一种非接触式电压传感器输出特性的检测装置与控制方法与流程

1.本发明涉及测量领域，特别是涉及一种非接触式电压传感器输出特性的检测装置与控制方法。


背景技术：

2.在电力系统建设、运行、监控和管理应用中，电压的测量具有及其重要的地位，电力装备、线缆装置的电压水平对反应电力系统和装置的运行状态极其关键。传统的电压测量方法中，需要将待测导体与测量探头进行接触，即接触式电压测量方法，要求待测线缆金属部分露出或通过侵入式测量探针进行接触式检测，这种方法存在两方面缺陷：(1)安装困难，由于导体需要接触，线路一次侧需要停电安装，影响供电质量，并且安装难度大；(2)安全隐患严重，进行接触式测量时，绝缘层受到破坏，电力线缆和设备的运行安全面临严峻考验。
3.为解决上述难题，非接触式电压测量技术应运而生，非接触的特性避免电压测量时因侵入线缆而造成的安全隐患，而且操作简便，符合电力物联网建设的时代背景。非接触式电压测量方式一般基于电场耦合效应实现，对于任意带电导体，由于自身电荷的运动和分布，在其周围会存在由电荷激发的矢量电场，该矢量电场与带电导体的电荷分布、空间位置和导体电动势存在唯一确定关系，对空间电荷进行采集并基于相应算法进行计算和标定以后，可以间接获得带电导体或者是线缆的电压数值，从而实现电压的非接触式测量，根据赫姆霍兹定理，空间采集的电荷大小与导体和电荷测量电极之间的相对位置紧密相关，相对位置发生变化时对测量电压波动导致的测量精度具有较大影响，因此，进行电压的非接触式测量需要确定非接触式电压传感器输出特性与待测导体空间位置变化间的对应关系。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种非接触式电压传感器输出特性的检测装置与控制方法，能够确定非接触式电压传感器输出特性与待测导体空间位置变化间的对应关系并得到非接触式电压传感器的输出特性。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种非接触式电压传感器输出特性的检测装置，其特征在于，所述非接触式电压传感器输出特性的检测装置包括控制器、数据采集装置、第一执行器、第二执行器和固定支架；
7.所述第一执行器包括第一电机和第一丝杆，所述第二执行器包括第二电机和第二丝杆，所述第一丝杆与所述第二丝杆垂直连接；
8.所述固定支架包括第一固定支架和第二固定支架，所述第一电机带动所述第一固定支架沿所述第一丝杆轴向移动；所述第二电机带动所述第二固定支架沿所述第二丝杆轴向移动；
9.所述第二固定支架上设置有孔；所述第一固定支架用来固定待测线缆使所述待测
线缆穿过所述孔；
10.所述控制器用来控制所述第一电机和所述第二电机使所述待测线缆在所述孔内产生相对位移；
11.所述数据采集装置包括多个感应电极；所述多个感应电极，围绕所述孔设置；用来采集所述待测线缆在所述孔不同位置处的电压值并将所述电压值传输给所述控制器。
12.可选的，所述第一执行器还包括第一联轴器，所述第一联轴器分别与所述第一电机和所述第一丝杆连接；所述第二执行器还包括第二联轴器，所述第二联轴器分别与所述第二电机和所述第二丝杆连接。
13.可选的，所述数据采集装置还包括电压互感器；所述电压互感器，设置在所述待测电缆上，用于校准所述感应电极采集的电压值。
14.可选的，所述数据采集装置还包括固定件，所述固定件所在径向平面上设置有规则图形的洞；所述感应电极围绕所述洞的中心轴均匀布置在所述固定件上且所述感应电极到所述洞的边缘距离相同。
15.可选的，所述第一固定支架包括横梁和吊臂，所述横梁垂直设置在所述第一丝杆上；所述吊臂，固定在所述横梁上，用来固定所述待测线缆。
16.一种非接触式电压传感器输出特性的检测方法，包括：
17.确定所述待测电缆的可移动区域；
18.根据所述可移动区域，确定所述待测电缆的移动路径；
19.根据所述移动路径，确定离散的测量位置坐标；
20.根据所述测量位置坐标，确定位置电压；
21.根据所述位置电压，确定所述测量位置坐标与所述位置电压的对应关系；
22.根据所述对应关系，得到非接触式电压传感器的输出特性。
