手持式局放测试仪的制作方法

1.本实用新型涉及局部放电测试技术领域，尤其涉及手持式局放测试仪。


背景技术：

2.气体绝缘开关设备(gis)以其体积小、可靠性高等优点越来越多的应用于电力系统当中。gis本质上来说是不需维护的设备。然而，一旦发生故障，其修复时间将更长，对电力系统的危害也更大，局部放电是gis绝缘故障早期的主要表现形式，也是表征绝缘状况的主要特征量，局部放电如果长期存在，则将引起绝缘的老化、劣化，导致设备在运行时出现故障，甚至造成大面积停电，造成的直接和间接损失是巨大的。因此，对gis的局部放电情况监测能够很好的发现缺陷的部位和性质。特高频法作为一种可靠性高、灵敏度高和抗干扰能力强的检测手段，在gis局部放电缺陷监测领域获得了广泛的应用。现有局放测试仪基于特高频法测试gis的局部放电情况时，对于特高频传感器的输出信号处理过程为：设置滤波电路滤除电磁干扰，再通过放大电路放大信号，再通过ad转换电路将放大后的信号转换为数字信号输入至处理器分析得到局部放电情况，虽然电磁干扰得到滤除但是忽略了检测环境存在大量噪声干扰的情况，且特高频信号频率范围极广，造成输入至处理器的信号中包含大量噪声干扰信号，而现有的局放测试仪中并未设置电路对该噪声干扰信号进行处理，特高频传感器输出的特高频信号又十分微弱，导致特高频信号淹没在噪声信号中，最终导致局放测试仪的检测精度低。
3.因此，为了解决上述问题，本实用新型提出了手持式局放测试仪，通过优化现有放大电路的结构，有效滤除输入至处理器的信号中包含的大量噪声干扰信号，提高手持式局放测试仪的检测精度。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型提出了手持式局放测试仪，通过优化现有放大电路的结构，有效滤除输入至处理器的信号中包含的大量噪声干扰信号，提高手持式局放测试仪的检测精度。
5.本实用新型的技术方案是这样实现的：本实用新型提供了一手持式局放测试仪，其包括特高频传感器、处理器和滤波电路，还包括共基极低噪声放大模块和单端转差分信号电路；
6.特高频传感器的输出端通过顺次连接的滤波电路、共基极低噪声放大模块和单端转差分信号电路与处理器的模拟输入端电性连接。
7.在以上技术方案的基础上，优选的，滤波电路包括带通滤波电路和带阻滤波电路；
8.特高频传感器的输出端通过带通滤波电路与带阻滤波电路的输入端电性连接，带阻滤波电路的输出端通过顺次连接的共基极低噪声放大模块、单端转差分信号电路与处理器的模拟输入端电性连接。
9.更进一步优选的，带通滤波电路的通带频率为400mhz
‑
800mhz。
10.更进一步优选的，带阻滤波电路的阻带频率为650mhz
‑
750mhz。
11.更进一步优选的，共基极低噪声放大模块包括第一共基极低噪声放大电路和第二共基极低噪声放大电路；
12.带阻滤波电路的输出端通过第一共基极低噪声放大电路与第二共基极低噪声放大电路的输入端电性连接，第二共基极低噪声放大电路的输出端通过单端转差分信号电路与处理器的模拟输入端电性连接。
13.更进一步优选的，第一共基极低噪声放大电路包括电源、偏置电源、电感l10、电阻r12
‑
r15、电容c2
‑
c5和npn型三极管q1；
14.带阻滤波电路的输出端通过顺次连接的电容c2、电感l10分别与电容c5的一端、npn型三极管q1的发射极电性连接，电容c5的另一端接地，npn型三极管q1的基极分别与电容c3的一端、电阻r12的一端和电阻r13的一端电性连接，电容c3的另一端、电阻r12的另一端均接地，电阻r13的另一端与偏置电源电性连接，npn型三极管q1的集电极分别与电阻r14的一端、第二共基极低噪声放大电路的输入端电性连接，电阻r14的另一端分别与电容c4的一端、电阻r15的一端电性连接，电容c4的另一端接地，电阻r15的另一端与电源电性连接。
15.更进一步优选的，单端转差分信号电路包括单端
‑
差分信号转换器和调零电路；
16.第二共基极低噪声放大电路的输出端与单端
‑
差分信号转换器的第一输入端电性连接，单端
‑
差分信号转换器的第一输出端及其第二输出端均与处理器的模拟输入端电性连接，调零电路并联在单端
‑
差分信号转换器的第二输入端及其第二输出端之间。
17.更进一步优选的，单端
‑
差分信号转换器包括电源、单端转差分放大器ad8138、电阻r1
‑
r6和电容c1；
