探究可穿戴式壓板測量表的研制與應用

南方電網超高壓輸電公司廣州局 邱冠英 羅宇航 鄭星星 林錦鋒 劉煌宇 鄭炯光 葛萃輝

目前大多數(shù)轉換器使用數(shù)字電壓表“磚型”（萬用表）使用，在使用過程中出現(xiàn)以下問題：測量地板上壓力板的電位時操作員須同時使用雙手，一手接地、一手測量壓力板，這對操作來說是不舒服的；萬用表為通用型。只有雙手操作才能放在地板上，不便于觀看讀數(shù)。傳統(tǒng)的解決方案是用熱熔膠密封萬用表中的電流傳輸以避免濫用，但如需測量電流則無法使用，增益不值損失，且操作不舒適[1]。

1 電場強度測量

電場測量和分析是評估帶電物體存在的常用方法。早期主要使用基于電學原理的方法測量工頻電場，如小球法和電容充電法（包括電位平衡法和充電法）。電位平衡法的測量原理是通過測量可能的分布來測量電場，精度較差；負載測量原理是通過計算小球在電場中記錄的電荷來測量電場，最常用于測量強電場，包括電場。近年來在測量高振幅和高頻率的電場時，基于光學原理的電場測量裝置得到了廣泛應用，但這種類型的電場傳感器價格昂貴，還有一些技術問題需要解決，就像電光效應傳感器的溫度靈敏度一樣。使用電場傳感器測量高壓電場是20世紀60年代首次提出的。長期以來，用于測量空間電流的雙球、微型火箭、旋轉葉片等結構的電場傳感器一直被應用于空氣和其他領域。

2 電場測量儀設計

2.1 電場測量儀原理

電場測量裝置主要由電容電極、信號預處理單元、單片機數(shù)據分析處理單元、電場強度顯示、電池電量檢測、電源等相關單元組成。電容電極通過靜電感應原理接收工頻信號，并將其轉換為相應的感應電壓信號。信號預處理完成感應電壓信號的相應處理（濾波和放大）；單片機對模擬電路處理后的信號進行A/D轉換，對數(shù)據進行綜合分析和處理，確定被測點的電場強度值，與預設的電場極限值進行比較，并進行評估電場是否超限并顯示報警信號（聲光報警）；電場強度的顯示可指示測量的電場強度。

2.2 電極設計

在一定工況條件下，很多系統(tǒng)部件如傳感器、執(zhí)行器等均有規(guī)定的電阻值，通過測量各部件相應端子間的電阻可判斷部件是否存在故障。也可利用萬用表的電阻檔，測量電氣開關在不同檔位時對應端子間的通斷情況，以判斷開關的工作狀況是否正常；利用萬用表的電阻檔對插接器同一插孔兩端間的電阻進行測量，以判斷插接器的接觸是否可靠；利用萬用表的電阻檔，在繼電器觸點閉合的情況下測量觸點兩端間的電阻，以判斷繼電器觸點是否燒蝕或臟污；利用萬用表的電阻檔對二極管等電子元件的通斷情況進行檢查，以判斷相應的電子元件是否正常；利用萬用表的電阻檔對系統(tǒng)部件的相關端子與搭鐵點間的電阻進行測量，以判斷部件的搭鐵情況是否正常等。

采用電容電極，正面為圓形電極、背面與板底連接，電極尺寸為直徑為30mm的圓形。電場傳感部分由運算放大器0pa211的高配置和低效率實現(xiàn)。該信號通過自動增益模塊、帶通濾波器、精度校正和濾波轉換為直流信號，并通過ADC單片機進行AD檢測。

2.3 信號預處理

正弦曲線信號將隨著電場強度的增加而線性增加。該信號通過自動增益模塊、帶通濾波器、精度校正和濾波轉換為直流信號，并通過ADC單片機進行AD檢測。自動增益模塊采用MCP41010數(shù)字電位器，最大電阻為10K，中間有256個插頭，通過標準ISP接口控制。數(shù)字電位計Rx、電阻R5和運算放大器U4構成一個反比例放大電路。

