CN106680598B - 电动工具的非接触测电电路 - Google Patents

Abstract

一种新的直流电动工具的非接触电场检测电路，包含用于侦测带电体的电场信号的探测头，用于优化探测头侦测到的电场信号的高精度信号接收转换电路，用于根据所述高精度信号接收转换电路优化后的信号，计算探测头到环境中高压交流电的距离的信号采集和处理电路，以及根据信号采集和处理电路给出的距离进行声光告警的声光告警电路，该高精度信号接收转换电路包含阻抗匹配电路，回差比较器电路，以及反相器。

Description

电动工具的非接触测电电路

技术领域

本发明是关于一种电场检测电路，尤其是一种电动工具上检测环境中高压源的距离远近的检测电路。

背景技术

在电动工具使用的场合，特别是在隐蔽装有家用交流电线的场合中，使用者的工作不同程度的存在触电危险。现有电动工具无法判别在电源面板、电线中是否存在高压交流电，工具使用者在可能存在高压电风险的情况下直接使用电动工具，加大了触电危险。

现有的测电笔等测电装置为单独的工具，并非安装在工作所使用的工具上，对使用者来说，需要携带和操作多个工具，使用不方便。而且一般的非接触式测电装置只能简单的判断是否带电，不能判断测电装置与带电体的距离。

发明内容

本发明提供了一种新的直流电动工具的非接触电场检测电路，包含用于侦测带电体的电场信号的探测头，用于优化探测头侦测到的电场信号的高精度信号接收转换电路，用于根据所述高精度信号接收转换电路优化后的信号，计算探测头到环境中高压交流电的距离的信号采集和处理电路，以及根据信号采集和处理电路给出的距离进行声光告警的声光告警电路，该高精度信号接收转换电路包含阻抗匹配电路，回差比较器电路，以及反相器。该阻抗匹配电路包含一个电阻和一个电容串联连接，回差比较器电路包含一个反向滞回比较器，反相器为反相放大器。该高精度信号接收和转换电路，优化后的电场信号为一矩形波信号，信号采集和处理电路根据接收到矩形波信号的占空比和/或高电平绝对值计算距离。探测头到高压交流电的距离与占空比呈反比，与高电平绝对值呈反比。

附图说明

图1为非接触电场检测电路的电路模块图。

图2为高精度信号接收转换电路的电路模块图。

图3为回差比较器电路处理波形图。

图4为信号采集与软件处理电路流程图。

具体实施方式

为了使本发明的特征及所达成的功效有进一步的了解与认识，使用较佳的实施例及与其配合的说明。说明如下：

如图1为本发明的非接触电场检测电路的电路模块图。该被测体1为环境中的交流高压电，例如电源面板，电线，等电源载体。探测头2位于直流电动工具上，可以安装于直流电动工具的工作头位置，也可安装于直流电动工具的机身侧边，用于侦测被测体1的电场信号。本发明中所采集的信号来源于家用的高压交流电，即50/60Hz的正弦波电场。探测头2为特殊金属材料制成的交叉网状接收天线，能灵敏地接收被测体1辐射出的微弱正弦波电场。高精度信号接收转换电路3和信号采集与软件处理电路4，以及声光告警电路5集成于直流电动工具11内部的电路板上，其中声光告警电路5包含一LED灯，以及一蜂鸣器。该LED灯和蜂鸣器位于直流电动工具的表面，使用者容易观察到的位置。高精度信号接收转换电路3接收探测头2接收到的微弱正弦波电场信号，将其进行处理，解决微弱信号的易畸变性后，将得到的方波信号传递给信号采集与软件处理电路4，具体的处理方式下文将详细描述。信号采集与软件处理电路4将得到的方波信号进行中断实时采集、函数拟合计算信号占空比等技术手段来实现相对远近的判别，将得到的探测头2到环境中高压交流电的距离信号传递给声光告警电路5，声光告警电路5通过LED灯的闪烁频率提示距离的远近。探测头2到被测体1的距离越近，LED灯闪烁频率越高，蜂鸣声越急促，以告知使用者已经非常靠近交流高压电，以防触电。

