專利名稱：寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于交直流、變頻電機(jī)測量的寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器。
背景技術(shù)：
隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，使變頻電機(jī)得到廣泛應(yīng)用，由于給變頻電機(jī)供電的變頻電源輸出 頻率范圍寬且含有復(fù)雜的高次諧波，傳統(tǒng)的互感器已不能滿足電參數(shù)測試?；魻栯妷簜鞲衅?測試頻率范圍較寬，可以較好的滿足變頻電機(jī)的基波電壓測試，但是目前測試帶寬通常小于 15kHz，尤其是3000V電壓等級(jí)以上的霍爾電壓傳感器測試帶寬通常小于5kHz，對(duì)于變頻電 機(jī)電壓信號(hào)的高次諧波仍然不能準(zhǔn)確測量。電阻式分壓器具有良好的頻率特性及線性，但是 由于輸出未經(jīng)隔離，目前一般將電阻式分壓器用作直流電壓測試，或脈沖電壓，或沖擊電壓 測試，其共同特點(diǎn)是測試時(shí)一端接大地。在已有技術(shù)中還沒有采用電阻式分壓器取代傳統(tǒng)的 互感器用于變頻交流高電壓測試的電壓傳感器。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種頻率響應(yīng)范圍寬、交直流通用、有 效測試范圍寬、無磁飽和問題、測量精度高、高線性、低溫漂易校準(zhǔn)、隔離電壓高、抗干擾 能力強(qiáng)的寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器。
本發(fā)明的技術(shù)方案是利用電阻式分壓器良好的頻率特性及線性，采用電阻式分壓器取 代傳統(tǒng)的互感器作為交流高電壓測試的傳感器件，測量電路與電阻式分壓器緊密結(jié)合，采用 浮地結(jié)構(gòu)，測量數(shù)據(jù)以數(shù)字量方式通過光纖上傳至低壓側(cè)數(shù)顯終端實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸及高壓隔離。
本發(fā)明由以下組件構(gòu)成 一個(gè)用于從被測電壓回路中取出電壓信號(hào)的電阻式分壓器(1)， 一個(gè)用于將電阻式分壓器(1)輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)并進(jìn)行運(yùn)算處理的高壓側(cè) 信號(hào)處理裝置(2), —組連接高壓側(cè)信號(hào)處理裝置(2)和低壓側(cè)數(shù)顯終端(6)的通訊光纖 組(5)，一個(gè)為高壓側(cè)信號(hào)處理裝置(2)提供工作電源的高壓側(cè)電源(3), —個(gè)連接高壓側(cè)電源(3)與低壓側(cè)供電電網(wǎng)的高壓隔離變壓器(4)。所述電阻式分壓器(l)由高壓臂電阻R1和低壓臂電阻R2組成，R1和R2均為無感電阻，并一同封裝在絕緣材料灌封的屏蔽金屬筒內(nèi)，。所述高壓隔離變壓器(4)的原邊及副邊分別與低壓側(cè)供電電網(wǎng)及高壓側(cè)電源(3)連接。 所述高壓側(cè)信號(hào)處理裝置(2)由AD轉(zhuǎn)換器IC1、微處理器IC2、串行數(shù)據(jù)發(fā)送器2C組成。所述高壓側(cè)信號(hào)處理裝置(2)還包括采樣時(shí)鐘接收器2A或串行數(shù)據(jù)接收器2B中的一 種或它們的組合。所述通訊光纖組(5)由至少一根通訊光纖5C組成，通訊光纖5C與高壓側(cè)信號(hào)處理裝 置(2)中的串行數(shù)據(jù)發(fā)送器2C及低壓側(cè)數(shù)顯終端(6)連接。所述通訊光纖組(5)還包括通訊光纖5A或通訊光纖5B中的一根或它們的組合，其中 通訊光纖5A與采樣時(shí)鐘接收器2A及低壓側(cè)數(shù)顯終端(6)連接，通訊光纖5B與串行數(shù)據(jù)接 收器2B及低壓側(cè)數(shù)顯終端(6)連接。本發(fā)明具有頻率響應(yīng)范圍寬、交直流通用、有效測試范圍寬、無磁飽和問題、測量精度 高、高線'性、低溫漂、易校準(zhǔn)、隔離電壓高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合于電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)、 電機(jī)研究和電機(jī)檢測中心等場所使用。