23.可选的，所述根据所述移动路径，确定离散的测量位置坐标，具体包括：
24.在所述固定件所在平面建立平面坐标系，所述移动路径上的各所述离散的测量位置在所述平面坐标系上都有唯一对应的测量位置坐标。
25.可选的，所述根据所述测量位置坐标，确定位置电压，具体包括：
26.所述位置电压为所述感应电极阵列测得的多个电压值与所述电压互感器测得的电压值组成的电压值数组。
27.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种非接触式电压传感器输出特性的检测装置与控制方法，包括控制器、数据采集装置、第一执行器、第二执行器和固定支架；第一执行器包括第一电机和第一丝杆，第二执行器包括第二电机和第二丝杆，第一丝杆与第二丝杆垂直连接；固定支架包括第一固定支架和第二固定支架，第一电机带动第一固定支架沿第一丝杆轴向移动；第二电机带动第二固定支架沿第二丝杆轴向移动；第二固定支架上设置有孔；第一固定支架用来固定待测线缆使待测线缆穿过孔；控制器用来控制第一电机和第二电机使待测线缆在孔内产生相对位移；数据采集装置包括多个感应电极；多个感应电极，围绕孔设置；用来采集待测线缆在孔不同位置处的电压值并将电压值传输给控制器。本发明通过控制器控制执行器运动，使得待测线缆在可移动区域内按照预设路径移动，同时使得待测线缆在预设测量位置停止，数据采集装置采集预设测量位置处的电压值，并将电压值传输至控制器，对预设测量位置建立位置坐标，每一
个预设测量位置都对应一个位置坐标，所以每一个位置坐标对应数据采集装置采集的电压值，实现了待测导体不同空间位置下导体位置和测量电压的同步测量并得到非接触式电压传感器的输出特性，根据非接触式电压传感器的输出特性指导非接触式电压传感器的设计。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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他的附图。
29.图1为检测装置执行器与固定件结构图；
30.图2为电压传感器本体接口框图；
31.图3为非接触式电压传感器输出特性的检测方法流程图；
32.图4为检测装置功能结构图；
33.图5为总体控制方法流程图；
34.图6为待测线缆菱形移动域图；
35.图7为检测程序整体结构图；
36.图8为整体程序流程图。
37.符号说明：
38.第二电机—1，第二执行器—2，第一执行器—3，第一电机—4，第一固定支架—5，第二固定支架—6，可移动区域—7，感应电极—8，第一路径—17，第二路径—18，第三路径—19，第四路径—20。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
40.本发明的目的是提供一种非接触式电压传感器输出特性的检测装置与控制方法，能够确定非接触式电压传感器输出特性与待测导体空间位置变化间的对应关系并得到非接触式电压传感器的输出特性。
41.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
42.如图1所示，本发明一种非接触式电压传感器输出特性的检测装置，包括控制器、数据采集装置、第一执行器3、第二执行器2和固定支架。
43.第一执行器3包括第一电机4和第一丝杆，第二执行器2包括第二电机和第二丝杆，第一丝杆与第二丝杆垂直连接。
44.具体的，第一执行器3还包括第一联轴器，第一联轴器分别与第一电机4和第一丝杆连接。第二执行器2还包括第二联轴器，第二联轴器分别与第二电机和第二丝杆连接。
45.进一步的，第一电机4为步进电机；第二电机1为步进电机。
46.固定支架包括第一固定支架5和第二固定支架6，第一电机4带动第一固定支架5沿第一丝杆轴向移动；第二电机1带动第二固定支架沿第二丝杆轴向移动；第二固定支架6上设置有孔；第一固定支架5用来固定待测线缆使待测线缆穿过孔。
47.具体的，第一固定支架5包括横梁和吊臂，横梁垂直设置在第一丝杆上；吊臂，固定在横梁上，用来固定待测线缆。
48.控制器用来控制第一电机4和第二电机1使待测线缆在孔内产生相对位移。
