本发明涉及电力设备监测，具体为一种用于高压断路器的非接触式角位移传感器。
背景技术：
1、高压断路器作为线路故障时能及时切断电路的设备，在电力系统中起到关键的控制和保护作用，操作机构是高压断路器中的重要组成部分，通过能量转换、联动和释放操作实现合闸、保持、分闸、合分、重合闸、自由脱扣和复位功能，由于该机械部分长时间工作在高电压的恶劣环境中，随着运行时间和分合闸次数增加，容易发生故障，所以针对高压断路器操作机构的在线监测成为目前电力行业的一项重要工作。
2、现有的高压断路器操作机构监测传感器一般有三种：1.基于物理连接的接触式传感器，该传感器与旋转轴直接相连，通过测量旋转电阻发生的变化得到角度信息，该方式于旋转轴直接物理接触，会对操作机构运行造成影响，接触式测量也给整个系统引入了额外的磨损和摩擦；2.基于光电编码器原理的光栅传感器，该传感器需要在旋转轴上安装活动部件，且由于其内部需要高精度光栅，成本较高，对生产的安装精度和洁净度有严格要求；经长时间使用，红外二极管的光衰减也会对其寿命造成影响；3.基于激光测量原理的光学检测传感器，该传感器属于非接触式测量，纯光学信号不受任何电磁干扰影响，但是由于高压断路器内部结构复杂且操作机构连接轴种类繁多，光学检测在精确度和适用性上均存在缺陷。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种用于高压断路器的非接触式角位移传感器，以解决上述背景技术中提出的问题。
2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种用于高压断路器的非接触式角位移传感器，包括以下部件：防水4芯航插、传感器壳体、密封圈、电路板、gmr巨磁阻、永磁磁钢、磁钢座和旋转轴，所述防水4芯航插，插入传感器壳体上的接口，并用螺纹锁紧；所述传感器壳体安装在旋转轴的顶部，并与永磁磁钢同心；所述密封圈安装在传感器壳体的结合处；所述电路板安装在传感器壳体内，并通过电缆将其与gmr巨磁阻连接；所述gmr巨磁阻固定在电路板上；所述永磁磁钢安装在磁钢座上，使永磁磁钢随旋转轴一起旋转，产生变化的磁场；所述磁钢座固定在旋转轴上，并与旋转轴同心。
3、进一步的，所述传感器壳体使用非导磁材料，内部密封圈设计，具有ip67级防水防尘性能，通过4芯防水航插对外连接。
4、进一步的，所述永磁磁钢直径为10mm，厚度为3mm，由铁、铝、镍、钴强金属合成。
5、进一步的，所述电路板包括adc单元和低功耗单片机主控，所述adc单元对模拟信号进行采样、量化和编码，从而生成与原始模拟信号成比例的数字信号；所述低功耗单片机主控处理adc单元生成的数字信号，并对其进行分析处理。
6、进一步的，所述一种用于高压断路器的非接触式角位移传感器的低功耗单片机主控系统包括：数据采集模块、存储模块和信号处理模块；所述数据采集模块从gmr巨磁阻采集电阻变化信号；所述存储模块存储gmr巨磁阻采集的电阻变化信号和经过adc单元采样、量化和编码后的数字信号；所述信号处理模块处理惠斯通电桥输出的两组相差90度的正弦波信号，并通过adc单元将模拟信号转换为数字信号。
7、进一步的，所述数据采集模块通过永磁磁钢在旋转轴上旋转时产生的磁场变化，gmr巨磁阻感应到磁场变化并产生电阻变化，采集电阻变化信号，并通过adc单元将模拟信号转换为数字信号，这个过程确保了旋转轴的角度变化能够被实时地检测和记录，为后续的数据处理提供了数字信号基础。
8、进一步的，所述信号处理模块基于惠斯通电桥的结构，将电阻变化转换为两组相差90度的正弦波输出信号，通过adc单元采样电阻值得到施加磁场方向向量的x轴和y轴分量，惠斯通电桥输出信号计算公式如下所示：
9、
10、其中，vout表示非接触式角位移传感器的惠斯通电桥输出电压，vin表示非接触式角位移传感器的惠斯通电桥输入电压，r1、r2、r3和r4是非接触式角位移传感器的惠斯通电桥四个电阻，r2和r4是非接触式角位移传感器中受gmr巨磁阻影响的电阻；
11、将模拟电压信号通过adc单元转换为数字信号的公式如下所示：
12、
