基于無線傳輸?shù)碾妶?chǎng)強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)研究

鄭志生+何啟超

摘 要：該文研究了簡單和復(fù)雜電場(chǎng)中電場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量方法，以及電場(chǎng)強(qiáng)度傳感信號(hào)的無線傳輸方法。設(shè)計(jì)了應(yīng)用這些方法的電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用球形或平行板傳感器進(jìn)行一維或三維電場(chǎng)測(cè)量，采用433MHz無線傳輸，采用單片機(jī)進(jìn)行控制與信號(hào)處理，有很高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電場(chǎng)強(qiáng)度 ?傳感器 ?無線傳輸 ?433MHz ?三維測(cè)量

中圖分類號(hào)：TM15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）11（b）-0030-04

Research on Electric Field intensity Measurement System Based on Wireless Transmission

Zheng Zhisheng1 He Qichao2

（1.Dongguan Power Supply Bureau，Guangdong Grid Co， Dongguan Guangdong，523008，China;

2.Guangdong WeiHeng Power Transmission and Distribution Engineering Co. Ltd. Foshan Guangdong，528200，China）

Abstract：Electric field intensity measurement in sample and complex case is investigated in this paper， and a wireless transmission method of the electric field intensity signal is presented. Based on this method， an electric field intensity measurement system is designed. A globular or plant senor in this system is used to measure the one or three dimensional electric field intensity， and single-chip microcomputer is applied for the signal control and management with the wireless transmission of 433 MHz The system has practical application potential.

Key Words：Electric Field Intensity;Senor;Wireless Transmission;433MHz;Three-dimensional Measurement

電場(chǎng)空間中，“在任意點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度是矢量，它等于位于該點(diǎn)單位正電荷所受的力。……電場(chǎng)強(qiáng)度的大小以每米的伏特?cái)?shù)（V/m）來表示。”測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度在理論研究、干擾分析、電磁環(huán)境評(píng)價(jià)與危害防護(hù)等方面有重要應(yīng)用。

國家標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，觀察者必須離探頭足夠遠(yuǎn)，以避免使探頭處的電場(chǎng)有明顯的畸變;探頭的尺寸應(yīng)保證產(chǎn)生電場(chǎng)的邊界面上的電荷分布沒有明顯的畸變。但現(xiàn)有的電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量裝置或連接導(dǎo)線長，或體積大，或功耗高，都將造成干擾和被測(cè)電場(chǎng)的變化，使測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度的不確定性增大。該文著重研究一種新的基于無線傳輸?shù)碾妶?chǎng)強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)，以解決電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量中出現(xiàn)的干擾、尺寸與距離限制等問題，并方便測(cè)量及提高測(cè)量精度。

1 電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量

使用傳感器測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度。傳感器在待測(cè)電場(chǎng)的作用下，其金屬電極表面會(huì)感應(yīng)出與待測(cè)電場(chǎng)同頻率變化的感應(yīng)電荷，當(dāng)傳感器的兩電極間接入一個(gè)測(cè)量電容時(shí)，感應(yīng)電荷在電容上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，不管是在均勻場(chǎng)還是非均勻場(chǎng)中，待測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度都與此感應(yīng)電壓成正比。

1.1 一維電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量方法

一維傳感器采用球形探頭，由兩個(gè)金屬半球殼及測(cè)量電容Cs組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其優(yōu)點(diǎn)包括電場(chǎng)的畸變比較小，可避免尖端放電現(xiàn)象;容易計(jì)算球殼表面感應(yīng)電荷與電場(chǎng)的關(guān)系;比平行板探頭的可測(cè)場(chǎng)強(qiáng)范圍大;可將內(nèi)置電路置于空心探頭內(nèi)，利用金屬外殼的屏蔽作用來提高抗干擾能力。

設(shè)待測(cè)電場(chǎng)為E0（t），參考圖1，則一個(gè)半球上的感應(yīng)電荷Qs（t）為

（1）

式中，ε為介電常數(shù);r為球半徑。

感應(yīng)電荷Qs（t）在測(cè)量電容Cs上產(chǎn)生感應(yīng)電壓Us（t）為

（2）

將式（1）代入式（2）可得，

（3）

即測(cè)量電容上的感應(yīng)電壓可計(jì)算出待測(cè)電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度。

