一種工頻電場與工頻磁場檢測裝置研究

牛紅濤， 隋良紅， 郭乃理， 李 龍， 鄧鑫林

(1. 中國測試技術研究院，四川 成都 610021; 2. 中測測試科技有限公司，四川 成都 610021;3. 四川大學制造科學與工程學院，四川 成都 610065)

0 引 言

隨著人民生活水平的不斷提高，環境電磁干擾對健康的影響備受關注。高壓線纜和變電站與人民生活密切相關，這些電力系統周圍環境中的工頻電場干擾和磁場干擾逐漸成為新的環境污染物，可能導致不良的生物學效應。此外，電力系統的電磁干擾還可能對工業設備的正常運行產生影響。因此，研究工頻電場和磁場的測量技術對于電磁兼容問題以及長期生活在高壓電場和磁場環境下人們的身體健康具有重要意義[1-7]。目前市場上雖然已經有成熟的電磁場檢測設備，但大多是國外研制且造價高昂。國外電磁場檢測精度較高的儀器研發公司主要有德國的Narda公司和意大利PMM公司等。國內已有學者研究了一維球形傳感器測量工頻電場的技術原理[8]，也有學者將磁阻傳感器應用于車輛檢測傳感器設計和磁場監測[9-10]。

對于工頻電場與工頻磁場檢測，研制一款成本低，可以滿足普通用戶需求的檢測裝置有重要意義。本文設計了一種基于STM32 ARM 控制處理器的工頻電場與工頻磁場測量裝置，系統介紹了工頻電場與磁場信號的測量原理、裝置的硬/軟件設計原理以及數據處理算法[11]。

1 硬件設計

圖1為該裝置的系統硬件原理圖。該裝置利用一個金屬球形電容傳感器和一個磁阻傳感器（HMC1052）分別感應工頻電場與工頻磁場信號，信號調理放大電路將采集到的弱信號進行放大并傳送至 AD7606 多通道同步數據采集模塊，STM32F407控制處理器采用FSMC接口技術與AD7606多通道同步數據采集模塊連接實現數據轉換和接收，采集的數據經控制器處理計算后送至液晶顯示模塊顯示，按鍵控制模塊用來接收用戶輸入信息。該裝置能同時采集工頻電場與磁場信號，處理速度快，并具有聲光報警功能。

圖1 系統硬件原理圖

1.1 工頻電場測量傳感器

本文設計了一種金屬球形電容傳感器探頭來進行高壓工頻電場強度測量[8]。該電場探頭包括上、下兩個金屬半球殼，兩個金屬球殼中間內置一個10 nF的電容器，電容兩端分別與上、下金屬球殼相連接，兩個金屬球殼之間通過絕緣物質固定。假設在探頭外部施加一個工頻高壓均勻電場E(t)，在球殼表面會感應出極性相反的感應電荷，以上半球殼為例，對球殼上電荷密度σ(t)沿上半球面積分，可得到上半球面的感應電荷極限值Q(t)，即：

其中，R、θ和φ為球殼外表面上電荷密度為σ(t)處的點的坐標，ε0為真空介電常數。

由于上下球殼間的電容C兩端的電壓為U(t)=Q(t)/C，可得

可以看出，被測場強大小與電容輸出電壓之間存在線性關系。

1.2 工頻磁場測量傳感器

系統采用一種高性能磁阻傳感器HMC1052，該傳感器具有兩個正交的磁場感應軸，具有超小尺寸和低功耗的優點，能夠測量±6 Gs（1 T=104Gs）范圍的磁場大小[9-10]。磁場傳感器利用4個磁阻薄膜合金組成惠斯通電橋，其原理見圖2。其中，U1，U2和Uo分別為磁阻傳感器電橋的兩個輸出電壓和經運算放大器AD620放大后的差分電壓。當傳感器敏感軸與外加磁場的作用方向一致時，傳感器內惠斯通電橋的4個橋臂的電阻發生變化，其對應的輸出電壓為

圖2 工頻磁場探頭原理圖

在理想情況下，R1=R2=R3=R4=R,ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔR，由式（3）可得：

其中，U為電橋供電電壓VCC，G為運算放大器的放大倍數。由式（4）可知，輸出電壓信號Uo與受外部磁場引起的電阻變化量?R呈線性關系。

為使磁阻傳感器HMC1052保持高靈敏度，在進行工頻磁場測量前還需要對其進行置位、復位操作。圖3為系統采用的置位/復位電路原理圖。利用STM32控制芯片在磁場測量開始前產生置位/復位脈沖，通過該電路可產生足夠大的置位復位電流。

1.3 差分運算放大器模塊

由于工頻電場傳感器與磁場傳感器輸出的電信號比較微弱，需要經過調理放大電路處理后才能有效被后端AD7606同步采集模塊捕獲。圖4為放大倍數可調的差分運算放大電路AD620模塊原理圖，該模塊的輸入端U1和U2為來自傳感器的經調理后的差分電壓信號，輸出端Vo為放大后的工頻電壓信號。根據AD620芯片手冊，放大倍數的計算公式如下：