13、其中，adcout表示非接触式角位移传感器的输入电压信号，vout表示非接触式角位移传感器的输入到adc单元的模拟电压信号，vref表示非接触式角位移传感器的adc单元的参考电压，4095表示12位adc单元的最大值；
14、使用arctan(y，x)三角函数计算角度公式如下所示：
15、
16、其中，α是非接触式角位移传感器的旋转轴在测量开始时的初始角度，表示非接触式角位移传感器在初始角度时y轴方向上的电压信号分量，表示非接触式角位移传感器在初始角度时x轴方向上的电压信号分量；
17、结束角度计算公式如下所示：
18、
19、其中，β是非接触式角位移传感器的旋转轴在测量结束时的角度，表示非接触式角位移传感器在结束角度时y轴方向上的电压信号分量，表示非接触式角位移传感器在结束角度时x轴方向上的电压信号分量，通过惠斯通电桥结构和gmr巨磁阻元件实现了角度测量，能够将电阻变化转换为两组正交的正弦波电压信号，并通过adc单元将模拟信号转换为数字信号，实现了信号的量化和离散化，能够实时监测和记录旋转轴的角度变化，基于惠斯通电桥的结构抵消环境噪声和电压偏移，确保输出信号的稳定性和可靠性。
20、进一步的，高压断路器包括操作机构，所述操作机构执行高压断路器的切换操作，传感器实时计算角度，并从角度变化时开始计时，直到角度不变后停止计时，得到每次操作机构动作时间δt：
21、δt＝tstop-tstart
22、其中，δt表示非接触式角位移传感器的操作机构动作时间，tstop表示非接触式角位移传感器的角度结束变化时间，tstart表示非接触式角位移传感器的角度开始变化时间；
23、通过计算非接触式角位移传感器的开始和结束的角度差，得到非接触式角位移传感器的旋转轴旋转角度差值，计算公式如下：
24、当非接触式角位移传感器的旋转结束角度值β大于旋转开始时角度值α时，公式如下所示：
25、δθ＝β-α
26、当非接触式角位移传感器的旋转结束角度值β小于旋转开始时角度值α时，公式如下所示：
27、δθ＝(β+360)-α
28、其中β为非接触式角位移传感器的旋转结束角度值，α为非接触式角位移传感器的旋转开始时角度值，δθ为非接触式角位移传感器的旋转角度差值；
29、用非接触式角位移传感器的旋转角度除以动作时间，获得每次动作主轴的角速度ω，计算公式如下：
30、
31、其中，ω表示非接触式角位移传感器的每次动作主轴的角速度，δθ为非接触式角位移传感器的旋转角度差值，δt表示非接触式角位移传感器的操作机构动作时间，通过低功耗单片机主控实时计算角度并计时，直到角度不变后停止计时，获取每次操作机构的动作时间，并进一步计算旋转角度差和角速度，实现了动作时间测量、角度差计算和实时角速度计算，能够实时监测和记录高压断路器的角度变化。
32、将待测的gmr巨磁阻传感器固定安装在newport高精度旋转台上，使其能够检测旋转台的角度变化；将传感器的输出信号连接到惠斯通电桥和adc单元，以实时记录传感器的输出信号；使用控制器设定旋转角度步进0.01度；逐步旋转高精度旋转台，记录每个步进角度的传感器输出信号。在每个角度步进下进行10次测量，以验证重复性和稳定性；计算每个步进角度的绝对误差和相对误差，分析传感器的测量精度：
33、绝对误差计算公式如下所示：
34、eabs＝|θmeasures-θactual|
35、其中，eabs表示传感器测量的角度值与实际角度值之间的差异，θmeasures表示传感器在检测旋转轴的角位移时输出的角度数据，θactual表示newport高精度旋转台获得的真实角度；
36、相对误差计算公式如下所示：
37、
38、其中，erel表示绝对误差相对于实际角度值的百分比，eabs表示传感器测量的角度值与实际角度值之间的差异，θactual示newport高精度旋转台获得的真实角度；
39、重复性误差计算公式如下所示：
40、
41、其中，erep表示传感器在相同条件下多次测量的离散程度，θi表示第i次传感器测得的角度值，表示多次测量的平均角度值。
42、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
