电网的稳，目前市场中出现了利用压板姿态信息等方式检测压板投退状态传感器，其在一定程度上解决了传统方式中仅靠人工巡检方式难以保证对压板状态的实时监测的困境，但是无法避免由于人工操作而导致压板闭合时接触不良的检测盲区；
直流电场电位测量***按是否接触待测体可分为接触式和非接触式。对于测量有源带电体的直流电场电压常用接触式，由于接触式在与被测物体接触时会使带电物体产生直流电场放电，而使带电体电荷量减少或电容增加，进一步导致物体的直流电场电位降低，因而测出值与真实值相差较大。另外，由于接触式直流电场电位测量过程中，探头与被测物体之间的距离较近时，会发生直流电场放电。所以测量中存在放电引燃的危险，在易燃、易爆等危险场所不能使用，一般危险场所采用非接触式直流电场电位测量。且对于低频电场或直流电场场，被测电场信号近似为静态信号无法直接测得，需要将静态信号转化为动态信号或者通过有源器件为其供能，然后才能进行测量。然而，传统的振动电容式直流电场仪和场磨式直流电场仪采用机械结构将被测静态信号转化为动态信号，导致传感器的体积就会相应的变大，结构变得复杂，即使利用MEMS工艺使得传感器微型化，也避免不了由于机械磨损带来的误差，且***造价昂贵稳定性差。同时机械结构的存在也限制了电路直流信号的频率，机械振动频率有上限。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明提供了一种硬压板非接触式直流电场测量方法及装置，能够解决传统传感器较难制作、机械零件对测量精度的影响以及无法实时检测被检测地区或设备表面的直流电场信息等问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案，一种硬压板非接触式直流电场测量方法，包括：
收集带电体周围电场信号的感应电荷，所述感应电荷传入电路中，形成感应电势差；
交流信号根据收到的感应电势差，产生稳定的高频交流信号，驱动变容二极管的势垒电容发生周期性变化；
变容二极管的势垒电容发生周期性变化后，电路中的感应电流信号被调制为交流信号，检测电路对最终输出的交流信号进行处理。
一种硬压板非接触式直流电场测量装置，其特征在于，包括包括感应极板、变容二极管、交流信号源、负载电阻、信号检测电路以及传感器外壳、探头，
所述感应极板与所述变容二极管电连接，且所述变容二极管的阴极连接所述感应极板，当所述感应极板感应到带电体周围的电场信号时，所述感应极板会自动收集带电体周围的感应电荷，这些感应电荷随着时间传入电路中，形成感应电势差；
所述变容二极管与所述交流信号源电连接，且所述变容二极管的阳极连接所述交流信号源，当所述交流信号源接收到感应电势差后，会产生稳定的高频信号，从而促使所述变容二极管的势垒电容发生周期性变化，电路中的感应电流信号被调制为交流信号。
作为本发明所述的硬压板非接触式直流电场测量装置的一种优选方案，其中：所述信号检测电路包括，
当所述信号检测电路接收到来自所述交流信号源调制后产生的交流信号时，所述信号检测电路用于对信号的放大、滤波于检波。
作为本发明所述的硬压板非接触式直流电场测量装置的一种优选方案，其中：所述交流信号源交流信号源用于产生稳定的高频正弦波交流电压信号。
作为本发明所述的硬压板非接触式直流电场测量装置的一种优选方案，其中：所述负载电阻串联在电路中，且所述负载电阻可将电路中电流信号转化为易于测量的电压信号。
作为本发明所述的硬压板非接触式直流电场测量装置的一种优选方案，其中：所述信号检测电路包括放大器、低通滤波器和检波器，
当所述信号检测电路接收到来自电路中的电信号时，所述放大器用于对所述负载电阻上的电压信号进行放大，所述低通滤波器用于对放大后的信号进行滤波，所述检波器用于对滤波后的电信号进行检波，得到有用电信号。
作为本发明所述的硬压板非接触式直流电场测量装置的一种优选方案，其中：所述传感器外壳用于屏蔽直流电场场对测量电路的影响。
作为本发明所述的硬压板非接触式直流电场测量装置的一种优选方案，其中：还包括，除所述感应极板外的其他部件均置于传感器外壳内部。
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如上所述的方法的步骤。
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如上所述的方法的步骤。
本发明的有益效果：本发明提出一种硬压板非接触式直流电场测量方法及装置，本发明能够实时采集被测硬压板背部触点引线表面的电场大小，依据此电场信息进而可实现非接触方式判断被测硬压板的供电电源电压状态以及硬压板的投退状态。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明一个实施例提供的一种硬压板非接触式直流电场测量方法及装置的方法流程图；
图2为本发明一个实施例提供的一种硬压板非接触式直流电场测量方法及装置测量电路的结构示意图；
图3为本发明一个实施例提供的一种硬压板非接触式直流电场测量方法及装置的传感器与带电体的电容分布示意图；
图4为本发明一个实施例提供的一种硬压板非接触式直流电场测量方法及装置的传感器的电路原理图；
图5为本发明一个实施例提供的一种硬压板非接触式直流电场测量方法及装置的传感器的电路原理等效示意图；
图6为本发明一个实施例提供的一种硬压板非接触式直流电场测量方法及装置的计算机设备的内部结构图；
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。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中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、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也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发明中的具体含义。
