基于碳纳米管薄膜应变传感器的变电站母排振动测量系统的制作方法

本发明涉及一种变电站母排，特别涉及一种变电站母排振动测量装置。

背景技术：

变电站投运后，随着负荷的增大，10kv母联过桥铝母排开始出现有规律的振动，并伴有“嚓嚓”的声响，负荷高峰时声响较大。母排若是长时间大幅度振动，会对支持绝缘子造成损坏，使角钢支架松动，还会损伤螺栓和金具，造成母排变形，给安全生产带来严重隐患。产生振动和噪声的原因主要是，当两根平行的同相母排同时通入电流时，每相母线的电流等于两根母排所通过的电流和，并且会在每根母排周围产生磁场，同时因磁场的相互作用而产生电动力。电动力的方向与母排中通过电流的方向有关，电流方向相同时产生吸引力。由于母排正常运行时通过的是正弦交流电，两根母排之间的吸引力是周期变化的，电动力也会周期变化。这样，会使两根母排产生振动，发出噪声。当母线处于低负载时，两根母排之间的作用力较小，母排左右轻微振动。随着母线负载的增加，通过母排的电流增大，电动力增大，振动幅度也增大，噪声同时变大。由于母线运行过程中电流由小到大或由大到小变化，电动力的大小随电流的变化而变化，所以只要母线在运行，母排间的电动力就会长期存在，不会消失。因此对这一问题的处理主要针对振动大和噪声大这两点，特别是要防止母排间的硬碰撞。

在10kv变电站上的监测结果为随着用电负荷的增大，母线开始出现有规律的振动，并伴有嚓嚓的声音，负荷增大时声音更加大，现场测量结果如下表。

目前市场上常用的处理的方法主要有三种：其一，改变原有母排结构，变双母排为单母排；其二，在10kv母联过桥母排上全部加装热缩材料；其三，只在装有金具的母排处加装热缩材料。目前关于变电站母排振动的监测国内外均未见报道。

技术实现要素：

本发明的目的是针对变电站母排振动监测，受开关柜内部空间小，电磁干扰严重，布线困难，振动信号获取难等问题，提供一种信号获取容易、体积较小、易于安装、抗干扰能力强、无线传输的基于碳纳米管薄膜应变传感器的变电站母排振动测量系统，

本发明的目的是这样实现的：一种基于碳纳米管薄膜应变传感器的变电站母排振动测量系统，包括：

碳纳米管薄膜应变传感器，用于将母排的振动信号转化为电阻信号；

恒流源电路，用于将所述电阻信号转变为电压信号；

低通滤波器电路，接收所述电压信号，用于滤除其高频干扰信号；

反相放大电路，接收来自低通滤波电路的电压信号，用于对其进行反相放大以满足微控制器mcu中a/d转换输入信号为正信号变化的需要；

温度变化补偿电路，用于补偿温度变化对碳纳米管薄膜应变传感器受温度的影响，消除温度变化带来的测量误差；

同相加法电路，接收来自反相放大电路和温度变化补偿电路的电压信号，用于将测量母排振动的电压信号和测量母排温度的电压信号电压实现加法运算，补偿由于温度变化带来的误差；

mcu，接收来自同相加法器的电压信号，用以处理后以无线的方式进行传输。

作为本发明的进一步限定，所述温度变化补偿电路包括：

测温电阻，用于测量母排温度；

电桥转换电路，用于将测温电阻的阻值变化转换为电压变化，实现电阻到电压的变化；

差动放大电路，接收变化后电压，用以放大所述变化后的电压。

作为本发明的进一步限定，还包括电压跟随器，用于将反相放大器输出的电压转换为电桥转换电路的工作电源电压。

作为本发明的进一步限定，所述恒流源电路包括运算放大器a1及外围电路，电阻r1一端与电压源vr正极相连，电阻r1另一端与运算放大器a1反相输入端及碳纳米管薄膜应变传感器rx一端相连，碳纳米管薄膜应变传感器rx另一端与运算放大器a1输出端相连，所述电压源vr负极接地，电阻r2一端与电压源vr正极相连，电阻r2另一端与可变电阻vr1一固定触头相连，可变电阻vr1另一固定触头与电阻r3一端相连，所述电阻r3另外一端接地，所述的可变电阻vr1可变触头与运算放大器a1同相输入端相连。

作为本发明的进一步限定，所述滤波电路为低通rc滤波器，滤波电阻r4一端与运算放大器a1的输出端相连，滤波电阻r4另一端与滤波电容器c1一端相连，滤波电容c1另一端接地，实现对高频干扰信号的滤波。

作为本发明的进一步限定，所述反相放大电路包括运算放大器及外围电路，输入电阻r5一端与滤波电容c1和滤波电阻r4相连，输入电阻r5另一端与运算放大器a2的反相输入端相连，放大器反馈电阻由r6和vr2相串联构成，r6和vr2串联后一端与运算放大器a2的反相输入端相连，另一端与运算放大器a2的输出端相连，运算放大器a2同相输入端接地。