1.2 三維電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量方法

在電場(chǎng)分布復(fù)雜的環(huán)境中（如變電站內(nèi)），必須測(cè)量空間矢量的三維電場(chǎng)并計(jì)算出合成值，才能真正指示出測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際電場(chǎng)強(qiáng)度值。

三維傳感器采用一組三個(gè)平行板探頭，以極板垂直方向正交放置，具有加工制作簡單，方向性好，相互干擾小的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際工程應(yīng)用中，當(dāng)平行板探頭的幾何形狀小到對(duì)整個(gè)電場(chǎng)空間來說可以忽略時(shí)，可認(rèn)為該傳感器的存在不會(huì)造成待測(cè)電場(chǎng)分布的變化。單個(gè)平行板探頭結(jié)構(gòu)如圖2所示，安放位置如圖3所示。

設(shè)待測(cè)電場(chǎng)為E0（t），參考圖2，則一個(gè)極板上的感應(yīng)電荷Q p（t）為

（4）

式中，k是與幾何形狀有關(guān)的系數(shù)，由校準(zhǔn)來決定。

感應(yīng)電荷Qp（t）在測(cè)量電容Cp上產(chǎn)生感應(yīng)電壓Up（t）為

（5）

將式（4）代入式（5）可得，

（6）

可知，同樣通過測(cè)量電容上的感應(yīng)電壓得到待測(cè)電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度。

設(shè)測(cè)量點(diǎn)三個(gè)方向的場(chǎng)強(qiáng)大小分別為Ex、Ey、Ez，則合成場(chǎng)強(qiáng)的大小為

（7）

2 無線傳輸

將探頭（含采樣轉(zhuǎn)換單元）與顯示/數(shù)據(jù)分析單元分離，僅留探頭在待測(cè)電場(chǎng)內(nèi)，可有效縮小探頭尺寸，減小測(cè)量設(shè)備對(duì)待測(cè)電場(chǎng)的影響。探頭采集的信號(hào)傳輸給顯示單元可采用有線、無線等多種方式。

2.1 無線傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)

較之有線傳輸，信號(hào)的無線傳輸有明顯的優(yōu)勢(shì)：

（1）有線傳輸使用的連接導(dǎo)線會(huì)引起待測(cè)電場(chǎng)分布的變化，而無線傳輸不會(huì)干擾待測(cè)電場(chǎng);

（2）有線傳輸?shù)臏y(cè)量距離受連接線的限制，而無線傳輸可獲得更長的測(cè)量距離，更易保證測(cè)量人員的安全;

（3）多點(diǎn)同時(shí)測(cè)量時(shí)，有線傳輸布線復(fù)雜，而無線傳輸可靈活布點(diǎn);

（4）無線傳輸?shù)陌l(fā)送端和接收端完全電隔離，接收端的電位不會(huì)影響測(cè)試的電場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)。

2.2 無線傳輸實(shí)用技術(shù)

作為傳感器使用的無線傳輸方式，其傳輸距離相對(duì)短（最大不過幾十、上百米），傳輸?shù)男盘?hào)速率較低，帶寬要求不高，因此考慮使用簡單的無線通信系統(tǒng)來完成傳輸，以使整個(gè)系統(tǒng)簡化，降低成本。

發(fā)射模塊、接收模塊和無線電波即構(gòu)成一個(gè)簡單的無線通信系統(tǒng)。目前主流的無線通信技術(shù)包括ZigBee和433技術(shù)等，該文選用433技術(shù)。原因在于433 MHz工作頻段相對(duì)比較干凈，沒有太多干擾，而且433 MHz工作頻率低，繞射性能好，傳輸距離長，傳輸時(shí)耗損小。433 MHz無線收發(fā)模塊集成度高，技術(shù)成熟。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試

基于無線傳輸?shù)碾妶?chǎng)強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案如圖4所示。其中，前端（置于待測(cè)電場(chǎng)內(nèi)）包括傳感器、采樣及轉(zhuǎn)換電路、無線發(fā)射模塊、電池等。

