MEMS結(jié)構(gòu)的帶電作業(yè)電場測量預(yù)警系統(tǒng)*

顧植彬, 楊鵬飛, 彭春榮, 夏善紅

(1.中國科學(xué)院 電子學(xué)研究所 傳感器技術(shù)國家重點實驗室,北京 100190;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100190)

MEMS結(jié)構(gòu)的帶電作業(yè)電場測量預(yù)警系統(tǒng)*

顧植彬1,2, 楊鵬飛1, 彭春榮1, 夏善紅1

(1.中國科學(xué)院 電子學(xué)研究所 傳感器技術(shù)國家重點實驗室,北京 100190;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100190)

基于高性能的微機電系統(tǒng)(MEMS)敏感結(jié)構(gòu)芯片研制了一種新型帶電作業(yè)電場測量預(yù)警系統(tǒng)，通過實時檢測電場大小，當(dāng)超出電場安全閾值發(fā)出預(yù)警信號，提醒作業(yè)人員采取相應(yīng)的安全措施?；谙嗝魴z測原理，設(shè)計了一種可抑制背景噪聲的快速模擬解調(diào)電路，解決了數(shù)字信號處理精度低、響應(yīng)慢等不足；基于ARM微控制器設(shè)計了信號采集和無線發(fā)射模塊，并通過LabVIEW虛擬儀器實現(xiàn)上位機顯示；采用多探頭三維布點方式，有效降低了人體晃動帶來的干擾；10 kV輸電線路模擬實驗和ANSYS仿真表明：實驗與仿真結(jié)果具有良好的一致性，系統(tǒng)具有較高測量精度，安全距離預(yù)警誤差小于4.17 cm。

帶電作業(yè)； 安全距離預(yù)警； 微機電系統(tǒng)； 電場敏感芯片； 多探頭檢測

0 引 言

高壓輸電線路帶電作業(yè)作為輸配電線路檢測 、檢修 、改造的重要手段，為電力系統(tǒng)的安全可靠運行和經(jīng)濟效益提高發(fā)揮了十分重要的作用[1]。在帶電作業(yè)過程中，由于作業(yè)人員無意識的移動和距離判斷的誤差，人體超越安全距離發(fā)生放電，或人體直接接觸到帶電設(shè)備造成的傷亡事故占絕大比例[2]。同時，若作業(yè)人員長期暴露在強電磁場的環(huán)境下，可能造成生理病理的變異，如白細胞增加和細胞的癌變等[3]。

將電場強度作為一項重要的檢測參數(shù)的相關(guān)研究成果，在強電場暴露安全防護和安全距離預(yù)警等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。目前報道的針對帶電作業(yè)的電場檢測系統(tǒng)，由于采用傳統(tǒng)的機械加工技術(shù)，探頭尺寸過大，易引起電場畸變，測量誤差較大[4～6]，而且往往采用單探頭的測量方式，易受到人體晃動的干擾，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確。為解決上述問題，本文基于中國科學(xué)院電子學(xué)研究所研發(fā)的高性能微機電系統(tǒng)(MEMS)電場敏感芯片，研制了一種新型便攜式電場測量預(yù)警系統(tǒng)，通過對工頻電場進行測量，及時反映出作業(yè)人員周邊電場強度，當(dāng)電場強度超過安全距離臨界電場閾值或工頻電場暴露限制閾值，系統(tǒng)及時發(fā)出警示，提醒作業(yè)人員采取相應(yīng)的安全防護措施。與傳統(tǒng)電場傳感器相比較，MEMS電場敏感芯片具有高精度、低功耗、低成本和易批量生產(chǎn)等優(yōu)點[7]；采用快速模擬解調(diào)電路，實現(xiàn)系統(tǒng)快速響應(yīng)和實時更新；采用多探頭3維布點方式，消除人體晃動引起的電場測量誤差。為了進一步測試系統(tǒng)的性能，進行了10 kV輸電線路模擬實驗和ANSYS仿真驗證。

1 帶電作業(yè)電場測量預(yù)警系統(tǒng)

圖1為帶電作業(yè)電場測量預(yù)警系統(tǒng)整體框圖。系統(tǒng)主要包括傳感器探頭、芯片驅(qū)動電路、模擬解調(diào)電路、數(shù)據(jù)處理模塊、預(yù)警模塊、WiFi發(fā)射模塊、電源模塊和上位機等。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

