基于無線傳輸?shù)碾妶鰪姸葴y量系統(tǒng)研究

鄭志生+何啟超

摘 要：該文研究了簡單和復雜電場中電場強度的測量方法，以及電場強度傳感信號的無線傳輸方法。設計了應用這些方法的電場強度測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用球形或平行板傳感器進行一維或三維電場測量，采用433MHz無線傳輸，采用單片機進行控制與信號處理，有很高的實用價值。

關鍵詞：電場強度 ?傳感器 ?無線傳輸 ?433MHz ?三維測量

中圖分類號：TM15 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（b）-0030-04

Research on Electric Field intensity Measurement System Based on Wireless Transmission

Zheng Zhisheng1 He Qichao2

（1.Dongguan Power Supply Bureau，Guangdong Grid Co， Dongguan Guangdong，523008，China;

2.Guangdong WeiHeng Power Transmission and Distribution Engineering Co. Ltd. Foshan Guangdong，528200，China）

Abstract：Electric field intensity measurement in sample and complex case is investigated in this paper， and a wireless transmission method of the electric field intensity signal is presented. Based on this method， an electric field intensity measurement system is designed. A globular or plant senor in this system is used to measure the one or three dimensional electric field intensity， and single-chip microcomputer is applied for the signal control and management with the wireless transmission of 433 MHz The system has practical application potential.

Key Words：Electric Field Intensity;Senor;Wireless Transmission;433MHz;Three-dimensional Measurement

電場空間中，“在任意點的電場強度是矢量，它等于位于該點單位正電荷所受的力?！妶鰪姸鹊拇笮∫悦棵椎姆財?shù)（V/m）來表示?！睖y量電場強度在理論研究、干擾分析、電磁環(huán)境評價與危害防護等方面有重要應用。

國家標準要求測量電場強度時，觀察者必須離探頭足夠遠，以避免使探頭處的電場有明顯的畸變;探頭的尺寸應保證產(chǎn)生電場的邊界面上的電荷分布沒有明顯的畸變。但現(xiàn)有的電場強度測量裝置或連接導線長，或體積大，或功耗高，都將造成干擾和被測電場的變化，使測量電場強度的不確定性增大。該文著重研究一種新的基于無線傳輸?shù)碾妶鰪姸葴y量系統(tǒng)，以解決電場強度測量中出現(xiàn)的干擾、尺寸與距離限制等問題，并方便測量及提高測量精度。

1 電場強度測量

使用傳感器測量電場強度。傳感器在待測電場的作用下，其金屬電極表面會感應出與待測電場同頻率變化的感應電荷，當傳感器的兩電極間接入一個測量電容時，感應電荷在電容上產(chǎn)生感應電壓，不管是在均勻場還是非均勻場中，待測電場強度都與此感應電壓成正比。

1.1 一維電場強度測量方法

一維傳感器采用球形探頭，由兩個金屬半球殼及測量電容Cs組成，結(jié)構如圖1所示，其優(yōu)點包括電場的畸變比較小，可避免尖端放電現(xiàn)象;容易計算球殼表面感應電荷與電場的關系;比平行板探頭的可測場強范圍大;可將內(nèi)置電路置于空心探頭內(nèi)，利用金屬外殼的屏蔽作用來提高抗干擾能力。

設待測電場為E0（t），參考圖1，則一個半球上的感應電荷Qs（t）為

（1）

式中，ε為介電常數(shù);r為球半徑。

感應電荷Qs（t）在測量電容Cs上產(chǎn)生感應電壓Us（t）為

（2）

將式（1）代入式（2）可得，

（3）

即測量電容上的感應電壓可計算出待測電場的電場強度。

1.2 三維電場強度測量方法

在電場分布復雜的環(huán)境中（如變電站內(nèi)），必須測量空間矢量的三維電場并計算出合成值，才能真正指示出測量點的實際電場強度值。

三維傳感器采用一組三個平行板探頭，以極板垂直方向正交放置，具有加工制作簡單，方向性好，相互干擾小的優(yōu)點。實際工程應用中，當平行板探頭的幾何形狀小到對整個電場空間來說可以忽略時，可認為該傳感器的存在不會造成待測電場分布的變化。單個平行板探頭結(jié)構如圖2所示，安放位置如圖3所示。

