基于高速解調電路的新型手持式工頻電場檢測系統*

唐立軍， 顧植彬， 彭春榮， 李 維

(1.云南電網公司 電力科學研究院，云南 昆明 650217；2.中國科學院 電子學研究所 傳感器技術國家重點實驗室，北京 100190；3.中國科學院大學，北京 100190)

0 引 言

隨著電力系統的高速發展，高壓(特高壓)輸電線路日益增多,而高壓輸電線路的強電場環境對線路作業人員和附近居民的健康構成了威脅，由于缺少相應的檢測設備而引發事故和糾紛屢見不鮮[1～4]。同時輸電線路如果發生故障(缺相或相位異常)，會引起線路電場發生改變，可以通過對輸電線路工頻電場檢測和對比進行故障判斷[5～8]。綜上，輸電線路工頻電場檢測在強電磁場暴露安全防護、輸電線路故障判斷等方面有著十分重要的應用價值。

目前，工頻電場檢測主要采用傳統的電荷感應式電場傳感器，與傳統的電場傳感器相比[9]，微機電系統(micro-electro-mechanical system，MEMS)微型電場傳感器[10～12]具有體積小、空間分辨率高、功耗低等優點。

本文針對MEMS電場傳感器空間尺寸小，感應信號微弱，串擾噪聲強，信噪比低，設計了前置放大電路和快速模擬解調電路對感應信號進行放大、濾波和解調處理，得到反映工頻電場大小的正弦信號。基于ARM微控制器設計信號的處理和無線發射模塊，通過藍牙發送至上位機顯示。

輸電線路下的工頻電場檢測實驗表明：系統具有良好的檢測性能，檢測結果與先進的Narda電場測量儀具有較好的一致性。

1 電線路工頻電場檢測系統

圖1為輸電線路工頻電場檢測系統的結構框圖，主要包括：MEMS電場敏感芯片、前置放大電路、模擬解調電路、驅動電路、中心處理模塊和上位機。采用直接數字式頻率合成器 (direct digital synthesizer,DDS)產生高頻的驅動信號，使MEMS屏蔽電極周期高頻振動，調制工頻電場，產生感應電流信號。電流信號經過前置放大電路和模擬解調電路處理，基于ARM芯片完成數據采集和處理，通過藍牙傳輸至上位機，實時顯示和存儲電場大小。藍牙無線傳輸保證了MEMS電場傳感器探頭與地隔離，測量不受地電勢的影響，提高了測量的準確性，也提高了系統的安全性。

圖1 系統框圖

1.1 MEMS電場敏感結構

諧振式MEMS電場敏感芯片主要由驅動電極、屏蔽電極、感應電極和支撐梁4部分組成[12]。屏蔽電極接地，感應電極與檢測電路相連接，外加電場的作用下，驅動電極施加3kHz(共振頻率)的正弦驅動信號，帶動屏蔽電極左右周期振動，根據高斯定律，感應電極上的感應電荷隨之發生改變，因此，當屏蔽電極周期性地在正負感應電極之間振動，感應電極上電荷發生交替變化，產生微弱的感應電流。

1.2 前置放大電路

如圖2所示，采用兩級放大電路對微弱的差分電流信號轉換放大；第一級采用互阻抗放大器對差分電流信號進行I/V轉換；第二級采用精密儀表放大器對差分信號合成放大。

圖2 前置放大電路原理

在第一級I/V轉換電路中，Rf1=Rf2=Rf，Cf1=Cf2=Cf,其輸出電壓取決于輸入電流和反饋電阻值:Vout=i_positiveoRG，需要與反饋電阻器并聯反饋電容器，用于補償反相節點的寄生電容值，保持穩定性。通過理論計算反饋電阻值Rf=1MΩ；I/V轉換帶寬f-3dB=10kHz；可使電路穩定并達到帶寬目標的最大反饋電容值

(1)

選取反饋電容值Cf=1pF，傳感器的輸出電容值Cj=3.849×10-3pF；假定放大器的輸入電容器的Cd=10pF，則放大器等效輸入電容值Cin=Cj+Cd≈10pF，為了保持系統穩定性，使運放的開環增益與反饋系數在波特圖中交點的閉合速度為-20dB，確定放大器的增益帶寬fGBW,MHz

(2)

綜上選取AD8626為I/V轉換芯片。其運放增益帶寬積為5MHz，偏置電流僅為0.25pA，偏置電壓為1μV，偏置電壓漂移系數2.5μV /C。第二級采用儀表放大器AD8421，通過設置外置電阻值RG確定差分信號合成放大倍率。其中輸出電壓為Vout=G×(V+in-V-in)+VREF(VREF=0利用CMRR的優勢抑制接地噪聲)。放大倍率G通過外置電阻值RG確定