18.第二共基极低噪声放大电路的输出端通过电容c1分别与电阻r1的一端和电阻r2的一端电性连接，电阻r2的另一端接地，电阻r1的另一端与单端转差分放大器ad8138的引脚8电性连接，单端转差分放大器ad8138的引脚1通过电阻r3接地，电阻r4并联在单端转差分放大器ad8138的引脚8及其引脚5之间，单端转差分放大器ad8138的引脚5通过电阻r5与处理器的模拟输入端电性连接，单端转差分放大器ad8138的引脚4通过电阻r6与处理器的模拟输入端电性连接，单端转差分放大器ad8138的引脚3及其引脚6均与电源电性连接，单端转差分放大器ad8138的引脚2接地，调零电路并联在单端转差分放大器ad8138的引脚4及其引脚1之间。
19.更进一步优选的，调零电路包括电阻r7和可调电阻rp1；
20.单端转差分放大器ad8138的引脚1通过电阻r7与可调电阻rp1的引脚1电性连接，可调电阻rp1的引脚3与单端转差分放大器ad8138的引脚4电性连接，可调电阻rp1的引脚2与其引脚3电性连接。
21.本实用新型的手持式局放测试仪相对于现有技术具有以下有益效果：
22.(1)通过设置共基极低噪声放大模块，滤除因检测环境造成的噪声干扰，提高手持式局放测试仪的检测精度；且常规放大电路采用电阻匹配网络串联共射极结构进行信号放大，存在米勒效应，高频段容易出现信号失真，且电热噪声严重，共基极低噪声放大模块通过设置感性匹配网络来减小放大模块的电热噪声，在有效滤除检测环境造成的噪声干扰的前提下，且电路本身的电热噪声极低，进一步提高手持式局放测试仪的检测精度；
23.(2)通过设置单端转差分信号电路，用于确保完全滤除噪声信号，提高信噪比，从
而更进一步提高局放测试仪的检测精度；
24.(3)通过在单端转差分信号电路中设置调零电路，保证单端
‑
差分信号转换器的差分特性；
25.(4)通过设置带通滤波电路和带阻滤波电路，由于特高频传感器输出信号频带范围为300mhz
‑
800mhz，而工业电磁干扰频带为650mhz
‑
750mhz，因此，本实施例中，设置带通滤波电路的通带频率为400mhz
‑
800mhz，设置带阻滤波电路的阻带频率为650mhz
‑
750mhz，通过带通滤波电路滤除通带外的电磁干扰信号，然后通过带阻滤波电路滤除带通滤波电路通带内的工业电磁干扰信号，使得手机通讯等无线电干扰完全滤除，提高手持式局放测试仪的检测精度。
附图说明
26.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本实用新型的手持式局放测试仪的结构框图；
28.图2为本实用新型的手持式局放测试仪中第一共基极低噪声放大电路的电路图；
29.图3为本实用新型的手持式局放测试仪中单端转差分信号电路的电路图。
具体实施方式
30.下面将结合本实用新型实施方式，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。
31.如图1所示，本实用新型的手持式局放测试仪，其包括特高频传感器、处理器、滤波电路、共基极低噪声放大模块和单端转差分信号电路。
32.特高频传感器，用于采集gis的局部放电信号，并将该局部放电信号转化为微弱特高频信号输入至滤波电路。由于市面上特高频传感器的结构和原理都相同，因此，在本实施例中，不对特高频传感器的型号做限定，优选的，可以选用zj
‑
601d。本实施例中，特高频传感器的输出端通过顺次连接的滤波电路、共基极低噪声放大模块和单端转差分信号电路与处理器的模拟输入端电性连接。
33.滤波电路，用于滤除特高频传感器输出信号中包含的电磁干扰信号，提高手持式局放测试仪的检测精度。本实施例中，滤波电路串联在特高频传感器的输出端与共基极低噪声放大模块的输入端之间的线路中。优选的，如图1所示，滤波电路包括带通滤波电路和带阻滤波电路。
34.带通滤波电路和带阻滤波电路，由于特高频传感器对特高频信号的检测范围非常广，导致特高频信号中的电磁干扰的范围也非常广，因此，本实施例设置带通滤波电路和带阻滤波电路组成的滤波电路用于滤除手机通讯等无线电干扰，由于特高频传感器输出信号频带范围为300mhz
‑
800mhz，而工业电磁干扰频带为650mhz
‑
750mhz，因此，本实施例中，设
置带通滤波电路的通带频率为400mhz
‑
800mhz，设置带阻滤波电路的阻带频率为650mhz
