一种集成式超声波传感器论文和设计-高强

全文摘要

本实用新型属于传感器技术领域，尤其涉及一种集成式超声波传感器，其应用广泛、可在多种场合下对GIS进行局放\/故障击穿检测。本实用新型包括接触式超声波传感器，在传感器外壳上连接盖子，传感器外壳内设有腔体，传感器外壳底面到传感器外壳的内部腔体设有通道；传感器外壳上还设有电源开关、充电指示灯、充电座及信号发射天线；腔体内底部设有四个立柱，斜对角两个高度相同，自低而高分别连接集成电路板Ⅰ和集成电路板Ⅱ；集成电路板Ⅱ和上部连接盖子之间置有电池；集成电路板Ⅱ的下部依次连接弹簧和接触式超声波传感器。本实用新型具有体积小、结构简单、安全便携、操作方便、设计合理的特点，能够大大提高工作效率，适宜在电力设备行业大力推广和应用。

主设计要求

1.一种集成式超声波传感器，包括接触式超声波传感器（2），其特征是：传感器外壳（1）上部连接盖子（6），传感器外壳（1）内设有腔体（13），传感器外壳（1）底面到传感器外壳（1）的内部腔体设有通道（18）；传感器外壳（1）上还设有电源开关（36）、充电指示灯（37）、充电座（38）及信号发射天线（35）；所述腔体（13）底部设有四个立柱，斜对角两个高度相同，自低而高分别连接集成电路板Ⅰ（3）和集成电路板Ⅱ（4），集成电路板Ⅰ（3）和集成电路板Ⅱ（4）通过线缆连接；集成电路板Ⅱ（4）和上部连接盖子（6）之间置有电池（7）；集成电路板Ⅱ（4）的下部依次连接弹簧（5）和接触式超声波传感器（2）；并使内置弹簧（5）和接触式超声波传感器（2）置于通道（18）内，使接触式超声波传感器（2）的另一端置于传感器外壳（1）外部。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种集成式超声波传感器，其特征是：所述传感器外壳（1）为方形结构，传感器外壳（1）的底部为圆弧面（10），使测试时传感器与GIS更好的贴合在一起；圆弧面（10）的圆弧两端，分别有一个台阶（11），两个台阶（11）完全相同，两个台阶（11）的底面上分别有三个相同的圆孔（12），用来安装压板Ⅰ（8）和压板Ⅱ（9）。

3.根据权利要求2所述的一种集成式超声波传感器，其特征是：所述压板Ⅰ（8）为片状结构，其上开设三个圆孔D（31），与传感器外壳（1）中台阶（11）上三个圆孔（12）对应，用来固定压板Ⅰ（8），压板Ⅰ（8）的宽度与台阶（11）相同，厚度泽略小于台阶（11）的高度，靠近台阶（11）外端的两个角为圆角，圆角半径与传感器外壳（1）一致。

4.根据权利要求2所述的一种集成式超声波传感器，其特征是：所述压板Ⅱ（9）为片状结构，其面积大于压板Ⅰ（8），高度与压板Ⅰ（8）一致，其上开设有三个圆孔E（32），与台阶（11）上三个圆孔（12）对应，用来固定压板Ⅱ（9）；圆孔E（32）的一侧设有一个长条形的槽B（33）。

5.根据权利要求1所述的一种集成式超声波传感器，其特征是：所述腔体（13）的底部有四个直径相同的圆柱形立柱，两两之间的高度不同，分成两组，斜对角两个高度相同，其中高度较低的两个立柱A（14），顶端分别有一个圆孔A（15），用来安装集成电路板Ⅰ（3），另外两个高度较高的立柱B（16），顶端分别设有一个圆孔B（17），用来安装集成电路板Ⅱ（4）。

