专利名称：带超声波位移传感器的高压开关测试仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及监测技术领域，具体地，涉及与高压开关性能测试的相关技术，尤 其涉及带位移传感器的高压开关位移测试。
背景技术：
各种高压开关生产厂家和使用单位，需要定期对高压开关进行试验，以了解高压 开关的机械和电气性能，保证设备正常可靠运行。试验中一个关键的项目就是检测开关分 闸与合闸动作时触头的位移和速度等。传统的测量方式是使用直线式滑线电阻位移传感器来测量位移。使用该移传感器 有许多不足之处首先，滑线电阻传感器的连杆必须沿其轴线直线运动，参考点运动方向与该轴线 的些许角度差异将会导致传感器在运动中损坏；其次，高精度的滑线电阻的价格昂贵，当要求测试的位移幅度较大，需要采用更大 长度的滑线电阻传感器时则更是如此；再则，它的安装十分困难，要用到许多非标准的夹具。高压开关的运动部件或位于 不易接触的空间内，极其难与安装滑线电阻传感器。对于要长期监测的高压开关，不便的测 试方式更是不能采用。另外，最不理想的是满足滑线电阻传感器(长度_电阻)线性关系的代价昂贵，尤 其是大长度的滑线电阻传感器情况更差。多次使用导致局部磨损，其电阻值在长度方向上 的均勻性就会变差；长时间存放导致电阻值变化，从而无法满足测量的要求。因为上述原因，有的用户甚至不得已在诸多检测项目中放弃位移检测这个重要的 项目。高压开关设备有关位移、速度、弹跳等方面的隐患就不能即使发现。用户也急需一种 安装简便，测量准确、实用和耐用位移传感器。

实用新型内容为克服现有直线位移传感器价格高、安装困难，线性差的不足，本实用新型提供一 种在高压开关测试仪上采用超声波传感器测量位移。将发射头安放在固定位置，接收头安 装在开关的运动部件上。发射头与接收头不必精确地在一条直线上，极大地提高了传感器 安装的灵活性。在测量准确度上也克服了直线传感器的不足。从而可生产出一种成本低、 性能好的装置，更好地满足用户的测试需求。本实用新型为解决上述技术问题，在高压开关测试仪中实现一种带超声波位移传 感器的位移测试，包括超声波位移传感器，其根据测试要求，具有安装在静止位置持续发射40kHz恒定 频率超声波的发射头(TX)装置，超声波发射头(TX)在静止不移动的位置发射恒定40kHz 频率的超声波；具有安装在高压开关移动部件上某参考点处的超声波接收探头(RX)装置， 将参考点处的超声波声压转变成电压信号，超声波接收头(RX)固定在高压开关移动部件的称为参考点的某个位置，接收超声波信号；由处理器处理，计算出参考点的位移。接收头安装在高压开关的移动部件上，将接收到的超声波信号，采集到CPU中，从而计算出发射头 与接收头之间的位移。放大器与超声波位移传感器的接收头相连，将参考点处接收头输出的信号放大， 并以差分的形式将输出传送适当的距离，供高压开关测试仪使用；比较器，其与放大器的输出相连，将信号整形，检出放大器的输出过零点；放大器， 其内置于接收探头中，与超声波接收器件相连，将超声波接收头(RX)在参考点接收到的信 号放大，并以差分的形式将输出传送至适当距离的远处；所述超声波接收探头(RX)内置有 差分放大器，将接收到信号电压放大，以差分方式可靠地传送到适当距离的远方。所述超声 波接收探头(RX)内置差分放大器由40kHz，或其他频率，的交流供电技术来解决接收探头 (RX)与主机之间的隔离。