設待測電場為E0（t），參考圖2，則一個極板上的感應電荷Q p（t）為

（4）

式中，k是與幾何形狀有關的系數(shù)，由校準來決定。

感應電荷Qp（t）在測量電容Cp上產(chǎn)生感應電壓Up（t）為

（5）

將式（4）代入式（5）可得，

（6）

可知，同樣通過測量電容上的感應電壓得到待測電場的電場強度。

設測量點三個方向的場強大小分別為Ex、Ey、Ez，則合成場強的大小為

（7）

2 無線傳輸

將探頭（含采樣轉(zhuǎn)換單元）與顯示/數(shù)據(jù)分析單元分離，僅留探頭在待測電場內(nèi)，可有效縮小探頭尺寸，減小測量設備對待測電場的影響。探頭采集的信號傳輸給顯示單元可采用有線、無線等多種方式。

2.1 無線傳輸?shù)膬?yōu)勢

較之有線傳輸，信號的無線傳輸有明顯的優(yōu)勢：

（1）有線傳輸使用的連接導線會引起待測電場分布的變化，而無線傳輸不會干擾待測電場;

（2）有線傳輸?shù)臏y量距離受連接線的限制，而無線傳輸可獲得更長的測量距離，更易保證測量人員的安全;

（3）多點同時測量時，有線傳輸布線復雜，而無線傳輸可靈活布點;

（4）無線傳輸?shù)陌l(fā)送端和接收端完全電隔離，接收端的電位不會影響測試的電場強度信號。

2.2 無線傳輸實用技術

作為傳感器使用的無線傳輸方式，其傳輸距離相對短（最大不過幾十、上百米），傳輸?shù)男盘査俾瘦^低，帶寬要求不高，因此考慮使用簡單的無線通信系統(tǒng)來完成傳輸，以使整個系統(tǒng)簡化，降低成本。

發(fā)射模塊、接收模塊和無線電波即構成一個簡單的無線通信系統(tǒng)。目前主流的無線通信技術包括ZigBee和433技術等，該文選用433技術。原因在于433 MHz工作頻段相對比較干凈，沒有太多干擾，而且433 MHz工作頻率低，繞射性能好，傳輸距離長，傳輸時耗損小。433 MHz無線收發(fā)模塊集成度高，技術成熟。

3 系統(tǒng)設計與調(diào)試

基于無線傳輸?shù)碾妶鰪姸葴y量系統(tǒng)的整體設計方案如圖4所示。其中，前端（置于待測電場內(nèi)）包括傳感器、采樣及轉(zhuǎn)換電路、無線發(fā)射模塊、電池等。

3.1 系統(tǒng)功能設計

根據(jù)實際測量環(huán)境選用1.1或1.2節(jié)涉及的傳感器。采樣電容信號直接通過電壓跟隨電路和濾波電路后，進入單片機A/D進行采集，記錄一個周期（20 ms）內(nèi)的感應電壓信號。采樣信號放大、低通濾波以及AC/DC轉(zhuǎn)換電路如圖5所示，主程序流程如圖6所示。

選用SRWF-508型無線數(shù)傳模塊作無線傳輸，該模塊中心頻率433 MHz，采用高效FEC前向糾錯技術結(jié)合高性能的無線射頻IC，并與高速微處理器相結(jié)合，具有抗干擾能力強、全透明傳輸、體積小、功耗低、傳輸距離遠的特點，且使用時不需要任何編碼技術。

為保證系統(tǒng)能在復雜電磁環(huán)境中正常工作，設計中采用了雙重校驗方式對數(shù)據(jù)的合法性進行檢測，發(fā)生丟包時重新啟動一次握手和數(shù)據(jù)傳輸，保證接收的數(shù)據(jù)正確。同時降低通訊速率，提高通訊穩(wěn)定性。