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際測(cè)量環(huán)境選用1.1或1.2節(jié)涉及的傳感器。采樣電容信號(hào)直接通過電壓跟隨電路和濾波電路后，進(jìn)入單片機(jī)A/D進(jìn)行采集，記錄一個(gè)周期（20 ms）內(nèi)的感應(yīng)電壓信號(hào)。采樣信號(hào)放大、低通濾波以及AC/DC轉(zhuǎn)換電路如圖5所示，主程序流程如圖6所示。

選用SRWF-508型無線數(shù)傳模塊作無線傳輸，該模塊中心頻率433 MHz，采用高效FEC前向糾錯(cuò)技術(shù)結(jié)合高性能的無線射頻IC，并與高速微處理器相結(jié)合，具有抗干擾能力強(qiáng)、全透明傳輸、體積小、功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，且使用時(shí)不需要任何編碼技術(shù)。

為保證系統(tǒng)能在復(fù)雜電磁環(huán)境中正常工作，設(shè)計(jì)中采用了雙重校驗(yàn)方式對(duì)數(shù)據(jù)的合法性進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)生丟包時(shí)重新啟動(dòng)一次握手和數(shù)據(jù)傳輸，保證接收的數(shù)據(jù)正確。同時(shí)降低通訊速率，提高通訊穩(wěn)定性。

前端測(cè)量單元采用鋰電池（12.6 V4Ah）供電，通過DC/DC轉(zhuǎn)換為±12 V（供放大電路）、5 V（供無線通訊模塊）和3.3 V（供單片機(jī)）。電場(chǎng)信號(hào)采集電路采用浮地方式，即電場(chǎng)傳感器的兩個(gè)電極連到放大器的差分輸入端，首先作阻抗變換，該電路的輸出負(fù)端與模擬地相連，數(shù)字電路與模擬電路分別有獨(dú)立的地線，再通過一個(gè)0歐姆電阻連接形成參考地，與外部大地?zé)o關(guān)。

使用單片機(jī)STM32對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)傳感器的線性修正及性能補(bǔ)償，減少系統(tǒng)誤差，提高測(cè)量精度和可靠性。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、處理與顯示。單片機(jī)電路如圖7所示，軟件結(jié)構(gòu)如圖8所示。

3.2 系統(tǒng)調(diào)試

參考國標(biāo)GB/T 12720-91《工頻電場(chǎng)測(cè)量》的規(guī)定制作了一套標(biāo)準(zhǔn)電場(chǎng)發(fā)生裝置，上下極板均為1.2 m×1.2 m的鍍鋅鋼板，兩塊極板間距0.6 m。以此對(duì)電場(chǎng)傳感器進(jìn)行了標(biāo)定。如圖9所示。標(biāo)定數(shù)據(jù)見表1（傳感器置于46 cm處）。

數(shù)據(jù)可見，系統(tǒng)測(cè)量誤差小。采集單元和接收單元在移動(dòng)過程中，數(shù)據(jù)采集正常，數(shù)據(jù)傳輸正常。電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量值幾乎同時(shí)響應(yīng)，基本沒有延時(shí)。用JSJ-800TYPE超高壓直流脈沖自衛(wèi)器作為干擾源，在測(cè)量單元四周干擾，沒有出現(xiàn)通訊異常，數(shù)據(jù)顯示正常。

4 結(jié)語

基于無線傳輸?shù)碾妶?chǎng)強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其電場(chǎng)強(qiáng)度指標(biāo)為測(cè)量范圍0～100 kV/m;測(cè)量精度優(yōu)于±10%。經(jīng)某變電站試用證明該系統(tǒng)有很高的實(shí)用價(jià)值?？蛇M(jìn)一步完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如考慮溫度和濕度的變化對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度產(chǎn)生的影響、分布式電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量等。

參考文獻(xiàn)

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[16] GB/T 12720—91.工頻電場(chǎng)測(cè)量[S].GB/T 1272091.