实施例1
参照图1-6，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种硬压板非接触式直流电场测量方法及装置，包括：
步骤102，收集带电体周围电场信号的感应电荷，所述感应电荷传入电路中，形成感应电势差；
其中，耦合电容Cc取决于传感器感应极板配置的几何形状以及传感器和被测表面之间介质的介电常数。
具体的，在这些条件不变下，Cc有一个固定的常数值。时变电容Cv(t)是随时间可变的电容。在一定范围内，变容二极管对电压电容的关系是线性的，在稳定的正弦电压源的驱动下变容二极管电容Cv(t)随时间呈正弦变化。因此：
Cv(t)＝Cv0(t)+Cv1(t)·sin(ωt)
Cv0(t)是电容Cv(t)的恒定部分，Cv1(t)是电容Cv(t)的可变部分的振幅。
步骤104，交流信号根据收到的感应电势差，产生稳定的高频交流信号，驱动变容二极管的势垒电容发生周期性变化；
更进一步的，电容Cv(t)上的电压uCv(t)取决于带电体的对地电位V。如果电压V具有恒定值，则电压uCv(t)也恒定。
时变电容Cv(t)将成为电流源，电流i等于：
因为
考虑到上述方程式，我们得到：
i＝uCv(t)Cv1(t)·ω·COS(ωt)
步骤106，变容二极管的势垒电容发生周期性变化后，电路中的感应电流信号被调制为交流信号，检测电路对最终输出的交流信号进行处理。
更进一步的，通过检测和测量电流i，可得电位uCv(t)。i为流过变容二极管的电流，同时也是流过负载电阻器的电流。可以通过进行检测流过负载的电流或监测负载两端的电压来进行测量。本例通过测量负载电阻器两端的电压来进行信号处理。
一种硬压板非接触式直流电场测量装置，包括感应极板202、变容二极管204、交流信号源206、负载电阻208、信号检测电路210以及传感器外壳212、探头214，
其中，所述感应极板202与所述变容二极管204电连接，且所述变容二极管204的阴极连接所述感应极板202；
具体的，当所述感应极板202感应到带电体周围的电场信号时，所述感应极板202会自动收集带电体周围的感应电荷，这些感应电荷随着时间传入电路中，形成感应电势差；
更进一步的，所述变容二极管204与所述交流信号源206电连接，且所述变容二极管204的阳极连接所述交流信号源206；
应说明的是，当所述交流信号源206接收到感应电势差后，会产生稳定的高频信号，从而促使所述变容二极管204的势垒电容发生周期性变化，电路中的感应电流信号被调制为交流信号。
更进一步的，当所述信号检测电路210接收到来自所述交流信号源206调制后产生的交流信号时，所述信号检测电路210用于对信号的放大、滤波于检波。
更进一步的，所述交流信号源206交流信号源用于产生稳定的高频正弦波交流电压信号。
更进一步的，所述负载电阻208串联在电路中，且所述负载电阻208可将电路中电流信号转化为易于测量的电压信号。
更进一步的，所述信号检测电路210包括放大器、低通滤波器和检波器。
应说明的是，当所述信号检测电路210接收到来自电路中的电信号时，所述放大器用于对所述负载电阻上的电压信号进行放大，所述低通滤波器用于对放大后的信号进行滤波，所述检波器用于对滤波后的电信号进行检波，得到有用电信号。
更进一步的，所述传感器外壳212用于屏蔽直流电场场对测量电路的影响。
应说明的是，除所述感应极板外202的其他部件均置于传感器外壳内部。
上述各单元模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图6所示。该计算机设备包括通过***总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作***和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作***和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、运营商网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该计算机程序被处理器执行时以实现一种硬压板非接触式直流电场测量方法及装置。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
收集带电体周围电场信号的感应电荷，所述感应电荷传入电路中，形成感应电势差；
交流信号根据收到的感应电势差，产生稳定的高频交流信号，驱动变容二极管的势垒电容发生周期性变化；
变容二极管的势垒电容发生周期性变化后，电路中的感应电流信号被调制为交流信号，检测电路对最终输出的交流信号进行处理。
实施例2
参照图1-6，为本发明的一个实施例，提供了一种硬压板非接触式直流电场测量方法及装置，为了验证本发明的有益效果，通过实验进行科学论证。
本例中选用带电导体作为测量目标，如图3所示。金属带电体的电荷分布在带电体的表面，测量时感应极板正对待测物体表面。感应电极作为传感器的探头，传感器外壳作为屏蔽壳，本实例中感应极板为直径10mm的金属圆盘，固定在圆柱形外壳一端如图3所示。本方案的测量电路如图5所示，测量时将感应极板正对待测带电体的表面，此时感应极板与待测带电体形成的耦合电容用Cc表示如图中所示。此外，图4给出了传感器与带电体和地面的其他电容分布情况，C2是传感器感应极板和地面之间的电容；C3是传感器外壳与地面之间的电容；C4是传感器外壳和被测表面之间的电容。在本例方法说明中仅考虑感应极板与带电体的耦合电容，在实际应用中其他分布电容并不可忽略。感应极板与变容二极管的阴极引脚相连，感应极板上收集的感应电荷形成的感应电位作为反偏电压作用于变容二极管，根据变容二极管的C-V特性可以得到反偏电压与变容二极管电容的关系。变容二极管需采用高变容比的二极管有利于提高传感器测量的灵敏度。变容二极管的阳极引脚与交流信号源相连，交流信号源驱动变容二极管的电容在固定值周围做周期性变化，变化的电容用时变电容Cv(t)表示，如图2中所示。图5展示的是测量电路的结构，包括放大器，滤波器，检波器。放大器用于对所述负载电阻上的电压信号进行放大，低通滤波器用于对放大后的信号进行滤波，检波器用于对滤波后的电信号进行检波，得到有用电信号。
