淺析壓電陶瓷式電子電壓互感器的信號(hào)處理方法

王慶賀

（揚(yáng)州商務(wù)高等職業(yè)學(xué)校，江蘇 揚(yáng)州 225127）

［工業(yè)技術(shù)與創(chuàng)新］

淺析壓電陶瓷式電子電壓互感器的信號(hào)處理方法

王慶賀

（揚(yáng)州商務(wù)高等職業(yè)學(xué)校，江蘇 揚(yáng)州 225127）

在壓電陶瓷式電子電壓互感器的信號(hào)處理方面，如果處理得比較好，就會(huì)使整體的電壓趨于穩(wěn)定狀態(tài)；如果不能很好地處理，就可能會(huì)導(dǎo)致供電受損，以至于受到巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，一定要提升壓電陶瓷式電子電壓互感器信號(hào)處理的安全性與可靠性，并根據(jù)信號(hào)處理方法中測量方式的特點(diǎn)，提出恒光強(qiáng)控制電路中的光電轉(zhuǎn)換方法，并研發(fā)相對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)誤差的補(bǔ)償系統(tǒng)，以此對(duì)信號(hào)處理過程中相關(guān)問題進(jìn)行分析，最后提出兩種輸出信號(hào)，分別為模擬量和數(shù)字量。此外，還利用這種方法對(duì)壓電陶瓷式電壓互感器樣機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過參數(shù)可以表明，這種信號(hào)處理后的性能比較可靠，可以很好地提升高壓電陶式電壓互感器的安全性和穩(wěn)定性，使精確度得到很大提升。

壓電陶瓷式；電子電壓互感器；信號(hào)處理；光強(qiáng)度控制

電子電壓互感器在整個(gè)電力系統(tǒng)中發(fā)揮著巨大的作用，是電力系統(tǒng)的檢測中不能缺少的設(shè)備。目前在電力系統(tǒng)中經(jīng)常使用的是先前的比較傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式互感器和電容分壓式互感器。并且人們對(duì)電力需求不斷增大，同時(shí)對(duì)電能的質(zhì)量要求也在逐漸提升，電力系統(tǒng)逐漸向高效率、大容量的方向發(fā)展，使人們用電的安全性、穩(wěn)定性得到很大提升，逐漸向電力系統(tǒng)自動(dòng)化趨勢(shì)發(fā)展。傳統(tǒng)的電壓互感器的體積比較大，重量也比較重，安裝時(shí)比較難，一旦操作失誤，還可能造成人員傷亡的危險(xiǎn)。使用了壓電陶瓷式電子電壓互感器后，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的電子電壓互感器的不足，還推動(dòng)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，顯現(xiàn)出了電子電壓互感器的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的電子電壓互感器還存在兩個(gè)問題，一個(gè)是鐵磁飽和問題，另一個(gè)是復(fù)雜絕緣結(jié)構(gòu)問題。為解決問題，對(duì)壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)的電子式電壓互感器進(jìn)行了開發(fā)研究，本文在研究的基礎(chǔ)上，還發(fā)現(xiàn)了壓電陶瓷式電子電壓互感器的信號(hào)處理系統(tǒng)，并根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，這個(gè)信號(hào)處理裝置具有很高的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。

一、壓電陶瓷式電子電壓互感器的工作原理

壓電陶瓷如今已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在電力系統(tǒng)中，是一種有一定逆壓電效應(yīng)的材料，這種材料可以將電能充分地轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，或者將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。在一個(gè)邊緣固定著薄片的壓電陶瓷，如果有電壓經(jīng)過陶瓷兩極時(shí)，就可以根據(jù)逆壓電的特性，這樣就會(huì)產(chǎn)生垂直方向的位移，這個(gè)位移在一定的范圍內(nèi)會(huì)同兩端的電壓組成線性關(guān)系，具體如下：

在這個(gè)公式中，ú表示為加到壓電陶瓷兩端的電壓；ΔS表示為壓電陶瓷片垂直的位移量；k表示為電壓同位移量ΔS線性比例系數(shù)。在這個(gè)公式基礎(chǔ)上，可以通過反射形式光纖位移轉(zhuǎn)換器的非接觸式的測量將薄片型壓電陶瓷片逆壓電效應(yīng)進(jìn)而產(chǎn)生的震動(dòng)量，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)光強(qiáng)度變化量，再經(jīng)過光轉(zhuǎn)換完成后，還要將光強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換為相適應(yīng)的交變電壓信號(hào)，同樣，輸出的電壓信號(hào)同被測量的電壓向量呈現(xiàn)的是線性關(guān)系。

