一种基于压电陶瓷微形变图像检测的电压测量装置及方法
阅读说明：本技术 一种基于压电陶瓷微形变图像检测的电压测量装置及方法 (Voltage measuring device and method based on piezoelectric ceramic micro-deformation image detection ) 是由 翟少磊 罗奕 程富勇 贾南疆 张林山 方正云 段怡 何潇 李月梅 闫永梅 杨莉 于 2021-01-07 设计创作，主要内容包括：本发明示出一种基于压电陶瓷微形变图像检测的电压测量装置及方法,涉及电力检测技术领域。解决了现有OVT技术测量电压时运行不可靠、价格不低廉的问题。本发明示出的电压测量装置,包括：背光单元设置在压电陶瓷模块的一侧；采集单元设置在压电陶瓷模块的另一侧；压电陶瓷模块上设置有可拆卸的压电陶瓷片、电极和基座,电极设置在压电陶瓷片的上下两端。本发明利用压电陶瓷的逆压电效应,基于压电陶瓷微形变的图像识别模块,以非接触式的图像传感器取代了高成本的机械传感器,结合图像处理技术,计算压电陶瓷片受电后的微形变投影面积,进而实现直流电压的高精度测量。它具有成本低、准确度高、稳定性强等特点,满足智能电网对设备数字化的要求。(The invention discloses a voltage measuring device and method based on piezoelectric ceramic micro-deformation image detection, and relates to the technical field of power detection. The problems of unreliable operation and low price in voltage measurement of the existing OVT technology are solved. The voltage measuring device shown in the invention comprises: the backlight unit is arranged on one side of the piezoelectric ceramic module; the acquisition unit is arranged on the other side of the piezoelectric ceramic module; the piezoelectric ceramic module is provided with a detachable piezoelectric ceramic piece, electrodes and a base, and the electrodes are arranged at the upper end and the lower end of the piezoelectric ceramic piece. The invention utilizes the inverse piezoelectric effect of the piezoelectric ceramic, the image identification module based on the piezoelectric ceramic micro-deformation, replaces a high-cost mechanical sensor with a non-contact image sensor, and combines an image processing technology to calculate the micro-deformation projection area of the piezoelectric ceramic piece after power is received, thereby realizing the high-precision measurement of the direct current voltage. The method has the characteristics of low cost, high accuracy, strong stability and the like, and meets the requirements of the intelligent power grid on equipment digitization.)
技术领域
