专利名称：一种四维自适应绝缘件表面电荷测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种四维自适应绝缘件表面电荷测量装置，属于高电压设备和电子技
术领域。
背景技术：
气体绝缘设备是电力系统中应用较为广泛的设备，如气体绝缘开关(GIS)以及气 体绝缘线路(GIL)等。与传统敞开式配电装置相比，气体绝缘设备具有许多优势，最主要的 是运行稳定性、可靠性高，没有绝缘老化的问题，还具有体积小、占地面积少、不受外界环境 影响、维护简单、检修周期长、安装迅速、运行费用低及无电磁干扰等优点，因此得到电力部 门的重视，在交流系统中得到了大量的应用。目前我国正在加快建设直流特高压输电线路， 直流系统中也迫切需要应用这种设备，但由于对直流下的一些现象还没有研究透彻，气体 绝缘设备还无法实现大规模应用。 电力系统中的气体绝缘设备中，需要用到大量绝缘件，这些绝缘件在设备中起到
支撑和绝缘的作用。在设备运行期间，尤其是在直流电压的作用下，绝缘件表面会积聚大量
电荷，这些电荷将会严重畸变原来的电场分布，导致绝缘件击穿电压的下降。因此，对绝缘
件表面电荷积聚现象的研究，是直流气体绝缘设备能够得以应用的一个重要前提。 目前国际上对表面电荷积聚现象的研究，大都针对简化的绝缘件模型进行实验，
停留在理论分析阶段，针对实际绝缘件的研究很少，但对实际绝缘件表面电荷积聚现象的
研究是十分必要的。这方面的研究之所以很少，是因为研究该现象需要对绝缘件表面电荷
进行测量，测量时需要将一个探头在绝缘件表面进行移动，并且保持距离一定，而一般情况
下，实际的绝缘件表面为特殊形状的曲面，并且正常工作环境是处于O. 5MPa绝对气压的SFe
气体中，这给表面电荷的测量控制带来了极大的不便。因此，研制一套能够实现在绝缘件工 作环境下对其表面电荷进行测量的装置，使针对实际绝缘件表面电荷积聚现象的深入研究
成为可能，这将縮短直流气体绝缘设备的研制周期，促进直流绝缘件的实用化。

发明内容
本发明的目的是提出一种四维自适应绝缘件表面电荷测量装置，对测量探头进行 控制，使其按照预设的绝缘件表面曲线移动，通过红外测距装置自动调节探头与被测表面 的距离与角度，实现对绝缘件表面电荷的测量，并对测量过程进行观察。 本发明提出的四维自适应绝缘件表面电荷测量装置，包括测量探头、探头控制机 构、探头控制臂、旋转盘、摄像头、电源、控制器、底部支架、径向移动丝杠、横向移动滑轨和 底座；所述的横向移动滑轨置于底座上，横向移动滑轨的内部与横向移动丝杠相互啮合，横 向移动丝杠由横向移动控制电机控制驱动；所述的底部支架固定在横向移动滑轨上，所述 的电源和控制器固定在底部支架上；所述的摄像头通过摄像头支架固定在底部支架上；所 述的旋转盘固定在底部支架的前侧，旋转盘通过皮带转动机构由固定在底部支架前侧的旋 转控制电机控制驱动；所述的探头固定在探头控制机构上，探头控制机构通过探头控制臂固定在旋转盘上，探头控制臂通过径向移动丝杠由固定在旋转盘上的径向移动控制电机控
制移动；所述的探头控制机构由探头夹持架、探头旋转控制齿轮、红外测距仪、蜗杆和探头
旋转控制电机组成，所述的红外测距仪固定在探头夹持架上，探头旋转控制齿轮固定在探
头夹持架的侧面，探头旋转控制齿轮与蜗杆啮合，蜗杆与探头旋转控制电机联动；所述的红
外测距仪、探头旋转控制电机、横向移动控制电机、径向移动控制电机和旋转控制电机通过
信号线与控制器相连，所述的电源通过电源线与控制器、摄像头、探头旋转控制电机、旋转
控制电机、径向移动控制电机、横向移动控制电机和红外测距仪相连供电。 本发明提出的四维自适应绝缘件表面电荷测量装置，其优点是 1、本发明提出的四维自适应绝缘件表面电荷测量装置，通过软件对装置进行控
制，将装置置于可承受气压的密封腔体内，通过接线盘将控制信号线引出，因此可模拟绝缘