如果信號小，放大后可以采集，用采集的值除以相應的放大倍數(shù)可以精確確定電場的光信號；類似地，如果信號強度足夠大，可減少一定的多重性來捕獲它，然后以這種方式乘以相應的減少因子，則大大增加了覆蓋范圍。為避免某些高頻和低頻信號的干擾，在自動增益模塊后增加了由RC高通和RC低通濾波器組成的帶通濾波器。7.2Hz以下和159.2Hz以上的干擾信號可通過上述帶通濾波器進行濾波，這樣獲得的數(shù)據可視為50Hz交流電場的感應。經過濾波后，感應信號為正弦曲線交流信號。

經過精確的整流和濾波后交流信號變成直流信號。信號強度與單個單片機采集的感應電場強度成正比。單片機對采集到的信號進行處理，并通過外部LED燈顯示。外部16通道LED光束管顯示強度放大，三個閃爍明亮的LED燈顯示磨損，不同頻率的總和表示強度。

2.4 萬用表的結構

指針式萬用表由表頭、測量電路和轉換開關組成。表頭是一只高靈敏度的磁電系直流電流表，萬用表的主要性能指標取決于表頭的性能。表頭的靈敏度是指表頭指針滿刻度偏轉時流過表頭的直流電流值，這個值越小表頭的靈敏度愈高。測量線路是用來把各種被測量轉換到適合表頭測量的微小直流電流的電路，能將各種不同的物理量(如電流、電壓、電阻等)、不同的量程，經過一系列的處理(如整流、分流、分壓等)，轉變成微小直流電流送入表頭進行測量。轉換開關用來選擇各種不同的測量線路，以滿足不同種類和不同量程的測量要求。轉換開關有一個或兩個，標有不同的功能和量程。

對指針式萬用表直流電壓是表頭通過串聯(lián)不同的電阻構成，利用串聯(lián)電路的分壓特性來得到不同的直流電壓量程，因而直流電壓檔位、尤其是大量程內阻較大(例如MF47萬用表的DCV1000V檔高達9MQ2)，如該檔并聯(lián)在電路當中對原電路的影響較小，而串聯(lián)到電路中則通過的電流很小，基本相當于開路。直流電流檔位為表頭并聯(lián)電阻構成，利用并聯(lián)電路的分流特性來得到不同的直流電流量程，因而直流電流檔位內阻很小，串聯(lián)到電路中對原電路的影響一般較小，近似于連接導線，但如并聯(lián)到電路中，大部分電流將通過萬用表[2]。

萬用表測量時應水平放置并進行機械零點調節(jié)。一般應將萬用表紅表筆接入“+”插孔，黑表筆接入“-”插孔，如有大電流或大電壓，紅表筆接入相應大量程插孔。測量直流電壓時萬用表與待測電壓并聯(lián)，例如測量某電路中a、b兩點電壓Uab，應試探性地將黑表筆接a、紅表筆接b，若指針向順時針偏轉則電壓值記為正值，由于萬用表逆時針偏轉即反偏會損壞指針，因此試探性連接時發(fā)現(xiàn)指針反偏應立即將表筆換向連接，同時電壓值記為負值。測量直流電流時萬用表串聯(lián)入待測點，電流正負值選擇方式與電壓測量時相似。不管是直流電壓還是電流檔都應先選大量程，只有發(fā)現(xiàn)其大小確實小于下一量程才能將切換到下一量程。注意在切換功能或量程前，應將萬用表表筆斷開。

2.5 萬用表的量程與讀數(shù)

