基于高速解调电路的新型手持式工频电场检测系统*

唐立军， 顾植彬， 彭春荣， 李 维

(1.云南电网公司 电力科学研究院，云南 昆明 650217；2.中国科学院 电子学研究所 传感器技术国家重点实验室，北京 100190；3.中国科学院大学，北京 100190)

0 引 言

随着电力系统的高速发展，高压(特高压)输电线路日益增多,而高压输电线路的强电场环境对线路作业人员和附近居民的健康构成了威胁，由于缺少相应的检测设备而引发事故和纠纷屡见不鲜[1～4]。同时输电线路如果发生故障(缺相或相位异常)，会引起线路电场发生改变，可以通过对输电线路工频电场检测和对比进行故障判断[5～8]。综上，输电线路工频电场检测在强电磁场暴露安全防护、输电线路故障判断等方面有着十分重要的应用价值。

目前，工频电场检测主要采用传统的电荷感应式电场传感器，与传统的电场传感器相比[9]，微机电系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)微型电场传感器[10～12]具有体积小、空间分辨率高、功耗低等优点。

本文针对MEMS电场传感器空间尺寸小，感应信号微弱，串扰噪声强，信噪比低，设计了前置放大电路和快速模拟解调电路对感应信号进行放大、滤波和解调处理，得到反映工频电场大小的正弦信号。基于ARM微控制器设计信号的处理和无线发射模块，通过蓝牙发送至上位机显示。

输电线路下的工频电场检测实验表明：系统具有良好的检测性能，检测结果与先进的Narda电场测量仪具有较好的一致性。

1 电线路工频电场检测系统

图1为输电线路工频电场检测系统的结构框图，主要包括：MEMS电场敏感芯片、前置放大电路、模拟解调电路、驱动电路、中心处理模块和上位机。采用直接数字式频率合成器 (direct digital synthesizer,DDS)产生高频的驱动信号，使MEMS屏蔽电极周期高频振动，调制工频电场，产生感应电流信号。电流信号经过前置放大电路和模拟解调电路处理，基于ARM芯片完成数据采集和处理，通过蓝牙传输至上位机，实时显示和存储电场大小。蓝牙无线传输保证了MEMS电场传感器探头与地隔离，测量不受地电势的影响，提高了测量的准确性，也提高了系统的安全性。

图1 系统框图

1.1 MEMS电场敏感结构

谐振式MEMS电场敏感芯片主要由驱动电极、屏蔽电极、感应电极和支撑梁4部分组成[12]。屏蔽电极接地，感应电极与检测电路相连接，外加电场的作用下，驱动电极施加3kHz(共振频率)的正弦驱动信号，带动屏蔽电极左右周期振动，根据高斯定律，感应电极上的感应电荷随之发生改变，因此，当屏蔽电极周期性地在正负感应电极之间振动，感应电极上电荷发生交替变化，产生微弱的感应电流。

1.2 前置放大电路

如图2所示，采用两级放大电路对微弱的差分电流信号转换放大；第一级采用互阻抗放大器对差分电流信号进行I/V转换；第二级采用精密仪表放大器对差分信号合成放大。

图2 前置放大电路原理

在第一级I/V转换电路中，Rf1=Rf2=Rf，Cf1=Cf2=Cf,其输出电压取决于输入电流和反馈电阻值:Vout=i_positiveoRG，需要与反馈电阻器并联反馈电容器，用于补偿反相节点的寄生电容值，保持稳定性。通过理论计算反馈电阻值Rf=1MΩ；I/V转换带宽f-3dB=10kHz；可使电路稳定并达到带宽目标的最大反馈电容值

(1)

选取反馈电容值Cf=1pF，传感器的输出电容值Cj=3.849×10-3pF；假定放大器的输入电容器的Cd=10pF，则放大器等效输入电容值Cin=Cj+Cd≈10pF，为了保持系统稳定性，使运放的开环增益与反馈系数在波特图中交点的闭合速度为-20dB，确定放大器的增益带宽fGBW,MHz

(2)

综上选取AD8626为I/V转换芯片。其运放增益带宽积为5MHz，偏置电流仅为0.25pA，偏置电压为1μV，偏置电压漂移系数2.5μV /C。第二级采用仪表放大器AD8421，通过设置外置电阻值RG确定差分信号合成放大倍率。其中输出电压为Vout=G×(V+in-V-in)+VREF(VREF=0利用CMRR的优势抑制接地噪声)。放大倍率G通过外置电阻值RG确定

(3)

由式(3)可知，选取外置电阻值RG为1.1kΩ ，则放大倍率为10，因此，前置放大电路将纳安(nA)量级的电流信号转换为毫伏(mV)量级的电压信号。

1.3 模拟解调电路

为了避免工频噪声等因素的干扰，谐振式MEMS电场敏感芯片将原有电场信号调制到高频端(3000±50)Hz需要对高频调制信号进行解调、滤波处理得到被测的电场信号。由于该系统用于电场检测实现安全预警和故障判断等功能，要求系统具有较快的响应速度，但受到ARM嵌入式系统数值采样率和运算效率的限制，无法实时完成数字解调和滤波处理。为解决以上问题，设计了一种可抑制背景噪声的快速模拟解调电路，如图3所示，电路主要由乘法器电路、跟随器电路和带通滤波器组成。