49.具体的，控制器发送电机控制指令，使电机进行正转或反转并带动第一传动装置和第二传动装置运动，从而第一传动装置带动第一固定支架55运动，第二传动装置带动第二固定支架6运动。
50.数据采集装置包括多个感应电极8；多个感应电极8，围绕孔设置；用来采集待测线缆在孔不同位置处的电压值并将电压值传输给控制器。
51.具体的，数据采集装置还包括固定件，固定件所在径向平面上设置有规则图形的洞；感应电极8围绕洞的中心轴均匀布置在固定件上且感应电极8到洞的边缘距离相同。
52.数据采集装置还包括电压互感器；电压互感器，设置在待测电缆上，用于校准感应电极8采集的电压值。
53.电机分为x轴电机和z轴电机；第一电机4为x轴电机；x轴电机转动实现数据采集装置水平移动，第二电机1为z轴电机，z轴电机转动实现第二固定支架6纵向移动，根据相对运动，数据采集装置相对第二固定支架6纵向移动。
54.如图2所示，感应电极8数量为四个，进一步的，固定件为pcb板；固定件与第二固定支架6连接；固定件设置在第二固定支架6上的孔内部；固定件所在径向平面上设置的规则图形的洞的中心轴与第二固定支架6上的孔的轴向方向平行。固定件跟随第一执行器3运动，固定件相对第二执行器2运动，从而实现改变固定件空间位置。感应电极8阵列由多个电极按阵列形式均匀排布，用于对线缆电压的测量。线缆运动区域为电压的非接触式测量区域，也是线缆的可移动区域7；线缆坐标位置随机分布在该区域内。
55.实际检测线缆时，线缆在非接触式电压测量区域内的空间位置不确定，而线缆空间位置的变化将会导致电压测量产生误差。所以通过设置路径，控制电机拖动待测线缆在不同空间坐标位置进行排布，并同步采集此时数据采集装置的输出电压，进而获取非接触式电压传感器的整体输出特性。
56.控制器分别与数据采集装置、第一执行器3和第二执行器2连接；控制器控制第一执行器3和第二执行器2使待测线缆在可移动区域7内沿控制器预设路径移动并在控制器预设测量位置处停止；数据采集装置用来检测待测线缆在预设测量位置处的电压值并将电压值传输到控制器；控制器记录预设测量位置及其电压值。
57.具体的，控制器可以采用单片机、嵌入式控制芯片或者模组等，控制器用于接受数据采集装置发送的数据信号并对执行器进行控制。
58.如图3所示，本发明提供的一种非接触式电压传感器输出特性的检测方法，包括：
59.步骤301：确定待测电缆的可移动区域。
60.步骤302：根据可移动区域，确定待测电缆的移动路径。
61.步骤303：根据移动路径，确定离散的测量位置坐标；具体包括：
62.在固定件所在平面建立平面坐标系，移动路径上的各离散的测量位置在平面坐标系上都有唯一对应的测量位置坐标。
63.步骤304：根据测量位置坐标，确定位置电压。
64.步骤305：根据位置电压，确定测量位置坐标与位置电压的对应关系；具体包括：位置电压为感应电极8阵列测得的多个电压值与电压互感器测得的电压值组成的电压值数组；进一步的，感应电极8的数量为4个时，分别是感应电极1、感应电极2、感应电极3和感应电极4，电压值数组是感应电极1的测量电压、感应电极2的测量电压、感应电极3的测量电压、感应电极4的测量电压和电压互感器测量电压组成的一维数组。
65.进一步的，电压互感器采集的电压值作为位置电压数组的其中一个数据，用来作为感应电极1的测量电压、感应电极2的测量电压、感应电极3的测量电压、感应电极4的测量电压的参考电压。
66.步骤306：根据对应关系，得到非接触式电压传感器的输出特性。
67.具体的，如图4所示，非接触式电压传感器输出特性的检测装置中的控制器根据待测电缆可移动区域7的形状确定待测电缆移动的预设路径，控制器根据预设路径控制执行器运动，控制器根据预设路径以及执行器的参数设置预设测量位置，当待测电缆移动到预设测量位置时，数据采集装置检测该位置的电压值，并将该位置的电压值传输给控制器，控制器将预设测量位置与预设测量位置处的电压值一一对应存储，控制器将电压值进行记录后，控制器控制执行器使得待测电缆产生相对位移，从而实现待测电缆沿预设路径到达下一处预设测量位置。实现待测电缆按照预设路径移动以及在预设测量位置处停止移动，待测电缆停止相对位移后，数据采集装置采集该预设测量位置处的电压值，并将电压值传送给控制，然后继续进行下一个预设测量位置的电压测量。预设路径用于确定线缆移动的轨迹及最终坐标，控制器通过对电机的控制实现电机的正反转，进而通过电机的正反转实现第一传动装置和第二传动装置的移动，从而实现待测线缆的相对移动。