圖l為本實(shí)用新型原理方框圖； 圖2為實(shí)施例1的電路示意圖； 圖3為實(shí)施例2的電路示意圖； 圖4為實(shí)施例3的電路示意圖； 圖5為實(shí)施例4的電路示意圖； 圖6為實(shí)施例5的電路示意圖。圖中l(wèi)一電阻式分壓器，2 —高壓側(cè)信號(hào)處理裝置，3 —高壓側(cè)電源，4—高壓隔離變壓 器，5—通訊光纖組，6—低壓側(cè)數(shù)顯終端。圖6中Sl — l號(hào)寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器，S2—2號(hào)寬頻高壓智能電阻分壓 式電壓傳感器。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明在以下實(shí)施例中微處理器IC2及IC3均使用了串行數(shù)據(jù)接收端RXD0及串行數(shù)據(jù)發(fā)送端 口TXD0，為了方便描述，圖中分別標(biāo)記為2-RXD0、 2-TXD0、 6-RXD0、 6-TXD0;實(shí)施例5 中還采用了 IC3的串行數(shù)據(jù)接收端RXD1及串行數(shù)據(jù)發(fā)送端口 TXD1，標(biāo)記為6-RXDl、 6-TXDl。實(shí)施例l:參照?qǐng)D1和圖2:本實(shí)施例包括從被測電壓回路中取出電壓信號(hào)的電阻式分壓器(1),高壓側(cè)信號(hào)處理裝 置(2)，高壓側(cè)電源(3),高壓隔離變壓器(4),通訊光纖組(5),低壓側(cè)數(shù)顯終端(6)。 本實(shí)施例低壓側(cè)供電電網(wǎng)采用AC220V市電。電阻式分壓器(1)作為電壓傳感器件，將接在V+、 V-兩端的被測電壓信號(hào)分壓后的模 擬電壓信號(hào)接入高壓側(cè)信號(hào)處理裝置(2)，高壓側(cè)信號(hào)處理裝置(2)將電阻式分壓器(1) 輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)并運(yùn)算處理后通過光纖組(5)上傳至低壓側(cè)數(shù)顯終端 (6)，高壓側(cè)電源(3)為高壓側(cè)信號(hào)處理裝置(2)提供工作電源，高壓隔離變壓器(4)的 原邊及副邊分別與AC220V市電及高壓側(cè)電源(3)相連。電阻式分壓器(1)包括高壓臂電阻R1和低壓臂電阻R2，本實(shí)施例中，Rl采用6MQ/30W 高壓精密無感電阻，最高工作電壓達(dá)70kV, R2采用3kQ/0.25W精密無感電阻，Rl和R2封 裝在屏蔽銅管1A內(nèi)，1A內(nèi)以環(huán)氧樹脂1B絕緣灌封，最髙直流測試電壓可達(dá)20kV，最高交流測試電壓可達(dá)14kV，可滿足10kV交直流、變頻電機(jī)的各種工況電壓測試。高壓側(cè)信號(hào)處理裝置(2)由AD轉(zhuǎn)換器IC1、微處理器IC2、采樣時(shí)鐘接收器2A、串行 數(shù)據(jù)接收器2B及串行數(shù)據(jù)發(fā)送器2C組成，本實(shí)施例中IC1采用16位AD轉(zhuǎn)換器AD7656, IC2采用單片機(jī)ATMEGA162， 2A和2B采用光纖接收器HFBR-2521, 2C采用光纖發(fā)送器 HFBR-1521。 IC1的控制線及數(shù)據(jù)線與IC2相連，IC1含有A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)CONVSTA, CONVSTA與采樣時(shí)鐘接收器2A相連，電阻式分壓器(1)的低壓臂電阻R2的兩端分別與 IC1的模擬信號(hào)輸入端AIN及模擬地AGND相連，IC2的串行數(shù)據(jù)接收端口 2-RXD0與串行 數(shù)據(jù)接收器2B相連，IC2的串行數(shù)據(jù)發(fā)送端口 2-RXD0與串行數(shù)據(jù)發(fā)送器2C相連。本實(shí)施例中，高壓側(cè)電源(3)采用典型線性電源，由變壓器T1、整流橋B1、 B2及三 端穩(wěn)壓塊V1、 V2、 V3等構(gòu)成(圖中省略了濾波電容等器件)，為高壓側(cè)信號(hào)處理裝置(2) 提供工作電源。高壓隔離變壓器(4)的原邊及副邊分別與^C220V市電及高壓側(cè)電源(3)連接，本實(shí) 施例中，高壓隔離變壓器(4)的原邊與副邊匝比為1 : 1，原邊與副邊的隔離耐壓不低于20kV, 在高壓測量側(cè)(包括被測電壓回路、電阻式分壓器l、高壓側(cè)信號(hào)處理裝2、高壓側(cè)電源3) 與AC220V市電之間起高壓隔離作用。本實(shí)施例低壓側(cè)數(shù)顯終端(6)由采樣時(shí)鐘發(fā)送器6A、串行數(shù)據(jù)發(fā)送器6B、串行數(shù)據(jù)接 收器6C、微處理器IC3及數(shù)據(jù)顯示裝置6D組成，6A和6B釆用光纖發(fā)送器HFBR-1521，起 電/光轉(zhuǎn)換作用，6C釆用光纖接收器HFBR-2521 ，起光/電轉(zhuǎn)換作用，IC3采用單片機(jī) CY7C68013, 6D采用計(jì)算機(jī)。