43、本发明针对现有高压断路器角位移传感器存在的不足进行改进，测量速度最高可达20000次/秒，能够快速响应高压断路器的操作，提供实时的角位移数据，测量精度高，分辨率可达0.01度，确保高压断路器操作状态的精确监测，无活动器件，不会影响高压断路器操作机构的动作，非接触式传感器通过电磁感应进行角度测量，无需与旋转轴直接接触，避免机械磨损和摩擦，延长传感器使用寿命，不影响操作机构运行，无红外二极管等光学部件，不存在光衰减，使用寿命长，可靠性高，传感器壳体设计为ip67级防水防尘性能，不受灰尘、油渍等环境影响，确保在各种复杂工作环境中的稳定运行，定制磁钢直径10mm，厚3mm，体积小巧，使用铁、铝、镍、钴强金属合成，磁性能强，一经磁化即能保持恒定的磁性，仅需在旋转轴内部安装永磁磁钢，传感器本身与操作机构分离，安装实施方便，无需对现有设备进行大量改动，维护成本低，降低运行成本，提高整体经济效益，磁钢座将磁钢固定于断路器主旋转轴上，传感器通过安装底座安装在断路器内壁上，传感器与磁钢的间距范围可以从1mm至12mm，可根据不同的断路器结构设计对应的安装底座，实施方便，结构简单，性能好，且成本较低，电磁检测技术对环境适应性强，能够有效抵抗电磁干扰，适用于高压断路器的复杂工作环境，保证测量数据的准确性和稳定性。
1.一种用于高压断路器的非接触式角位移传感器，其特征在于，包括以下部件：防水4芯航插(1)、传感器壳体(2)、密封圈(3)、电路板(4)、gmr巨磁阻(5)、永磁磁钢(6)、磁钢座(7)和旋转轴(8)，所述防水4芯航插(1)，插入传感器壳体(2)上的接口，并用螺纹锁紧；所述传感器壳体(2)安装在旋转轴(8)的顶部，并与永磁磁钢(6)同心；所述密封圈(3)安装在传感器壳体(2)的结合处；所述电路板(4)安装在传感器壳体(2)内，并通过电缆将其与gmr巨磁阻(5)连接；所述gmr巨磁阻(5)固定在电路板(4)上；所述永磁磁钢(6)安装在磁钢座(7)上，使永磁磁钢(6)随旋转轴(8)一起旋转，产生变化的磁场；所述磁钢座(7)固定在旋转轴(8)上，并与旋转轴(8)同心。
2.根据权利要求1所述的一种用于高压断路器的非接触式角位移传感器，其特征在于：所述传感器壳体(2)使用非导磁材料，内部密封圈设计，具有ip67级防水防尘性能，通过4芯防水航插(1)对外连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于高压断路器的非接触式角位移传感器，其特征在于：所述永磁磁钢(6)直径为10mm，厚度为3mm，由铁、铝、镍、钴强金属合成。
4.根据权利要求1所述的一种用于高压断路器的非接触式角位移传感器，其特征在于：所述电路板(4)包括adc单元和低功耗单片机主控，所述adc单元对模拟信号进行采样、量化和编码，从而生成与原始模拟信号成比例的数字信号；所述低功耗单片机主控处理adc单元生成的数字信号，并对其进行分析处理。
5.根据权利要求4所述的一种用于高压断路器的非接触式角位移传感器，其特征在于：所述一种用于高压断路器的非接触式角位移传感器的低功耗单片机主控系统包括：数据采集模块、存储模块和信号处理模块；所述数据采集模块从gmr巨磁阻(5)采集电阻变化信号；所述存储模块存储gmr巨磁阻(5)采集的电阻变化信号和经过adc单元采样、量化和编码后的数字信号；所述信号处理模块处理惠斯通电桥输出的两组相差90度的正弦波信号，并通过adc单元将模拟信号转换为数字信号。
6.根据权利要求5所述的一种用于高压断路器的非接触式角位移传感器，其特征在于：所述数据采集模块通过永磁磁钢(6)在旋转轴(8)上旋转时产生的磁场变化，gmr巨磁阻(5)感应到磁场变化并产生电阻变化，采集电阻变化信号。
7.根据权利要求5所述的一种用于高压断路器的非接触式角位移传感器，其特征在于：所述信号处理模块基于惠斯通电桥的结构，将电阻变化转换为两组相差90度的正弦波输出信号，通过adc单元采样电阻值得到施加磁场方向向量的x轴和y轴分量，惠斯通电桥输出信号计算公式如下所示：
8.根据权利要求7所述的一种用于高压断路器的非接触式角位移传感器，其特征在于：所述高压断路器包括操作机构，所述操作机构执行高压断路器的切换操作，传感器实时计算角度，并从角度变化时开始计时，直到角度不变后停止计时，得到每次操作机构动作时间δt：