前端測量單元采用鋰電池（12.6 V4Ah）供電，通過DC/DC轉(zhuǎn)換為±12 V（供放大電路）、5 V（供無線通訊模塊）和3.3 V（供單片機）。電場信號采集電路采用浮地方式，即電場傳感器的兩個電極連到放大器的差分輸入端，首先作阻抗變換，該電路的輸出負端與模擬地相連，數(shù)字電路與模擬電路分別有獨立的地線，再通過一個0歐姆電阻連接形成參考地，與外部大地無關。

使用單片機STM32對信號進行處理，實現(xiàn)傳感器的線性修正及性能補償，減少系統(tǒng)誤差，提高測量精度和可靠性。同時，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、處理與顯示。單片機電路如圖7所示，軟件結(jié)構如圖8所示。

3.2 系統(tǒng)調(diào)試

參考國標GB/T 12720-91《工頻電場測量》的規(guī)定制作了一套標準電場發(fā)生裝置，上下極板均為1.2 m×1.2 m的鍍鋅鋼板，兩塊極板間距0.6 m。以此對電場傳感器進行了標定。如圖9所示。標定數(shù)據(jù)見表1（傳感器置于46 cm處）。

數(shù)據(jù)可見，系統(tǒng)測量誤差小。采集單元和接收單元在移動過程中，數(shù)據(jù)采集正常，數(shù)據(jù)傳輸正常。電場強度測量值幾乎同時響應，基本沒有延時。用JSJ-800TYPE超高壓直流脈沖自衛(wèi)器作為干擾源，在測量單元四周干擾，沒有出現(xiàn)通訊異常，數(shù)據(jù)顯示正常。

4 結(jié)語

基于無線傳輸?shù)碾妶鰪姸葴y量系統(tǒng)達到設計要求，其電場強度指標為測量范圍0～100 kV/m;測量精度優(yōu)于±10%。經(jīng)某變電站試用證明該系統(tǒng)有很高的實用價值?？蛇M一步完善系統(tǒng)設計，如考慮溫度和濕度的變化對電場強度產(chǎn)生的影響、分布式電場強度測量等。

參考文獻

[1] GB/T 12720-91工頻電場測量[S].中國標準出版社，2007.

[2] GBZ 2007—2007工作場所有害因素職業(yè)接觸限值[S].北京：人民衛(wèi)生出版社，2007.

[3] 汪金剛，林偉，李健，等.電容式交變電場傳感器與工頻電場檢測試驗研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2010，29（9）：21-23，26.

[4] 胡澤文.工頻電場測量方法和傳感器的研究[D].重慶：重慶大學碩士學位論文，2010.

[5] 李快快，張東.一種433MHz無線傳感器網(wǎng)絡的設計與應用[J].信息技術. 2014（1）：131-134.

[6] 陳國文.球形二維工頻電場測量系統(tǒng)研究[D].北京：華北電力大學，2012： 8-12.

[7] 李群芳，黃建.單片微型計算機與接口技術[M].電子工業(yè)出版社，2001.74-83.

[8] 俞集輝，鄭亞利，徐祿文，等.溫度、濕度對工頻電場強度的影響[J].重慶大學學報，自然科學版，2009（2）：137-140.

[9] 史毓堯.點電荷電場中導體球面上的感應電荷分布[J].河北師范大學學報，1986（S1）.

[10] 張星，白強.小型三維電場傳感器設計與測試[J].電子與信息學報，2007（4）：1002-1004.

[11] 蔣國雄，張源斌.無源電場測量儀在工頻電場測試中的應用[J].中國電力，1988，15（3）：56-58.

[12] 晉文杰.數(shù)字式工頻電場、磁場校準系統(tǒng)的研究[D].西安：西安交通大學，2010.

[13] 羅福山，何渝暉，張華偉，等.電場的標定方法[J].空間科學學報，2007，27（3）：223-226.

[14] 李清泉，劉健，李彥明.基于光纖的測量瞬態(tài)電場的球形傳感器[J].傳感器技術，2002，21（3）：14-16.

[15] 潘琢金，施國君.C8051FXXX高速SOC單片機原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[16] GB/T 12720—91.工頻電場測量[S].GB/T 1272091.