采樣時(shí)鐘發(fā)送器6A的電信號(hào)輸入端與微處理器IC3的TOOUT 引腳相連，串行數(shù)據(jù)發(fā)送器6B的電信號(hào)輸入端與微處理器IC3的6-TXD0相連，串行數(shù)據(jù)接 收器6C的電信號(hào)輸出端與微處理器IC3的6-RXD0相連；CY7C68013含有一個(gè)USB通訊接 口，微處理器IC3與計(jì)算機(jī)6D之間采用USB電纜連接，實(shí)現(xiàn)兩者之間的高速數(shù)據(jù)通訊。本實(shí)施例通訊光纖組(5)由三根通訊光纖5A、 5B、 5C組成，5A連接2A與6A, 5B連接2B與6B， 5C連接2C與6C,通訊光纖組(5)在高壓側(cè)信號(hào)處理裝置(2)及低壓側(cè)數(shù) 顯終端(6)之間起數(shù)據(jù)通訊及高壓隔離的作用。 工作原理如下被測電壓經(jīng)電阻式分壓器(1)分壓產(chǎn)生峰值小于10V電壓信號(hào)輸入到A/D轉(zhuǎn)換器IC1， IC3產(chǎn)生采樣時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)6A、 5A、 2A控制IC1的A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)CONVSTA，啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，IC2讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，并對(duì)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算處理，運(yùn)算處 理后的數(shù)據(jù)以異步串行方式經(jīng)2C、 5C、 6C上傳至低壓側(cè)數(shù)顯終端(6)的IC3， IC3再將接 收到的數(shù)據(jù)處理后通過USB電纜上傳計(jì)算機(jī)6D,計(jì)算機(jī)6D根據(jù)需要顯示被測電壓信號(hào)的真 有效值、基波有效值、頻率、波形畸變率及實(shí)時(shí)波形等。計(jì)算機(jī)6D還可通過USB電纜將需要設(shè)置的各種控制指令下傳到IC3、 IC3再將該指令 通過6B、 5B、 2B下傳至高壓側(cè)信號(hào)處理裝置(2)的IC2，為了保證通訊可靠性，還在收到 指令后將應(yīng)答指令通過2C、 5C、 6C上傳至IC3， IC3再將應(yīng)答指令通過USB電纜上傳至計(jì) 算機(jī)6D。典型應(yīng)用是，寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器可采用多種通訊協(xié)議，通過該法 設(shè)置可選擇其中一種用戶熟悉的協(xié)議，或?qū)掝l高壓智能電阻分壓式電壓傳感器上傳信息可包 含瞬態(tài)數(shù)據(jù)包、穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)包等或全部信息，通過該法設(shè)置可只選擇用戶關(guān)心的數(shù)據(jù)上傳，簡 化低壓側(cè)數(shù)顯終端(6)的數(shù)據(jù)通訊。實(shí)施例2:參照附圖3:(圖中省略了與圖2中相同的電阻式分壓器1、高壓側(cè)電源3、高壓隔離變 壓器4)本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是，本實(shí)施例中寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器不關(guān)心 被測信號(hào)的采樣時(shí)刻，即不需要與其它信號(hào)同步采樣或作相位對(duì)比，固高壓側(cè)信號(hào)處理裝置 (2)省去采樣時(shí)鐘接收器2A，通訊光纖組(5)省去通訊光纖5A，低壓側(cè)數(shù)顯終端(6)省 去采樣時(shí)鐘發(fā)送器6A，同時(shí)將A/D轉(zhuǎn)換器IC1的A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)CONVSTA直接與微處理器IC2的時(shí)鐘輸出引腳0C1A相連，由IC2提供采樣時(shí)鐘信號(hào)。 