專利名稱：一種四維自適應絕緣件表面電荷測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種四維自適應絕緣件表面電荷測量裝置，屬于高電壓設備和電子技
術領域。
背景技術：
氣體絕緣設備是電力系統中應用較為廣泛的設備，如氣體絕緣開關(GIS)以及氣 體絕緣線路(GIL)等。與傳統敞開式配電裝置相比，氣體絕緣設備具有許多優勢，最主要的 是運行穩定性、可靠性高，沒有絕緣老化的問題，還具有體積小、占地面積少、不受外界環境 影響、維護簡單、檢修周期長、安裝迅速、運行費用低及無電磁干擾等優點，因此得到電力部 門的重視，在交流系統中得到了大量的應用。目前我國正在加快建設直流特高壓輸電線路， 直流系統中也迫切需要應用這種設備，但由于對直流下的一些現象還沒有研究透徹，氣體 絕緣設備還無法實現大規模應用。 電力系統中的氣體絕緣設備中，需要用到大量絕緣件，這些絕緣件在設備中起到
支撐和絕緣的作用。在設備運行期間，尤其是在直流電壓的作用下，絕緣件表面會積聚大量
電荷，這些電荷將會嚴重畸變原來的電場分布，導致絕緣件擊穿電壓的下降。因此，對絕緣
件表面電荷積聚現象的研究，是直流氣體絕緣設備能夠得以應用的一個重要前提。 目前國際上對表面電荷積聚現象的研究，大都針對簡化的絕緣件模型進行實驗，
停留在理論分析階段，針對實際絕緣件的研究很少，但對實際絕緣件表面電荷積聚現象的
研究是十分必要的。這方面的研究之所以很少，是因為研究該現象需要對絕緣件表面電荷
進行測量，測量時需要將一個探頭在絕緣件表面進行移動，并且保持距離一定，而一般情況
下，實際的絕緣件表面為特殊形狀的曲面，并且正常工作環境是處于O. 5MPa絕對氣壓的SFe
氣體中，這給表面電荷的測量控制帶來了極大的不便。因此，研制一套能夠實現在絕緣件工 作環境下對其表面電荷進行測量的裝置，使針對實際絕緣件表面電荷積聚現象的深入研究
成為可能，這將縮短直流氣體絕緣設備的研制周期，促進直流絕緣件的實用化。
發明內容
本發明的目的是提出一種四維自適應絕緣件表面電荷測量裝置，對測量探頭進行 控制，使其按照預設的絕緣件表面曲線移動，通過紅外測距裝置自動調節探頭與被測表面 的距離與角度，實現對絕緣件表面電荷的測量，并對測量過程進行觀察。 本發明提出的四維自適應絕緣件表面電荷測量裝置，包括測量探頭、探頭控制機 構、探頭控制臂、旋轉盤、攝像頭、電源、控制器、底部支架、徑向移動絲杠、橫向移動滑軌和 底座；所述的橫向移動滑軌置于底座上，橫向移動滑軌的內部與橫向移動絲杠相互嚙合，橫 向移動絲杠由橫向移動控制電機控制驅動；所述的底部支架固定在橫向移動滑軌上，所述 的電源和控制器固定在底部支架上；所述的攝像頭通過攝像頭支架固定在底部支架上；所 述的旋轉盤固定在底部支架的前側，旋轉盤通過皮帶轉動機構由固定在底部支架前側的旋 轉控制電機控制驅動；所述的探頭固定在探頭控制機構上，探頭控制機構通過探頭控制臂固定在旋轉盤上，探頭控制臂通過徑向移動絲杠由固定在旋轉盤上的徑向移動控制電機控
制移動；所述的探頭控制機構由探頭夾持架、探頭旋轉控制齒輪、紅外測距儀、蝸桿和探頭
旋轉控制電機組成，所述的紅外測距儀固定在探頭夾持架上，探頭旋轉控制齒輪固定在探
頭夾持架的側面，探頭旋轉控制齒輪與蝸桿嚙合，蝸桿與探頭旋轉控制電機聯動；所述的紅
外測距儀、探頭旋轉控制電機、橫向移動控制電機、徑向移動控制電機和旋轉控制電機通過
信號線與控制器相連，所述的電源通過電源線與控制器、攝像頭、探頭旋轉控制電機、旋轉
控制電機、徑向移動控制電機、橫向移動控制電機和紅外測距儀相連供電。 本發明提出的四維自適應絕緣件表面電荷測量裝置，其優點是 1、本發明提出的四維自適應絕緣件表面電荷測量裝置，通過軟件對裝置進行控
制，將裝置置于可承受氣壓的密封腔體內，通過接線盤將控制信號線引出，因此可模擬絕緣