6.根据权利要求1所述的一种集成式超声波传感器，其特征是：所述通道（18）为圆柱形通道，内直径与接触式超声波传感器（2）直径相同，用来安放接触式超声波传感器（2）及弹簧（5），通道（18）位于传感器外壳（1）内部腔体部分的高度略低于立柱B（16），通道壁上设有缺口（19），用来穿过接触式超声波传感器（2）的接头部位，腔体（13）底部与缺口（19）对应设有槽A（20），用来安放接触式超声波传感器（2）的接头部位，以保证接触式超声波传感器（2）位于通道（18）足够深的部位；传感器外壳（1）中，侧面（21）上开设有两个矩形孔及一个圆孔，依次用来安装电源开关（36）、充电指示灯（37）及充电座（38），另外一个侧边（22）上开设有一个圆孔F（34），用来安装信号发射天线（35）。

7.根据权利要求1所述的一种集成式超声波传感器，其特征是：所述接触式超声波传感器（2）为圆柱体，一端的圆弧面上伸出一个SMA接头A（23），用一根同轴线缆与集成电路板Ⅰ（3）连接；接触式超声波传感器（2）置于传感器外壳（1）中圆柱通道（18）中，接头A（23）从通道（18）的缺口（19）处伸出；接头A（23）的圆柱面与传感器外壳（1）中槽A（20）的底部接触；弹簧（5）也置于通道（18）内，底端紧贴接触式超声波传感器（2）的顶部，顶端顶在集成电路板Ⅱ（4）的面上。

8.根据权利要求1所述的一种集成式超声波传感器，其特征是：所述集成电路板Ⅰ（3）和集成电路板Ⅱ（4）分上下两层安装，集成电路板Ⅱ（4）连接后压紧弹簧（5）的顶端；

所述集成电路板Ⅰ（3）位于下面一层，连接在传感器外壳（1）中圆柱立柱A（14）的顶端；集成电路板Ⅰ（3）中心部位设有圆孔C（24），其直径略大于传感器外壳（1）中圆柱通道（18）的外壁直径，从而使通道（18）能从圆孔C（24）中穿过；围绕圆孔C（24）还设有四个孔，按直径分成两种，对角两个孔直径相同，两个直径较小的孔（25）对应立柱A（14）顶端的圆孔A（15），用来固定集成电路板Ⅰ（3）；另外两个直径较大的孔（26）直径略大于传感器外壳（1）中圆柱立柱B（16），安装集成电路板Ⅰ（3）的同时，使立柱B（16）能够从直径较大的孔（26）中穿过；集成电路板Ⅰ（3）下连接SMA接头B（27），通过同轴线缆与接触式超声波传感器（2）中接头A（23）连接；

所述集成电路板Ⅱ（4）安装在集成电路板Ⅰ（3）的上面一层，位于传感器外壳（1）中圆柱立柱B（16）的顶部，集成电路板Ⅱ（4）上设有两个孔（28）对应立柱B（16）顶端的圆孔B（17），用来固定集成电路板Ⅱ（4），集成电路板Ⅱ（4）的下部连接充电座（38），并使充电座（38）刚好从传感器外壳（1）的侧面（21）上对应开设的矩形孔内穿过。

9.根据权利要求1所述的一种集成式超声波传感器，其特征是：所述传感器的盖子（6）采用塑料材料制成，内部设有内置电池（7）的第二腔体（29）；第二腔体（29）的两端分别设有凸起的第二台阶（30），两个第二台阶（30）的外尺寸与传感器外壳（1）中腔体（13）的内尺寸相同；盖子（6）盖在传感器外壳（1）的顶部，第二台阶（30）插入腔体（13）的内部，盖子（6）与传感器外壳（1）之间通过环氧树脂胶粘合连接。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于传感器技术领域，尤其涉及一种集成式超声波传感器，其应用广泛、可在多种场合下对GIS进行局放\/故障击穿检测。

背景技术

气体绝缘开关设备GIS因其可靠性高，占地面积小、维护简单、检修周期长等优点而在电力系统中得到了广泛的应用。GIS设备设计、制造、运输、安装过程中的一些偶然因素会造成一些局部绝缘缺陷，如气泡、裂缝、悬浮导电质点和毛刺等，这些缺陷会造成GIS设备内部某些区域电场强度过高，当高于绝缘介质的击穿场强时就会发生局部放电。如不能及时发现并处理设备内部的放电缺陷，后续极易发生设备击穿事故。