下面详细描述测头2接收到的微弱正弦波电场信号是如何被处理，解决其微弱信号的易畸变性的。如图2所示为高精度信号接收转换电路的电路模块图。探测头2检测带环境中的无线电波，采集到正弦波信号，并传递给高精度信号接收转换电路3。高精度信号接收转换电路3中的阻抗匹配电路31使后一级输入阻抗等于前一级输出阻抗，这时传输的效率是最高的，信号能最大功率的传输到后一级。这样被采集的微弱信号传输阻抗降低，信号衰减减少，采集到的正弦波信号最大功率的被传递到回差比较器电路32。回差比较器电路32中包含一个反向滞回比较器，比较电压接反相端，参考电压在同相端，输出与输入构成正反馈。回差比较器电路32将接收到的正弦波信号转换为方波信号。回差比较器电路32的使用避免了接收到的微弱信号在比较点的震荡，使转换后的信号平稳一致。反相器33接收回差比较器电路32输出的方波信号，其中反相器33为一反相放大器，输入端的极性和输出端极性相反。反相器33加大了转换后信号的能量值，即增加了微弱信号的驱动能力，确保信号在被采集时不发生畸变，输出与输入正弦波对应的方波信号。探测头2探测到的微弱正弦波信号，经过高精度信号接收转换电路32的一系列处理后，由正弦波变为方波，且由于巧妙地把回差比较器与反向器结合起来，利用回差比较器在信号采集中防抖特性及反向器的隔离提升信号驱动能力，使信号平滑，稳定，可被计算。

如图3所示为回差比较器电路处理波形图。以两个不同幅值的电场信号为例，如g(x)＝6sion(x)与h(x)＝3sion(x)。Vth为比较器的比较阈值，Vb为比较器回落比较值。Vth-Vb为回差值。当两个辐射电场被信号采集电路捕获时，幅值高的信号在t11时刻达到Vth值，幅值低的信号在t21时刻达到Vth值，t11早于t21。而在信号回落时正好相反，即幅值低的信号在t22时刻达到Vb值，幅值高的信号在t12时刻达到Vb值，t22早于t12。如此t1＝t12-t11要大于t2＝t22-t21，即高电平t1的宽度宽，高电平t2的宽度窄。如此形成的矩形波S1与S2占空比D1＝t1/T与D2＝t2/T有如下关系:D1>D2，即形成了信号强的正弦波g(x)幅值高，对应于输出矩形波信号S1占空比大；信号弱的正弦波h(x)幅值低，对应于输出矩形波信号S2占空比小。如此即建立了占空比D大小与信号强/弱的数学模型，离交流高压电越近，电场越强，回差比较器电路处理后的正弦波信号的占空比越大。

高精度信号接收转换电路3输出的稳定方波信号被信号采集与软件处理电路4接收后，信号被计算，得到被测体到探测头的距离，然后输出相应的频率信号给声光告警电路。信号采集与软件处理电路4中包含一CPU，该CPU具有外部信号采集，软件处理，自适应报警频率计算等功能。结合图4信号流程图说明信号在该电路中的处理方式。在步骤S0，方波信号输入信号采集与软件处理电路，在步骤S1判断是否有测电按键操作，如有，则在步骤S2采集信号。如无则返回。信号采集与软件处理电路采用中断机制，通过监控信号上升沿/下降沿变化，实时采集外部信号。在步骤S3，CPU判断信号是否存在，如是，则进入步骤S4。如无信号则返回S0。在步骤S4，CPU读取方波信号的高、低电平时间。在步骤S5，CPU通过实时中断us级计时、均值滤波法计算时长，计算出被测体到探测头的距离。具体的，当高精度信号接收转换电路3输出的矩形波信号出现上升沿时，中断程序开始启动计时，计时数值记录在寄存器R1实时滚动，当矩形波出现下降沿时，记录当前寄存器R1值并保存，同时启动下降沿计时计时数值记录在寄存器R2实时滚动，当矩形波出现下一个上升沿时，记录当前寄存器R2值并保存。如此连续记录N个周期，优选的，为5个周期。R1与R2均记录的5个周期的累计值，然后同时清空R1与R2寄存器，进入下一个计时周期。低电平时长为tL，高电平时长为tH，CPU采用均值法计算出信号的高、低电平宽度tH＝R1/N，tL＝R2/N。然后根据tH，tL计算出占空比D＝tH/(tH+tL)。然后通过函数拟合，得到被测体到探测头的距离H的关系为H∝1/(K1*D)。此处K1为一个常数。即H反比于占空比D，占空比值D小，距离H大，被测体离探测头越远，反之亦然。在步骤S6，CPU计算不同占空比对应的告警频率。在声光告警电路5中，声光告警装置包含蜂鸣器和LED灯。具体设计中，在CPU中设定一个基频fb，结合得到的占空比D值，根据数学公式得到f＝fb*K*D，其中K为一数学表达式，理解为一比例常数。当距离H大，则D值小，根据计算得到频率f小，告警信号频率低，告警平缓；当距离H小，则D值大，根据计算得到频率f大，告警信号频率高，告警急促。在步骤S7，检测按键操作是否结束，如是，则程序结束。如仍有按键操作，则返回步骤S2。