采用直接數(shù)字式頻率合成器 (direct digital synthesizer, DDS)產(chǎn)生MEMS電場敏感芯片所需的正弦激勵信號，使MEMS屏蔽電極產(chǎn)生周期性振動感應(yīng)電荷，感應(yīng)電荷通過放大電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過模擬解調(diào)電路得到頻率為50 Hz的電場信號，通過高速A/D采集芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過ARM芯片進行數(shù)據(jù)處理，得到工頻電場值，如果電場值超過設(shè)定電場閾值，蜂鳴器報警。通過WiFi模塊將實時電場值傳送到上位機，采用LabVIEW可視化編程語言實現(xiàn)上位機電場值的顯示與數(shù)據(jù)存儲。

1.1 傳感器敏感結(jié)構(gòu)工作原理

本文采用MEMS諧振式微型電場傳感器芯片，圖2為敏感結(jié)構(gòu)示意圖，主要由驅(qū)動梳齒電極、屏蔽電極、感應(yīng)電極和支撐梁四部分組成[8]。屏蔽電極接地，感應(yīng)電極與檢測電路相連，在外加電場作用下，由于激勵電壓的驅(qū)動，驅(qū)動梳齒電極帶動屏蔽電極在感應(yīng)電極之間周期性水平振動，引起感應(yīng)電極上的電荷交替變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流，此電流大小與被測電場幅值成正比，通過測量電流反演出被測電場大小。

圖2 MEMS電場敏感微結(jié)構(gòu)示意圖

電場敏感微結(jié)構(gòu)輸出的電流信號非常微弱(pA量級)，具有較大背景噪聲，采用兩級放大電路，第一級采用電荷放大器對差分電流信號進行I/V轉(zhuǎn)換，第二級采用儀表放大器對信號差分放大。

1.2 模擬解調(diào)電路設(shè)計

在交變外界電場E=E0sin(ωet+φ)作用下，芯片感應(yīng)電極的電荷量發(fā)生周期性變化，由于電極的高速振動，調(diào)制了被測電場，在某一時刻，感應(yīng)電荷量Q可表示為

Q(t)=Asin(ωet+φ)sin(ωst+θ)+Q0

(1)

式中A為常數(shù)，ωe為交變電場的頻率，φ為交變電場的初相位,θ為激勵信號與芯片輸出信號之間的相位差，ωs為驅(qū)動電極的振動頻率。

MEMS電場敏感芯片的輸出電流為

ωsin(ωet+φ)cos(ωst+θ)]

(2)

電流信號經(jīng)前置放大電路后表示為

Vout=iR=Msin(ωst+θ)+Ncos(ωst+θ)

(3)

式中 ωs=3 000Hz,ωe=50Hz,R為前置放大電路的放大倍數(shù)。

從式(3)可知，電壓信號為高頻段(3 000±50)Hz的調(diào)制信號，需要進行解調(diào)、濾波處理。該系統(tǒng)用于帶電作業(yè)安全預(yù)警，要求系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)。本文基于相敏檢測原理，設(shè)計了一種快速模擬解調(diào)電路，顯著提升了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，數(shù)據(jù)更新率為50ms。

如圖3，采用四象限模擬乘法器AD633將探頭輸出的調(diào)制信號和驅(qū)動(載波)信號相乘，乘法器的輸出信號V1為

V1=M[sin(2ωst+θ)+sinθ]+N[cos(2ωst+θ)+

cosθ]

(4)

由式(4)可知，乘法器輸出信號V1包含頻率為ωs+ωe,ωs-ωe和ωe的信號，采用有源濾波器UAF42構(gòu)成中心頻率為ωe(50Hz)、理論帶寬為10Hz的帶通濾波器，得到濾波信號V2為

(ωs-ωe)sin(ωet+φ-θ)]

(5)

圖3 模擬解調(diào)電路原理示意圖

圖4為示波器顯示的模擬解調(diào)電路的輸入信號和輸出信號，輸出信號為頻率50Hz的正弦波，由式(5)可知，其幅值正比于工頻電場E0(其余參數(shù)為常量)，通過測量該正弦波的幅值大小反演出實際工頻電場大小。