件正常工作时的环境，测量结果更接近真实情况。 2、本发明的测量装置，可以实现探头的两种平动和两种转动，这种四维空间可控 性使本发明装置能够适用于各种形状绝缘件的测量。 3、本发明的测量装置中使用了红外测距仪，能够在测量过程中根据探头与被测绝 缘件表面之间的距离，自动调节探头与被侧面之间的距离与角度，保持探头与表面垂直及 距离恒定，因此保证了测量的准确度。 4、本发明的测量装置中，控制器通过各种相应电机对测量探头进行控制，控制精 度可达O. lmm以内，可以保证测量结果具有很高的空间分辨率。 5、本发明的测量装置，除了高电压领域的应用以外，也可应用于需要对绝缘件进 行电荷测量的其它领域，如对材料特性的研究，电路板的电荷测量等。本装置由于具有四维 可控以及距离自适应的特性，也可应用于各种情况下的表面电荷测量。


图1是本发明提出的四维自适应绝缘件表面电荷测量装置结构图。
图2是本发明装置中的探头控制器局部结构图。 图1和图2中，1是测量探头，2是探头控制机构，3是探头控制臂，4是旋转盘，5是 摄像头，6是摄像头支架，7是从动轮，8是径向移动丝杠，9是传动皮带，10是主动轮，11是 径向移动控制电机，12是旋转控制电机，13是电源模块，14是控制器，15是横向移动滑轨， 16是底部支架，17是横向移动丝杠，18是底座，19是探头夹持架，20是探头旋转控制齿轮， 21是红外测距仪，22是蜗杆、23是探头旋转控制电机，24是横向移动控制电机。
具体实施例方式
本发明提出的四维自适应绝缘件表面电荷测量装置，其结构如图l所示，包括测 量探头1、探头控制机构2、探头控制臂3、旋转盘4、摄像头5、电源13、控制器14、底部支架 16、径向移动丝杠8、横向移动滑轨15和底座18。横向移动滑轨15置于底座18上，横向移 动滑轨15的内部与横向移动丝杠17相互啮合，横向移动丝杠17由横向移动控制电机24 控制驱动。底部支架16固定在横向移动滑轨15上，电源13和控制器14固定在底部支架 16上。摄像头5通过摄像头支架6固定在底部支架16上。旋转盘4固定在底部支架16的 前侧，旋转盘4通过皮带转动机构由固定在底部支架16前侧的旋转控制电机12控制驱动，
4皮带机构由主动轮10、从动轮7和传动皮带9组成，主动轮10与旋转控制电机12相连，从动轮7与旋转盘4同轴安装。探头1固定在探头控制机构2上，探头控制机构2通过探头控制臂3固定在旋转盘4上，探头控制臂3通过径向移动丝杠8由固定在旋转盘上的径向移动控制电机11控制移动。探头控制机构的结构如图2所示，由探头夹持架19、探头旋转控制齿轮20、红外测距仪21、蜗杆22和探头旋转控制电机23组成。红外测距仪21固定在探头夹持架19上，探头旋转控制齿轮20固定在探头夹持架19的侧面，探头旋转控制齿轮20与蜗杆22啮合，蜗杆22与探头旋转控制电机23联动。红外测距仪21、探头旋转控制电机23、横向移动控制电机24、径向移动控制电机11和旋转控制电机12通过信号线与控制器14相连。电源13通过电源线与控制器14、摄像头5、探头旋转控制电机23、旋转控制电机12、径向移动控制电机11、横向移动控制电机24和红外测距仪21相连供电。
本发明提出的四维自适应绝缘件表面电荷测量装置中，由探头旋转控制电机、旋转控制电机、径向移动控制电机和横向移动控制电机实现探头的两种平动和两种转动。红外测距仪，能够在测量过程中自动调节探头与被侧面之间的距离与角度，保持探头与表面垂直并且距离恒定。电源输出士5V和士15V直流电压，为装置中的电机、摄像头、红外测距仪等供电。 以下结合附图对本装置的工作原理详细说明。以气体绝缘设备中使用最多的盆式绝缘子为例，测量过程如下 首先，将被测盆式绝缘子的表面曲线方程通过计算机输入到控制器14中的DSP芯片程序中，则程序在运行时会根据该方程自动计算探头的运动轨迹。测量时，将被测盆式绝缘子的轴向方向设为横向，半径方向设为径向。则由横向移动丝杠17、径向移动控制电机11及旋转控制电机12可实现测量探头1在三维方向上的移动。