可知，同樣通過測(cè)量電容上的感應(yīng)電壓得到待測(cè)電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度。

設(shè)測(cè)量點(diǎn)三個(gè)方向的場(chǎng)強(qiáng)大小分別為Ex、Ey、Ez，則合成場(chǎng)強(qiáng)的大小為

（7）

2 無線傳輸

將探頭（含采樣轉(zhuǎn)換單元）與顯示/數(shù)據(jù)分析單元分離，僅留探頭在待測(cè)電場(chǎng)內(nèi)，可有效縮小探頭尺寸，減小測(cè)量設(shè)備對(duì)待測(cè)電場(chǎng)的影響。探頭采集的信號(hào)傳輸給顯示單元可采用有線、無線等多種方式。

2.1 無線傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)

較之有線傳輸，信號(hào)的無線傳輸有明顯的優(yōu)勢(shì)：

（1）有線傳輸使用的連接導(dǎo)線會(huì)引起待測(cè)電場(chǎng)分布的變化，而無線傳輸不會(huì)干擾待測(cè)電場(chǎng);

（2）有線傳輸?shù)臏y(cè)量距離受連接線的限制，而無線傳輸可獲得更長的測(cè)量距離，更易保證測(cè)量人員的安全;

（3）多點(diǎn)同時(shí)測(cè)量時(shí)，有線傳輸布線復(fù)雜，而無線傳輸可靈活布點(diǎn);

（4）無線傳輸?shù)陌l(fā)送端和接收端完全電隔離，接收端的電位不會(huì)影響測(cè)試的電場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)。

2.2 無線傳輸實(shí)用技術(shù)

作為傳感器使用的無線傳輸方式，其傳輸距離相對(duì)短（最大不過幾十、上百米），傳輸?shù)男盘?hào)速率較低，帶寬要求不高，因此考慮使用簡單的無線通信系統(tǒng)來完成傳輸，以使整個(gè)系統(tǒng)簡化，降低成本。

發(fā)射模塊、接收模塊和無線電波即構(gòu)成一個(gè)簡單的無線通信系統(tǒng)。目前主流的無線通信技術(shù)包括ZigBee和433技術(shù)等，該文選用433技術(shù)。原因在于433 MHz工作頻段相對(duì)比較干凈，沒有太多干擾，而且433 MHz工作頻率低，繞射性能好，傳輸距離長，傳輸時(shí)耗損小。433 MHz無線收發(fā)模塊集成度高，技術(shù)成熟。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試

基于無線傳輸?shù)碾妶?chǎng)強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案如圖4所示。其中，前端（置于待測(cè)電場(chǎng)內(nèi)）包括傳感器、采樣及轉(zhuǎn)換電路、無線發(fā)射模塊、電池等。

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際測(cè)量環(huán)境選用1.1或1.2節(jié)涉及的傳感器。采樣電容信號(hào)直接通過電壓跟隨電路和濾波電路后，進(jìn)入單片機(jī)A/D進(jìn)行采集，記錄一個(gè)周期（20 ms）內(nèi)的感應(yīng)電壓信號(hào)。采樣信號(hào)放大、低通濾波以及AC/DC轉(zhuǎn)換電路如圖5所示，主程序流程如圖6所示。

選用SRWF-508型無線數(shù)傳模塊作無線傳輸，該模塊中心頻率433 MHz，采用高效FEC前向糾錯(cuò)技術(shù)結(jié)合高性能的無線射頻IC，并與高速微處理器相結(jié)合，具有抗干擾能力強(qiáng)、全透明傳輸、體積小、功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，且使用時(shí)不需要任何編碼技術(shù)。

為保證系統(tǒng)能在復(fù)雜電磁環(huán)境中正常工作，設(shè)計(jì)中采用了雙重校驗(yàn)方式對(duì)數(shù)據(jù)的合法性進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)生丟包時(shí)重新啟動(dòng)一次握手和數(shù)據(jù)傳輸，保證接收的數(shù)據(jù)正確。同時(shí)降低通訊速率，提高通訊穩(wěn)定性。

前端測(cè)量單元采用鋰電池（12.6 V4Ah）供電，通過DC/DC轉(zhuǎn)換為±12 V（供放大電路）、5 V（供無線通訊模塊）和3.3 V（供單片機(jī)）。電場(chǎng)信號(hào)采集電路采用浮地方式，即電場(chǎng)傳感器的兩個(gè)電極連到放大器的差分輸入端，首先作阻抗變換，該電路的輸出負(fù)端與模擬地相連，數(shù)字電路與模擬電路分別有獨(dú)立的地線，再通過一個(gè)0歐姆電阻連接形成參考地，與外部大地?zé)o關(guān)。