‑
750mhz，通过带通滤波电路滤除通带外的电磁干扰信号，然后通过带阻滤波电路滤除带通滤波电路通带内的工业电磁干扰信号，使得手机通讯等无线电干扰完全滤除，提高手持式局放测试仪的检测精度。本实施例中，特高频传感器的输出端通过顺次连接的带通滤波电路、带阻滤波电路与共基极低噪声放大模块的输入端电性连接。
35.共基极低噪声放大模块，具有三方面的作用，一是接收滤波电路输出的微弱特高频信号，并对该微弱特高频信号进行放大处理；二是滤除因检测环境造成的噪声干扰，提高手持式局放测试仪的检测精度；三是常规放大电路采用电阻匹配网络串联共射极结构进行信号放大，存在米勒效应，高频段容易出现信号失真，且电热噪声严重，而本实施例中的共基极低噪声放大模块通过设置感性匹配网络来减小放大模块的电热噪声，在有效滤除检测环境造成的噪声干扰的前提下，且电路本身的电热噪声极低，进一步提高手持式局放测试仪的检测精度。本实施例中，带阻滤波电路的输出端与共基极低噪声放大模块的输入端电性连接，共基极低噪声放大模块的输出端通过单端转差分信号电路与处理器的模拟输入端电性连接。优选的，如图1所示，共基极低噪声放大模块包括第一共基极低噪声放大电路、第二共基极低噪声放大电路。
36.第一共基极低噪声放大电路、第二共基极低噪声放大电路，由于滤波电路输出的特高频信号十分微弱，为了保证微弱信号不失真的放大，因此，本实施例中设置第一共基极低噪声放大电路、第二共基极低噪声放大电路构成的两级放大电路对滤波电路输出的特高频信号进行放大处理，第一共基极低噪声放大电路，一方面用于对滤波电路输出的特高频信号进行一次放大，另一方面，滤除因检测环境造成的噪声干扰；第二共基极低噪声放大电路，一方面用于对第一共基极低噪声放大电路输出的特高频信号进一步放大，另一方面进一步滤除检测环境的噪声干扰；且第一共基极低噪声放大电路、第二共基极低噪声放大电路与常规的放大电路相比，通过设置感性匹配网络有效降低电路的电热噪声，进一步提高手持式局放测试仪的检测精度。本实施例中，带阻滤波电路的输出端通过顺次连接的第一共基极低噪声放大电路、第二共基极低噪声放大电路和单端转差分信号电路与处理器的模拟输入端电性连接。
37.本实施例中，设置第一共基极低噪声放大电路、第二共基极低噪声放大电路的结构相同，因此，在此只介绍第一共基极低噪声放大电路。优选的，如图2所示，第一共基极低噪声放大电路包括电源、偏置电源、电感l10、电阻r12
‑
r15、电容c2
‑
c5和npn型三极管q1；具体的，带阻滤波电路的输出端通过顺次连接的电容c2、电感l10分别与电容c5的一端、npn型三极管q1的发射极电性连接，电容c5的另一端接地，npn型三极管q1的基极分别与电容c3的一端、电阻r12的一端和电阻r13的一端电性连接，电容c3的另一端、电阻r12的另一端均接地，电阻r13的另一端与偏置电源电性连接，npn型三极管q1的集电极分别与电阻r14的一端、第二共基极低噪声放大电路的输入端电性连接，电阻r14的另一端分别与电容c4的一端、电阻r15的一端电性连接，电容c4的另一端接地，电阻r15的另一端与电源电性连接。如图2所示，vi为带阻滤波电路输出的特高频信号，vo1为第一共基极低噪声放大电路输出的特高频信号，vcc表示电源，vcb表示偏置电源；其中，偏置电源用于给npn型三极管q1提供基极偏置电压，使npn型三极管q1导通；电阻r13为上拉电阻，用于使偏置电源输出电压保持稳定；电阻r12为分压电阻，用于保护npn型三极管q1不被击穿；电容c3与滤波电容，用于滤除
偏置电源的纹波干扰；电容c2为耦合电容，用于隔离直流偏置干扰；一方面，电容c2、电感l10和电容c5组成感性匹配网络，相比于电阻匹配网络，电热噪声低；电容c5为交流旁路电容，用于滤除噪声干扰；另一方面，电感l10、电容c5组成滤波电路，用于滤除因检测环境造成的噪声干扰；电源用于使npn型三极管q1迅速进入线性放大区，保持静态工作点的稳定；电阻r15为上拉电阻，使电源输出电压保持稳定；电容c4为隔离电容，用于滤除电源的纹波干扰；电阻r14为限流电阻，用于保护npn型三极管q1不被击穿；电源、偏置电源、电感l10、电阻r12
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r15、电容c2
‑