测量过程中，探头控制机构2中的红外测距仪21可检测探头1与被测表面的距离以及角度，并反馈给控制器14。控制器14根据反馈结果进行调节，探头控制机构2中的探头旋转控制齿轮20、蜗杆22以及探头旋转控制电机23可以控制探头1与绝缘子表面保持垂直。在测量时，将绝缘子沿横向分为若干个圆周，每次测量时由内向外逐圈进行测量。当完成最外面一圈的测量后，即完成整个绝缘子表面的测量。 控制器14中的DSP芯片程序上电后，进行各参数的初始化，然后进入待命状态，等待接收上位机的控制指令。上位机通过串行口与DSP芯片进行通讯。通过软件可以向DSP芯片发送完整测量、重复测量以及退出测量等控制命令。各电机是由高频脉冲信号进行控制的，脉冲的数量决定了电机的转数，从而决定探头1移动的距离。在程序初始化阶段，由盆式绝缘子的表面曲线方程以及预先设定的测量圈数可以计算出每一圈的横向坐标与径向坐标，将该值转换为相应的脉冲数。当收到完整测量控制命令时，本装置将控制探头1移动至绝缘子凹面靠近电极处的起始圆周处，由内向外完成整个表面的测量；当收到重复测量控制命令时，本装置将控制探头1移动至指定的圆周上，按照要求测量的圆周数进行测量；当收到退出测量控制命令时，装置停止测量过程，复位至初始状态。
测量过程中得到的电压值范围为-30 +3(^，首先经控制器14中的分压电路分压，变为_5 +5V的信号，然后经过A/D转换，变为数字信号，发送至上位机，上位机软件接收后对其进行显示以及保存等。 测量过程可通过图像采集模块进行实时观察。该模块由摄像头支架6及摄像头5
5组成，固定在机械传动模块上，通过USB传输线连接至上位机进行图像采集。 本发明测量装置的一个实施例中，控制器14采用了沈阳缔索电子有限公司生产
的DSPIC30F6014A芯片，该芯片及附属电路对整个测量过程进行控制。
权利要求
一种四维自适应绝缘件表面电荷测量装置，其特征在于该装置包括测量探头、探头控制机构、探头控制臂、旋转盘、摄像头、电源、控制器、底部支架、径向移动丝杠、横向移动滑轨和底座；所述的横向移动滑轨置于底座上，横向移动滑轨的内部与横向移动丝杠相互啮合，横向移动丝杠由横向移动控制电机控制驱动；所述的底部支架固定在横向移动滑轨上，所述的电源和控制器固定在底部支架上；所述的摄像头通过摄像头支架固定在底部支架上；所述的旋转盘固定在底部支架的前侧，旋转盘通过皮带转动机构由固定在底部支架前侧的旋转控制电机控制驱动；所述的探头固定在探头控制机构上，探头控制机构通过探头控制臂固定在旋转盘上，探头控制臂通过径向移动丝杠由固定在旋转盘上的径向移动控制电机控制移动；所述的探头控制机构由探头夹持架、探头旋转控制齿轮、红外测距仪、蜗杆和探头旋转控制电机组成，所述的红外测距仪固定在探头夹持架上，探头旋转控制齿轮固定在探头夹持架的侧面，探头旋转控制齿轮与蜗杆啮合，蜗杆与探头旋转控制电机联动；所述的红外测距仪、探头旋转控制电机、横向移动控制电机、径向移动控制电机和旋转控制电机通过信号线与控制器相连，所述的电源通过电源线与控制器、摄像头、探头旋转控制电机、旋转控制电机、径向移动控制电机、横向移动控制电机和红外测距仪相连供电。
全文摘要
本发明涉及一种四维自适应绝缘件表面电荷测量装置，属于高电压设备和电子技术领域。测量装置包括测量探头、探头控制机构、旋转盘、摄像头、电源、控制器红外测距仪等。本测量装置通过红外测距仪接收距离信号，通过多台电机自动调节探头与被测表面之间的距离与角度，保持探头与表面垂直并且距离恒定，实现对绝缘件表面电荷的测量。本测量装置可以置于可承受气压的密封腔体内，在高气压环境下对绝缘件表面电荷进行测量，并实现探头的两种平动和两种转动，适用于各种形状绝缘件的测量，且具有很高的空间分辨率。
文档编号G01R29/00GK101788613SQ20101003431
公开日2010年7月28日 申请日期2010年1月15日 优先权日2010年1月15日
发明者吴宝晖, 张贵新, 徐曙光, 王强, 王蓓 申请人:清华大学