一种用于超高频局部放电监测的智能传感器制造技术

本实用新型专利技术提供一种用于超高频局部放电监测的智能传感器，其特征在于：此传感器主要由三部分组成，其一为在传统的3阶Hilbert分形天线基础上引入层叠结构，并加入了小尺寸、宽频带、高增益设计的超高频层叠式多臂Hilbert分形天线；其二为基于电平扫描原理的电平扫描式数据采集单元，主要包括滤波、放大电路，D/A转换模块，比较器，FPGA模块和单片机；其三为数据通信接口。本实用新型专利技术所述的超高频局部放电监测的智能传感器可以采集并就地处理局部放电超高频信号，直接输出局部放电谱图，具有输出数据量小、处理速度快、硬件简单、成本低廉等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种用于超高频局部放电监测的智能传感器
本技术涉及一种用于超高频局部放电监测的智能传感器，属于电学检测

技术介绍
为适应智能电网的建设需求，电力设备监测传感器应具备智能化和数字化功能，并具有自适应接入能力。局部放电在线监测是反映电气设备绝缘状况的重要手段，局部放电超高频监测法灵敏度高，抗干扰能力强，易于实现局放源定位，得到广泛的研究和应用，开发局部放电超高频监测智能传感器具有重要的意义。目前，局部放电超高频监测主要采用超高频天线和数据采集终端连用的方式进行。超高频天线是局部放电超高频监测的关键，已有的用于局部放电超高频监测的超高频天线主要分为内置和外置2大类。外置式天线主要有螺旋天线和喇叭天线等；内置式天线抗干扰能力强、灵敏度高，主要有探针式天线、分形天线及圆环天线等，其中3阶Hilbert分形天线已实际应用于气体绝缘全封闭组合电器(GIS)局放监测，但其增益低。故已有的超高频天线存在频带单一、体积大或增益低等不同问题。局部放电超高频监测采集方法主要有完整信号波形采集法、包络检波法、混频法、峰值保持法。完整采集信号波形法能保持完整的信号信息，但是硬件要求高、数据量大，不利于数据的快速处理；包络检波法、混频法、峰值保持法只能得到信号的相位及峰值信息，不能得到放电谱图，较难进行抗干扰算法和局部放电模式识别算法的研究，均不能用于局部放电超高频监测智能传感器数据采集系统。鉴于上述问题，本传感器通过在传统Hilbert分形贴片添加寄生臂，同时引入层叠结构，设计了小尺寸、宽频带、高增益的超高频层叠式多臂Hilbert分形天线，并基于电平扫描原理开发了电平扫描式数据采集单元，试制了局部放电超高频智能传感器。此传感器采集并就地处理局部放电超高频信号，直接输出局部放电谱图，具有输出数据量小、处理速度快、硬件简单、成本低廉等优点。
技术实现思路
为了实现局部放电超高频监测法灵敏度高，抗干扰能力强，定位干扰源快速的功能，本技术提供一种用于超高频局部放电监测的智能传感器。利用此传感器，可以更加快速、高效地监测局部放电、并降低成本。为了实现上述目的，本技术采取如下技术方案：本技术提供一种用于超高频局部放电监测的智能传感器，其特征在于：所述智能传感器包括超高频层叠式多臂Hilbert分形天线、基于电平扫描原理的电平扫描式数据采集单元和数据通信接口。所述超高频层叠式多臂Hilbert分形天线包括经过参数优化的传统的3阶Hilbert分形天线、多臂Hilbert分形贴片和2条寄生臂、介质基底、馈电探针以及地板；所述多臂Hilbert分形贴片，分别贴于传统3阶Hilbert分形天线两侧，形成2条寄生臂；所述2条寄生臂，一端与主辐射臂连接，另一端采用开路形式。所述叠层结构能够有效地提高微带天线的增益和频带宽度，分为上层介质、中间空气层和下层介质，上层介质基底正反面以及下层介质基底正面均印制Hilbert分形贴片，顶层与底层贴片的耦合作用通过顶层介质基底反面的附加贴片得以加强，天线地板与探针外导体相连；所述介质基底采用FR-4级材料制作，保证绝缘强度；所述天线外形尺寸为90mm×90mm×9mm。所述层叠式多臂Hilbert分形天线通过电缆与电平扫描式数据采集单元相连接，数据采集单元经由数据接口通过以太网与工控机连接，实现数据的双向通信，直接输出放电图谱；所述电平扫描式数据采集单元包括滤波电路、放大电路、高速比较器、现场可编程门阵列(FPGA)、单片机和D/A转换电路；所述高速比较器和现场可编程门阵列(FPGA)联用实现信号放大、比较电平幅值及采集周期个数等关键参数的控制，FPGA从单片机得到参考比较电平指令并通过D/A转换电路转换成模拟信号后输入高速比较器作为比较参考阈值。放电信号与设定的比较电平进行比较时，FPGA记录高于比较电平的脉冲个数并结合工频过零点触发，将各相位区间上的脉冲个数存储于分配的存储地址上；所述高速比较器采用超快型电压比较器ADCMP567，其等效输入上升时间带宽为5GHz，能很好比较300MHz~3GHz信号。