一种基于MEMS电场传感器的便携式近电预警装置

技术领域

本发明属于带电作业安全管控技术领域，具体涉及一种基于MEMS电场传感器的便携式近电预警装置。

背景技术

带电作业作为输变配电检修、检测、改造的重要手段，为电力系统的安全可靠运行和经济效益提高发挥了十分重要的作用。作业人员在变电站工作时，一般是在停电之后进行，但在实际作业当中，在各种因素的影响下，存在作业人员可能误入带电区域、误碰带电部位，就会导致触电伤亡事故发生，造成巨大的生命财产损失。

将电场强度作为一项重要的预判参数的相关研究成果在强电场暴露安全防护和近电预警等方面具有广阔的应用前景。目前市面上已经拥有的针对带电作业的电场检测装置，因为采用传统的机械加工技术，其探头尺寸过大，易引起电场畸变，测量误差较大，而且大多采用单探头的测量方式，容易受到人体运动的干扰，从而导致测量的不准确。为解决上述问题，本发明基于高性能微机电系统(MEMS)电场传感器，研制了一种便携式的近电预警装置，通过对工频电场的测量，及时反映作业人员周围的电场强度，当电场强度超过安全距离临界电场阈值或工频电场暴露限值，装置及时发出报警，提示作业人员采取一定的安全防护措施。与传统的场磨式电场传感器、工频电场传感器相比，MEMS电场传感器基于先进的MEMS技术，敏感结构尺寸μm量级，具有功耗低、成本低、易集成、电场测量畸变小等优点，同时其敏感组件无电机等磨损器件，稳定性好，可靠性高。

如专利CN 107329001A.结构复杂，便携性较差，适用范围较窄，对低电压线路的近电预警并不灵敏。专利CN 107817423B，侧重于对输电线路相对运动轨迹的判定，与本发明属于不同的技术应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种改进现有近电预警装置精度、灵敏度低问题的一种基于MEMS电场传感器的便携式近电预警装置。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于MEMS电场传感器的便携式近电预警装置，包括电场测量模块、主控制器、声光报警模块、电源模块，

所述电源模块通过控制开关与所述主控制器相连接，所述主控制器分别连接所述电场测量模块、所述声光报警模块、显示屏，所述主控制器上设置用于控制对所述电场测量模块输入压电驱动等级的控制按键，

所述电场测量模块包括MEMS电场传感器、后端信号检测电路，所述后端信号检测电路包括放大电路、模拟解调电路；

近电预警的作业流程为：

在所述控制按键控制输入压电驱动等级的作用下，所述MEMS电场传感器产生周期性振动感应电荷；

感应电荷通过所述放大电路转换为电压信号，经过所述模拟解调电路得到频率为50Hz的电场信号，并发送到所述主控制器ADC采集端口内；

电场信号经过所述主控制器处理后得到一个表征场强的数值；

所述主控制器检测到表征场强的数值高于设定阈值，则通过所述报警模块发出声光报警，从而实现带电作业的近电预警功能。

进一步的，所述MEMS电场传感器通过压电驱动结构控制调制模态：

两侧压电驱动结构施加电压相位差180°时，电场处于扭转振动调制模态，该模态具有灵敏度高的优点；

当施加电压相位相等时，电场处于活塞振动调制模态，该模态具有谐振频率高的优点。

进一步的，所述后端信号检测电路中的所述模拟解调电路采用高通－正交相关-带通滤波法解调工频电场。

进一步的，所述主控制器为STM32F103C8T6单片机，所述显示屏为SSD1306作为驱动芯片的12832点阵OLED屏幕，所述主控制器将表征场强的数值发送给显示屏进行数据显示。

进一步的，所述控制按键用于对所述电场测量模块输入压电驱动等级的切换控制，并将其切换结果经所述主控制器在所述显示屏中显示。

进一步的，所述声光报警模块包括LED灯以及蜂鸣器。

MEMS传感器即微机电系统，是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。

截止到2010年，全世界有大约600余家单位从事MEMS的研制和生产工作，已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品，其中MEMS传感器占相当大的比例。

MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。

早期的主控器及MEMS传感器制造成本高，技术并不成熟，误报、漏报现象频繁，对于特种作业而言，极易造成重大安全隐患事故。针对电力行业的零容错要求来说，并不能很好地满足特种行业对于作业安全的要求。

随着芯片技术和微集成电器元件技术的快速迭代，在一定程度上满足了对制造成本、监测精度、算力要求、便携性的不同使用需求。

参考《基于MEMS技术的微型电场传感器设计与仿真》、《一种扭转谐振式MEMS电场传感器》、《中科院成功研制出MEMS电场传感器创新产品》、《一种用于MEMS电场传感器的CMOS可控增益前置放大电路》、《MEMS电场传感器应用技术研究》等相关文献资料，实现对MEMS电场传感器中扭转振动调制模态、活塞振动调制模态与模拟解调、表征场强数据获取的关联。