可知，同樣通過測量電容上的感應電壓得到待測電場的電場強度。

設測量點三個方向的場強大小分別為Ex、Ey、Ez，則合成場強的大小為

（7）

2 無線傳輸

將探頭（含采樣轉(zhuǎn)換單元）與顯示/數(shù)據(jù)分析單元分離，僅留探頭在待測電場內(nèi)，可有效縮小探頭尺寸，減小測量設備對待測電場的影響。探頭采集的信號傳輸給顯示單元可采用有線、無線等多種方式。

2.1 無線傳輸?shù)膬?yōu)勢

較之有線傳輸，信號的無線傳輸有明顯的優(yōu)勢：

（1）有線傳輸使用的連接導線會引起待測電場分布的變化，而無線傳輸不會干擾待測電場;

（2）有線傳輸?shù)臏y量距離受連接線的限制，而無線傳輸可獲得更長的測量距離，更易保證測量人員的安全;

（3）多點同時測量時，有線傳輸布線復雜，而無線傳輸可靈活布點;

（4）無線傳輸?shù)陌l(fā)送端和接收端完全電隔離，接收端的電位不會影響測試的電場強度信號。

2.2 無線傳輸實用技術

作為傳感器使用的無線傳輸方式，其傳輸距離相對短（最大不過幾十、上百米），傳輸?shù)男盘査俾瘦^低，帶寬要求不高，因此考慮使用簡單的無線通信系統(tǒng)來完成傳輸，以使整個系統(tǒng)簡化，降低成本。

發(fā)射模塊、接收模塊和無線電波即構成一個簡單的無線通信系統(tǒng)。目前主流的無線通信技術包括ZigBee和433技術等，該文選用433技術。原因在于433 MHz工作頻段相對比較干凈，沒有太多干擾，而且433 MHz工作頻率低，繞射性能好，傳輸距離長，傳輸時耗損小。433 MHz無線收發(fā)模塊集成度高，技術成熟。

3 系統(tǒng)設計與調(diào)試

基于無線傳輸?shù)碾妶鰪姸葴y量系統(tǒng)的整體設計方案如圖4所示。其中，前端（置于待測電場內(nèi)）包括傳感器、采樣及轉(zhuǎn)換電路、無線發(fā)射模塊、電池等。

3.1 系統(tǒng)功能設計

根據(jù)實際測量環(huán)境選用1.1或1.2節(jié)涉及的傳感器。采樣電容信號直接通過電壓跟隨電路和濾波電路后，進入單片機A/D進行采集，記錄一個周期（20 ms）內(nèi)的感應電壓信號。采樣信號放大、低通濾波以及AC/DC轉(zhuǎn)換電路如圖5所示，主程序流程如圖6所示。

選用SRWF-508型無線數(shù)傳模塊作無線傳輸，該模塊中心頻率433 MHz，采用高效FEC前向糾錯技術結(jié)合高性能的無線射頻IC，并與高速微處理器相結(jié)合，具有抗干擾能力強、全透明傳輸、體積小、功耗低、傳輸距離遠的特點，且使用時不需要任何編碼技術。

為保證系統(tǒng)能在復雜電磁環(huán)境中正常工作，設計中采用了雙重校驗方式對數(shù)據(jù)的合法性進行檢測，發(fā)生丟包時重新啟動一次握手和數(shù)據(jù)傳輸，保證接收的數(shù)據(jù)正確。同時降低通訊速率，提高通訊穩(wěn)定性。

前端測量單元采用鋰電池（12.6 V4Ah）供電，通過DC/DC轉(zhuǎn)換為±12 V（供放大電路）、5 V（供無線通訊模塊）和3.3 V（供單片機）。電場信號采集電路采用浮地方式，即電場傳感器的兩個電極連到放大器的差分輸入端，首先作阻抗變換，該電路的輸出負端與模擬地相連，數(shù)字電路與模擬電路分別有獨立的地線，再通過一個0歐姆電阻連接形成參考地，與外部大地無關。

使用單片機STM32對信號進行處理，實現(xiàn)傳感器的線性修正及性能補償，減少系統(tǒng)誤差，提高測量精度和可靠性。同時，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、處理與顯示。單片機電路如圖7所示，軟件結(jié)構如圖8所示。