GIS设备内部发生局部放电或故障击穿的时候，会产生冲击的振动及声音。超声波法AE，又称声发射法，通过在设备腔体外安放超声波传感器来测量局部放电信号。该方法的优点是传感器与电力设备的电气回路无任何联系，不受电磁干扰的影响。现场使用的过程中，超声传感器通常粘贴在GIS设备金属外壁上，通过线缆连接调理单元及检测仪主机。对于诸多场合，如GIS电压等级较高，体积尺寸较大，传感器与后续单元的连接距离较远，接线复杂，且一般线缆难以满足要求，此外，连接线缆的长度较长会导致信号在传播的过程中衰减较大，线缆自身的重量较大也容易损坏传感器和后续单元的接口。上述的情况会大幅降低GIS设备现场超声波检测的效率。为了解决这个问题，本实用新型介绍了一种可广泛用于GIS设备局部放电\/故障击穿检测的集成式无线智能接触式超声波传感器。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本实用新型提供了一种集成式超声波传感器，目的是为提供了一种体积小、结构简单、便携、操作方便及设计巧妙合理，并且能够大大提高工作效率的一种集成式超声波传感器。

为实现上述实用新型目的，本实用新型是采用以下技术方案来实现的：

一种集成式超声波传感器，包括接触式超声波传感器：在传感器外壳上部连接盖子，传感器外壳内设有腔体，传感器外壳底面到传感器外壳的内部腔体设有通道；传感器外壳上还设有电源开关、充电指示灯、充电座及信号发射天线；所述腔体底部设有四个立柱，斜对角两个高度相同，自低而高分别连接集成电路板Ⅰ和集成电路板Ⅱ，集成电路板Ⅰ和集成电路板Ⅱ通过线缆连接；集成电路板Ⅱ和上部连接盖子之间置有电池；集成电路板Ⅱ的下部依次连接弹簧和接触式超声波传感器；并使内置弹簧和接触式超声波传感器置于通道内，使接触式超声波传感器的另一端置于传感器外壳外部。

所述传感器外壳为方形结构，传感器外壳的底部为圆弧面，使测试时传感器与GIS更好的贴合在一起；圆弧面的圆弧两端，分别有一个台阶，两个台阶完全相同，两个台阶的底面上分别有三个相同的圆孔，用来安装压板Ⅰ和压板Ⅱ。

所述压板Ⅰ为片状结构，其上开设三个圆孔D，与传感器外壳中台阶上三个圆孔对应，用来固定压板Ⅰ，压板Ⅰ的宽度与台阶相同，厚度泽略小于台阶的高度，靠近台阶外端的两个角为圆角，圆角半径与传感器外壳一致。

所述压板Ⅱ为片状结构，其面积大于压板Ⅰ，高度与压板Ⅰ一致，其上开设有三个圆孔E，与台阶上三个圆孔对应，用来固定压板Ⅱ；圆孔E的一侧设有一个长条形的槽B。

所述腔体的底部有四个直径相同的圆柱形立柱，两两之间的高度不同，分成两组，斜对角两个高度相同，其中高度较低的两个立柱A，顶端分别有一个圆孔A，用来安装集成电路板Ⅰ，另外两个高度较高的立柱B，顶端分别设有一个圆孔B，用来安装集成电路板Ⅱ。

所述通道为圆柱形通道，内直径与接触式超声波传感器直径相同，用来安放接触式超声波传感器及弹簧，通道位于传感器外壳内部腔体部分的高度略低于立柱B，通道壁上设有缺口，用来穿过接触式超声波传感器的接头部位，腔体底部与缺口对应设有槽A，用来安放接触式超声波传感器的接头部位，以保证接触式超声波传感器位于通道足够深的部位；传感器外壳中，侧面上开设有两个矩形孔及一个圆孔，依次用来安装电源开关、充电指示灯及充电座，另外一个侧边上开设有一个圆孔F，用来安装信号发射天线。

所述接触式超声波传感器为圆柱体，一端的圆弧面上伸出一个SMA接头A，用一根同轴线缆与集成电路板Ⅰ连接；接触式超声波传感器置于传感器外壳中圆柱通道中，接头A从通道的缺口处伸出；接头A的圆柱面与传感器外壳中槽A的底部接触；弹簧也置于通道内，底端紧贴接触式超声波传感器的顶部，顶端顶在集成电路板Ⅱ的面上。