作为本发明的进一步限定，所述电桥转换电路包括测温电阻rt、电桥电阻r12、电桥电阻r13以及电桥电位器rv3，所述测温电阻rt为铂电阻pt100，测温电阻rt一端与电桥电阻r12一端相连，另一端接地；电桥电阻r12另一端与电压跟随器a3输出端相连，电桥电阻r13一端与电压跟随器a3输出端相连，电桥电阻r13另一端与电位器rv3一端相连；电桥电位器rv3另一端接地，电压跟随器a3的反相输入端与其输出端相连，电压跟随器a3的同相输入端接运算放大器a2的输出端。

作为本发明的进一步限定，所述差动放大电路包括差动放大器a4、输入电阻r14、输入电阻r15、反馈电阻r16、电阻r17以及电位器rv4，输入电阻r14一端与电桥电阻r13、电位器rv3之间的电极点连，输入电阻r14另一端与差动放大器a4反相输入端相连；输入电阻r15一端与电桥电阻r12、测温电阻rt之间的电极点相连，输入电阻r15另一端与差动放大器a4同相输入端相连；反馈电阻r16一端与差动放大器a4反相输入端相连，反馈电阻r16另一端与差动放大器a4输出端相连；电阻r17一端与差动放大器a4同相输入端相连，电阻r17另一端接地；电位器rv4一固定触头与差动放大器a4输出端相连，电位器rv4另一固定触头接地，电位器rv4可变触头与同相加法电路相连。

作为本发明的进一步限定，所述同相加法电路包括同相加法器a5、输入电阻r8、输入电阻r9、电阻r10以及反馈电阻r11，所述输入电阻r8一端与反相放大器a2输出端相连，输入电阻r8另一端与同相加法器a5同相输入端相连；所述输入电阻r9一端与电位器rv4可变触头相连；输入电阻r9另一端与同相加法器a5同相输入端相连；所述电阻r10一端接地，电阻r10另一端与同相加法器a5反相输入端相连；所述反馈电阻r11一端与同相加法器a5输出端相连，反馈电阻r11另一端与同相加法器a5反相输入端相连，同相加法器a5输出端接mcu。

本发明工作时，通过碳纳米管薄膜应变传感器采集母排振动信号，将碳纳米管薄膜应变传感器两端引出的导线接入恒流源电路中，将难以直接测量的母排振动信号通过传感器转换为电阻信号再经过恒流源电路转变为电压信号后，接入到rc低通滤波电路中，滤除测量信号中混有的高频杂波，再接入反相放大器中，将微弱信号转换为mcu微控制器易于读取的电压信号；由于碳纳米管薄膜应变传感器容易受温度的影响，当温度上高时，其电阻值减少，相应的电压值也减少，体现出负的特性；为了补偿温度变化对输出电压的影响，采用由铂电阻构成温度补偿电桥，当温度升高时，电桥输出电压升高，经过差动放大器放大后的信号输入同相加法器的同相端，与来自反相放大器的信号进行同相加法运算，实现在温度发生变化时造成的碳纳米管应变传感器的电压减少值进行补偿，消除温度变化带来的测量误差，提供测量精度；最后通过mcu配合无线通讯电路完成对振动信号和温度信号的采集、转换、补偿，并实现数据无线传输。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明采用了新型传感器获取母排振动信号，解决了母排振动信号获取难的技术难题；采用无线传输技术，解决了有线传输难题；采用温度补偿措施，大大提高了温度带来的测量误差；采用一体化技术，解决了开关柜空间小，安装不方便，电磁干扰强等问题；本发明具有体积小、抗干扰能力强、无线传输等优点。

附图说明

图1为本发明原理框图。

图2为本发明电路原理图。

其中，1碳纳米管薄膜应变传感器，2滤波电路，3反相放大电路，4同相加法电路，5mcu（微控制器stm32f407），6恒流源电路，7测温电阻，8电桥转换电路，9差动放大电路，10电压跟随器，11gps/gprs/5g电路。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1-2所示的的一种基于碳纳米管薄膜应变传感器的变电站母排振动测量系统，包括：

碳纳米管薄膜应变传感器1，用于将母排的振动信号转化为电阻信号；

恒流源电路6，用于将电阻信号转变为电压信号；

低通滤波器电路，接收电压信号，用于滤除其高频干扰信号；

反相放大电路3，接收来自低通滤波电路2的电压信号，用于对其进行反相放大以满足微控制器mcu5中a/d转换输入信号为正信号变化的需要；

温度变化补偿电路，用于补偿温度变化对碳纳米管薄膜应变传感器1受温度的影响，消除温度变化带来的测量误差，温度变化补偿电路包括：测温电阻7，用于测量母排温度；电桥转换电路8，用于将测温电阻7的阻值变化转换为电压变化，实现电阻到电压的变化；差动放大电路9，接收变化后电压，用以放大变化后的电压；