68.如图5所示，通过设置待测线缆的可移动区域7的路径及坐标位置来确定线缆起始位置、移动路径和最终停止坐标；基于设置完的可移动区域7的路径坐标，控制电机转动，在传动机构的机械传动下使得待测线缆到达指定位置，使得待测线缆在非接触式电压测量区域内产生相对移动，每移动到一个位置，数据采集装置同步采集此时的线缆坐标和测量电压数据，待数据采集完毕后，进行下一循环的路径移动，通过这种方式实现多种线缆空间位置和测量电压的数据采集。
69.预设路径能够使待测线缆的移动位置基本覆盖测量区域内的每一个坐标，获得非接触式电压传感器的完整的输出特性曲线。待测线缆在设置的特定的测量区域内进行移动，该测量区域可设置为圆形、方形等不同轨迹形状。
70.进一步的，如图6所示，测量区域为菱形。在菱形移动域内第一路径17、第二路径18、第三路径19和第四路径20四个运动过程记为一个运动周期，整个路径由n个周期的路线构成，最终通过该循环路径覆盖整个移动区域，其中每个运动周期内的第一路径17到第四路径20的具体移动方式如下所述：
71.(1)第一路径17，具体表现为线缆从x轴处的a点(a，0)位置出发，向与x轴正向逆时针45
°
方向移动。其实现方法为控制x轴与z轴电机同时旋转，两轴上的电机同时带动线缆在各自轴的正向(即x轴正向与z轴正向)移动一定距离，最终实现第一路径17。其中移动距离
的控制是通过编码器来实现的，即x轴与z轴两个编码器的计数值改变量到达预设值时即停下，控制器对数据采集装置采集的电压值和位置坐标进行记录(之后每个路径点信息采集也是通过这种方式)。
72.(2)线缆到达b点(2a,a)后，沿第二路径18移动，线缆沿x轴正向逆时针135
°
方向移动。其实现方法同第一路径17控制两个电机旋转，其中x轴上电机实现线缆在负向移动一定距离，z轴上电机带动线缆在正向移动一定距离，到达点c点后，改为第三路径19。
73.(3)第三路径19的方向为沿x轴负方向逆时针45
°
移动。其实现方法为同时控制x轴电机和z轴电机在使线缆实现往负方向移动一定距离，到达位置d点时，转入第四路径20。
74.(4)第四路径20为沿x轴正向逆时针135
°
方向移动。到达指定目标后继续沿第一路径17方向，如此反复，直到运动到边界位置。
75.基于上述路径规划，根据预设值通过电机转动对线缆进行移动，实现了线缆空间位置的变化。
76.更进一步的，电机控制具体如下所述：
77.(1)电机控制方式
78.电机采用步进电机，其控制方式为脉冲控制，一个脉冲电机旋转1.8
°
，在经过驱动器的32细分后，一个脉冲电机旋转0.05625
°
。针对带负载以后可能会发生的丢步现象，使用编码器来确认电机旋转角度，当电机启动时记编码器数值为0，而后电机正转编码器数值增加，反转则数值减少。
79.(2)电机接法
80.电机由24v/3a的电源提供输入，步进电机的a

、a
‑
、b

、b
‑
端口与驱动器对应端口连接，再把驱动器的使能端口ena 、ena
‑
，方向控制端口dir 、dir
‑
，脉冲输入端口pul 、pul
‑
与单片机上设定的io口相连。
81.(3)控制方案
82.设定线缆的目标坐标，控制器根据目标坐标域实际坐标的差值利用pid算法控制电机转动，从而通过机械传动装置拖动线缆移动，最终到达指定目标。
83.如图7所示，非接触式电压传感器输出特性的检测装置还包括上位机，非接触式电压传感器输出特性的检测装置的检测方法包括上位机单元和控制单元，其中控制单元包括有电机控制单元、编码器读取单元和数据采集单元；上位机是直接发出控制命令的计算机，并提供用户交互、数据存储和分析等功能。编码器读取单元通过读取电机旋转角度来确定线缆移动距离和坐标；数据采集单元用来将采集到的线缆基础电压信号与线缆位置坐标一一对应并且将电压值与对应的位置坐标进行记录。