所述集成电路板Ⅰ和集成电路板Ⅱ分上下两层安装，集成电路板Ⅱ连接后压紧弹簧的顶端；

所述集成电路板Ⅰ位于下面一层，连接在传感器外壳中圆柱立柱A的顶端；集成电路板Ⅰ中心部位设有圆孔C，其直径略大于传感器外壳中圆柱通道的外壁直径，从而使通道能从圆孔C中穿过；围绕圆孔C还设有四个孔，按直径分成两种，对角两个孔直径相同，两个直径较小的孔对应立柱A顶端的圆孔A，用来固定集成电路板Ⅰ；另外两个直径较大的孔直径略大于传感器外壳中圆柱立柱B，安装集成电路板Ⅰ的同时，使立柱B能够从直径较大的孔中穿过；集成电路板Ⅰ下连接SMA接头B，通过同轴线缆与接触式超声波传感器中接头A连接；

所述集成电路板Ⅱ安装在集成电路板Ⅰ的上面一层，位于传感器外壳中圆柱立柱B的顶部，集成电路板Ⅱ上设有两个孔对应立柱B顶端的圆孔B，用来固定集成电路板Ⅱ，集成电路板Ⅱ的下部连接充电座，并使充电座刚好从传感器外壳的侧面上对应开设的矩形孔内穿过。

所述传感器的盖子采用塑料材料制成，内部设有内置电池的第二腔体；第二腔体的两端分别设有凸起的台阶，两个台阶的外尺寸与传感器外壳中腔体的内尺寸相同；盖子盖在传感器外壳的顶部，台阶插入腔体的内部，盖子与传感器外壳之间通过环氧树脂胶粘合连接。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点及有益效果：

本实用新型具有体积小、结构简单、便携、操作方便、设计巧妙合理的特点，并且能够大大提高工作效率。本实用新型智能传感器可以对局放信号进行处理，信号可以通过无线发送给终端接收设备，不需要连接线缆就可以进行远距离的测试，保证测试人员的人身安全。由于其体积较小，因此具有便于携带安装的特点，并且可以快速的安装在GIS表面进行长期的测试，安装及拆除非常方便，应用广泛，可在多种场合下对GIS进行局放\/故障击穿检测，适宜在电力设备行业大力推广和应用。

附图说明

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本实用新型，下面结合附图及具体实施方式对本实用新型作进一步的详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

图1是本实用新型整体结构示意图；

图2是图1的底面视图；

图3本实用新型整体剖视图；

图4是传感器壳体内部结构示意图；

图5是传感器壳体外部结构示意图；

图6是接触式超声波传感器结构示意图；

图7是集成电路板Ⅱ示意图；

图8是集成电路板Ⅰ示意图；

图9是盖子的结构示意图；

图10是压板Ⅰ的结构示意图；

图11是压板Ⅱ的结构示意图。

图中：传感器外壳1，接触式超声波传感器2，集成电路板Ⅰ3，集成电路板Ⅱ4，弹簧5，盖子6，电池7，压板Ⅰ8，压板Ⅱ9，圆弧面10，台阶11，圆孔12，腔体13，立柱A14，圆孔A15，立柱B16，圆孔B17，通道18，缺口19，槽A20，侧面21，侧边22，接头A23，圆孔C24，直径较小的孔25，直径较大的孔26，接头B27，孔28，第二腔体29，第二台阶30，圆孔D31,圆孔E32,槽B33,圆孔F34,信号发射天线35,电源开关36,充电指示灯37,充电座38。