时标捕获器，其与比较器的输出相连，定时捕获信号的时标；C8051FC340微处理器，其与比较器的输出连接，完成位移测量数据的采集；PC104 工控机模块，其与微处理器通过USB 2.0接口相连接而相互通讯，对测量数据进行判断、分 析、校正、计算、存储和显示；超声波位移传感器测量位移的工作原理如下接收头(RX)接收超声波信号，信号经过放大后被比较器转变为方波信号，用此信 号触发时标捕获器，在捕获器中即捕获有信号跨越零电平的时标。采用快速、高分辨率的 时标捕获技术，每25微秒获得一次参考点处信号的实时相位；每25微秒定时读取时标ti; ti+1 ；相邻两次时标的差ti+1-ti即是25微秒期间内的相位变差。将此相位变差累计，从而得 到一段时期内的相位改变总计。通过所述参考点处信号的实时相位来计算参考点的实时位 移。超声波的波长为已知，乘以波长从而得出位移值。具有环境温度测试功能，并且自动用 环境温度值校正超声波在该环境温度空气中波长的设定数值。位移和相位之间的关系是线 性的，因而从理论上保证了该原理测量位移的高度线性。所谓线性，具体到开关位移测试，即是在不同的时间和空间，只要运动体位移的距 离相同，得到的测试结果应该相同。高线性度特性可保证在测量微小位移时的绝对误差小。综上所述，本实用新型具有如下有益效果1、位移传感器结构简单，安装方便；2、精度高、线性度高、量程宽(达1. 5m)；3、长期稳定性固定不变；4、可测高速位移(达25m/s)；

下面通过参考附图并结合实例具体地描述本实用新型，本实用新型的优点和实现 方式将会更加显而易见，其中附图所示内容仅用于对本实用新型的解释说明，而不构成对 本实用新型的任何意义上的限制，在附图中图1为本实用新型带超声波位移传感器的高压开关测试仪的外形图；图2为本实用新型的超声波位移传感器外形图；图3为本实用新型的接线示意图；[0028]图4为一次高压开关重合闸试验输出界面；具体实施方式
图2表示的是一根超声波传感器电缆。使用航空插头，经过插座与高压开关测试仪连接。当接收探头(RX)处在发射头发出的超声波束的士5°的锥形区域内，可保证有效 的测量。两个超声波测量探头的轴线应尽量安装在一条直线上，以保证测量信号的强度。发射探头(TX)内装有超声波器件，在经过适当隔离后的功率驱动后持续地发射 出的40kHz超声波。根据多普勒效应，声源的移动将会改变传输在空间的超声波的波长，破 坏了测试的基本条件。因此，发射探头(TX)应安装在高压开关体的静止部位，保证声源在 测试过程中位置静止不动。接收探头(RX)固定在随高压开关触头移动的高压开关运动部件上。接收超声波 信号。高压开关处于电磁干扰严重的变电场所，应对接收探头(RX)接收到的微弱信号进行 屏蔽、隔离和放大。用40kHz的交变电源给接收探头(RX)馈送电源，采用交变电源馈电的 目的是便于实现隔离。信号经内置于接收探头(RX)中的差分放大器放大到足够的幅度，以 差分的方式传输到高压开关测试仪后，先经过高频变压器隔离，再经第2次差分放大器放 大，最后差分地连接到比较器，获得与被测试的参考点处同步的方波，其上升沿和下降沿与 位移测试参考点处的声压过零点在时间上严格对齐。完善的屏蔽和隔离是可靠地实现超声 波位移传感器测试功能的关键。一个16位的计数器对4MHz时钟循环计数作为时标，时标分辨率为0. 25微秒。两 个16位寄存器分别构成时标捕获器A和B，在捕获脉冲的触发下，将时标瞬时值复制在捕获 器里。捕获器A由40kHz的声源方波触发，捕获器B由比较器输出的被测方波触发。捕获 器A中保存了声源的过零时标；捕获器B保存了被测方波的过零时标。测试仪每25微秒定时中断一次，中断服务程序读取捕获器所捕获的时标，用相邻 中断的捕获值计算出参考点信号在25微秒期间的时标的变化，从而准确地计算出参考点 的位移。相邻的时标脉冲的时间间隔是0. 25微秒，声波在此期间传播0. 