电压跟随器10，用于将反相放大器输出的电压转换为电桥转换电路8的工作电源电压；

同相加法电路4，接收来自反相放大电路3和温度变化补偿电路的电压信号，用于将测量母排振动的电压信号和测量母排温度的电压信号电压实现加法运算，补偿由于温度变化带来的误差；

mcu5，接收来自同相加法器的电压信号，用以处理后以无线的方式进行传输，无线的方式通过gps/gprs/5g通讯电路11实现。

碳纳米管薄膜应变传感器1是一种柔性传感器，它与变电站母排采用表贴的方式固定在母排上，实现振动信号转换为电阻信号变化，通过恒流源电路6给传感器提供1ma的工作电流，实现电阻信号变化转换为电压信号变化，输出信号为负值。

恒流源电路6包括运算放大器a1及外围电路，电阻r1一端与电压源vr正极相连，电阻r1另一端与运算放大器a1反相输入端及碳纳米管薄膜应变传感器1rx一端相连，碳纳米管薄膜应变传感器1rx另一端与运算放大器a1输出端相连，电压源vr负极接地，电阻r2一端与电压源vr正极相连，电阻r2另一端与可变电阻vr1一固定触头相连，可变电阻vr1另一固定触头与电阻r3一端相连，电阻r3另外一端接地，的可变电阻vr1可变触头与运算放大器a1同相输入端相连。

滤波电路2为低通rc滤波器，滤波电阻r4一端与运算放大器a1的输出端相连，滤波电阻r4另一端与滤波电容器c1一端相连，滤波电容c1另一端接地，实现对高频干扰信号的滤波。

反相放大电路3包括运算放大器及外围电路，输入电阻r5一端与滤波电容c1和滤波电阻r4相连，输入电阻r5另一端与运算放大器a2的反相输入端相连，放大器反馈电阻由r6和vr2相串联构成，r6和vr2串联后一端与运算放大器a2的反相输入端相连，另一端与运算放大器a2的输出端相连，运算放大器a2同相输入端接地。

电桥转换电路8用以实现电阻变化到电压变化的转换，包括测温电阻7rt、电桥电阻r12、电桥电阻r13以及电桥电位器rv3，测温电阻7rt为铂电阻pt100，采用微小贴片式铂电阻表贴在变电站母排上，用于测量母排的温度，测温电阻7rt一端与电桥电阻r12一端相连，另一端接地；电桥电阻r12另一端与电压跟随器10a3输出端相连，电桥电阻r13一端与电压跟随器10a3输出端相连，电桥电阻r13另一端与电位器rv3一端相连；电桥电位器rv3另一端接地，电压跟随器10a3的反相输入端与其输出端相连，电压跟随器10a3的同相输入端接运算放大器a2的输出端。

差动放大电路9包括差动放大器a4、输入电阻r14、输入电阻r15、反馈电阻r16、电阻r17以及电位器rv4，输入电阻r14一端与电桥电阻r13、电位器rv3之间的电极点连，输入电阻r14另一端与差动放大器a4反相输入端相连；输入电阻r15一端与电桥电阻r12、测温电阻7rt之间的电极点相连，输入电阻r15另一端与差动放大器a4同相输入端相连；反馈电阻r16一端与差动放大器a4反相输入端相连，反馈电阻r16另一端与差动放大器a4输出端相连；电阻r17一端与差动放大器a4同相输入端相连，电阻r17另一端接地；电位器rv4一固定触头与差动放大器a4输出端相连，电位器rv4另一固定触头接地，电位器rv4可变触头与同相加法电路4相连。

同相加法电路4包括同相加法器a5、输入电阻r8、输入电阻r9、电阻r10以及反馈电阻r11，输入电阻r8一端与反相放大器a2输出端相连，输入电阻r8另一端与同相加法器a5同相输入端相连；输入电阻r9一端与电位器rv4可变触头相连；输入电阻r9另一端与同相加法器a5同相输入端相连；电阻r10一端接地，电阻r10另一端与同相加法器a5反相输入端相连；反馈电阻r11一端与同相加法器a5输出端相连，反馈电阻r11另一端与同相加法器a5反相输入端相连，同相加法器a5输出端接mcu5。

本发明工作时，通过碳纳米管薄膜应变传感器1采集母排振动信号，将碳纳米管薄膜应变传感器1两端引出的导线接入恒流源电路6中，将难以直接测量的母排振动信号通过传感器转换为电阻信号再经过恒流源电路6转变为电压信号后，接入到rc低通滤波电路2中，滤除测量信号中混有的高频杂波，再接入反相放大器中，将微弱信号转换为mcu5微控制器易于读取的电压信号；由于碳纳米管薄膜应变传感器1容易受温度的影响，当温度上高时，其电阻值减少，相应的电压值也减少，体现出负的特性；为了补偿温度变化对输出电压的影响，采用由铂电阻构成温度补偿电桥，当温度升高时，电桥输出电压升高，经过差动放大器放大后的信号输入同相加法器的同相端，与来自反相放大器的信号进行同相加法运算，实现在温度发生变化时造成的碳纳米管应变传感器1的电压减少值进行补偿，消除温度变化带来的测量误差，提供测量精度；最后通过以stm32f407为设计控制核心的mcu5和gps/gprs/5g通讯电路11，完成对振动信号和温度信号的采集、转换、补偿，并实现数据无线传输。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。