二、壓電陶瓷式電子電壓互感器模擬信號(hào)的處理方式

對(duì)于反射式光纖位移傳感器所輸出的信號(hào)，就是比較連續(xù)的光強(qiáng)度信號(hào)。這個(gè)光強(qiáng)度信號(hào)主要是通過光纖從而傳遞到反射式的光纖位移傳感器，并且相應(yīng)的信號(hào)處理單元會(huì)轉(zhuǎn)化成相對(duì)應(yīng)的輸出電壓信號(hào)，這樣就可以準(zhǔn)確地反映出電壓的大小，因而快速地測量模擬電壓的參量。其中，壓電陶瓷式電子電壓互感器中模擬信號(hào)的處理單元可以包括光轉(zhuǎn)換單元、誤差補(bǔ)償?shù)取?/p>

（一）電子電壓互感器信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換單元

在電子電壓互感器模擬信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換單元中，想要反射式光纖位移傳感器安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，就要控制好光的強(qiáng)度變化；想要確保光纖位移傳感器的測量精度，就要保證在靜止時(shí)的輸出信號(hào)是處于不變的狀態(tài)；想要保持輸出的靜態(tài)信號(hào)一致是穩(wěn)定的，可以選擇兩個(gè)光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)共同接收發(fā)光管的光強(qiáng)度發(fā)出的信號(hào)。這樣，我們就可以根據(jù)發(fā)光管的額定電壓的數(shù)值，來設(shè)定驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送給發(fā)光管的直流電壓Uc，還可以將發(fā)光管的靜態(tài)光強(qiáng)度信號(hào)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換完成后，電壓Ui同Uc進(jìn)行對(duì)比，如果Uc等于Ui，就可以根據(jù)動(dòng)態(tài)反饋回路對(duì)Ui進(jìn)行修改，修改最終結(jié)果要使Ui等于Uc，因?yàn)橹挥羞@樣，才能達(dá)到最初設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)。

在對(duì)發(fā)光管恒光強(qiáng)控制完成之后，發(fā)光管所發(fā)出的光強(qiáng)度需要通過入射光纖、反射光纖才能輸送給光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)就可以作為反射式的光纖位移傳感器內(nèi)部的輸出信號(hào)。在對(duì)動(dòng)態(tài)反饋環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方面，可以更好地將反射式光纖位移傳感器的靜態(tài)直流輸出電壓控制在某一固定的數(shù)值。這樣做，不但可以提升電子電壓互感器的穩(wěn)定性和安全性，還使得測量的精確性得以提升。

（二）電子電壓互感器信號(hào)的濾波放大階段

當(dāng)壓電陶瓷式電子電壓互感器正常工作時(shí)，壓電陶瓷片就會(huì)伴隨著電壓的交變產(chǎn)生一系列的震動(dòng)，并且當(dāng)震動(dòng)有一定的規(guī)律時(shí)，出射光纖所輸出的光強(qiáng)度也會(huì)呈現(xiàn)一定的規(guī)律變化。此外，在光電轉(zhuǎn)換完成之后，就會(huì)得到相應(yīng)的輸出信號(hào)，這個(gè)輸出信號(hào)是一種連續(xù)不斷的交變電壓信號(hào)和一種相對(duì)恒定的電壓信號(hào)疊加而成的信號(hào)，信號(hào)的處理系統(tǒng)就會(huì)通過過濾掉的直流電壓信號(hào)從而得到交流電壓信號(hào)。得到交流電壓信號(hào)的過程就是將直流電壓和交流電壓混合的信號(hào)通入一個(gè)頻率為一赫茲的低通濾波器，這樣就可以得到直流的電壓量，還要用直交混合信號(hào)通過減法器將直流電壓減掉，這樣就可以快速便捷地得到交流電壓信號(hào)。然后將交流電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理，就可以得到電子電壓互感器輸出的信號(hào)。

（三）電子電壓互感器信號(hào)的誤差補(bǔ)償過程

在壓電陶瓷式電子電壓互感器信號(hào)的誤差補(bǔ)償過程中，要根據(jù)電子電壓互感器的國家標(biāo)準(zhǔn)GBT20840. 7-2007，將電子電壓互感器誤差補(bǔ)償可以劃分為角差校正和比差校正兩部分。其中，壓電陶瓷式互感器的比差校正工作在濾波放大階段就已經(jīng)完成了；然而在角差的校正過程中，電路會(huì)存在一定的傳輸延時(shí)、放大等過程，這樣就會(huì)產(chǎn)生一定的相位移動(dòng)，對(duì)相位的校正從而達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)是壓電陶瓷式互感器模擬輸出的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。具體的相位校正工作有多種方法可以達(dá)成，主要有濾波器的方法，這樣可以更好地改變獲得信號(hào)的相位，最終實(shí)現(xiàn)同被測信號(hào)的一致。