使用單片機(jī)STM32對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)傳感器的線性修正及性能補(bǔ)償，減少系統(tǒng)誤差，提高測(cè)量精度和可靠性。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、處理與顯示。單片機(jī)電路如圖7所示，軟件結(jié)構(gòu)如圖8所示。

3.2 系統(tǒng)調(diào)試

參考國標(biāo)GB/T 12720-91《工頻電場(chǎng)測(cè)量》的規(guī)定制作了一套標(biāo)準(zhǔn)電場(chǎng)發(fā)生裝置，上下極板均為1.2 m×1.2 m的鍍鋅鋼板，兩塊極板間距0.6 m。以此對(duì)電場(chǎng)傳感器進(jìn)行了標(biāo)定。如圖9所示。標(biāo)定數(shù)據(jù)見表1（傳感器置于46 cm處）。

數(shù)據(jù)可見，系統(tǒng)測(cè)量誤差小。采集單元和接收單元在移動(dòng)過程中，數(shù)據(jù)采集正常，數(shù)據(jù)傳輸正常。電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量值幾乎同時(shí)響應(yīng)，基本沒有延時(shí)。用JSJ-800TYPE超高壓直流脈沖自衛(wèi)器作為干擾源，在測(cè)量單元四周干擾，沒有出現(xiàn)通訊異常，數(shù)據(jù)顯示正常。

4 結(jié)語

基于無線傳輸?shù)碾妶?chǎng)強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其電場(chǎng)強(qiáng)度指標(biāo)為測(cè)量范圍0～100 kV/m;測(cè)量精度優(yōu)于±10%。經(jīng)某變電站試用證明該系統(tǒng)有很高的實(shí)用價(jià)值?？蛇M(jìn)一步完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如考慮溫度和濕度的變化對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度產(chǎn)生的影響、分布式電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量等。

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可知，同樣通過測(cè)量電容上的感應(yīng)電壓得到待測(cè)電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度。

設(shè)測(cè)量點(diǎn)三個(gè)方向的場(chǎng)強(qiáng)大小分別為Ex、Ey、Ez，則合成場(chǎng)強(qiáng)的大小為

（7）

2 無線傳輸

將探頭（含采樣轉(zhuǎn)換單元）與顯示/數(shù)據(jù)分析單元分離，僅留探頭在待測(cè)電場(chǎng)內(nèi)，可有效縮小探頭尺寸，減小測(cè)量設(shè)備對(duì)待測(cè)電場(chǎng)的影響。探頭采集的信號(hào)傳輸給顯示單元可采用有線、無線等多種方式。

2.1 無線傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)

較之有線傳輸，信號(hào)的無線傳輸有明顯的優(yōu)勢(shì)：

（1）有線傳輸使用的連接導(dǎo)線會(huì)引起待測(cè)電場(chǎng)分布的變化，而無線傳輸不會(huì)干擾待測(cè)電場(chǎng);

（2）有線傳輸?shù)臏y(cè)量距離受連接線的限制，而無線傳輸可獲得更長的測(cè)量距離，更易保證測(cè)量人員的安全;

（3）多點(diǎn)同時(shí)測(cè)量時(shí)，有線傳輸布線復(fù)雜，而無線傳輸可靈活布點(diǎn);

（4）無線傳輸?shù)陌l(fā)送端和接收端完全電隔離，接收端的電位不會(huì)影響測(cè)試的電場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)。

2.2 無線傳輸實(shí)用技術(shù)

作為傳感器使用的無線傳輸方式，其傳輸距離相對(duì)短（最大不過幾十、上百米），傳輸?shù)男盘?hào)速率較低，帶寬要求不高，因此考慮使用簡單的無線通信系統(tǒng)來完成傳輸，以使整個(gè)系統(tǒng)簡化，降低成本。

發(fā)射模塊、接收模塊和無線電波即構(gòu)成一個(gè)簡單的無線通信系統(tǒng)。目前主流的無線通信技術(shù)包括ZigBee和433技術(shù)等，該文選用433技術(shù)。原因在于433 MHz工作頻段相對(duì)比較干凈，沒有太多干擾，而且433 MHz工作頻率低，繞射性能好，傳輸距離長，傳輸時(shí)耗損小。433 MHz無線收發(fā)模塊集成度高，技術(shù)成熟。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試