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。
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、***、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(***)、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。
Claims (10)
1.一种硬压板非接触式直流电场测量方法，其特征在于：包括，
收集带电体周围电场信号的感应电荷，所述感应电荷传入电路中，形成感应电势差；
交流信号根据收到的感应电势差，产生稳定的高频交流信号，驱动变容二极管的势垒电容发生周期性变化；
变容二极管的势垒电容发生周期性变化后，电路中的感应电流信号被调制为交流信号，检测电路对最终输出的交流信号进行处理。
2.一种硬压板非接触式直流电场测量装置，包括感应极板(202)、变容二极管(204)、交流信号源(206)、负载电阻(208)、信号检测电路(210)以及传感器外壳(212)、探头(214)，
所述感应极板(202)与所述变容二极管(204)电连接，且所述变容二极管(204)的阴极连接所述感应极板(202)，当所述感应极板(202)感应到带电体周围的电场信号时，所述感应极板(202)会自动收集带电体周围的感应电荷，这些感应电荷随着时间传入电路中，形成感应电势差；
所述变容二极管(204)与所述交流信号源(206)电连接，且所述变容二极管(204)的阳极连接所述交流信号源(206)，当所述交流信号源(206)接收到感应电势差后，会产生稳定的高频信号，从而促使所述变容二极管(204)的势垒电容发生周期性变化，电路中的感应电流信号被调制为交流信号。
3.如权利要求2所述的硬压板非接触式直流电场测量装置，其特征在于：所述信号检测电路(210)包括，
当所述信号检测电路(210)接收到来自所述交流信号源(206)调制后产生的交流信号时，所述信号检测电路(210)用于对信号的放大、滤波于检波。
4.如权利要求3所述的硬压板非接触式直流电场测量装置，其特征在于：所述交流信号源(206)交流信号源用于产生稳定的高频正弦波交流电压信号。
5.如权利要求4所述的硬压板非接触式直流电场测量装置，其特征在于：所述负载电阻(208)串联在电路中，且所述负载电阻(208)可将电路中电流信号转化为易于测量的电压信号。
6.如权利要求5所述的硬压板非接触式直流电场测量装置，其特征在于：所述信号检测电路(210)包括放大器、低通滤波器和检波器，
当所述信号检测电路(210)接收到来自电路中的电信号时，所述放大器用于对所述负载电阻上的电压信号进行放大，所述低通滤波器用于对放大后的信号进行滤波，所述检波器用于对滤波后的电信号进行检波，得到有用电信号。
7.如权利要求6所述的硬压板非接触式直流电场测量装置，其特征在于：所述传感器外壳(212)用于屏蔽直流电场场对测量电路的影响。
8.如权利要求7所述的硬压板非接触式直流电场测量装置，其特征在于：还包括，除所述感应极板外(202)的其他部件均置于传感器外壳内部。
9.一种计算机设备，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所述的方法的步骤。
10.一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所述的方法的步骤。
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| CN202211136966.9A CN115684746A (zh) | 2022-09-19 | 2022-09-19 | 一种硬压板非接触式直流电场测量方法及装置 |
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| CN (1) | CN115684746A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117538628A (zh) * | 2023-11-10 | 2024-02-09 | 北京中科飞龙传感技术有限责任公司 | 一种用于硬压板电压非侵入监测的电场感知探头 |
-
2022
- 2022-09-19 CN CN202211136966.9A patent/CN115684746A/zh active Pending
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|---|---|---|---|---|
| CN117538628A (zh) * | 2023-11-10 | 2024-02-09 | 北京中科飞龙传感技术有限责任公司 | 一种用于硬压板电压非侵入监测的电场感知探头 |
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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