通过采用MEMS电场传感器对变电站内带电设备周围进行工频电场测量，经过后端电路和主控制器信号处理，得到电场强度的具体数值，再和设定好的安全距离临界电场阈值相比较，如果大于此值，则装置发出声光报警的信号以提示作业人员注意安全。作业人员带电作业的电压等级可通过控制按键选择，并在显示器中显示出来。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明所使用MEMS电场传感器采用先进的压电驱动方式和结构，具有功耗低、灵敏度高和振动模式可控的优点。该便携式近电预警装置适用范围广泛，可通过控制按键选择电压等级，可用于220kV及以下变电站的带电作业近电预警工作。

在进行带电作业时，先通过控制按键选择好电压等级，并在显示屏中显示，选好电压等级就意味着确定了该电压等级所对应的安全距离临界电场阈值，电场测量模块进行检测反馈，之后主控制器通过ADC采集电场信号，并进行软件处理，将得到的电场强度数值通过OLED显示出，并与该电压等级对应的报警阈值进行比较，若大于阈值，说明作业人员越过安全距离，则启动声光报警进行安全警示，直至作业人员退至安全区域，若小于阈值则返回继续采集处理信号，如此循环。

所述MEMS电场传感器敏感组件的双路微弱电流信号经过I/V转换、差分放大、滤波等低噪声预处理后，提供给后端信号检测电路进行电场信号的提取和传输，MEMS电场传感器敏感组件无电机等易磨损器件，具有一定的稳定性和可靠性。

所述后端信号检测电路采用高通－正交相关-带通滤波法解调工频电场，适用于微弱信号的检测，可避免对参考信号做可变移相，也可以避免移相造成对测量准确性的影响。

所述MEMS电场传感器通过压电驱动结构控制调制模态：两侧压电驱动结构施加电压相位差180°时，电场处于扭转振动调制模态，该模态具有灵敏度高的优点；当施加电压相位相等时，电场处于活塞振动调制模态，该模态具有谐振频率高的优点。

所述主控制器选择的是STM32F103C8T6单片机，其拥有丰富的片内外设资源、较大的存储容量以及较低的功耗，该芯片最高工作频率可达72MHz，具有128KB的flash存储器和20KB的SRAM，拥有2个12位模数转换器，共 16个通道，拥有SPI、IIC和USART等多种通信方式的接口，STM32F103C8T6 的资源能够很好的满足此便携式装置需求。

所述显示屏为SSD1306作为驱动芯片的12832点阵OLED屏幕，该显示屏轻薄短小、驱动电压低、能耗低，同步显示信息量较为丰富，刷新率较高。以驱动芯片SSD1306实现对需要显示内容的转码、分类、显存处理，响应时间短、架构稳定，可靠性良好。

所述声光报警模块由LED灯和蜂鸣器组成，它们和主控制器交互，当所测得电场强度大于安全距离临界电场阈值，则主控制器发出信号，使LED闪烁蜂鸣器报警，从而实现声光报警，同时可以通过按键切换不同的电压等级，并在显示器中显示出来。

所述电源模块考虑装置的便携性以及各电路模块的工作电压，选择锂电池进行供电。

通过本发明的上述技术方案得到的基于MEMS电场传感器的便携式近电预警装置，其具有以下有益效果：

(1)电场传感器基于先进的MEMS技术，敏感结构特征尺寸微小化，具有功耗低、成本低、易集成、可批量化制造、空间探测分辨率高、电场测量畸变小等特点，并且MEMS电场传感器其敏感组件无电机等机械磨损器件，有效提升了传感器工作的稳定性和可靠性。

(2)STM32F103C8T6处理器用于近电预警装置非常符合便携式设备对功耗和成本较为敏感的嵌入式设计，其克服了近电预警装置采用模拟电路无法定量检测且功能单一的问题。

(3)与现有的验电器等近电预警装置相比，基于MEMS电场传感器的便携式近电预警装置测量范围更加广泛，可应用于220kV及以下变电站近电作业安全预警。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

图1为本发明中所述的基于MEMS电场传感器的近电预警装置结构示意图；

图2为本发明中所述的MEMS电场传感器敏感组件工作原理图；

图3为本发明中所述的MEMS电场传感器的输出信号解调原理图；

图4为本发明中所述的近电预警流程图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例和附图进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。

实施例1

如图1－4所示，本实施例提供一种基于MEMS电场传感器的便携式近电预警装置，包括电场测量模块、主控制器、声光报警模块、电源模块，

所述电源模块通过控制开关与所述主控制器相连接，所述主控制器分别连接所述电场测量模块、所述声光报警模块、显示屏，所述主控制器上设置用于控制对所述电场测量模块输入压电驱动等级的控制按键，

