探究可穿戴式压板测量表的研制与应用

南方电网超高压输电公司广州局 邱冠英 罗宇航 郑星星 林锦锋 刘煌宇 郑炯光 葛萃辉

目前大多数转换器使用数字电压表“砖型”（万用表）使用，在使用过程中出现以下问题：测量地板上压力板的电位时操作员须同时使用双手，一手接地、一手测量压力板，这对操作来说是不舒服的；万用表为通用型。只有双手操作才能放在地板上，不便于观看读数。传统的解决方案是用热熔胶密封万用表中的电流传输以避免滥用，但如需测量电流则无法使用，增益不值损失，且操作不舒适[1]。

1 电场强度测量

电场测量和分析是评估带电物体存在的常用方法。早期主要使用基于电学原理的方法测量工频电场，如小球法和电容充电法（包括电位平衡法和充电法）。电位平衡法的测量原理是通过测量可能的分布来测量电场，精度较差；负载测量原理是通过计算小球在电场中记录的电荷来测量电场，最常用于测量强电场，包括电场。近年来在测量高振幅和高频率的电场时，基于光学原理的电场测量装置得到了广泛应用，但这种类型的电场传感器价格昂贵，还有一些技术问题需要解决，就像电光效应传感器的温度灵敏度一样。使用电场传感器测量高压电场是20世纪60年代首次提出的。长期以来，用于测量空间电流的双球、微型火箭、旋转叶片等结构的电场传感器一直被应用于空气和其他领域。

2 电场测量仪设计

2.1 电场测量仪原理

电场测量装置主要由电容电极、信号预处理单元、单片机数据分析处理单元、电场强度显示、电池电量检测、电源等相关单元组成。电容电极通过静电感应原理接收工频信号，并将其转换为相应的感应电压信号。信号预处理完成感应电压信号的相应处理（滤波和放大）；单片机对模拟电路处理后的信号进行A/D转换，对数据进行综合分析和处理，确定被测点的电场强度值，与预设的电场极限值进行比较，并进行评估电场是否超限并显示报警信号（声光报警）；电场强度的显示可指示测量的电场强度。

2.2 电极设计

在一定工况条件下，很多系统部件如传感器、执行器等均有规定的电阻值，通过测量各部件相应端子间的电阻可判断部件是否存在故障。也可利用万用表的电阻档，测量电气开关在不同档位时对应端子间的通断情况，以判断开关的工作状况是否正常；利用万用表的电阻档对插接器同一插孔两端间的电阻进行测量，以判断插接器的接触是否可靠；利用万用表的电阻档，在继电器触点闭合的情况下测量触点两端间的电阻，以判断继电器触点是否烧蚀或脏污；利用万用表的电阻档对二极管等电子元件的通断情况进行检查，以判断相应的电子元件是否正常；利用万用表的电阻档对系统部件的相关端子与搭铁点间的电阻进行测量，以判断部件的搭铁情况是否正常等。

采用电容电极，正面为圆形电极、背面与板底连接，电极尺寸为直径为30mm的圆形。电场传感部分由运算放大器0pa211的高配置和低效率实现。该信号通过自动增益模块、带通滤波器、精度校正和滤波转换为直流信号，并通过ADC单片机进行AD检测。

2.3 信号预处理

正弦曲线信号将随着电场强度的增加而线性增加。该信号通过自动增益模块、带通滤波器、精度校正和滤波转换为直流信号，并通过ADC单片机进行AD检测。自动增益模块采用MCP41010数字电位器，最大电阻为10K，中间有256个插头，通过标准ISP接口控制。数字电位计Rx、电阻R5和运算放大器U4构成一个反比例放大电路。

如果信号小，放大后可以采集，用采集的值除以相应的放大倍数可以精确确定电场的光信号；类似地，如果信号强度足够大，可减少一定的多重性来捕获它，然后以这种方式乘以相应的减少因子，则大大增加了覆盖范围。为避免某些高频和低频信号的干扰，在自动增益模块后增加了由RC高通和RC低通滤波器组成的带通滤波器。7.2Hz以下和159.2Hz以上的干扰信号可通过上述带通滤波器进行滤波，这样获得的数据可视为50Hz交流电场的感应。经过滤波后，感应信号为正弦曲线交流信号。

经过精确的整流和滤波后交流信号变成直流信号。信号强度与单个单片机采集的感应电场强度成正比。单片机对采集到的信号进行处理，并通过外部LED灯显示。外部16通道LED光束管显示强度放大，三个闪烁明亮的LED灯显示磨损，不同频率的总和表示强度。