基于無線傳輸?shù)碾妶?chǎng)強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案如圖4所示。其中，前端（置于待測(cè)電場(chǎng)內(nèi)）包括傳感器、采樣及轉(zhuǎn)換電路、無線發(fā)射模塊、電池等。

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際測(cè)量環(huán)境選用1.1或1.2節(jié)涉及的傳感器。采樣電容信號(hào)直接通過電壓跟隨電路和濾波電路后，進(jìn)入單片機(jī)A/D進(jìn)行采集，記錄一個(gè)周期（20 ms）內(nèi)的感應(yīng)電壓信號(hào)。采樣信號(hào)放大、低通濾波以及AC/DC轉(zhuǎn)換電路如圖5所示，主程序流程如圖6所示。

選用SRWF-508型無線數(shù)傳模塊作無線傳輸，該模塊中心頻率433 MHz，采用高效FEC前向糾錯(cuò)技術(shù)結(jié)合高性能的無線射頻IC，并與高速微處理器相結(jié)合，具有抗干擾能力強(qiáng)、全透明傳輸、體積小、功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，且使用時(shí)不需要任何編碼技術(shù)。

為保證系統(tǒng)能在復(fù)雜電磁環(huán)境中正常工作，設(shè)計(jì)中采用了雙重校驗(yàn)方式對(duì)數(shù)據(jù)的合法性進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)生丟包時(shí)重新啟動(dòng)一次握手和數(shù)據(jù)傳輸，保證接收的數(shù)據(jù)正確。同時(shí)降低通訊速率，提高通訊穩(wěn)定性。

前端測(cè)量單元采用鋰電池（12.6 V4Ah）供電，通過DC/DC轉(zhuǎn)換為±12 V（供放大電路）、5 V（供無線通訊模塊）和3.3 V（供單片機(jī)）。電場(chǎng)信號(hào)采集電路采用浮地方式，即電場(chǎng)傳感器的兩個(gè)電極連到放大器的差分輸入端，首先作阻抗變換，該電路的輸出負(fù)端與模擬地相連，數(shù)字電路與模擬電路分別有獨(dú)立的地線，再通過一個(gè)0歐姆電阻連接形成參考地，與外部大地?zé)o關(guān)。

使用單片機(jī)STM32對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)傳感器的線性修正及性能補(bǔ)償，減少系統(tǒng)誤差，提高測(cè)量精度和可靠性。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、處理與顯示。單片機(jī)電路如圖7所示，軟件結(jié)構(gòu)如圖8所示。

3.2 系統(tǒng)調(diào)試

參考國標(biāo)GB/T 12720-91《工頻電場(chǎng)測(cè)量》的規(guī)定制作了一套標(biāo)準(zhǔn)電場(chǎng)發(fā)生裝置，上下極板均為1.2 m×1.2 m的鍍鋅鋼板，兩塊極板間距0.6 m。以此對(duì)電場(chǎng)傳感器進(jìn)行了標(biāo)定。如圖9所示。標(biāo)定數(shù)據(jù)見表1（傳感器置于46 cm處）。

數(shù)據(jù)可見，系統(tǒng)測(cè)量誤差小。采集單元和接收單元在移動(dòng)過程中，數(shù)據(jù)采集正常，數(shù)據(jù)傳輸正常。電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量值幾乎同時(shí)響應(yīng)，基本沒有延時(shí)。用JSJ-800TYPE超高壓直流脈沖自衛(wèi)器作為干擾源，在測(cè)量單元四周干擾，沒有出現(xiàn)通訊異常，數(shù)據(jù)顯示正常。

4 結(jié)語

基于無線傳輸?shù)碾妶?chǎng)強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其電場(chǎng)強(qiáng)度指標(biāo)為測(cè)量范圍0～100 kV/m;測(cè)量精度優(yōu)于±10%。經(jīng)某變電站試用證明該系統(tǒng)有很高的實(shí)用價(jià)值。可進(jìn)一步完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如考慮溫度和濕度的變化對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度產(chǎn)生的影響、分布式電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量等。

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