c5和npn型三极管q1构成第一共基极低噪声放大电路，通过感性匹配网络来减小放大模块的电热噪声，进一步提高手持式局放测试仪的检测精度。
38.单端转差分信号电路，虽然第一共基极低噪声放大电路、第二共基极低噪声放大电路有效的滤除检测环境造成的噪声干扰以及有效抑制电路本身的电热噪声，但是经第二共基极低噪声放大电路放大处理后的信号中仍然掺杂有少量噪声信号，因此，设置单端转差分信号电路用于确保完全滤除噪声信号，提高信噪比，从而更进一步提高局放测试仪的检测精度。本实施例中，第二共基极低噪声放大电路的输出端通过单端转差分信号电路与处理器的模拟输入端电性连接。优选的，如图1所示，单端转差分信号电路包括单端
‑
差分信号转换器和调零电路。
39.单端
‑
差分信号转换器和调零电路，单端
‑
差分信号转换器用于将经第二共基极低噪声放大电路放大处理后的单端信号转换为差分信号，确保完全滤除噪声信号，提高信噪比，从而更进一步提高局放测试仪的检测精度；调零电路用于消除单端
‑
差分信号转换器的零漂，保证单端
‑
差分信号转换器的差分特性。本实施例中，第二共基极低噪声放大电路的输出端与单端
‑
差分信号转换器的第一输入端电性连接，单端
‑
差分信号转换器的第一输出端及其第二输出端均与处理器的模拟输入端电性连接，调零电路并联在单端
‑
差分信号转换器的第二输入端及其第二输出端之间。优选的，如图3所示，单端
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差分信号转换器包括电源、单端转差分放大器ad8138、电阻r1
‑
r6和电容c1；第二共基极低噪声放大电路的输出端通过电容c1分别与电阻r1的一端和电阻r2的一端电性连接，电阻r2的另一端接地，电阻r1的另一端与单端转差分放大器ad8138的引脚8电性连接，单端转差分放大器ad8138的引脚1通过电阻r3接地，电阻r4并联在单端转差分放大器ad8138的引脚8及其引脚5之间，单端转差分放大器ad8138的引脚5通过电阻r5与处理器的模拟输入端电性连接，单端转差分放大器ad8138的引脚4通过电阻r6与处理器的模拟输入端电性连接，单端转差分放大器ad8138的引脚3及其引脚6均与电源电性连接，单端转差分放大器ad8138的引脚2接地，调零电路并联在单端转差分放大器ad8138的引脚4及其引脚1之间。如图3所示，单端转差分放大器ad8138的引脚8、引脚1、引脚5和引脚4分别一一对应为单端
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差分信号转换器的第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，vi1表示第二共基极低噪声放大电路输出的特高频信号，+2v和
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2v为电源输出的电压，vo2和vo3表示单端
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差分信号转换器输出的差分信号；其中，电容c1为耦合电容，用于滤除直流偏置干扰；电阻r1、电阻r5和电阻r6为限流电阻，用于防止电路电流过大损坏单端转差分放大器ad8138；电阻r2为平衡电阻，用于减小单端转差分放大器ad8138的失调电压；电阻r4为正反馈电阻，用于防止单端转差分放大器ad8138自激振荡；电阻r3为匹配电阻，用于单端
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差分信号转换器的输入阻抗匹配。
40.优选的，如图3所示，调零电路包括电阻r7和可调电阻rp1；具体的，单端转差分放大器ad8138的引脚1通过电阻r7与可调电阻rp1的引脚1电性连接，可调电阻rp1的引脚3与
单端转差分放大器ad8138的引脚4电性连接，可调电阻rp1的引脚2与其引脚3电性连接。其中，电阻r7为负反馈电阻，用于抑制单端转差分放大器ad8138的非线性失真；通过调节可调电阻rp1的阻值来调节单端
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差分信号转换器的零点位置，从而消除单端
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差分信号转换器的零漂，保证单端
