CN106597065A - Mems非接触式高压直流验电器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MEMS非接触式高压直流验电器，其特征在于，包括：MEMS交直流电场检测探头，用于采集场景内的电场信号；信号采集单元，接收所述电场信号并进行去噪处理；微控制器，接收所述去噪处理后的电场信号，并根据所述电场信号生成正极信号或负极信号；声光报警模块，用于显示所述正极信号或负极信号。MEMS电场是基于电荷感应原理实现电场检测，包括激励电极、屏蔽电极和感应电极三部分。MEMS电场敏感芯片采用先进的微加工技术，具有体积小、成本低、功耗低、易于集成化、可实现批量生产等优点。

Description

MEMS非接触式高压直流验电器

【技术领域】

本发明涉及电力设备领域，尤其涉及一种MEMS非接触式高压直流验电器。

【背景技术】

随着我国经济的快速增长，电力需求急剧增加，预计到2020年全国的装机容量将达到1l00～1200GW，全国的电力需求总量将达到4.6h×10¹²kWh。为了保证能源利用的安全性，太阳能、生物质能、核能、风能等新兴能源亟待开发利用。根据最新统计，我国已探明开采煤炭储量达1.145×10¹¹t，居世界排名第三位；根据2001-2004年进行的水能资源普查结果，水能蕴藏量达676GW，与江河流域分布一致。由此可知，我国水能、煤炭资源丰富，但从地域上看，资源主要分布在西北、西南地区，与生产力发达的东部地区呈逆向分布，因此形成“西电东送、南北互供、全国联网”的电网发展战略^[1]。

因此，发展特高压电网是解决能源资源与生产力布局不均衡问题的有效措施，是优化电力输送方式的必然要求^[2]。在未来20年，我国将继续开发西北火电和西南水电。我国发展特高压主要是指1000V交流和±800kV直流及以上的更高一级电压等级。当输电距离超过一定的等价距离后，直流输电比交流输电更为经济。

随着电压等级的不断提高，尤其是超高压、长距离输电技术在我国应用范围的扩大，其在施工以及维护中所发生的问题也越来越大^[3]。在无电或者停电的设备上工作的时候，必须要采取一定的防护措施，并且对设备的验电的操作步奏以及验电的方法的都有着明确的要求以及规定。特高压输电线路进行检修的时候，必须对其带电情况进行准确的验证，以防止意外的发生。

电力行业属于高危行业，一旦发生事故，不仅对电力企业自身的经济遭受巨大损失以外也会对各用电企业带来巨大影响^[4]。一旦停电的面积过大，那么信息就无法沟通，经济建设就会停顿，并且对国家形象也会有很大影响。不仅如此，对国民经济和人民的饮食、起居、交通以及休闲等等方面影响也是巨大的。

近年来，各岗各业已经有越来越多的人因为操作不当或者验电设备不合格而发生触电事故^[5]。除了由于工作人员自身违反安全规章以外，气候以及自然环境产生的电场以及输电线路下的感应电场对工作人员的安全也有着巨大的影响。为了避免或者减小这些安全事故的发生，电力行业对高压输电线路都普遍安装了带电检测的仪器。目前，高压验电装置可以从作用原理以及使用环境分为很多类型，但他们几乎都为交流验电装置，直流验电器很少发现。

【发明内容】

为解决前述问题，本发明提出一种MEMS非接触式高压直流验电器,以提供一种适用于特高压环境下的直流检测设备。

为达到前述目的，本发明采用的方案为:MEMS非接触式高压直流验电器，其特征在于，包括：MEMS交直流电场检测探头，用于采集场景内的电场信号；信号采集单元，接收所述电场信号并进行去噪处理；微控制器，接收所述去噪处理后的电场信号，并根据所述电场信号生成正极信号或负极信号；声光报警模块，用于显示所述正极信号或负极信号。

可选的，还包括与所述微控制器连接的开关模块，用于打开或关闭所述MEMS非接触式高压直流验电器。

可选的，还包括蓄电池，用于向所述微控制器、信号采集单元及声光报警模块供电。

可选的，所述声光报警模块包括扬声器、红色LED灯及绿色LED灯。

可选的，所述MEMS交直流电场检测探头内设有MEMS电场敏感芯片；

当MEMS电场敏感芯片施加激励电压时，屏蔽电极周期振动，在外界电场E作用下，芯片感应电极的电荷量发生周期性变化，调制被测的交变电场，在某一时刻，感应电荷量Q可表示为