在另一优选的实施例中，高精度信号接收转换电路3将接收到的正弦波信号转换为平滑稳定的矩形波信号后，信号采集与软件处理电路4计算该矩形波的高电平宽度。当输入正弦波幅度俞高，得到的矩形波高电平宽度俞大。如此，高电平宽度的绝对值与探测头到被测体的距离呈正比，即高电平宽度的绝对值越大，则表示探测头到被测体的距离越大。信号采集与软件处理电路4中的CPU按不同高电平宽度的绝对值计算对应的不同告警频率，当距离越大，则高电平宽度的绝对值越大，告警信号的频率越小。

如此即实现了能灵敏的检测到电源面板、电线是否带有高压交流电的直流电动工具的非接触电场检测电路。该非接触电场检测电路除了能检测、判断被测体是否存在高压危险源，还能根据信号的变化判断高压危险源的相对远近。判别高压危险源距离工具使用者之间的相对远近是现有技术难以实现的技术点，微弱信号幅值低驱动能力弱，在被外部采用电路采样时极易衰减与变形，如此微弱信号的变化会淹没在波形的畸变里而不能被采集识别。本发明通过高精度信号接收转换电路对信号进行处理，通过信号路径阻抗匹配，信号防抖平滑处理，信号驱动能力提升，解决了微弱信号的易畸变性问题。再经过信号采集与软件处理电路的中断实时采集、函数拟合计算信号占空比等技术手段来实现相对远近的判别。最后并通过不同频率的声、光告警信号进行告警。

以上仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括与本发明的权利要求范围内。

Claims (6)

1.一种直流电动工具的非接触电场检测电路，包含，

探测头，用于侦测带电体的正弦波信号，

高精度信号接收转换电路，用于优化探测头侦测到的电场信号，优化后的电场信号为一矩形波信号，

信号采集和处理电路，用于根据接收到矩形波信号的占空比计算探测头到被测带电体的距离，

以及声光告警电路，用于根据上述信号采集和处理电路给出的距离进行声光告警，

其特征在于，所述高精度信号接收转换电路包含回差比较器电路，回差比较器电路的比较阈值与回落比较值不相等且均大于等于零，从而使得当两个辐射电场被信号采集和处理电路捕获时，幅值高的信号在t11时刻达到比较阈值，幅值低的信号在t21时刻达到比较阈值，t11早于t21；在信号回落时，幅值低的信号在t22时刻达到回落比较值，幅值高的信号在t12时刻达到回落比较值，t22早于t12；如此建立了占空比大小与信号强/弱的数学模型，离交流高压电越近，电场越强，回差比较器电路处理后的正弦波信号所对应的矩形波信号的的占空比越大。

2.如权利要求1所述的非接触电场检测电路，其特征在于，所述高精度信号接收转换电路还包含阻抗匹配电路，以及反相器。

3.如权利要求2所述的非接触电场检测电路，其特征在于，所述阻抗匹配电路包含一个电阻和一个电容串联连接。

4.如权利要求2所述的非接触电场检测电路，其特征在于，所述回差比较器电路包含一个反向滞回比较器。

5.如权利要求2所述的非接触电场检测电路，其特征在于，所述反相器为反相放大器。

6.如权利要求1所述的非接触电场检测电路，其特征在于，所述信号采集和处理电路计算高电平的宽度t1＝t12-t11，低电平的宽度t2＝t22-t21，形成的对应的矩形波S1与S2的为占空比D1＝t1/T与D2＝t2/T。