3.2 系統(tǒng)調(diào)試

參考國標GB/T 12720-91《工頻電場測量》的規(guī)定制作了一套標準電場發(fā)生裝置，上下極板均為1.2 m×1.2 m的鍍鋅鋼板，兩塊極板間距0.6 m。以此對電場傳感器進行了標定。如圖9所示。標定數(shù)據(jù)見表1（傳感器置于46 cm處）。

數(shù)據(jù)可見，系統(tǒng)測量誤差小。采集單元和接收單元在移動過程中，數(shù)據(jù)采集正常，數(shù)據(jù)傳輸正常。電場強度測量值幾乎同時響應，基本沒有延時。用JSJ-800TYPE超高壓直流脈沖自衛(wèi)器作為干擾源，在測量單元四周干擾，沒有出現(xiàn)通訊異常，數(shù)據(jù)顯示正常。

4 結(jié)語

基于無線傳輸?shù)碾妶鰪姸葴y量系統(tǒng)達到設計要求，其電場強度指標為測量范圍0～100 kV/m;測量精度優(yōu)于±10%。經(jīng)某變電站試用證明該系統(tǒng)有很高的實用價值?？蛇M一步完善系統(tǒng)設計，如考慮溫度和濕度的變化對電場強度產(chǎn)生的影響、分布式電場強度測量等。

參考文獻

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[7] 李群芳，黃建.單片微型計算機與接口技術[M].電子工業(yè)出版社，2001.74-83.

[8] 俞集輝，鄭亞利，徐祿文，等.溫度、濕度對工頻電場強度的影響[J].重慶大學學報，自然科學版，2009（2）：137-140.

[9] 史毓堯.點電荷電場中導體球面上的感應電荷分布[J].河北師范大學學報，1986（S1）.

[10] 張星，白強.小型三維電場傳感器設計與測試[J].電子與信息學報，2007（4）：1002-1004.

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[12] 晉文杰.數(shù)字式工頻電場、磁場校準系統(tǒng)的研究[D].西安：西安交通大學，2010.

[13] 羅福山，何渝暉，張華偉，等.電場的標定方法[J].空間科學學報，2007，27（3）：223-226.

[14] 李清泉，劉健，李彥明.基于光纖的測量瞬態(tài)電場的球形傳感器[J].傳感器技術，2002，21（3）：14-16.

[15] 潘琢金，施國君.C8051FXXX高速SOC單片機原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[16] GB/T 12720—91.工頻電場測量[S].GB/T 1272091.

可知，同樣通過測量電容上的感應電壓得到待測電場的電場強度。

設測量點三個方向的場強大小分別為Ex、Ey、Ez，則合成場強的大小為

（7）

2 無線傳輸

將探頭（含采樣轉(zhuǎn)換單元）與顯示/數(shù)據(jù)分析單元分離，僅留探頭在待測電場內(nèi)，可有效縮小探頭尺寸，減小測量設備對待測電場的影響。探頭采集的信號傳輸給顯示單元可采用有線、無線等多種方式。

2.1 無線傳輸?shù)膬?yōu)勢

較之有線傳輸，信號的無線傳輸有明顯的優(yōu)勢：

（1）有線傳輸使用的連接導線會引起待測電場分布的變化，而無線傳輸不會干擾待測電場;

（2）有線傳輸?shù)臏y量距離受連接線的限制，而無線傳輸可獲得更長的測量距離，更易保證測量人員的安全;

（3）多點同時測量時，有線傳輸布線復雜，而無線傳輸可靈活布點;

（4）無線傳輸?shù)陌l(fā)送端和接收端完全電隔離，接收端的電位不會影響測試的電場強度信號。

2.2 無線傳輸實用技術

作為傳感器使用的無線傳輸方式，其傳輸距離相對短（最大不過幾十、上百米），傳輸?shù)男盘査俾瘦^低，帶寬要求不高，因此考慮使用簡單的無線通信系統(tǒng)來完成傳輸，以使整個系統(tǒng)簡化，降低成本。