Q(t)＝k_qX_rE sin(ωt+θ)+Q₀(1)

式中，k_q为屏蔽电极在单位振幅状态下感应电极的电荷变化量；X_r为谐振态时屏蔽电极的振幅；θ为激励信号与芯片输出信号之间的相位差；

此时MEMS电场敏感芯片的输出的电场信号的电流为

则MEMS电场敏感芯片经前置放大电路后的输出的电场信号的电压表示为

V_out＝iR (3)

其中，R为前置放大电路的放大倍数。

可选的，包括呈柱形的第一外壳及第二外壳，所述第二外壳的一端覆盖所述第一外壳一端的第一部分；

所述第一外壳内设有MEMS交直流电场检测探头、信号采集单元、微控制器；所述第一外壳一端的第二部分设有声光报警模块及开关模块；所述第二外壳内设有蓄电池。

本发明可达到如下技术效果：

特高压直流输电线路的电场强度是由标称电场和附加电场共同作用下形成的。当双极运行的±800kV直流导线对地高度18.0m时，，地面合成电场的横向分布在原点处的电场值为零，并且左右两侧反向。

MEMS电场是基于电荷感应原理实现电场检测，包括激励电极、屏蔽电极和感应电极三部分。MEMS电场敏感芯片采用先进的微加工技术，具有体积小、成本低、、功耗低、易于集成化、、可实现批量生产等优点。

MEMS非接触式高压直流验电器，采用一体式结构设计，包括MEMS交直流电场敏感元件、激励电路、信号采集处理电路、蜂鸣器、正负警示灯、开关以及电池等。该验电器的灵敏度为极高且结构紧凑。

本发明的这些特点和优点将会在下面的具体实施方式、附图中详细的揭露。本发明最佳的实施方式或手段将结合附图来详尽表现，但并非是对本发明技术方案的限制。另外，在每个下文和附图中出现的这些特征、要素和组件是具有多个，并且为了表示方便而标记了不同的符号或数字，但均表示相同或相似构造或功能的部件。

【附图说明】

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1为本发明实施例1的MEMS非接触式高压直流验电器结构示意图。

图2为本发明实施例1的MEMS非接触式高压直流验电器电路模块图。

附图标记：1-第一外壳，2-第二外壳，11-红色LED灯，12-绿色LED灯，13-电源开关，14-扬声器，15-RS232接口，21-充电接口。

【具体实施方式】

下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。

在本说明书中引用的“一个实施例”或“实例”或“例子”意指结合实施例本身描述的特定特征、结构或特性可被包括在本专利公开的至少一个实施例中。短语“在一个实施例中”在说明书中的各位置的出现不必都是指同一个实施例。

在本说明书所附的附图中示出的处理步骤是由包括硬件(例如电路、专用逻辑单元等)、固件(诸如在通用计算装置或专用机器上运行)或这二者的组合的处理逻辑执行的。尽管以下各个实施例是依据一些顺序操作描述了处理，但应该理解的是，某些描述的步骤操作可按不同次序执行。此外，一些步骤操作可被并行地执行而非顺序地执行。

实施例1。

MEMS非接触式高压直流验电器，包括：MEMS交直流电场检测探头，用于采集场景内的电场信号；信号采集单元，接收所述电场信号并进行去噪处理；微控制器，接收所述去噪处理后的电场信号，并根据所述电场信号生成正极信号或负极信号；声光报警模块，用于显示所述正极信号或负极信号。

前述MEMS非接触式高压直流验电器还包括与所述微控制器连接的开关模块，用于打开或关闭所述MEMS非接触式高压直流验电器；蓄电池，用于向所述微控制器、信号采集单元及声光报警模块供电。

声光报警模块包括扬声器14、红色LED灯11及绿色LED灯12。

MEMS交直流电场检测探头内设有MEMS电场敏感芯片；

当MEMS电场敏感芯片施加激励电压时，屏蔽电极周期振动，在外界电场E作用下，芯片感应电极的电荷量发生周期性变化，调制被测的交变电场，在某一时刻，感应电荷量Q可表示为