所述电场测量模块包括MEMS电场传感器、后端信号检测电路，所述后端信号检测电路包括放大电路、模拟解调电路；

近电预警的作业流程为：

在所述控制按键控制输入压电驱动等级的作用下，所述MEMS电场传感器产生周期性振动感应电荷；

感应电荷通过所述放大电路转换为电压信号，经过所述模拟解调电路得到频率为50Hz的电场信号，并发送到所述主控制器ADC采集端口内；

电场信号经过所述主控制器处理后得到一个表征场强的数值；

所述主控制器检测到表征场强的数值高于设定阈值，则通过所述报警模块发出声光报警，从而实现带电作业的近电预警功能。

所述MEMS电场传感器通过压电驱动结构控制调制模态：

两侧压电驱动结构施加电压相位差180°时，电场处于扭转振动调制模态，该模态具有灵敏度高的优点；

当施加电压相位相等时，电场处于活塞振动调制模态，该模态具有谐振频率高的优点。

所述后端信号检测电路中的所述模拟解调电路采用高通－正交相关-带通滤波法解调工频电场。

所述主控制器为STM32F103C8T6单片机，所述显示屏为SSD1306作为驱动芯片的12832点阵OLED屏幕，所述主控制器将表征场强的数值发送给显示屏进行数据显示。

所述控制按键用于对所述电场测量模块输入压电驱动等级的切换控制，并将其切换结果经所述主控制器在所述显示屏中显示。

所述声光报警模块包括LED灯以及蜂鸣器。

所述电源模块上加装稳压器，所述电源模块为锂电池。

所述MEMS电场传感器服从GB/T 35086-2018MEMS电场传感器通用技术条件的国家技术标准。

所述MEMS电场传感器为已公开的专利技术成果。

本发明中，MEMS电场传感器敏感组件工作原理如图2所示，为了提高感应效率，敏感芯片的屏蔽电极和感应电极(+，-)设计在同一结构层，屏蔽电极接地，感应电极与前置放大电路相连接。施加电场E，在驱动电压作用下，激励电极带动屏蔽电极以频率ω振动，周期性遮挡感应电极(+，-)，感应电极(+，-)的感应电荷量发生变化，产生感应电流，此电流幅值与被测电场幅值成正比，通过测量该电流可得到被测电场大小。

当MEMS电场敏感组件施加驱动电压时，屏蔽电极周期振动，在外界电场 En作用下，敏感组件感应电极的电荷量发生周期性变化，调制被测的电场，在某一时刻，感应电荷量Q可表示为；

Q(t)＝k

式中，kq为屏蔽电极在单位振幅状态下感应电极的电荷变化量，Xr为谐振态时屏蔽电极的振幅，θ为驱动信号与敏感组件输出信号之间的相位差， Q0为屏蔽电极在平衡位置上时感应电极的感应电荷量，为固定值。此时在直流电场下MEMS电场敏感组件的输出电流为

则MEMS电场敏感组件的输出电压可表示为

V

式中，R

对于工频电场，MEMS电场传感器敏感组件输出电流为

令

令

则

V＝Msin(ω

上式表明，MEMS电场传感器测量工频电场除了直接感应输出频率为ω

由于MEMS电场传感器敏感组件在工频电场下输出的电流信号也非常微弱，背景噪声强，信噪比低，信号提取困难。而正交相关检测原理在强噪声背景下对微弱信号检测有非常优秀的性能，它可以避免对参考信号做可变移相，也可以避免移相造成对测量准确性的影响。因此，本发明选用正交相关检测原理对MEMS电场传感器的输出信号进行解调。

在工频电场下，MEMS电场传感器的输出信号解调原理图如图3所示。由于直接检测ω

经正交相关解调后，两路输出信号为：

Y

R输出为：

上式表明，R与工频电场幅值E0呈线性关系。R输出的频率为工频电场频率的2倍。最后采用峰值提取的方法获取传感器工频电场的响应值。上述解调工频电场的方法称为高通－正交相关-带通滤波法。

由于采用模拟电路的验电和近电预警装置无法定量检测而且功能单一，考虑到这些问题，本发明选择用STM32F103C8T6控制器芯片来处理信号，其拥有2个12位模数转换器，共16个通道，拥有SPI、IIC等多种通信方式接口。STM32F103C8T6的资源能够很好地满足本发明需求。

在进行带电作业时，先通过控制按键选择好电压等级，并在显示屏中显示，选好电压等级就意味着确定了该电压等级所对应的安全距离临界电场阈值，电场测量模块进行检测反馈，之后主控制器通过ADC采集电场信号，并进行软件处理，将得到的电场强度数值通过OLED显示出，并与该电压等级对应的报警阈值进行比较，若大于阈值，说明作业人员越过安全距离，则启动声光报警进行安全警示，直至作业人员退至安全区域，若小于阈值则返回继续采集处理信号，如此循环。近电预警流程如图4所示。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。