本发明涉及电力检测技术领域，尤其涉及一种基于压电陶瓷微形变图像检测的电压测量装置及方法。
背景技术
高压直流输电作为一种大容量、长间距输电技术，在全球能源互联网的推进过程中发挥了重要作用。随着我国智能电网的发展以及高压柔性直流输电、大规模风电场并网等技术应用与推广，对柔性直流系统控制与保护提出更快速更准确的响应需求，因而对应高压直流电流电压测量装置需要具备高可靠性、高速、高精度等特性。高压直流电压的测量是智能电网及直流输电广泛推进的基础，是实现智能电网的状态监测、电能计量的重要前提。
现有技术中，高压直流电压测量装置主要采用阻容分压原理，通过分压器上下臂阻容时间常数的一致性保证良好的频率响应。但在实际设计中，由于存在杂散电容和寄生电感的影响，上下臂的阻容参数较难匹配，从而导致分压比随被测信号频率变化；同时二次输出一般为模拟信号，通过电缆传输，易受干扰，或者通过就地采集时响应速度得不到保证。传统直流电压的相关测量方法，由于其体积大、重量重、动态范围窄等不足，逐渐被具有体积小、重量轻、准确度高、动态范围大等优点的新型传感技术所代替，如光学电压互感器(Optical Voltage Transformer，OVT)。OVT测量时动态范围大、测量频带宽、检测精度高；结构相对简单，尺寸相对更小、质量轻；具有输出量为数字量，方便进行光纤通信等远程控制等优点。目前OVT不仅是目前世界各国争相研究的一种新型的电力系统电压检测装置，而且被业界公认为互感器技术的发展方向。
然而目前OVT产品主要采用光纤传感器，其传感头容易受温度和外界环境扰动的影响，长期运行时的稳定性和可靠性无法得到保证。另外，纯光纤式光电互感器价格较高、测量效果欠佳，严重制约了OVT技术的市场推广。因此急需提出一种运行可靠、价格低廉且测量精度较高的新型OVT技术。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于压电陶瓷微形变图像检测的电压测量装置及方法，解决了现有OVT技术测量电压时运行不可靠、价格不低廉的问题。
本发明第一方面示出一种基于压电陶瓷微形变图像检测的电压测量装置，包括：背光单元、采集单元、图像识别模块、压电陶瓷模块和控制单元；
背光单元设置在压电陶瓷模块的一侧，被配置为：提供背光源；
采集单元设置在压电陶瓷模块的另一侧，被配置为：采集形变投影图像；
压电陶瓷模块上设置有可拆卸的压电陶瓷片、电极和基座，电极设置在压电陶瓷片的上下两端，电极设置在基座的上端；
采集单元的输出端连接图像识别模块的输入端；
背光单元、采集单元、图像识别模块和压电陶瓷模块与控制单元电连接。
具体地，上述结构具有以下有益效果：压电陶瓷片因逆压电效应产生形变，图像识别模块利用图像识别技术，通过检测压电陶瓷片的微形变投影面积；高压直流电压经分压处理后连接电极两端，电极接压电陶瓷片的输入端；进而计算陶瓷片两端的电压值，并结合分压比获取高压端的电压值。可拆卸的压电陶瓷片的结构设计，实现可根据待测电压的大小进行更换的功能。
在一些实施例中，采集单元包括：镜头和图像传感器；
镜头的输出端连接图像传感器的输入端；
图像传感器的输出端连接图像识别模块的输入端。
在一些实施例中，还包括：底盘；底盘上设置有基座，背光单元通过第一固定部件设置在底盘上，图像识别模块通过第二固定部件设置在底盘上。
在一些实施例中，还包括：通信单元，通信单元的输入端与图像识别模块的输出端相连。通信单元将图像识别微处理器输入的电压值数据传至远程监控终端，实现高压直流电压的远程监测。
在一些实施例中，还包括：云中心，通信单元的输出端与云中心电连接。
云中心更加灵活，云计算所需要的数据中心来源于互联网，但又向集成化平台演进，因此，有别于传统数据中心基础设施和信息系统软硬件分离的局面，云计算的数据中心从基础设施到计算与应用是连续和整体的，并相互关联和可适应。
在一些实施例中，背光单元以非单色光源为背光源。
具体地，上述结构具有以下有益效果：对于精确的基于图像的物体微形变测量，通常使用瞬态光配置。本发明采用非单色背光可以在传感器上获得高对比度图像，从而从根本上简化了目标检测的任务。
在一些实施例中，图像传感器采用互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor，CMOS)传感器作为图像传感器。
具体地，上述结构具有以下有益效果：图像传感器实现压电陶瓷片图像的数字化处理。本实例中，图像传感器采用互补金属氧化物半导体传感器。CMOS技术用于图像传感器可以有效降低测量成本，且无需额外的模拟前端电路，能实现直接数字输出，并可使用窗口化对像素值进行伪随机访问。