Q(t)＝k_qX_rE sin(ωt+θ)+Q₀(1)

式中，k_q为屏蔽电极在单位振幅状态下感应电极的电荷变化量；X_r为谐振态时屏蔽电极的振幅；θ为激励信号与芯片输出信号之间的相位差；

此时MEMS电场敏感芯片的输出的电场信号的电流为

则MEMS电场敏感芯片经前置放大电路后的输出的电场信号的电压表示为

V_out＝iR (3)

其中，R为前置放大电路的放大倍数。

MEMS非接触式高压直流验电器包括呈柱形的第一外壳1及第二外壳2，所述第二外壳2的一端覆盖所述第一外壳1一端的第一部分；

第一外壳1内设有MEMS交直流电场检测探头、信号采集单元、微控制器；所述第一外壳1一端的第二部分设有声光报警模块及开关模块；所述第二外壳2内设有蓄电池。

前述MEMS电场敏感芯片，其详细技术内容如下：

当MEMS电场敏感芯片施加激励电压时，屏蔽电极周期振动，在外界电场E作用下，芯片感应电极的电荷量发生周期性变化，调制被测的交变电场，在某一时刻，感应电荷量Q可表示为

Q(t)＝k_qX_rE sin(ωt+θ)+Q₀(1)

式中，k_q为屏蔽电极在单位振幅状态下感应电极的电荷变化量；X_r为谐振态时屏蔽电极的振幅；θ为激励信号与芯片输出信号之间的相位差。

此时MEMS电场敏感芯片的输出电流为

则MEMS电场敏感芯片经前置放大电路后的输出电压表示为

V_out＝iR (3)

其中，R为前置放大电路的放大倍数。

MEMS电场敏感芯片输出受激励信号的同频干扰噪声及其他噪声的影响较大，信噪比低，直接难以峰值提取。为了抑制同频干扰噪声及其他噪声的影响，采用独特的低噪声预处理和相关检测方法对芯片输出信号进行解调^[25]。

MEMS电场敏感芯片的特征尺寸只有3μm，工作时其屏蔽电极一直处于振动状态，如果将芯片直接暴露在空气中，空气中的尘埃颗粒、空气流动、环境湿度变化等都会影响芯片的振动，最终造成测量误差。因此，MEMS电场敏感芯片在实际应用过程中应将其进行气密性封装。

芯片测试

为了研究已研制的MEMS电场敏感芯片测试直流电场的基本性能，对其进行分辨力、总不确定度等基本测试。采用中国科学院电子学研究所的电场测试自动标定系统对传感器芯片进行测试。在离芯片1mm处放置平行于芯片的金属板，金属板与芯片上表面之间形成平行板电容，芯片表面等效接地，在金属板上施加电压可产生匀强电场。

MEMS电场敏感芯片性能测试系统设备包括可产生20V的直流电压源、为前置放大电路提供±5V电压的电压源、信号发生器、给标定装置提供电压的可程序控制的高精度电压源表、NI信号采集卡以及计算机等。

对MEMS电场敏感芯片进行分辨力测试，测试方法如下：

1)调整电场输入量，施加负荷E₀+2×ΔE_step(E₀即为量程下限，ΔE_step应为最小分辨力)作为基点，读取传感器芯片的输出值y_c,0；

2)将负荷增大到E₀+4×ΔE_step，读取传感器芯片的输出值y_c,1；

3)将负荷减小到量程下限E₀，读取传感器芯片的输出值y_c,2。

测试得到芯片的分辨力达到20V/m。

对传感器芯片进行总不确定度测试，测试方法如下：

1)在测量范围0～1000kV/m内均匀取6个校准点(含测量范围的上限和下限)；

2)从测量范围下限(0V/m)开始，按规定的校准点(0V/m，200kV/m，400kV/m，600kV/m，800kV/m，1000kV/m)平稳加负荷，待稳定时间5s后，读取传感器组件的输出值，一直到测量范围的上限(1000k V/m)(称正行程)；