84.本实施例提供的一种非接触式电压传感器输出特性的检测装置的控制方法中的采集单元的具体工作过程如下。
85.如图8所示，控制器为stm32单片机；感应电极8阵列包括4个感应电极8；首先，采集电路上电以后，感应电极8、电压互感器将各自的感应信号接入运放，由单片机中的模拟数字转换器(adc)对运放放大后的信号进行采样，其中采样使用adc的扫描模式，每一路通道的切换时间很短，可认为五路adc的采样是同时进行的，四个感应电极8有四路信号，电压互感器有一路信号；其次，在线缆不通电的情况下，先测量每一路adc的数值，记为零点，总计n 1路adc数值；再次，零点测量完毕后，使线缆通电，将此时测量到的数据减去零点数值得到
差值数据，在每个测量位置采集200次，得到200个差值数据，并将这200个差值数据进行均方根运算，计算出来的数据即为每个测量位置的每个电极以及每个测量位置的电压互感器的有效的数据，将这五个有效数据合并为一维数组得到位置电压；最后，将计算出来的有效数据根据modbus协议组合成数据串，将数据串通过数据发送单元上传至控制单元。
86.具体的实施步骤如下所述：
87.步骤201：程序开始。
88.步骤202：启动n 1路adc。
89.步骤203：测量为上电n 1路数据记为零点。
90.步骤204：记录n 1路adc数据(设定每0.1ms记录一次)。
91.步骤205：每记录200个数据进行相应均方根计算，得到有效数据。
92.步骤206：将数据根据modbus协议组合成数据串。
93.步骤207：发送数据给处理单元。具体的，发送数据后继续执行步骤204。
94.本实施例提供的一种非接触式电压传感器输出特性的检测装置与控制方法的控制单元的具体工作过程如下。
95.步骤101：程序开始。
96.步骤102：开启串口接收上位机指令。
97.步骤103：判断是否接受测试开始指令；若否，返回步骤102。
98.步骤104：若是，设置待测线缆目标坐标。
99.步骤105：pid算法设定电机转动速度及方向；具体的，利用pid算法计算的结果计算出一个合适的脉冲频率，控制电机运动。
100.步骤106：电机移动电缆；具体的，根据pid算法计算的结果的正反值确定电机正转还是反转，启动电机，通过联轴器带动丝杆控制待测线缆到指定坐标。
101.步骤107：判断是否指定位置；具体的，通过电机转动角度计算出当前坐标，与指定坐标进行比较，判断坐标是否一致；若是，关闭电机；若否，返回步骤105。
102.步骤108：根据modbus协议接收采集电路发来的数据；具体的，线缆到达指定坐标后，接受来自采集单元的信息；进一步的，数据来自步骤207。
103.步骤109：数据处理后发送到上位机记录；具体的，同步记录在当前测量位置坐标的数据采集装置测量的电压数据和线缆的位置坐标数据，将数据处理后发送到上位机记录。上位机将接收到的位置坐标的数据以及电压数据进行保存。
104.步骤110：判断线缆是否到边界；若否，返回步骤104；具体的，驱动电机运动，改变待测线缆目标坐标，按照路径运动到下一点位置。
105.步骤111：退出测试，程序结束。
106.具体的，上位机将接收到的可移动区域7内的所有位置坐标的数据以及该位置坐标测量的电压数据进行保存，得到非接触式电压传感器的输出特性；可以应用上位机存储的非接触式电压传感器的输出特性的数据用来指导设计非接触式电压传感器。
107.本发明通过控制器控制执行器运动，使得待测线缆在可移动区域内按照预设路径移动，同时使得待测线缆在预设测量位置停止，数据采集装置采集预设测量位置处的电压值，并将电压值传输至控制器，对预设测量位置建立位置坐标，每一个预设测量位置都对应一个位置坐标，所以每一个位置坐标对应数据采集装置采集的电压值，实现了待测导体不
同空间位置下导体位置和测量电压的同步测量并得到非接触式电压传感器的输出特性，根据非接触式电压传感器的输出特性指导非接触式电压传感器的设计。
108.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
109.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。