图3 模拟解调电路原理

采用AD633乘法器将电压信号VIN1与调制信号VR1相乘，AD633是一个功能完整的四象限模拟乘法器。采用激光校准法保证总精度为2%，-3dB增益带宽fGBW为1MHz。乘法器的X2端、Y2端、Z端接地，X-1端接电压信号，Y-2端接驱动(载波)信号，则输出端W的输出信号含有50,2950Hz和3050Hz正弦信号分量，故采用50Hz带通滤波器，滤除高频分量，得到反映工频电场大小的50Hz正弦信号

(4)

采用通用型有源滤波器芯片UAF42，在设计软件Filter42上设计了中心频率为50Hz，-3dB带宽为5Hz，品质因数Q为10的4阶巴特沃斯带通滤波器，通过软件确定了各个元件参考值。图4为TI公司的软件TINA仿真的滤波器幅频特性曲线，-3dB带宽为3.48Hz，中心频率为50Hz，Q为14.36。

图4 TINA仿真幅频特性曲线

图5为研制的输电线路工频电场检测系统样机，为了便于手持检测，样机体积为11cm×5cm×2.7cm，功耗为0.5W，一次充电可正常工作4～5h。探头外壳采用直径为Φ26mm的聚合物半圆柱盖，用来隔断外部环境，防止外部环境中颗粒、气体对传感器芯片的污染和腐蚀。为了降低电网复杂电磁环境对电路造成的影响，采用接地的金属外壳对内部电路进行屏蔽。

图5 手持式工频电场检测系统样机

2 实验及结果分析

2.1 标定实验

为了测试工频电场检测系统样机的性能，确定探头灵敏度、总不确定度等系数，对其进行工频电场标定。采用标定电场箱，该装置以高精度程控电压源作为输入电压，保证了整个设备的标定精度。打开系统样机，与上位机建立无线连接，标定最大输入电压为1.2kV，平行板电容间距为20cm。施加的电场值为0～6kV/m，往返3个行程(共6组数据)，传感器的总不确定度为1.4%，其灵敏度系数为4.74mV/(kV/m)。图6为标定曲线。

图6 系统标定曲线

2.2 高压输电线路工频电场现场测试

主要测试10kV和35kV高压输电线路正下方与其投影垂直方向10m的范围内电场分布，检测高度约为1.8m。由于10kV输电线和35kV输电线呈上三角形结构，根据理论仿真结果[13],其电场呈现“马鞍形”分布，即输电线路正下方电场较低，随着两侧距离的增大电场增大至最大值，然后逐渐减小。图7为MEMS工频电场检测仪与德国Narda EFA—300在10kV和35kV输电线路的检测曲线，二者具有良好的一致性，且变化规律符合理论仿真结果。

图7 电场强度测试结果对比

3 结 论

基于高性能的MEMS电场敏感芯片，成功研制了新型手持式工频电场检测系统。设计了前置放大电路和快速模拟解调电路，实现对微弱电场信号的快速准确提取，提高系统精度和响应速度。设计了基于ARM微控制器的数据采集和无线发送模块，并通过蓝牙发送至上位机显示，实现了数据的无线传输和远程检测。实验表明：系统具有良好的精度，检测结果与德国Narda电场测量仪具有良好的一致性。

[1] 罗 杰,黄小庆,何 杰,等.输电线路在线监测WSNs优化部署研究[J].传感器与微系统,2014,33(8):52-55，64.

[2] 徐禄文,罗 鹏,邹岸新,等.220 kV变电站工频电场的仿真分析[J].电测与仪表,2015(10):17-22.

[3] 胡顺仁,曾 锋,赵 红,等.特高压输电塔实时监测系统的数据传输方法研究[J].传感器与微系统,2012,31(9):42-45.

[4] 黄子璇,席黎明,樊梦旭,.特高压交流输电线路电晕放电对工频电场的影响[J].高压电器,2014(2):6-11.

[5] 姚 境,汪 沨,胡 凯,等.传感器在高压输电线路绝缘子检测中的应用[J].传感器与微系统,2010,29(10):1-3，8.

[6] 方奕庚,彭春荣,方东明,等.微型折叠式三维电场传感器[J].传感器与微系统,2016,35(5):1-4.

[7] 王 宇,方东明,陈 博,等.基于旋转谐振结构的单芯片二维电场传感器[J].传感器与微系统,2016,35(2):103-105，112.

[8] 余梦婷,汪金刚,李 健.人体对高压工频电场测量影响与试验研究[J].电测与仪表,2013(6):24-27，48.

[9] 佘东生,杨一柳,魏泽飞,等.基于激波的MEMS微结构底座冲击激励方法研究[J].仪器仪表学报,2015(8):1892-1900.

[10] Peng Chunrong,Yang Pengfei,Wen Xiaolong,et al.Design of a novel micromachined non-contact resonant voltage sensor for power distribution systems[C]∥IEEE Sensors 2014,Valencia,Spain,2014.

[11] Yang Pengfei,Peng Chunrong,Zhang Haiyan,et al.A high sensitivity SOI electric-field sensor with novel comb-shaped micro electrodes[C]∥The 16th International Conference on Solid-state Sensors,Actuators & Microsystems,Tranducers’11,Beijing,China,2011.

[12] Peng C,Yang P,Zhang H,et al.Design of a novel closed-loop SOI MEMS resonant electrostatic field sensor[C]∥Proc of Eurosensors XXIV,2010.