實(shí)施例3:參照附圖4:(圖中省略了與圖2中相同的電阻式分壓器1、高壓側(cè)電源3、高壓隔離變 壓器4)本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是，本實(shí)施例中寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器無需設(shè) 置各種指令，固高壓側(cè)信號(hào)處理裝置(2)可省去串行數(shù)據(jù)接收器2B，通訊光纖組(5)可省 去通訊光纖5B、低壓側(cè)數(shù)顯終端(6)可省去串行數(shù)據(jù)發(fā)送器6B。實(shí)施例4:參照附圖5:(圖中省略了與圖2中相同的電阻式分壓器1、高壓側(cè)電源3、高壓隔離變 壓器4)本實(shí)施例與實(shí)施伊j 1不同的是，本實(shí)施例中寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器既不關(guān) 心被測信號(hào)的采樣時(shí)刻，也不需要用戶對(duì)其進(jìn)行各種指令設(shè)置，固高壓側(cè)信號(hào)處理裝置(2) 省去采樣時(shí)鐘接收器2A、串行數(shù)據(jù)接收器2B,通訊光纖組(5)省去通訊光纖5A、 5B，低 壓側(cè)數(shù)顯終端(6)省去采樣時(shí)鐘發(fā)送器6A、串行數(shù)據(jù)發(fā)送器6B。實(shí)施例5:參照?qǐng)D1、圖2和圖6:本實(shí)施例采用兩個(gè)寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器對(duì)三相交流電的三相線電壓 Uab、 Ucb、 Uac的瞬態(tài)值及有效值等進(jìn)行測量，圖中Sl為1號(hào)寬頻高壓智能電阻分壓式電 壓傳感器，S2為2號(hào)寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器。Sl、 S2中的高壓側(cè)信號(hào)處理裝置(2)與圖2中的高壓側(cè)信號(hào)處理裝置(2)相同。 本實(shí)施例中包含兩套通訊光纖組，每套三根，分別記為5A1、 5B1、 5C1、 5A2、 5B2、 5C2。本實(shí)施例低壓側(cè)數(shù)顯終端(6)由采樣時(shí)鐘發(fā)送器6A1、 6A2,串行數(shù)據(jù)發(fā)送器6B1、 6B2，串行數(shù)據(jù)接收器6C1、 6C2,微處理器IC3及數(shù)據(jù)顯示裝置6D組成，所述6A1、 6B1、 6A2、 6B2采用光纖發(fā)送器HFBR-1521， 6C1、 6C2采用光纖接收器HFBR-2521， IC3釆用單片機(jī) CY7C68013， 6D采用計(jì)算機(jī)。采樣時(shí)鐘發(fā)送器6A1、 6A2的電信號(hào)輸入端連接在一起并與微 處理器IC3的T0OUT引腳相連。串行數(shù)據(jù)發(fā)送器6B1的電信號(hào)輸入端與微處理器IC3的 6-TXD0相連，串行數(shù)據(jù)發(fā)送器6B2的電信號(hào)輸入端與微處理器IC3的6-TXD1相連，串行 數(shù)據(jù)接收器6C1的電信號(hào)輸出端與微處理器IC3的6-RXD0相連，串行數(shù)據(jù)接收器6C2的電 信號(hào)輸出端與微處理器IC3的6-RXD1相連；CY7C68013含有一個(gè)USB通訊接口，微處理 器IC3與計(jì)算機(jī)6D之間采用USB電纜連接，實(shí)現(xiàn)兩者之間的高速數(shù)據(jù)通訊。 測量原理寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器S1的測量信號(hào)輸入端與被測三相交流電的Ua、 Ub 相連，寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器S2的測量信號(hào)輸入端與被測三相交流電的Uc、 Ub相連，所述S1、 S2的采樣時(shí)鐘發(fā)送器6A1和6A2的電信號(hào)輸入端連接在一起，即Sl、 S2的釆樣時(shí)鐘源相同，Sl、 S2的高壓側(cè)信號(hào)處理裝置(2)的IC1在同一采樣時(shí)鐘源的控制 下，分別對(duì)三相線電壓的Uab、 Ucb進(jìn)行同步釆樣。對(duì)于同一采樣時(shí)刻的每一個(gè)瞬態(tài)值而言， Uac=Uab-Ucb,由此低壓側(cè)數(shù)顯終端的IC3得到Uab、 Ucb、 Uac的所有瞬態(tài)值，再根據(jù)有效 值的計(jì)算原理，計(jì)算出Uab、 Ucb、 Uac的有效值，其它的如波形畸變率等，測量原理相同。上述實(shí)施例通過有關(guān)部門的計(jì)量認(rèn)證，其測試精度優(yōu)于0.2級(jí)；電壓連續(xù)測試范圍為0 llkV，短時(shí)過載電壓達(dá)14kV;信號(hào)帶寬為DC 100kHz;最高采樣頻率為250kHz;串行傳輸 速率為2Mbps;隔離電壓不低于20kV。上述實(shí)施例中，若改變電阻式分壓器(1)的分壓比，并提高高壓隔離變壓器(4)的絕 緣耐壓，可進(jìn)一步提高測試電壓。