件正常工作時的環境，測量結果更接近真實情況。 2、本發明的測量裝置，可以實現探頭的兩種平動和兩種轉動，這種四維空間可控 性使本發明裝置能夠適用于各種形狀絕緣件的測量。 3、本發明的測量裝置中使用了紅外測距儀，能夠在測量過程中根據探頭與被測絕 緣件表面之間的距離，自動調節探頭與被側面之間的距離與角度，保持探頭與表面垂直及 距離恒定，因此保證了測量的準確度。 4、本發明的測量裝置中，控制器通過各種相應電機對測量探頭進行控制，控制精 度可達O. lmm以內，可以保證測量結果具有很高的空間分辨率。 5、本發明的測量裝置，除了高電壓領域的應用以外，也可應用于需要對絕緣件進 行電荷測量的其它領域，如對材料特性的研究，電路板的電荷測量等。本裝置由于具有四維 可控以及距離自適應的特性，也可應用于各種情況下的表面電荷測量。
圖1是本發明提出的四維自適應絕緣件表面電荷測量裝置結構圖。
圖2是本發明裝置中的探頭控制器局部結構圖。 圖1和圖2中，1是測量探頭，2是探頭控制機構，3是探頭控制臂，4是旋轉盤，5是 攝像頭，6是攝像頭支架，7是從動輪，8是徑向移動絲杠，9是傳動皮帶，10是主動輪，11是 徑向移動控制電機，12是旋轉控制電機，13是電源模塊，14是控制器，15是橫向移動滑軌， 16是底部支架，17是橫向移動絲杠，18是底座，19是探頭夾持架，20是探頭旋轉控制齒輪， 21是紅外測距儀，22是蝸桿、23是探頭旋轉控制電機，24是橫向移動控制電機。
具體實施例方式
本發明提出的四維自適應絕緣件表面電荷測量裝置，其結構如圖l所示，包括測 量探頭1、探頭控制機構2、探頭控制臂3、旋轉盤4、攝像頭5、電源13、控制器14、底部支架 16、徑向移動絲杠8、橫向移動滑軌15和底座18。橫向移動滑軌15置于底座18上，橫向移 動滑軌15的內部與橫向移動絲杠17相互嚙合，橫向移動絲杠17由橫向移動控制電機24 控制驅動。底部支架16固定在橫向移動滑軌15上，電源13和控制器14固定在底部支架 16上。攝像頭5通過攝像頭支架6固定在底部支架16上。旋轉盤4固定在底部支架16的 前側，旋轉盤4通過皮帶轉動機構由固定在底部支架16前側的旋轉控制電機12控制驅動，
4皮帶機構由主動輪10、從動輪7和傳動皮帶9組成，主動輪10與旋轉控制電機12相連，從動輪7與旋轉盤4同軸安裝。探頭1固定在探頭控制機構2上，探頭控制機構2通過探頭控制臂3固定在旋轉盤4上，探頭控制臂3通過徑向移動絲杠8由固定在旋轉盤上的徑向移動控制電機11控制移動。探頭控制機構的結構如圖2所示，由探頭夾持架19、探頭旋轉控制齒輪20、紅外測距儀21、蝸桿22和探頭旋轉控制電機23組成。紅外測距儀21固定在探頭夾持架19上，探頭旋轉控制齒輪20固定在探頭夾持架19的側面，探頭旋轉控制齒輪20與蝸桿22嚙合，蝸桿22與探頭旋轉控制電機23聯動。紅外測距儀21、探頭旋轉控制電機23、橫向移動控制電機24、徑向移動控制電機11和旋轉控制電機12通過信號線與控制器14相連。電源13通過電源線與控制器14、攝像頭5、探頭旋轉控制電機23、旋轉控制電機12、徑向移動控制電機11、橫向移動控制電機24和紅外測距儀21相連供電。
本發明提出的四維自適應絕緣件表面電荷測量裝置中，由探頭旋轉控制電機、旋轉控制電機、徑向移動控制電機和橫向移動控制電機實現探頭的兩種平動和兩種轉動。紅外測距儀，能夠在測量過程中自動調節探頭與被側面之間的距離與角度，保持探頭與表面垂直并且距離恒定。電源輸出士5V和士15V直流電壓，為裝置中的電機、攝像頭、紅外測距儀等供電。 以下結合附圖對本裝置的工作原理詳細說明。以氣體絕緣設備中使用最多的盆式絕緣子為例，測量過程如下 首先，將被測盆式絕緣子的表面曲線方程通過計算機輸入到控制器14中的DSP芯片程序中，則程序在運行時會根據該方程自動計算探頭的運動軌跡。測量時，將被測盆式絕緣子的軸向方向設為橫向，半徑方向設為徑向。則由橫向移動絲杠17、徑向移動控制電機11及旋轉控制電機12可實現測量探頭1在三維方向上的移動。