2.4 万用表的结构

指针式万用表由表头、测量电路和转换开关组成。表头是一只高灵敏度的磁电系直流电流表，万用表的主要性能指标取决于表头的性能。表头的灵敏度是指表头指针满刻度偏转时流过表头的直流电流值，这个值越小表头的灵敏度愈高。测量线路是用来把各种被测量转换到适合表头测量的微小直流电流的电路，能将各种不同的物理量(如电流、电压、电阻等)、不同的量程，经过一系列的处理(如整流、分流、分压等)，转变成微小直流电流送入表头进行测量。转换开关用来选择各种不同的测量线路，以满足不同种类和不同量程的测量要求。转换开关有一个或两个，标有不同的功能和量程。

对指针式万用表直流电压是表头通过串联不同的电阻构成，利用串联电路的分压特性来得到不同的直流电压量程，因而直流电压档位、尤其是大量程内阻较大(例如MF47万用表的DCV1000V档高达9MQ2)，如该档并联在电路当中对原电路的影响较小，而串联到电路中则通过的电流很小，基本相当于开路。直流电流档位为表头并联电阻构成，利用并联电路的分流特性来得到不同的直流电流量程，因而直流电流档位内阻很小，串联到电路中对原电路的影响一般较小，近似于连接导线，但如并联到电路中，大部分电流将通过万用表[2]。

万用表测量时应水平放置并进行机械零点调节。一般应将万用表红表笔接入“+”插孔，黑表笔接入“-”插孔，如有大电流或大电压，红表笔接入相应大量程插孔。测量直流电压时万用表与待测电压并联，例如测量某电路中a、b两点电压Uab，应试探性地将黑表笔接a、红表笔接b，若指针向顺时针偏转则电压值记为正值，由于万用表逆时针偏转即反偏会损坏指针，因此试探性连接时发现指针反偏应立即将表笔换向连接，同时电压值记为负值。测量直流电流时万用表串联入待测点，电流正负值选择方式与电压测量时相似。不管是直流电压还是电流档都应先选大量程，只有发现其大小确实小于下一量程才能将切换到下一量程。注意在切换功能或量程前，应将万用表表笔断开。

2.5 万用表的量程与读数

必须根据万用表转换开关指示的功能和量程选用相应的刻度盘读数。读数时视线应与刻度盘盘面垂直，指针、刻度线(或估读数据理论上的刻度线)和指针在刻度盘镜面内的像三条线在同一平面上，读数还应估读一位。对直流电压电流档位而言，待测物理量和指针偏转角度是线性关系，因而刻度线是均匀的、估读也较容易。对MF47型万用表而言，直流电压电流档读数为刻度盘中部010、050和0250这一区域的刻度线，若满量程为10、50和250直接利用这三个刻度线即可；若为其他量程，可选择该量程为这三个刻度线慢量程的整十倍或整十分之一读数，这样读数换算最简单，例如用1000V量程，那么读满刻度为10的数据，再乘以100即得所测电压大小。

初学者往往忽视指针式万用表接入电路后对原电路的影响。即使正确地使用万用表测量数据也会产生误差，不仅是万用表本身精确度等级带来的误差，且有万用表接入电路改变了原电路，后者往往被初学者忽略。而某些情况下，这种改变不仅会出现误差，而且会产生错误的数据。因此不能迷信万用表的精确度等级，而应根据万用表和电路本身的参数分析误差，并避免出现错误的数据。

3 电场测量仪软件设计

自动增益模块和滤波模块对高压电的电场感应信号进行精确校正。压缩后用单片机模拟信号检测。然后须将强度指示器的强度转换为声学组合。

如果n-l=0，则强度指示器显示为低频报警。这种状态表明它周围有电场，但电场强度很弱。如果n-l=1，则高亮显示的LED以1Hz频率闪烁，以1Hz频率报警；如果n-l=2，则两个标记的LED以2.5Hz的频率交替闪烁，以2.5 Hz的频率报警；如果n-l=3，三个选定的LED以5Hz的频率交替闪烁，也以5Hz的频率报警；如果n-l=4，则三个LED同时闪烁10Hz，将按频率发出10Hz警报；如果n-l=5，则三个LED始终亮起、将成为一个尖锐的警报。