圖4 模擬解調(diào)電路輸入輸出信號

2 人體晃動引入電場測量誤差消除方法

電場是一個矢量，單個探頭的電場值不能準(zhǔn)確地反映出合成電場的大小，并且電場測量方向易受人體晃動影響而發(fā)生改變，帶來較大測量誤差。本文采用多探頭的3維布點方式，用來消除由人體晃動引入的電場測量誤差。如圖5所示，在垂直于輸電線路1.5 m且與輸電線等高平行處，頭盔繞3#探頭軸線上下晃動，忽略探頭之間相互影響，假設(shè)探頭只能檢測軸線方向的電場，其中,1#探頭電場值E1、2#探頭電場值E2和真實電場E關(guān)系如下所示

(6)

圖5 晃動實驗示意圖

采用中國科學(xué)院電子學(xué)研究所研制的標(biāo)準(zhǔn)平行板標(biāo)定箱對頭盔的4個探頭進行標(biāo)定：探頭具有較好的一致性，總不確定度為1.94 %，靈敏度系數(shù)為6.850～7.000 mV/(kV/m)。測量范圍為0～500 kV/m。采用鑫源電氣有限公司的YDTW—10/100局部試驗變壓器模擬10 kV的輸電線路，圖6為頭盔上下晃動過程中，探頭1、探頭2和合成的電場的變化情況。單個探頭檢測電場的方差為3.08和2.27，合成電場的方差為0.18，多探頭布點方式能夠有效減弱晃動對檢測結(jié)果的干擾，提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。由探頭之間的相互影響、探頭電場檢測的方向性差異、晃動過程中引起距離變化等因素引起合成電場波動。

圖6 單探頭檢測電場與合成電場變化曲線

將2維平面晃動推廣到3維空間晃動，假設(shè)上下晃動角度為θ，左右晃動的角度為δ，則合成電場E與探頭1、探頭2、探頭3的電場E1,E2,E3的關(guān)系

E1=E×sinθ×cosδ,E2=E×cosθ×cosδ,

(7)

由式(7)可知，合成電場E不受晃動角度θ,δ影響。將傳感器探頭固定在帶電作業(yè)安全頭盔上面，得到X,Y,Z3個方向電場值合成場的大小，通過WiFi無線傳輸?shù)缴衔粰C并顯示，圖7為系統(tǒng)樣機。

圖7 系統(tǒng)樣機和試驗現(xiàn)場照片

3 實驗與仿真結(jié)果分析

本文采用YDTW—10/100局部試驗變壓器模擬10 kV的輸電線路，圖7所示，實驗人員攜帶系統(tǒng)模擬輸電線路“爬塔”過程：距離10 kV輸電線2.2，1.7，1.2，0.7 m處測量(國家標(biāo)準(zhǔn)10 kV輸電線安全距離為0.7 m)，往復(fù)重復(fù)3次，上位機實時記錄檢測電場大小，并確定安全距離對應(yīng)的電場閾值。為了驗證檢測結(jié)果的正確性，進一步探究空間電場與距離的關(guān)系，本文采用ANSYS軟件對10 kV模擬輸電線路的周邊電場進行有限元仿真。

圖8為實驗和仿真得到電場和距離的曲線圖。從圖中可知，實驗電場曲線與仿真電場曲線的變化趨勢具有良好一致性，相關(guān)系數(shù)為0.99；在距離輸電線1.2 m處，電場隨距離減小變化速率顯著增大。設(shè)定系統(tǒng)的安全距離電場閾值為900 V/m。3次實驗得到的電場曲線具良好的重復(fù)性，電場曲線呈現(xiàn)“階梯”狀變化形式，準(zhǔn)確反映了“爬塔”的運動過程，3次實驗在安全距離處電場值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.95 %，在安全距離處電場波動范圍為30 V/m。已知：E0.7m≈900 V/m，波動范圍δ0.7m=30 V/m，E1.2m≈540 V/m，電場測量波動引起的安全距離距離偏差α0.7m,由式(8)可知，本系統(tǒng)具有較高的識別精度，系統(tǒng)測量波動引起安全距離誤差小于4.17 cm,即