權(quán)利要求1.一種寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器，其特征在于，由以下組件構(gòu)成一個(gè)用于從被測電壓回路中取出電壓信號(hào)的電阻式分壓器(1)，一個(gè)用于將電阻式分壓器(1)輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)并進(jìn)行運(yùn)算處理的高壓側(cè)信號(hào)處理裝置(2)，一組連接高壓側(cè)信號(hào)處理裝置(2)和低壓側(cè)數(shù)顯終端(6)的通訊光纖組(5)，一個(gè)為高壓側(cè)信號(hào)處理裝置(2)提供工作電源的高壓側(cè)電源(3)，一個(gè)連接高壓側(cè)電源(3)與低壓側(cè)供電電網(wǎng)的高壓隔離變壓器(4)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器，其特征在于所述電阻式 分壓器(1)由高壓臂電阻R1和低壓臂電阻R2組成，所述R1和R2為無感電阻，并一同封 裝在絕緣材料灌封的屏蔽金屬筒內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器，其特征在于所述高壓隔 離變壓器(4)的原邊及副邊分別與低壓側(cè)供電電網(wǎng)及高壓側(cè)電源(3)連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器，其特征在于所述高壓側(cè) 信號(hào)處理裝置(2)由AD轉(zhuǎn)換器IC1、微處理器IC2、串行數(shù)據(jù)發(fā)送器2C組成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器，其特征在于所述高壓側(cè) 信號(hào)處理裝置(2)還包括采樣時(shí)鐘接收器2A或串行數(shù)據(jù)接收器2B中的一種或它們的組合。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器，其特征在于，所述通訊 光纖組(5)由至少一根通訊光纖5C組成，通訊光纖5C與高壓側(cè)信號(hào)處理裝置(2)中的串 行數(shù)據(jù)發(fā)送器2C及低壓側(cè)數(shù)顯終端(6)連接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器，其特征在于，所述通訊 光纖組(5)還包括通訊光纖5A或通訊光纖5B中的一根或它們的組合，其中通訊光纖5A與 采樣時(shí)鐘接收器2A及低壓側(cè)數(shù)顯終端(6)連接，通訊光纖5B與串行數(shù)據(jù)接收器2B及低壓 側(cè)數(shù)顯終端(6)連接。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器，由以下組件構(gòu)成一個(gè)用于從被測電壓回路中取出電壓信號(hào)的電阻式分壓器(1)，一個(gè)用于將電阻式分壓器(1)輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)并進(jìn)行運(yùn)算處理的高壓側(cè)信號(hào)處理裝置(2)，一組連接高壓側(cè)信號(hào)處理裝置(2)和低壓側(cè)數(shù)顯終端(6)的通訊光纖組(5)，一個(gè)為高壓側(cè)信號(hào)處理裝置(2)提供工作電源的高壓側(cè)電源(3)，一個(gè)連接高壓側(cè)電源(3)與低壓側(cè)供電電網(wǎng)的高壓隔離變壓器(4)。本實(shí)用新型頻率響應(yīng)范圍寬、可交直流通用、有效測試范圍寬、無磁飽和問題、測量精度高、高耐壓、高線性、低溫漂、易校準(zhǔn)、抗干擾能力強(qiáng)。適合于電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)、電機(jī)研究和電機(jī)檢測中心等場所使用。
文檔編號(hào)G08C23/06GK201166685SQ20082005230
公開日2008年12月17日 申請(qǐng)日期2008年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月15日
發(fā)明者廖仲篪, 徐偉專 申請(qǐng)人:徐偉專