便携式数字万用表的基本原理：表头是采用一只灵敏的磁电式微安表制作的。如测微小电流时仪表正常显示测量值；如测大电流时，便携式数字万用表通过表头并联和串联电阻进行分流或降压来实现测量。在测直流电流时，表头并联分流电阻来扩展电流量程，通过改变分流电阻来改变电流测量范围。在测直流电压时，表头上串联降压电阻来扩展电压量程，通过改变倍增电阻的阻值来改变电压的测量范围。在测交流电压时，这时表头需加一个并串式半波整流电路将交流变成直流(原因是表头是直流表)，之后原理与测直流电压相似。在测电阻时，在表头上并联一个分流电阻和串联一个调零电阻，并串联一节电池，根据通过被测电阻的电流大小来测出电阻值，通过改变分流电阻阻值来改变电阻的量程。便携式数字万用表测量电压范围较宽、单电源供电，采用9V电池使仪表小型化，输入阻抗高，其内部模拟开关实现自动调零与极性转换。

4 穿戴式压板测量表在应用的注意事项

为验证装置原理的准确性，测试环境由一个自耦变压器和两个平行金属板组成。两块板的尺寸为40cm×40cm，并平行放置。两块板之间的距离设置为30厘米。上下板加交流信号，可实现0～240V的控制。实验环境假设两板间电场分布均匀，电场强度与板间电压成正比。电压值由0～240V交流信号以累进形式测量，测量数据为单片机采集的原始数据。

使用前务必选择正确的测量设备：根据作者的实践经验，便携式数字万用表的损坏通常是由错误的测量设备造成的。如，当测量交流电时，选择测量装置将其置于电阻驱动中。当表笔通电时万用表的内部部件可能会立即损坏。

测量信号时测量范围的选择：如测量无法预测测量信号的近似范围，则须首先将测量装置设置为最大测量范围，并根据测量情况调整测量装置以获得更准确的测量值。数字万用表的损坏主要是由测量的电压或电流超出范围引起的。如，在数字万用表的交流20V传输中测量功率时，很容易损坏万用表的交流放大器，失去万用表的交流测量功能。测量直流电压时，测量的电压超出测量范围也很容易导致万用表断电。

测量高压大电流时严禁用电切换量程。当测量高压（220V以上）或大电流（0.5A以上）时，如改变测量范围很容易产生电弧并烧坏开关触点；测量电压和电流时，保持探头与测量点良好接触。测量电压和电流时应尽量单手操作，尤其是测量高压和大电流时，应加绝缘措施（如防护手套）或使用短路钳等辅助工具将探头直接连接到测量点，以确保测量过程中的人身安全。此外，在测量过程中须使万用表探针与测量点保持良好接触。晃动或释放时测量值可能不准确，或测量装置上没有指示、甚至被测电源可能短路，装置和设备可能损坏。

不得用电测量电阻：如果用电测量电阻，不仅会导致测量不准确还会损坏万用表。测量信号时万用表的正确连接：测量电流时万用表必须在电路中串联，而测量电阻或电压时万用表必须与电路并联；及时更换电池，避免出现较大的测量误差。万用表中安装的电池在长期使用后，如电压低于一定水平须更换电池，以避免出现较大的测量误差。

5 穿戴式压板测量表常见故障现象及处理方法

计数器屏幕上没有显示：首先检查万用表中的蓄电池电压、设备保护、电流界限和稳压块是否正常，然后检查PCB是否短路、断路或腐蚀，如有须及时焊接。印刷电路板须清洁并保持干燥；PCB潮湿或漏电会导致测量过程中出现不可见和漏字现象。如故障未修复，检查探针是否接触不良或输入电路中的焊接错误。如缺陷依然存在，检查测试后电阻是否因功率降低或部件过热而劣化。如果是、请及时更换部件。

直流电平不归零：这种现象最常见的原因是电压元件电阻附近脏污。首先清洁电阻周围区域，然后在测量装置中设置直流电位计，并使用直流标准电压源设置1V电压进行校准；测量高压或不准确甚至不稳定时，测量值不准确。该误差主要由一个或多个组件性能不足引起的热效应引起，导致组件在测量后几秒钟内缩放；无法测量电流传输：此问题主要由操作不当引起。检查保险丝、限流电阻和电压元件电阻是否烧断，当烧坏时更换它们；如果没有、检查连接线与放大器是否完好，如果没有、就把他接回去，如果完好、更换放大器。

无法测量变速器电阻：首先检查电阻变速器中的连接电阻是否烧坏。如果是、及时更换：如不是、识别每个链路元件并及时更换损坏的元件：如电路板外观没有异常、请识别集成块，如损坏及时更换；显示不准确：一般情况下主要是由于测量电路中的电阻或容量故障造成的。首先检查并更换输出电阻或容量。如故障未修复，检查电路中电阻的电阻值（包括热反应中的电阻值）。如热反应中的电阻值发生变化，应及时更换电阻。如故障停止，检查a/D转换器参考范围内的电阻和容量，如损坏及时更换。