3)将上限负荷再向上波动约2‰，再回到上限值，此时读取的输出值作为反行程的初始值，按原校准点顺序回校(称反行程)；

4)正、反行程各3次。

测试得到芯片的总不确定度为1.63％。总不确定度计算依据国家标准GB/T18459-2001中4.2条规定的计算方法。

与传统的场磨式电场传感器类似，MEMS电场传感器敏感结构也是采用电荷感应原理及电极调制方式实现直流电场检测，但该电场敏感芯片具有如下突出特点：

1)微型化，空间分辨力高：基于先进的MEMS技术，敏感结构特征尺寸μm量级，敏感芯片典型尺寸约3×3mm²，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、电场测量畸变小等优点。

2)DC和AC电场电压可同时测量：该MEMS电场传感器芯片不仅可用于测量DC电场，还可同时用于测量AC电场(50Hz及其谐波量)及其变化，较目前只能测量DC或者AC(工频)的传统电场(电压)传感器具有显著优势。

3)无电机磨损部件，稳定性好，可靠性高：该MEMS电场传感器芯片无电机等机械磨损器件，不同于传统场磨式(field mill)电场传感器结构需要电机，影响其长时间连续工作，转速不稳定、存在机械磨损、系统功耗较大等局限性。

另外，如在本申请中使用的，术语“模块”、“系统”是指下面各项的全部：

(1)仅硬件的电路实施方式(诸如以仅模拟和/或数字电路设备的实施方式)；

(2)电路和软件的组合，诸如：(i)控制电路的组合或(ii)控制电路/软件(包括数字信号控制电路)、软件和存储器的部分，其共同工作以引起诸如移动电话或服务器之类的设备执行各种功能；以及

(3)诸如微控制电路或微控制电路部分之类的电路，其需要用于操作的软件或固件，即使软件或固件并没有物理地呈现。

“单元”或“装置”的定义适用于所有在以上实施例中(包括在任何权利要求中)对该术语的使用。作为另一示例，术语“模块”也可以涵盖仅一个控制电路或控制电路部分以及它的附属的软件和/或固件的实施例方式。术语“装置”还可涵盖例如类集成电路、蜂窝网络设备或其他网络设备中的基带集成电路或应用控制电路集成电路。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中的功能的装置。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.MEMS非接触式高压直流验电器，其特征在于，包括：MEMS交直流电场检测探头，用于采集场景内的电场信号；信号采集单元，接收所述电场信号并进行去噪处理；微控制器，接收所述去噪处理后的电场信号，并根据所述电场信号生成正极信号或负极信号；声光报警模块，用于显示所述正极信号或负极信号。

2.根据权利要求1所述MEMS非接触式高压直流验电器，其特征在于，还包括与所述微控制器连接的开关模块，用于打开或关闭所述MEMS非接触式高压直流验电器。

3.根据权利要求1所述MEMS非接触式高压直流验电器，其特征在于，还包括蓄电池，用于向所述微控制器、信号采集单元及声光报警模块供电。

4.根据权利要求1所述MEMS非接触式高压直流验电器，其特征在于，所述声光报警模块包括扬声器、红色LED灯及绿色LED灯。

5.根据权利要求1所述MEMS非接触式高压直流验电器，其特征在于，所述MEMS交直流电场检测探头内设有MEMS电场敏感芯片；

当MEMS电场敏感芯片施加激励电压时，屏蔽电极周期振动，在外界电场E作用下，芯片感应电极的电荷量发生周期性变化，调制被测的交变电场，在某一时刻，感应电荷量Q可表示为

Q(t)＝k_qX_rE sin(ωt+θ)+Q₀ (1)

式中，k_q为屏蔽电极在单位振幅状态下感应电极的电荷变化量；X_r为谐振态时屏蔽电极的振幅；θ为激励信号与芯片输出信号之间的相位差；

此时MEMS电场敏感芯片的输出的电场信号的电流为

$i=\frac{dQ}{dt}=k_q{X}_r\mathrm{\ω}Ecos(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\θ})---\left(2\right)$

则MEMS电场敏感芯片经前置放大电路后的输出的电场信号的电压表示为

V_out＝iR (3)

其中，R为前置放大电路的放大倍数。

6.根据权利要求2所述MEMS非接触式高压直流验电器，其特征在于，包括呈柱形的第一外壳及第二外壳，所述第二外壳的一端覆盖所述第一外壳一端的第一部分；

所述第一外壳内设有MEMS交直流电场检测探头、信号采集单元、微控制器；所述第一外壳一端的第二部分设有声光报警模块及开关模块；所述第二外壳内设有蓄电池。