所述FPGA选用StratixⅡ中的EP2S30系列，等价逻辑单元高达18×104个，嵌入式存储器容量达到9Mb，支持高达1Gb/s的高速差分I/O信号；所述电平扫描式数据采集单元在集成电路板上还有D/A转换器、通信模块，电源模块等，用于和天线以及工控机的连接。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：（1）本技术提供一种用于超高频局部放电监测的智能传感器，满足了超高频(UHF)局部放电在线监测需要，在300~1000MHz范围内的有效工作频带为328~385、485~555、625~1000MHz，天线最大增益可达−7.8dBi，天线的方向图在正前方基本呈半球状，能较好接收来自正面的电磁信号；（2）相比传统局部放电超高频监测系统，本技术具有输出数据量小、硬件简单成本低、设备体积小等优点，提高了局部放电监测智能化水平。附图说明图1是本技术的超高频局部放电监测智能传感器的模块示意图；图2是本技术的添加寄生臂的新型3阶Hilbert分形天线正面示意图；图3是本技术的添加寄生臂的新型3阶Hilbert分形天线侧面示意图；图4是本技术的局部放电超高频监测智能传感器工作流程图。具体实施方式下面结合附图对本技术作进一步详细说明。如图1，本技术提供一种用于超高频局部放电监测的智能传感器，包括超高频层叠式多臂Hilbert分形天线、基于电平扫描原理的电平扫描式数据采集单元和数据通信接口。所述电平扫描式数据采集单元包括滤波电路、放大电路、高速比较器、现场可编程门阵列(FPGA)、单片机和D/A转换电路。所述层叠式多臂Hilbert分形天线通过电缆与电平扫描式数据采集单元相连接，数据采集单元经由数据接口通过以太网与工控机连接，实现数据的双向通信，直接输出放电图谱；所述高速比较器和现场可编程门阵列(FPGA)联用实现信号放大、比较电平幅值及采集周期个数等关键参数的控制，FPGA从单片机得到参考比较电平指令并通过D/A转换电路转换成模拟信号后输入高速比较器作为比较参考阈值。放电信号与设定的比较电平进行比较时，FPGA记录高于比较电平的脉冲个数并结合工频过零点触发，将各相位区间上的脉冲个数存储于分配的存储地址上；所述高速比较器采用超快型电压比较器ADCMP567，其等效输入上升时间带宽为5GHz，能很好地比较300MHz~3GHz信号。所述FPGA选用StratixⅡ中的EP2S30系列，等价逻辑单元高达18×104个，嵌入式存储器容量达到9Mb，支持高达1Gb/s的高速差分I/O信号。所述电平扫描式数据采集单元在集成电路板上还有D/A转换器、通信模块，电源模块等，用于和天线以及工控机的连接。如图2，所述添加寄生臂的新型3阶Hilbert分形天线正面，包括经过参数优化的传统的3阶Hilbert分形天线、多臂Hilbert分形贴片和2条寄生臂。所述多臂Hilbert分形贴片，分别贴于传统3阶Hilbert分形天线两侧，形成2条寄生臂；所述2条寄生臂，一端与主辐射臂连接，另一端采用开路形式；所述添加寄生臂的新型3阶Hilbert分形天线的参数，分别是L为天线贴片的边长，b为导本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于超高频局部放电监测的智能传感器，其特征在于：所述智能传感器包括超高频层叠式多臂Hilbert分形天线、基于电平扫描原理的电平扫描式数据采集单元和数据通信接口；所述层叠式多臂Hilbert分形天线与电平扫描式数据采集单元相连接，数据采集单元经由数据接口通过以太网与工控机连接，实现数据的双向通信，直接输出放电图谱。

【技术特征摘要】
1.一种用于超高频局部放电监测的智能传感器，其特征在于：所述智能传感器包括超高频层叠式多臂Hilbert分形天线、基于电平扫描原理的电平扫描式数据采集单元和数据通信接口；所述层叠式多臂Hilbert分形天线与电平扫描式数据采集单元相连接，数据采集单元经由数据接口通过以太网与工控机连接，实现数据的双向通信，直接输出放电图谱。2.根据权利要求1所述的超高频局部放电监测的智能传感器，其特征在于：所述超高频层叠式多臂Hilbert分形天线包括经过参数优化的传统的3阶Hilbert分形天线、多臂Hilbert分形贴片和2条寄生臂、介质基底、馈电探针以及地板。3.根据权利要求2所述的超高频局部放电监测的智能传感器，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：李卫国，程宇頔，夏喻，王宏旭，陈艳，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：新型
国别省市：北京,11