(3)

由式(3)可知，選取外置電阻值RG為1.1kΩ ，則放大倍率為10，因此，前置放大電路將納安(nA)量級的電流信號轉換為毫伏(mV)量級的電壓信號。

1.3 模擬解調電路

為了避免工頻噪聲等因素的干擾，諧振式MEMS電場敏感芯片將原有電場信號調制到高頻端(3000±50)Hz需要對高頻調制信號進行解調、濾波處理得到被測的電場信號。由于該系統用于電場檢測實現安全預警和故障判斷等功能，要求系統具有較快的響應速度，但受到ARM嵌入式系統數值采樣率和運算效率的限制，無法實時完成數字解調和濾波處理。為解決以上問題，設計了一種可抑制背景噪聲的快速模擬解調電路，如圖3所示，電路主要由乘法器電路、跟隨器電路和帶通濾波器組成。

圖3 模擬解調電路原理

采用AD633乘法器將電壓信號VIN1與調制信號VR1相乘，AD633是一個功能完整的四象限模擬乘法器。采用激光校準法保證總精度為2%，-3dB增益帶寬fGBW為1MHz。乘法器的X2端、Y2端、Z端接地，X-1端接電壓信號，Y-2端接驅動(載波)信號，則輸出端W的輸出信號含有50,2950Hz和3050Hz正弦信號分量，故采用50Hz帶通濾波器，濾除高頻分量，得到反映工頻電場大小的50Hz正弦信號

(4)

采用通用型有源濾波器芯片UAF42，在設計軟件Filter42上設計了中心頻率為50Hz，-3dB帶寬為5Hz，品質因數Q為10的4階巴特沃斯帶通濾波器，通過軟件確定了各個元件參考值。圖4為TI公司的軟件TINA仿真的濾波器幅頻特性曲線，-3dB帶寬為3.48Hz，中心頻率為50Hz，Q為14.36。

圖4 TINA仿真幅頻特性曲線

圖5為研制的輸電線路工頻電場檢測系統樣機，為了便于手持檢測，樣機體積為11cm×5cm×2.7cm，功耗為0.5W，一次充電可正常工作4～5h。探頭外殼采用直徑為Φ26mm的聚合物半圓柱蓋，用來隔斷外部環境，防止外部環境中顆粒、氣體對傳感器芯片的污染和腐蝕。為了降低電網復雜電磁環境對電路造成的影響，采用接地的金屬外殼對內部電路進行屏蔽。

圖5 手持式工頻電場檢測系統樣機

2 實驗及結果分析

2.1 標定實驗

為了測試工頻電場檢測系統樣機的性能，確定探頭靈敏度、總不確定度等系數，對其進行工頻電場標定。采用標定電場箱，該裝置以高精度程控電壓源作為輸入電壓，保證了整個設備的標定精度。打開系統樣機，與上位機建立無線連接，標定最大輸入電壓為1.2kV，平行板電容間距為20cm。施加的電場值為0～6kV/m，往返3個行程(共6組數據)，傳感器的總不確定度為1.4%，其靈敏度系數為4.74mV/(kV/m)。圖6為標定曲線。

圖6 系統標定曲線

2.2 高壓輸電線路工頻電場現場測試

主要測試10kV和35kV高壓輸電線路正下方與其投影垂直方向10m的范圍內電場分布，檢測高度約為1.8m。由于10kV輸電線和35kV輸電線呈上三角形結構，根據理論仿真結果[13],其電場呈現“馬鞍形”分布，即輸電線路正下方電場較低，隨著兩側距離的增大電場增大至最大值，然后逐漸減小。圖7為MEMS工頻電場檢測儀與德國Narda EFA—300在10kV和35kV輸電線路的檢測曲線，二者具有良好的一致性，且變化規律符合理論仿真結果。

圖7 電場強度測試結果對比

3 結 論

基于高性能的MEMS電場敏感芯片，成功研制了新型手持式工頻電場檢測系統。設計了前置放大電路和快速模擬解調電路，實現對微弱電場信號的快速準確提取，提高系統精度和響應速度。設計了基于ARM微控制器的數據采集和無線發送模塊，并通過藍牙發送至上位機顯示，實現了數據的無線傳輸和遠程檢測。實驗表明：系統具有良好的精度，檢測結果與德國Narda電場測量儀具有良好的一致性。

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