測量過程中，探頭控制機構2中的紅外測距儀21可檢測探頭1與被測表面的距離以及角度，并反饋給控制器14。控制器14根據反饋結果進行調節，探頭控制機構2中的探頭旋轉控制齒輪20、蝸桿22以及探頭旋轉控制電機23可以控制探頭1與絕緣子表面保持垂直。在測量時，將絕緣子沿橫向分為若干個圓周，每次測量時由內向外逐圈進行測量。當完成最外面一圈的測量后，即完成整個絕緣子表面的測量。 控制器14中的DSP芯片程序上電后，進行各參數的初始化，然后進入待命狀態，等待接收上位機的控制指令。上位機通過串行口與DSP芯片進行通訊。通過軟件可以向DSP芯片發送完整測量、重復測量以及退出測量等控制命令。各電機是由高頻脈沖信號進行控制的，脈沖的數量決定了電機的轉數，從而決定探頭1移動的距離。在程序初始化階段，由盆式絕緣子的表面曲線方程以及預先設定的測量圈數可以計算出每一圈的橫向坐標與徑向坐標，將該值轉換為相應的脈沖數。當收到完整測量控制命令時，本裝置將控制探頭1移動至絕緣子凹面靠近電極處的起始圓周處，由內向外完成整個表面的測量；當收到重復測量控制命令時，本裝置將控制探頭1移動至指定的圓周上，按照要求測量的圓周數進行測量；當收到退出測量控制命令時，裝置停止測量過程，復位至初始狀態。
測量過程中得到的電壓值范圍為-30 +3(^，首先經控制器14中的分壓電路分壓，變為_5 +5V的信號，然后經過A/D轉換，變為數字信號，發送至上位機，上位機軟件接收后對其進行顯示以及保存等。 測量過程可通過圖像采集模塊進行實時觀察。該模塊由攝像頭支架6及攝像頭5
5組成，固定在機械傳動模塊上，通過USB傳輸線連接至上位機進行圖像采集。 本發明測量裝置的一個實施例中，控制器14采用了沈陽締索電子有限公司生產
的DSPIC30F6014A芯片，該芯片及附屬電路對整個測量過程進行控制。
權利要求
一種四維自適應絕緣件表面電荷測量裝置，其特征在于該裝置包括測量探頭、探頭控制機構、探頭控制臂、旋轉盤、攝像頭、電源、控制器、底部支架、徑向移動絲杠、橫向移動滑軌和底座；所述的橫向移動滑軌置于底座上，橫向移動滑軌的內部與橫向移動絲杠相互嚙合，橫向移動絲杠由橫向移動控制電機控制驅動；所述的底部支架固定在橫向移動滑軌上，所述的電源和控制器固定在底部支架上；所述的攝像頭通過攝像頭支架固定在底部支架上；所述的旋轉盤固定在底部支架的前側，旋轉盤通過皮帶轉動機構由固定在底部支架前側的旋轉控制電機控制驅動；所述的探頭固定在探頭控制機構上，探頭控制機構通過探頭控制臂固定在旋轉盤上，探頭控制臂通過徑向移動絲杠由固定在旋轉盤上的徑向移動控制電機控制移動；所述的探頭控制機構由探頭夾持架、探頭旋轉控制齒輪、紅外測距儀、蝸桿和探頭旋轉控制電機組成，所述的紅外測距儀固定在探頭夾持架上，探頭旋轉控制齒輪固定在探頭夾持架的側面，探頭旋轉控制齒輪與蝸桿嚙合，蝸桿與探頭旋轉控制電機聯動；所述的紅外測距儀、探頭旋轉控制電機、橫向移動控制電機、徑向移動控制電機和旋轉控制電機通過信號線與控制器相連，所述的電源通過電源線與控制器、攝像頭、探頭旋轉控制電機、旋轉控制電機、徑向移動控制電機、橫向移動控制電機和紅外測距儀相連供電。
全文摘要
本發明涉及一種四維自適應絕緣件表面電荷測量裝置，屬于高電壓設備和電子技術領域。測量裝置包括測量探頭、探頭控制機構、旋轉盤、攝像頭、電源、控制器紅外測距儀等。本測量裝置通過紅外測距儀接收距離信號，通過多臺電機自動調節探頭與被測表面之間的距離與角度，保持探頭與表面垂直并且距離恒定，實現對絕緣件表面電荷的測量。本測量裝置可以置于可承受氣壓的密封腔體內，在高氣壓環境下對絕緣件表面電荷進行測量，并實現探頭的兩種平動和兩種轉動，適用于各種形狀絕緣件的測量，且具有很高的空間分辨率。
文檔編號G01R29/00GK101788613SQ20101003431
公開日2010年7月28日 申請日期2010年1月15日 優先權日2010年1月15日
發明者吳寶暉, 張貴新, 徐曙光, 王強, 王蓓 申請人:清華大學