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差分信号转换器的差分特性。
41.处理器，用于接收单端
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差分信号转换器输出的差分信号，并对差分信号分析处理，得到gis的局部放电信息，对于本领域技术人员而言，针对单端
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差分信号转换器输出的差分信号，处理器采用一定的算法来得到gis的局部放电信息是成熟的现有技术，故在此不再赘述，优选的，本实施例的处理器可以为stm32系列的单片机，stm32系列的单片机内部集成有a/d，单端
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差分信号转换器输出的差分信号送至stm32系列的单片机a/d的不同模拟输入通道中，进行a/d转换，最后由stm32系列的单片机进行后续的处理。
42.本实用新型的工作原理为：特高频传感器采集gis的局部放电信号，并将该局部放电信号转化为微弱特高频信号输入至带通滤波电路，带通滤波电路滤除特高频信号中的电磁干扰信号后，将该特高频信号输入至带阻滤波电路，由带阻滤波电路滤除带通滤波电路通带内的工业电磁干扰信号，并将处理后的特高频信号输入至第一共基极低噪声放大电路，第一共基极低噪声放大电路对该特高频信号进行一次放大及滤除噪声干扰，并将处理后的信号输入至第二共基极低噪声放大电路进二次放大和降噪处理，第二共基极低噪声放大电路将处理后的特高频信号输入至单端
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差分信号转换器，单端
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差分信号转换器进一步滤除噪声干扰并将处理后的差分信号输入至处理器，由处理器处理得到gis的局部放电信息，同时，调零电路保证单端
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差分信号转换器的差分特性。
43.本实施例的有益效果为：通过设置共基极低噪声放大模块，滤除因检测环境造成的噪声干扰，提高手持式局放测试仪的检测精度；且常规放大电路采用电阻匹配网络串联共射极结构进行信号放大，存在米勒效应，高频段容易出现信号失真，且电热噪声严重，共基极低噪声放大模块通过设置感性匹配网络来减小放大模块的电热噪声，在有效滤除检测环境造成的噪声干扰的前提下，且电路本身的电热噪声极低，进一步提高手持式局放测试仪的检测精度；
44.通过设置单端转差分信号电路，用于确保完全滤除噪声信号，提高信噪比，从而更进一步提高手持式局放测试仪的检测精度；
45.通过在单端转差分信号电路中设置调零电路，保证单端
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差分信号转换器的差分特性；
46.通过设置带通滤波电路和带阻滤波电路，由于特高频传感器输出信号频带范围为300mhz
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800mhz，而工业电磁干扰频带为650mhz
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750mhz，因此，本实施例中，设置带通滤波电路的通带频率为400mhz
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800mhz，设置带阻滤波电路的阻带频率为650mhz
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750mhz，通过带通滤波电路滤除通带外的电磁干扰信号，然后通过带阻滤波电路滤除带通滤波电路通带内的工业电磁干扰信号，使得手机通讯等无线电干扰完全滤除，提高手持式局放测试仪的检测精度。
47.以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。