CMOS传感器型号为APTINA公司的MT9M001STM。图像识别模块中的图像识别微处理器采用线性插值算法对物理分辨率不符合测量精度的CMOS图像数据进行处理，以实现像素感光度的均匀分布。本发明采用线性插值算法对CMOS图像数据进行处理，以实现像素感光度的均匀分布，进而根据像素点计算压电陶瓷片的面积值。
在一些实施例中，还包括：供电单元，供电单元分别连接背光单元、图像传感器、图像识别模块、通信单元及控制单元的电源端。
在一些实施例中，还包括：壳体，背光单元、镜头、第一固定部件及第二固定部件设置在壳体的外部，控制单元、图像识别模块及通信单元设置在壳体的内部；壳体通过第三固定部件设置在底盘上。
本发明第二方面示出一种基于压电陶瓷微形变图像检测的电压测量方法，包括：背光单元提供背光源；
在背光源下，采集单元采集压电陶瓷片的形变投影图像；
图像识别模块检测形变投影图像的微形变量；
根据形变投影图像的微形变量，计算压电陶瓷片两端的电压值；
根据电压值和分压比获取压电陶瓷片的高压端的电压值。
由以上技术方案可知，本发明实施例具有如下有益效果：采用非接触式的测量方法，通过非接触式的图像传感器取代了昂贵的机械传感器，不受温度变化的影响，具有成本低、准确度高、稳定性强等特点，满足智能电网对设备数字化的要求；同时，压电陶瓷模块和图像识别模块的组合具有灵活性和可扩展性，替换和维护方便，并可以满足不同等级直流电压测量要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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。
图1为本发明提出的一种基于压电陶瓷微形变图像检测的电压测量装置的一种实施例的结构示意图；
图2为本发明提出的一种基于压电陶瓷微形变图像检测的电压测量装置中的图像识别模块的结构示意图；
图3为本发明提出的一种基于压电陶瓷微形变图像检测的电压测量方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中的技术方案作进一步详细的说明。
图1为本发明提出的一种基于压电陶瓷微形变图像检测的电压测量装置的一种实施例的结构示意图。如图1所示，一种基于压电陶瓷微形变图像检测的电压测量装置，包括：背光单元1、采集单元2、图像识别模块3、压电陶瓷模块4和控制单元5；背光单元1设置在压电陶瓷模块4的一侧，被配置为：提供背光源；采集单元2设置在压电陶瓷模块4的另一侧，被配置为：采集形变投影图像；压电陶瓷模块4上设置有可拆卸的压电陶瓷片41、电极42和基座43，电极42设置在压电陶瓷片41的上下两端，电极42设置在基座43的上端；采集单元2的输出端连接图像识别模块3的输入端；背光单元1、采集单元2、图像识别模块3和压电陶瓷模块4与控制单元5电连接。
图像识别模块3包括图像识别微处理器，图像识别微处理器用于对粗分辨率的图像信息进行处理，从而输出高精度的电压测量值。使用传统的图像处理方法得到的边缘检测结果与所用图像传感器的物理分辨率有关。对于物理分辨率不符合测量精度的结果，本发明采用线性插值算法对CMOS图像数据进行处理，以实现像素感光度的均匀分布，进而根据像素点计算压电陶瓷片的面积值。
其工作过程如下：背光单元1提供背光源；在背光源下，采集单元2采集压电陶瓷片41的形变投影图像；图像识别模块3检测形变投影图像的微形变量；根据形变投影图像的微形变量，计算压电陶瓷片41两端的电压值；根据电压值和分压比获取压电陶瓷片41的高压端的电压值。
其中，压电陶瓷片41因逆压电效应产生形变，投影图像会因为不同的电压，而产生不同的形变量。具体地，高压直流电压经分压处理后连接电极42两端，电极42接压电陶瓷片41的输入端，电极42固定于基座43上，基座43固定于底盘6上。
可选的，压电陶瓷41的直径50mm，厚度50mm。其工作过程如下：当直流母线的高电压经分压处理后将电压降至压电陶瓷片41所能承受的电压范围(如1000V)，压电陶瓷片41因逆压电效应产生形变。图像识别模块3利用图像处理技术，通过检测压电陶瓷片41的微形变投影面积，进而计算压电陶瓷片41两端的电压值，并结合分压比获取高压端的电压值。压电陶瓷片41可根据待测电压的大小进行更换。
优选地，背光单元1、采集单元2和压电陶瓷模块4设置在同轴线上。
在一些实施例中，采集单元2包括：镜头21和图像传感器22；镜头21的输出端连接图像传感器22的输入端；图像传感器22的输出端连接图像识别模块3的输入端。
在一些实施例中，还包括：底盘6；底盘6上设置有基座43，背光单元1通过第一固定部件61设置在底盘6上，图像识别模块3通过第二固定部件62设置在底盘6上。