（四）在電子電壓互感器的模擬信號(hào)處理過程中應(yīng)注意的問題

在電子電壓互感器的光源選擇方面，尤其是在發(fā)光管的選擇時(shí)，一定有要注意選擇的發(fā)光管的低相干長度、耦合的效率要足夠高、工作的波長要與光纖相匹配等；在對(duì)直流電壓電源的要求方面，直流電壓電源可以提供直流電壓，并控制光的強(qiáng)度，這樣就要求直流電壓要有一定的準(zhǔn)確度，才能夠保證直流電壓電源更安全、更穩(wěn)定地運(yùn)行。

三、壓電陶瓷式電子電壓互感器數(shù)字信號(hào)的處理方法

在壓電陶瓷式電子電壓互感器的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中，需要對(duì)交流電壓信號(hào)進(jìn)行采集工作。工作中要根據(jù)事前所采集數(shù)據(jù)計(jì)算的具體數(shù)值、相位計(jì)算量、諧波的影響等進(jìn)行具體分析，得出具體的功能。本文主要采用DPS同快速A/D相結(jié)合的技術(shù)，這樣可以更加快速、便捷地實(shí)現(xiàn)每周期256點(diǎn)頻率跟蹤采樣與快速的FFT計(jì)算。在這個(gè)計(jì)算中，DSP56F807芯片可以將DPS同快速A/D相結(jié)合的混合處理系統(tǒng)，這樣有DPS的計(jì)算特點(diǎn)，還有MCU的控制優(yōu)點(diǎn)，在處理過程中可以更加快速、安全、便捷。

除此之外，A/D自身還有很多的特征，主要有：第一，A/D的轉(zhuǎn)換分辨率是十二位的，轉(zhuǎn)換器可以將計(jì)算出的結(jié)果都保存在數(shù)字輸出寄存器里面，等待下一步的操作，此外，還有十六組A/D轉(zhuǎn)換輸入通道，每一組都有各系匹配的A/D轉(zhuǎn)換器；第二，數(shù)字信號(hào)的處理系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)可以設(shè)置為有符號(hào)數(shù)據(jù)或者無符號(hào)數(shù)據(jù)，還可以設(shè)置為偏移量的校正輸出數(shù)據(jù)；第三，可以設(shè)定過零點(diǎn)中斷功能、單邊輸入、差分輸入等；第四，A/D的模式還可以分成同時(shí)采樣模式和順序采樣方式，且具有六種掃描的方式；第五，ADC的最大時(shí)鐘頻率可以達(dá)到6兆赫茲，并且掃描的轉(zhuǎn)換速度也很快，最快時(shí)僅僅需要4.9微秒。

在對(duì)壓電陶瓷式電子電壓互感器的數(shù)字信號(hào)處理過程中還會(huì)出現(xiàn)一些問題。在時(shí)鐘的同步方面，一般要取頻率為3.5MHz的貼片晶振當(dāng)做時(shí)鐘的標(biāo)準(zhǔn)，這樣可以更好地保證數(shù)據(jù)的相同性和準(zhǔn)確性；在數(shù)據(jù)輸出的連續(xù)方面，在數(shù)據(jù)的計(jì)算完成之后，這些計(jì)算的結(jié)果都會(huì)保存在EPROM中，還會(huì)時(shí)刻關(guān)注著數(shù)據(jù)的更新，一旦更新，就會(huì)自動(dòng)同步。正因如此，系統(tǒng)中即便出現(xiàn)了系統(tǒng)差錯(cuò)，也可以很好地保證數(shù)據(jù)的同步性和連續(xù)性。

通過具體的數(shù)據(jù)運(yùn)行可以表明，壓電陶瓷式電子電壓互感器的信號(hào)處理裝置的性能穩(wěn)定性比較強(qiáng)，有高標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)態(tài)測量能力，可以很好地達(dá)到預(yù)定要求。其中恒光強(qiáng)補(bǔ)償單元可以輕松地控制光源的光強(qiáng)度，作為標(biāo)準(zhǔn)的直流電壓長時(shí)間安全可靠工作，從而保證了反射式的光纖位移傳感器的測量準(zhǔn)確度，提升了電壓互感器的抵抗外來干擾的能力。在數(shù)字化傳輸過程中，傳輸?shù)乃俣认鄬?duì)來說比較快，可以快速地反映出具體測量的整個(gè)過程。此外，數(shù)據(jù)輸出形態(tài)還包括模擬量和數(shù)字量兩種，這樣就使壓電陶瓷式電子電壓互感器的適用性更加廣泛，信號(hào)處理裝置的可靠性、安全性、穩(wěn)定性也得以快速提升。

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1673-0046（2015）11-0191-02