具体实施方式

如图1及图2所示，本实用新型是一种集成式超声波传感器，是一种用于GIS局部放电检测的无线智能接触式超声波传感器，本实用新型包括一个传感器外壳1，接触式超声波传感器2，集成电路板Ⅰ3，集成电路板Ⅱ4，弹簧5，盖在传感器外壳1上的盖子6，电池7，压板Ⅰ8以及压板Ⅱ9。是在传感器外壳1上部连接盖子6，传感器外壳1内设有腔体13，传感器外壳1底面到传感器外壳1的内部腔体设有通道18；传感器外壳1上还设有电源开关36、充电指示灯37、充电座38及信号发射天线35；所述腔体13底部设有四个立柱，斜对角两个高度相同，自低而高分别连接集成电路板Ⅰ3和集成电路板Ⅱ4；集成电路板Ⅱ4和上部连接盖子6之间置有电池7；集成电路板Ⅱ4的下部依次连接弹簧5和接触式超声波传感器2；并使内置弹簧5和接触式超声波传感器2置于通道18内，使接触式超声波传感器2的另一端置于传感器外壳1外部；

如图4及图5所示，本实用新型中传感器外壳1采用机械强度较高的塑料作为材料，整体为方形，由于本实用新型是针对GIS使用，故传感器外壳1的底部设计成圆弧面10，能够保证测试时传感器与GIS更好的贴合在一起，以保证测试的质量，圆弧面10，的圆弧两端，分别有一个台阶11，两个台阶11完全相同，两个台阶11的底面上分别有三个相同的圆孔12，用来安装压板Ⅰ8和压板Ⅱ9，传感器外壳1的内部有一个方形的腔体13，腔体13的底部有四个圆柱形立柱，四个立柱的直径相同，但是两两之间的高度不同，分成两组，斜对角两个高度相同，其中高度较低的两个立柱A14，顶端分别有一个圆孔A15，用来安装集成电路板Ⅰ3，另外两个高度较高的立柱B16，顶端分别有一个圆孔B17，用来安装集成电路板Ⅱ4，圆弧面10，的中心部位到传感器外壳1的内部腔体，有一个圆柱形通道18，内直径与接触式超声波传感器2直径相同，用来安放接触式超声波传感器2及弹簧5，通道18位于传感器外壳1内部腔体部分的高度略低于立柱B16，通道壁上有一个缺口19，用来穿过接触式超声波传感器2的接头部位，腔体13底部与缺口19对应的有一个槽A20，用来安放接触式超声波传感器2的接头部位，以保证接触式超声波传感器2位于通道18足够深的部位，传感器外壳1中，侧面21上开设有两个矩形孔及一个圆孔，依次用来安装电源开关36、充电指示灯37及充电座38，另外一个侧边22上开设有一个圆孔F34，用来安装信号发射天线35。

见图2及图4，本实用新型中，接触式超声波传感器2整体为一个圆柱体，一端的圆弧面上伸出一个SMA接头A23，用一根同轴线缆与集成电路板Ⅰ3连接，接触式超声波传感器2安放于传感器外壳1中圆柱通道18中，接头A23从通道18的缺口19处伸出，最终安装完成后，接头A23的圆柱面与传感器外壳1中槽A20的底部接触，使接触式超声波传感器2不能再向通道18的更深处运动为止。弹簧5也安放于通道18内，底端紧贴接触式超声波传感器2的顶部，顶端顶在集成电路板Ⅱ4的面上。此种状态下，接触式超声波传感器2的底部平面略突出与传感器外壳1的圆弧面10，测试时，圆弧面10紧贴在GIS表面，从而对接触式超声波传感器2的底面有一个压紧的力，带动接触式超声波传感器2在通道18中向上滑动，然后对接触式超声波传感器2顶部的弹簧5有一个作用力，而在弹簧5的弹力下，使接触式超声波传感器2的底部能够紧紧的贴合在GIS的表面，使测试的结果更准确。

见图2、图3及图5，本实用新型中，集成电路板Ⅰ3和集成电路板Ⅱ4分上下两层安装，集成电路板Ⅰ3位于下面一层，安装于传感器外壳1中圆柱立柱A14的顶端，集成电路板Ⅰ3中心部位有一个圆孔C24，其直径略大于传感器外壳1中圆柱通道18的外壁直径，从而使通道18能顺利的从圆孔C24中穿过，围绕圆孔C24还设有四个孔，按直径分成两种，对角两个孔直径相同，两个直径较小的孔25对应立柱A14顶端的圆孔A15，用来固定集成电路板Ⅰ3，另外两个直径较大的孔26直径略大于传感器外壳1中圆柱立柱B16，安装集成电路板Ⅰ3的同时，使立柱B16能够顺利的从直径较大的孔26中穿过，集成电路板Ⅰ3下表面上焊接有一个SMA接头B27通过同轴线缆与接触式超声波传感器2中接头A23连接。