在一些实施例中，还包括：通信单元7，通信单元7的输入端与图像识别模块3的输出端相连。
在一些实施例中，还包括：云中心8，通信单元7的输出端与云中心8电连接。
通信单元输出端可对外输出被测电压数据到远程控制终端，远程控制终端可以是云中心8，云中心8更加灵活，云计算所需要的数据中心来源于互联网，但又向集成化平台演进，因此，有别于传统数据中心基础设施和信息系统软硬件分离的局面，云计算的数据中心从基础设施到计算与应用是连续和整体的，并相互关联和可适应。
在一些实施例中，背光单元1以非单色光源为背光源。
在一些实施例中，图像传感器22采用互补金属氧化物半导体ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor，CMOS传感器作为图像传感器。
在一些实施例中，还包括：供电单元9，供电单元9分别连接背光单元1、图像传感器22、图像识别模块3、通信单元7及控制单元5的电源端。
在一些实施例中，还包括：壳体10，背光单元1、镜头21、第一固定部件61及第二固定部件62设置在壳体10的外部，控制单元5、图像识别模块3及通信单元7设置在壳体10的内部。壳体10通过第三固定部件63设置在底盘6上。
安装时，通过调节背光单元1的位置，使得背光单元1、采集单元2和压电陶瓷模块4设置在同轴线上，然后固定背光单元1，完成测量装置的设置。
图2为本发明提出的一种基于压电陶瓷微形变图像检测的电压测量装置中的图像识别模块的结构示意图。如图2所示，在结合上述结构特征，本发明提供了一种基于压电陶瓷微形变图像检测的高压直流电压测量装置的另一种实施例，包括：壳体10、第一固定部件61、第二固定部件62、供电单元9、背光单元1、镜头21、图像传感器22、控制单元5、图像识别微处理器及通信单元7。其中，背光单元1与镜头21分别位于压电陶瓷片41两侧，镜头21输出端连接图像传感器22的输入端，图像传感器22的输出端与图像识别微处理器的输入端相连接，图像识别微处理器输出端与通信单元7输入端相连接。供电单元9分别连接背光单元1、图像传感器22、图像识别微处理器、通信单元7及控制单元5的电源端，对其供电。控制单元5连接背光单元1、图像传感器22、图像识别微处理器的控制端，控制其工作。通信单元7输出端可对外输出被测电压数据第一固定部件61位于壳体10以外，其末端安装背光源。背光单元1、镜头21、第一固定部件61和第二固定部件62位于壳体10外部，供电单元9、控制单元5、图像识别微处理器及通信单元7固定于壳体10内部。背光单元1和壳体10通过第三固定部件63固定于地面上。
其工作过程如下：控制单元5通过输出控制信号控制背光单元1开启背光源，镜头21和图像传感器22完成压电陶瓷片41微形变投影图像的数字化处理，并将图像数据输入图像识别微处理器。图像识别微处理器利用线性插值方法，实现像素感光度的均匀分布，进而获得压电陶瓷片41在通入电压前后所占投影面积的像素值，由此求出压电陶瓷片41的微形变量，并根据形变量计算陶瓷片两端的电压值，再结合分压比获取高压端的电压值。通信单元7将图像识别微处理器输入的电压值数据传至远程监控终端，远程控制终端可以是云中心8，实现高压直流电压的远程监测。
图3为本发明提出的一种基于压电陶瓷微形变图像检测的电压测量方法的流程示意图。如图3所示，
S101在背光源下，采集单元采集压电陶瓷片的形变投影图像；
S102图像识别模块检测形变投影图像的微形变量；
S103根据形变投影图像的微形变量，计算压电陶瓷片两端的电压值；
S104根据电压值和分压比获取压电陶瓷片的高压端的电压值。
上述实施例，采用非接触式的测量方法，通过非接触式的图像传感器取代了昂贵的机械传感器，不受温度变化的影响，具有成本低、准确度高、稳定性强等特点，满足智能电网对设备数字化的要求；同时，分压模块和图像识别模块的组合具有灵活性和可扩展性，替换和维护方便，并可以满足不同等级直流电压测量要求。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和以及本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
本发明提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本发明总的构思下的几个示例，并不构成本发明保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本发明方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本发明的保护范围。