基于LabVIEW和MEMS敏感结构的工频电场无线检测系统

任东宇，彭春荣，夏善红

(1．中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室，北京　100190；2．中国科学院大学，北京　100190)

0　引言

电场传感器在智能电网等领域具有十分重要的应用，通过监测电网中高压输电线、绝缘子等电力设施周围的电场分布，可检测绝缘子污秽情况、电网运行状态等[1-3]。目前报道的用于非接触式电网电压测量的传统电场传感器，由于传感器使用传统机械技术加工，探头尺寸大，易引起电场畸变，测量误差大。随着微机电系统(MEMS)技术发展，国内外相继报道了多种基于MEMS技术的微型电场传感器[4-8]。与传统机械加工技术制作的电场传感器相比，基于MEMS技术的电场传感器具有探头尺寸小、集成度高、成本低、功耗低等突出优点。但是目前国内外对MEMS微电场传感器的研究一般只用于检测静电场，且由于微型电场传感器敏感结构尺寸小，空间耦合干扰大，信噪比很低，极易受到噪声、外部环境干扰的影响，使用微型电场传感器检测交变电场信号难度大。

为解决以上存在的问题，文中针对微型电场传感器的信号输出特点，提出了一种可用于检测工频电场的算法，并使用电场敏感的MEMS微结构及LabVIEW可视化编程语言研制了系统样机，成功实现了高性能工频电场检测。

1　传感器敏感结构工作原理

文中研究对象是基于SOI的MEMS谐振式微型电场传感器敏感结构[8]，该传感器的工作原理图如图1所示。

图1　SOI微型电场传感器敏感结构图

传感器屏蔽电极接地，在激励电压Vd±Vasin(ωt)驱动下，激励电极带动屏蔽电极以频率ω水平振动[9]，周期性遮挡置于屏蔽电极左右两侧的感应电极。感应电极表面的感应电荷量周期性改变，产生感应电流，此电流幅值与被测电场幅值成正比，测量此电流值即可达到测量被测电场的目的。

2　工频电场检测方法

当被测电场垂直于感应电极上方，感应电极表面有感应电荷产生，传感器接收到激励信号后，屏蔽电极会来回做周期性的振动，感应电极上的感应电荷产生周期性变化。

若被测电场为工频电场E0sin(ω2t+φ2)。根据高斯定理，可推算出瞬时感应电荷量如式(1)所示。

Q=ε0εrA0sin(ω1t+φ1)E0sin(ω2t+φ2)

(1)

式中：ε0为真空介电常数；εr为相对介电常数；E0为工频电场幅值；A0为感应电极最大感应面积；ω1为静电激励信号频率；φ1为激励信号初始相位；ω2为工频电场频率50 Hz；φ2为工频电场初相位。

感应电极与屏蔽电极形成的电容周期性的充放电生成的感应电流为

I=dQ/dt=ε0εrA0E0[ω2sin(ω1t+φ1)cos(ω2t+φ2)+

ω1cos(ω1t+φ1)sin(ω2t+φ2)]

(2)

此电流为pA级别，直接检测难度很大，将小电流经过跨阻放大器转化为电压信号

x(t)=I·Rs=Rsε0A0E0[ω2sin(ω1t+φ1)cos(ω2t+φ2)+

ω1cos(ω1t+φ1)sin(ω2t+φ2)]

(3)

由于ω1已知为激励信号频率。根据此信号的特性，采取正交锁相放大提取电场信号[10]。另外采集两路与激励信号同频率的参考信号

r1(t)=Vrsin(ω1t+φ3)，r2(t)=Vrcos(ω1t+φ3)

(4)

将两路参考信号分别与电压信号相乘，使用中心频率为ω2的带通滤波器滤除直流信号、频率为ω1、2ω1的高频信号，以及通带之外的噪声信号，得到的输出为

uo1(t)=0.5kE0ω2cos(ω2t+φ2)cos(φ3-φ1)+

0.5kE0ω1sin(ω2t+φ2)sin(φ3-φ1)

(5)

uo2(t)=0.5kE0ω2cos(ω2t+φ2)sin(φ3-φ1)+

0.5kE0ω1sin(ω2t+φ2)cos(φ3-φ1)

(6)

式中：k=VrRsε0εrA0；ω2为50 Hz；传感器激励频率ω1约为3～5 kHz，要远大于ω2。

因此可忽略式(5)及式(6)两式中的第一项，此时可见两路输出信号uo1(t)，uo2(t)为同频率同相位的两路正弦信号，且系数存在三角函数关系，将两路信号做矢量合成后，并将k=VrRsε0εrA0带入可得到：

uo(t)=0.5VrVsε0εrA0E0ω1|sin(ω2t+φ2)|

(7)