所述集成电路板Ⅱ4安装在集成电路板Ⅰ3的上面一层，位于传感器外壳1中圆柱立柱B16的顶部，集成电路板Ⅱ4上开设有两个孔28对应立柱B16顶端的圆孔B17，用来固定集成电路板Ⅱ4，集成电路板Ⅱ4的下表面上焊接有一个充电座38，安装完成后，充电座刚好从传感器外壳1的侧面21上对应开设的一个矩形孔内穿过，集成电路板Ⅰ3和集成电路板Ⅱ4之间焊接线缆用以连接，集成电路板Ⅱ4固定完成后，刚好压紧弹簧5的顶端，使弹簧5固定不动，从而可以把弹力施加在接触式超声波传感器2上进行测试。测试时，集成电路板对接触式超声波传感器接收到的信号进行处理后，通过信号发射天线35发送给终端设备进行分析从而得出结果。

见图2、图3及图6，本实用新型中，传感器的盖子6同样采用机械强度较高的塑料制作，内部有一个第二腔体29用来安放电池7，第二腔体29的两端有两个凸起的第二台阶30，两个第二台阶30的外尺寸与传感器外壳1中腔体13的内尺寸相同，盖子6盖在传感器外壳1的顶部，第二台阶30插入腔体13的内部，盖子6与传感器外壳1之间利用环氧树脂胶进行粘合固定，在二者所有的接触面上涂上环氧树脂胶后，盖子6盖在传感器外壳1顶部，压紧等环氧树脂胶凝固即可，电池7安放于第二腔体29的底部，盖子6盖好后，电池7的另一面与集成电路板Ⅱ4的上表面贴合，通过压紧的方式对电池7进行固定。

见图3及图7，本实用新型中，压板Ⅰ8为片状结构，其上开设三个圆孔D31，与传感器外壳1中台阶11上三个圆孔12对应，用来固定压板Ⅰ8，压板Ⅰ8的宽度与台阶11相同，厚度泽略小于台阶11的高度，靠近台阶11外端的两个角，做成圆角，圆角半径与传感器外壳1保持一致，压板Ⅱ9也为片状结构，但是其面积大于压板Ⅰ8，高度与压板Ⅰ8保持一致，其上同样开设有三个圆孔E32，与台阶11上三个圆孔12对应，用来固定压板Ⅱ9，圆孔E32的旁边，开设有一个长条形的槽B33，压板Ⅰ8和压板Ⅱ9分别固定在传感器外壳1中的两个台阶11上，当需要对一个GIS进行长期测试时，我们需要用到一条魔术贴带子，带子的一端压紧在压板Ⅰ8下面，然后把带子绕GIS一周后，另一端从压板Ⅱ9中的槽B33中穿过，拉紧后把魔术贴进行粘贴，即可快速的把整个传感器固定在GIS的表面进行测试，由于带子拉力的原因，压板Ⅰ8和压板Ⅱ9采用金属材料制作，防止拉力把二者拉坏。

本实用新型所用主要元件的作用如下：

接触式超声波传感器2：固定在传感器外壳1内部，用以接收GIS内部的局放超声波信号；

弹簧5：作用弹力在接触式超声波传感器2，使其可以紧贴在GIS的表面；

集成电路板Ⅰ3和集成电路板Ⅱ4：与接触式超声波传感器2连接，可以对接收到的局放信号进行各种处理；

盖子6：固定在传感器外壳1的开口面上，同时，其与集成电路板Ⅱ4一起起到固定电池7的作用；

外壳1：为所有元件提供固定支撑作用；

电源开关36：可以控制整个传感器的运行及关闭，充电座可以对供电的电池7进行充电，充电指示灯可以显示电池的充电状态，信号发射天线35可以把经过集成电路板Ⅰ3和集成电路板Ⅱ4处理后的信号发射给终端接收设备。

设计图

一种集成式超声波传感器论文和设计

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主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

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