必須根據萬用表轉換開關指示的功能和量程選用相應的刻度盤讀數(shù)。讀數(shù)時視線應與刻度盤盤面垂直，指針、刻度線(或估讀數(shù)據理論上的刻度線)和指針在刻度盤鏡面內的像三條線在同一平面上，讀數(shù)還應估讀一位。對直流電壓電流檔位而言，待測物理量和指針偏轉角度是線性關系，因而刻度線是均勻的、估讀也較容易。對MF47型萬用表而言，直流電壓電流檔讀數(shù)為刻度盤中部010、050和0250這一區(qū)域的刻度線，若滿量程為10、50和250直接利用這三個刻度線即可；若為其他量程，可選擇該量程為這三個刻度線慢量程的整十倍或整十分之一讀數(shù)，這樣讀數(shù)換算最簡單，例如用1000V量程，那么讀滿刻度為10的數(shù)據，再乘以100即得所測電壓大小。

初學者往往忽視指針式萬用表接入電路后對原電路的影響。即使正確地使用萬用表測量數(shù)據也會產生誤差，不僅是萬用表本身精確度等級帶來的誤差，且有萬用表接入電路改變了原電路，后者往往被初學者忽略。而某些情況下，這種改變不僅會出現(xiàn)誤差，而且會產生錯誤的數(shù)據。因此不能迷信萬用表的精確度等級，而應根據萬用表和電路本身的參數(shù)分析誤差，并避免出現(xiàn)錯誤的數(shù)據。

3 電場測量儀軟件設計

自動增益模塊和濾波模塊對高壓電的電場感應信號進行精確校正。壓縮后用單片機模擬信號檢測。然后須將強度指示器的強度轉換為聲學組合。

如果n-l=0，則強度指示器顯示為低頻報警。這種狀態(tài)表明它周圍有電場，但電場強度很弱。如果n-l=1，則高亮顯示的LED以1Hz頻率閃爍，以1Hz頻率報警；如果n-l=2，則兩個標記的LED以2.5Hz的頻率交替閃爍，以2.5 Hz的頻率報警；如果n-l=3，三個選定的LED以5Hz的頻率交替閃爍，也以5Hz的頻率報警；如果n-l=4，則三個LED同時閃爍10Hz，將按頻率發(fā)出10Hz警報；如果n-l=5，則三個LED始終亮起、將成為一個尖銳的警報。

便攜式數(shù)字萬用表的基本原理：表頭是采用一只靈敏的磁電式微安表制作的。如測微小電流時儀表正常顯示測量值；如測大電流時，便攜式數(shù)字萬用表通過表頭并聯(lián)和串聯(lián)電阻進行分流或降壓來實現(xiàn)測量。在測直流電流時，表頭并聯(lián)分流電阻來擴展電流量程，通過改變分流電阻來改變電流測量范圍。在測直流電壓時，表頭上串聯(lián)降壓電阻來擴展電壓量程，通過改變倍增電阻的阻值來改變電壓的測量范圍。在測交流電壓時，這時表頭需加一個并串式半波整流電路將交流變成直流(原因是表頭是直流表)，之后原理與測直流電壓相似。在測電阻時，在表頭上并聯(lián)一個分流電阻和串聯(lián)一個調零電阻，并串聯(lián)一節(jié)電池，根據通過被測電阻的電流大小來測出電阻值，通過改變分流電阻阻值來改變電阻的量程。便攜式數(shù)字萬用表測量電壓范圍較寬、單電源供電，采用9V電池使儀表小型化，輸入阻抗高，其內部模擬開關實現(xiàn)自動調零與極性轉換。

4 穿戴式壓板測量表在應用的注意事項

為驗證裝置原理的準確性，測試環(huán)境由一個自耦變壓器和兩個平行金屬板組成。兩塊板的尺寸為40cm×40cm，并平行放置。兩塊板之間的距離設置為30厘米。上下板加交流信號，可實現(xiàn)0～240V的控制。實驗環(huán)境假設兩板間電場分布均勻，電場強度與板間電壓成正比。電壓值由0～240V交流信號以累進形式測量，測量數(shù)據為單片機采集的原始數(shù)據。