α0.7m≤δ0.7m×(1.2-0.7)/(E0.7m-E1.2m)≤4.17cm

(8)

圖8 實驗及仿真結(jié)果

由于電場傳感器探頭的檢測范圍為0～500 kV/m，遠高于國家規(guī)定工頻電磁場暴露限制[9]，可以對該系統(tǒng)設(shè)定不同工況下的電場暴露閾值，實現(xiàn)帶電作業(yè)人員在強電磁場暴露的安全預(yù)警。

4 結(jié) 論

本文基于高性能的MEMS敏感芯片，設(shè)計了一種新型便攜式帶電作業(yè)電場測量預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度和較高的檢測精度，并且能有效降低由人體晃動引入的測量誤差。模擬實驗和仿真計算表明：實驗與仿真結(jié)果具有良好的一致性，系統(tǒng)具有較高的測量精度，安全距離預(yù)警誤差小于4.17 m。本文的研究成果在強電場暴露安全防護和安全距離預(yù)警等方面有著重要的應(yīng)用價值。

[1] 胡 毅.送變電帶電作業(yè)技術(shù)[M].北京：中國電力出版社,2004.

[2] 許 箴,秦勇明,唐 盼,等.35 kV線路帶電作業(yè)安全距離計算與放電特性分析[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報,2014,29(2):71-75.

[3] 劉聰漢.工頻電場測量方法及安全警示系統(tǒng)設(shè)計研究[D].重慶：重慶大學(xué),2012.

[4] 任東宇,彭春榮,夏善紅.基于 LabVIEW和MEMS敏感結(jié)構(gòu)的工頻電場無線檢測系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2014(1):53-56.

[5] 王 宇，方東明，陳 博，等.基于旋轉(zhuǎn)諧振結(jié)構(gòu)的單芯片二維電場傳感器[J].傳感器與微系統(tǒng),2016，35(2):1-3.

[6] 汪金剛,林 偉,李 健,等.電容式交變電場傳感器與工頻電場檢測試驗研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2010，29(9):21-23.

[7] Yang Pengfei,Peng Chunrong,Zhang Haiyan.Design and testing of a SoI electric-field microsensor[J].Jounal of Electronics & Information Technology,2011,33(11):2771-2774.

[8] Yang Pengfei,Peng Chunrong,Zhang Haiyan.A high sensitivity SoI electric-field sensor with novel comb-shaped microelectrode-s[C]∥16th International Conference on Solid-State Sensors,Actuators & Microsystems,Tranducers’11,Beijing,China,2011.

[9] 惠建峰,關(guān)志成,劉瑛巖.各國工頻電磁場的限值及其確定的依據(jù)[J].高電壓技術(shù),2006,32(4):51-54.

顧植彬(1991- ), 男，碩士研究生，研究方向為物理電子學(xué)。

夏善紅，通訊作者，E—mail:shxia@mail.ie.ac.cn。

Electric field measurement safety warning system of live working based on MEMS structure*

GU Zhi-bin1,2, YANG Peng-fei1, PENG Chun-rong1, Xia Shan-hong1

(1.State Key Laboratory of Transducer Technology,Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China; 2.University of Chinese Academy of Science,Beijing 100190,China)

A novel electric field measurement safety warning system of live working based on micro-electro-mechanical system(MEMS)sensitive structure chip is developed.The system can give out warning signal once the surrounding electric field value of a live working operator exceed the threshold.Based on phase sensitive detection principle,an analog demodulation circuit which can restrain background noise is designed.It achieves a faster response and gets a higher precision than digital processing circuit.A module of signal acquistion and wireless transmission is designed based on ARM microcontroller.Moreover,using LabVIEW to display received data on upper PC.To reduce the impact caused by body sway,three-dimension measurement method is taken.Experimental result under 10 kV lines has a good consistency with simulation result of ANSYS,and the early-warning error of safe distance is less than 4.17 cm.

live working; safe distance early-warning; micro-electro-mechanical system(MEMS); electric field sensitive chip; multi-probe detection

10.13873/J.1000—9787(2017)04—0111—03

2016—04—21

國家自然科學(xué)基金重大儀器專項項目(61302032)；國家“863”計劃資助項目(2015AA042602)

TP 212

A

1000—9787(2017)04—0111—03