發(fā)射模塊、接收模塊和無線電波即構成一個簡單的無線通信系統(tǒng)。目前主流的無線通信技術包括ZigBee和433技術等，該文選用433技術。原因在于433 MHz工作頻段相對比較干凈，沒有太多干擾，而且433 MHz工作頻率低，繞射性能好，傳輸距離長，傳輸時耗損小。433 MHz無線收發(fā)模塊集成度高，技術成熟。

3 系統(tǒng)設計與調(diào)試

基于無線傳輸?shù)碾妶鰪姸葴y量系統(tǒng)的整體設計方案如圖4所示。其中，前端（置于待測電場內(nèi)）包括傳感器、采樣及轉(zhuǎn)換電路、無線發(fā)射模塊、電池等。

3.1 系統(tǒng)功能設計

根據(jù)實際測量環(huán)境選用1.1或1.2節(jié)涉及的傳感器。采樣電容信號直接通過電壓跟隨電路和濾波電路后，進入單片機A/D進行采集，記錄一個周期（20 ms）內(nèi)的感應電壓信號。采樣信號放大、低通濾波以及AC/DC轉(zhuǎn)換電路如圖5所示，主程序流程如圖6所示。

選用SRWF-508型無線數(shù)傳模塊作無線傳輸，該模塊中心頻率433 MHz，采用高效FEC前向糾錯技術結(jié)合高性能的無線射頻IC，并與高速微處理器相結(jié)合，具有抗干擾能力強、全透明傳輸、體積小、功耗低、傳輸距離遠的特點，且使用時不需要任何編碼技術。

為保證系統(tǒng)能在復雜電磁環(huán)境中正常工作，設計中采用了雙重校驗方式對數(shù)據(jù)的合法性進行檢測，發(fā)生丟包時重新啟動一次握手和數(shù)據(jù)傳輸，保證接收的數(shù)據(jù)正確。同時降低通訊速率，提高通訊穩(wěn)定性。

前端測量單元采用鋰電池（12.6 V4Ah）供電，通過DC/DC轉(zhuǎn)換為±12 V（供放大電路）、5 V（供無線通訊模塊）和3.3 V（供單片機）。電場信號采集電路采用浮地方式，即電場傳感器的兩個電極連到放大器的差分輸入端，首先作阻抗變換，該電路的輸出負端與模擬地相連，數(shù)字電路與模擬電路分別有獨立的地線，再通過一個0歐姆電阻連接形成參考地，與外部大地無關。

使用單片機STM32對信號進行處理，實現(xiàn)傳感器的線性修正及性能補償，減少系統(tǒng)誤差，提高測量精度和可靠性。同時，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、處理與顯示。單片機電路如圖7所示，軟件結(jié)構如圖8所示。

3.2 系統(tǒng)調(diào)試

參考國標GB/T 12720-91《工頻電場測量》的規(guī)定制作了一套標準電場發(fā)生裝置，上下極板均為1.2 m×1.2 m的鍍鋅鋼板，兩塊極板間距0.6 m。以此對電場傳感器進行了標定。如圖9所示。標定數(shù)據(jù)見表1（傳感器置于46 cm處）。

數(shù)據(jù)可見，系統(tǒng)測量誤差小。采集單元和接收單元在移動過程中，數(shù)據(jù)采集正常，數(shù)據(jù)傳輸正常。電場強度測量值幾乎同時響應，基本沒有延時。用JSJ-800TYPE超高壓直流脈沖自衛(wèi)器作為干擾源，在測量單元四周干擾，沒有出現(xiàn)通訊異常，數(shù)據(jù)顯示正常。

4 結(jié)語

基于無線傳輸?shù)碾妶鰪姸葴y量系統(tǒng)達到設計要求，其電場強度指標為測量范圍0～100 kV/m;測量精度優(yōu)于±10%。經(jīng)某變電站試用證明該系統(tǒng)有很高的實用價值?？蛇M一步完善系統(tǒng)設計，如考慮溫度和濕度的變化對電場強度產(chǎn)生的影響、分布式電場強度測量等。

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