其中，RG=R9//R10。

圖3 置位/復位電路

圖4 差分運算放大模塊原理圖

系統采用的AD620差分放大模塊采用雙電源供電方式，利用LM317模塊和ICL7660模塊分別提供5 V和–5 V直流電壓。由于工頻磁場傳感器能夠同時測量X、Y兩個正交方向的磁場強度，為了實現同時測量工頻電場，系統采用3個AD620差分運算放大模塊。

1.4 多通道同步數據采集模塊

由于需要同時采集兩個正交方向上的磁場信號和一個電場信號，系統采用一個AD7606多通道同步數據采集模塊[12-14]。系統采用±5 V的真雙極性模擬輸入范圍對電磁場信號進行采集。由于STM32F407的FSMC接口支持8080并行數據模式，因此AD7606模塊與控制處理芯片STM32F407的接口采用并行接口方式，方便數據傳輸，如圖5所示。其中，CONVST_A、CONVST_B引腳通過接收STM32F407控制器產生的PWM脈沖來設置采樣頻率，將BUSY引腳連接到STM32控制器的PB8引腳，通過外部中斷的中斷下降沿觸發模式來讀取8個通道的采樣數據并保存到STM32控制器的SRAM中。

圖5 AD7606模數轉換模塊原理圖

2 軟件設計

系統采用的運算控制器是具有ARM Cortex-M4構架的STM32F407芯片，該芯片具有6個通信串口便于與外設通信，其最高主頻可達168 MHz。軟件開始運行時，首先需要對系統時鐘、延時參數、通信串口、按鍵、指示燈、蜂鳴器等系統參數進行初始化，然后配置磁場和電場測量需要的參數，接著對AD7606同步數據采集模塊進行初始化，配置采樣速率和輸入量程。在電場與磁場測量開始前，需要對磁阻傳感器進行置位/復位操作，使其保持較高的靈敏度，通過軟件配置STM32F407控制處理器產生PWM脈沖信號，送入置位/復位電路中以有效地置位/復位傳感軸。系統啟動AD7606模數轉換芯片，對磁場傳感器輸出的兩個磁軸電壓信號和電場傳感器輸出的電壓信號進行3通道數據同步采集，并將采集到的數據保存在STM32F407芯片內部的SRAM中，每個通道采集512個數據，采樣頻率設置為2 kHz。通過對數據進行分析處理，分別計算出工頻電場和工頻磁場的平均值和峰峰值，本文運用高階多項式擬合算法分別計算出電場強度和磁場強度值，并送至串口顯示屏進行顯示。如果用戶按下重新測量鍵則可進行重新測量，否則測量結束。系統還可根據用戶需要將測得的數據通過串口上傳至上位機進行處理和分析。

3 誤差抑制算法

傳統的數據擬合算法階次較低，不能很好地擬合傳感器輸出的數據，容易造成一定的測量誤差。由于某些傳感器存在非線性特性，若按線性擬合的算法進行數據處理，將會引入非線性誤差。為了減小傳感器非線性誤差的影響，本文提出采用高階多項式擬合的算法對電磁場測量數據進行擬合處理。為了使結果準確，要求擬合后的殘差平方和最小，即最小，其中是被測量的標準值是被測量的估計值。本文采用高階多項式擬合，令：

通過傳感器輸出電壓pt和對應的標準被測量值yt，應用最小二乘法原理可以求得擬合參數a0，a1，a2，···，ak[15]。在實際應用中，多項式的冪次達到5次以上對擬合結果的誤差改善沒有太大意義，因此本文根據傳感器特性對電場傳感器和磁場傳感器擬合時分別取k=5和k=4。

4 實驗結果與分析

采用5階多項式擬合算法對工頻高壓電場數據進行擬合處理，采用4階多項式擬合算法對工頻磁場數據進行擬合處理。將高階多項式擬合算法與傳統的最小二乘線性擬合算法進行比較，圖6為這兩種算法在電場強度數據擬合中產生的誤差，其中最小二乘線性擬合算法產生的電場強度的均方根誤差為0.054 2 kV/m，而5階多項式擬合算法產生的電場強度的均方根誤差為0.047 5 kV/m。圖7為磁場傳感器其中一個敏感軸方向上的磁場強度數據擬合中兩種算法產生的誤差比較，其中最小二乘線性擬合算法產生的磁場強度的均方根誤差為0.112 Gs，而4階多項式擬合算法產生的磁場強度的均方根誤差為0.002 Gs。由圖6～圖7可以看出，采用高階非線性擬合算法能夠有效降低磁場強度數據擬合誤差，這是因為設計的電場傳感器受到的非線性誤差影響較小，而磁場傳感器受到的非線性誤差影響較大。本文提出的高階多項式擬合算法能夠有效抑制磁場傳感器的非線性誤差，同時能夠減小電場傳感器的測量誤差。

圖6 電場強度擬合誤差比較

圖7 磁場強度擬合誤差比較

5 結束語

本文設計了一種工頻電磁場強度測量裝置，該裝置運用高精度同步數據采集模塊實現了對工頻電場強度和工頻磁場強度的同時測量。系統應用了高階多項式數據擬合算法降低了測量誤差，為高壓線路、變電站附近的工頻電場與工頻磁場檢測問題提供了有效的解決方案。實驗結果表明，本文設計的裝置測量穩定，便攜性好，對電磁環境影響監測有一定的意義。