如此处理后得到的信号是一个频率信号，其幅值与交变电场幅值成正比关系，只需测出处理后信号的幅值即可通过计算得到交变电场幅值，达到检测AC(50 Hz)电场的目的。

3　系统方案硬件部分设计

微电场传感器工频电场检测系统硬件框图如图2所示。系统主要包括微电场传感器敏感元件、预处理电路、传感器激励信号电路、NI无线数据采集卡、计算机。

图2　系统整体框

MEMS微电场传感器敏感结构需要频率及相位都十分稳定的正弦信号作为激励信号。由于DDS(直接数字频率合成)器件具有相对带宽较宽，频率分辨率高、相位连续变化等优点，因此本文使用一片单片机控制DDS芯片AD9834产生传感器需要的激励信号。

预处理电路主要功能是将传感器输出的微弱电场感应电流信号转换为电压信号，并进行放大和滤波处理。由于传感器输出电流信号幅值为pA级别，信噪比低(-60 dB)，因此预处理电路的低噪声设计极为重要[11]。

如图3所示为预处理电路部分电路图。主要包括I/V转换电路、差分放大电路、滤波电路。文中采用低噪声精密放大器AD8626、AD620、OPA277和精密电阻及高精度电容设计预处理电路，有效降低了系统的电磁干扰。在1V激励信号输出的情况下，传感器本地噪声40 mV以下，提高了传感器信噪比。

图3　预处理电路示意图

文中使用NI无线数据采集卡将经过预处理电路的传感器输出信号采集并通过无线发射的方式传输至上位机。这样在测量高压输电线等危险输送电装置附近的工频电场时，可保证良好的上下绝缘性。

4　系统方案软件部分设计

基于LabVIEW的上位机软件主要实现工频电场的检测算法，并实时显示待测工频电场幅值。如图4所示为软件流程图，图5所示为工频电场检测系统前端界面，图6所示为Lab-VIEW程序框图。软件开始工作后，首先通过计算机无线设备与NI采集卡建立连接，连接成功后，接收采集卡输出的数据。数据分为两路，一路为经过预处理电路后的传感器输出信号，另一路为激励信号。

图4　系统软件流程图

图5　工频电场检测系统前端界面

使用数据滤波器进一步对传感器输出信号进行滤波，滤除高频噪声及工频干扰，提高信噪比。由之前分析可知，工频电场检测算法需要两路频率与传感器激励信号频率相同的，且相位差为90°的正交参考信号，因此将激励信号经过快速希尔伯特变换后，生成式(4)所示的两路参考信号。将正交参考信号分别与滤波后的传感器输出信号相乘并经过高性能的数字滤波器，产生如式(7)所示的频率信号，此信号幅值与待测工频电场幅值成正比关系。检测此信号的波峰，提取幅值，根据此信号幅值计算出待测电场幅值。最后将测量结果绘制曲线并保存至本地文件。

5　实验数据及分析

在室温和室内大气压条件下，使用文中设计的微型电场传感器激励与预处理电路和固有振动频率ω1=3 175 Hz的传感器敏感元件测量50 Hz工频电场。为验证系统检测算法和性能，该样机测试采用实验室搭建的标定装置来实现，该标定装置采用平行极板之间产生匀强电场的工作原理，一块极板通过函数发生器施加工频电压，另一块极板接地电势，这样在两平行极板之间获得了均匀的工频电场，如图7(a)所示为系统实物图。图7(b)为待测电场的电压加载曲线。图7(c)及图7(d)所示为经过预处理电路后的传感器输出信号频谱分析曲线，在未加工频电场时，图7(c)曲线上没有明显的ω1±50 Hz频率信号。加工频电场后，图7(d)中可明显看到有ω1±50 Hz的信号。图7(e)为正交锁相放大器输出信号频谱曲线，可明显看出，加工频电场后有50 Hz信号分量。表明经过正交锁相放大电路的处理，传感器输出信号中体现工频电场幅值的分量已被成功提取出来。图7(f)所示为矢量合成之后的信号波形，此波形为频率100 Hz的频率信号，提取此信号的幅值即可计算出待测工频电场幅值。图7(g)所示为传感器系统测量工频电场的最终输出曲线，在未加待测电场时，传感器系统输出值为环境内工频噪声电场幅值，该噪声电场经过传感器系统计算后输出接近于0 mV，当加入待测电场后，传感器系统输出信号呈现阶跃式变化，分辨力优于20 V/m．

图6　LabVIEW程序框图

6　结束语

文中基于MEMS微型电场传感器，针对其输出信号特点，采用正交锁相放大技术，提出了一种检测工频电场的算法。使用LabVIEW及NI无线数据采集卡设计了适用于工频电场检测的样机。此样机成功实现工频电场的检测，常压室温测试结果表明，分辨力优于20 V/m．文中的研究结果对智能电网工频电场与电压测量应用领域具有实际意义。

参考文献：

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(a)

(b)

(c)

(d)

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(e)

(f)

(g)

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[10]高晋占．微弱信号检测．北京：清华大学出版社，2011：190-191．

[11]刘世国，彭春荣，陈贤祥，等．基于MEMS技术微型静电场传感器系统设计与研制．仪表技术与传感器，2009(11)：26-27．