使用前務必選擇正確的測量設備：根據作者的實踐經驗，便攜式數(shù)字萬用表的損壞通常是由錯誤的測量設備造成的。如，當測量交流電時，選擇測量裝置將其置于電阻驅動中。當表筆通電時萬用表的內部部件可能會立即損壞。

測量信號時測量范圍的選擇：如測量無法預測測量信號的近似范圍，則須首先將測量裝置設置為最大測量范圍，并根據測量情況調整測量裝置以獲得更準確的測量值。數(shù)字萬用表的損壞主要是由測量的電壓或電流超出范圍引起的。如，在數(shù)字萬用表的交流20V傳輸中測量功率時，很容易損壞萬用表的交流放大器，失去萬用表的交流測量功能。測量直流電壓時，測量的電壓超出測量范圍也很容易導致萬用表斷電。

測量高壓大電流時嚴禁用電切換量程。當測量高壓（220V以上）或大電流（0.5A以上）時，如改變測量范圍很容易產生電弧并燒壞開關觸點；測量電壓和電流時，保持探頭與測量點良好接觸。測量電壓和電流時應盡量單手操作，尤其是測量高壓和大電流時，應加絕緣措施（如防護手套）或使用短路鉗等輔助工具將探頭直接連接到測量點，以確保測量過程中的人身安全。此外，在測量過程中須使萬用表探針與測量點保持良好接觸?；蝿踊蜥尫艜r測量值可能不準確，或測量裝置上沒有指示、甚至被測電源可能短路，裝置和設備可能損壞。

不得用電測量電阻：如果用電測量電阻，不僅會導致測量不準確還會損壞萬用表。測量信號時萬用表的正確連接：測量電流時萬用表必須在電路中串聯(lián)，而測量電阻或電壓時萬用表必須與電路并聯(lián)；及時更換電池，避免出現(xiàn)較大的測量誤差。萬用表中安裝的電池在長期使用后，如電壓低于一定水平須更換電池，以避免出現(xiàn)較大的測量誤差。

5 穿戴式壓板測量表常見故障現(xiàn)象及處理方法

計數(shù)器屏幕上沒有顯示：首先檢查萬用表中的蓄電池電壓、設備保護、電流界限和穩(wěn)壓塊是否正常，然后檢查PCB是否短路、斷路或腐蝕，如有須及時焊接。印刷電路板須清潔并保持干燥；PCB潮濕或漏電會導致測量過程中出現(xiàn)不可見和漏字現(xiàn)象。如故障未修復，檢查探針是否接觸不良或輸入電路中的焊接錯誤。如缺陷依然存在，檢查測試后電阻是否因功率降低或部件過熱而劣化。如果是、請及時更換部件。

直流電平不歸零：這種現(xiàn)象最常見的原因是電壓元件電阻附近臟污。首先清潔電阻周圍區(qū)域，然后在測量裝置中設置直流電位計，并使用直流標準電壓源設置1V電壓進行校準；測量高壓或不準確甚至不穩(wěn)定時，測量值不準確。該誤差主要由一個或多個組件性能不足引起的熱效應引起，導致組件在測量后幾秒鐘內縮放；無法測量電流傳輸：此問題主要由操作不當引起。檢查保險絲、限流電阻和電壓元件電阻是否燒斷，當燒壞時更換它們；如果沒有、檢查連接線與放大器是否完好，如果沒有、就把他接回去，如果完好、更換放大器。

無法測量變速器電阻：首先檢查電阻變速器中的連接電阻是否燒壞。如果是、及時更換：如不是、識別每個鏈路元件并及時更換損壞的元件：如電路板外觀沒有異常、請識別集成塊，如損壞及時更換；顯示不準確：一般情況下主要是由于測量電路中的電阻或容量故障造成的。首先檢查并更換輸出電阻或容量。如故障未修復，檢查電路中電阻的電阻值（包括熱反應中的電阻值）。如熱反應中的電阻值發(fā)生變化，應及時更換電阻。如故障停止，檢查a/D轉換器參考范圍內的電阻和容量，如損壞及時更換。