085mm。因此，测试 位移的分辨率为0. 085mm。C8051FC340微处理器将实时测量到的位移数据通过USB 2. 0接口迅速地传送到 PC104模块，由模块进行存储、分析、计算和显示。在说明书附图图4所示的软件界面中能读出高压开关移动触头在试验过程中的 位移_时间、速度_时间曲线以及其它测量结果。以上为本实用新型的优选实施例，本领域技术人员不脱离本实用新型的实质和精 神，可以有多种变型方案实现本实用新型。以上仅为本实用新型较佳可行的实施例而已， 并非因此局限本实用新型的权利范围，凡运用本实用新型说明书及附图内容所作的等效变 化，均包含于本实用新型的权利范围之内。
权利要求带超声波位移传感器的高压开关测试仪，包括超声波位移传感器，其根据测试要求，超声波发射头(TX)在静止不移动的位置发射恒定40kHz频率的超声波；超声波接收头(RX)固定在高压开关移动部件的称为参考点的某个位置，接收超声波信号；由处理器处理，计算出参考点的位移；放大器，其内置于接收探头中，与超声波接收器件相连，将超声波接收头(RX)在参考点接收到的信号放大，并以差分的形式将输出传送至适当距离的远处；比较器，其与放大器的输出相连，将信号整形，检出放大器的输出过零点；C8051FC340微处理器，其与比较器的输出连接，完成位移测量数据的采集；PC104工控机模块，其与微处理器通过USB 2.0接口相连接而相互通讯，对测量数据进行判断、分析、校正、计算、存储和显示。
2.根据权利要求1所述的带超声波位移传感器的高压开关测试仪，其特征在于，具有 安装在静止位置持续发射40kHz恒定频率超声波的发射头(TX)装置。
3.根据权利要求1所述的带超声波位移传感器的高压开关测试仪，其特征在于，具有 安装在高压开关移动部件上某参考点处的超声波接收探头(RX)装置，将参考点处的超声 波声压转变成电压信号。
4.根据权利要求3所述带超声波位移传感器的高压开关测试仪，其特征在于，所述超 声波接收探头(RX)内置有差分放大器，将接收到信号电压放大，以差分方式可靠地传送到 适当距离的远方。
5.根据权利要求4所述带超声波位移传感器的高压开关测试仪，其特征在于，所述超 声波接收探头(RX)内置差分放大器由40kHz，或其他频率，的交流供电技术来解决接收探 头(RX)与主机之间的隔离。
6.根据权利要求1所述的带超声波位移传感器的高压开关测试仪，其特征在于，采用 快速、高分辨率的时标捕获技术，每25微秒获得一次参考点处信号的实时相位。
7.根据权利要求6所述的带超声波位移传感器的高压开关测试仪，其特征在于，通过 所述参考点处信号的实时相位来计算参考点的实时位移。
8.根据权利要求1所述的带超声波位移传感器的高压开关测试仪，其特征在于，具有 环境温度测试功能，并且自动用环境温度值校正超声波在该环境温度空气中波长的设定数 值。
专利摘要本实用新型提供一种带超声波位移传感器的高压开关测试仪。该设备采用超声波相位测量原理，由嵌入式计算机系统实现采集、分析、计算、记录、显示和输出，实现位移测试等功能。测量时，在高压开关的运动体测试点上安放超声波接收器，检测超声波信号的相位变化而计算出被测试点的精确位移。本实用新型因线性度极佳、长期稳定性不变、分辨率高、量程宽、体积小、安装方便和可以测量高速位移等优异特性，解决了使用直线式电阻传感器测量位移的传统方法存在的许多问题。
文档编号G01B17/00GK201555573SQ20092022811
公开日2010年8月18日 申请日期2009年9月15日 优先权日2009年9月15日
发明者万成, 江万里, 胡峰 申请人:武汉方得电子有限公司