CN108196134A - 一种工频电场测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工频电场测量系统，包括：能够进行无线传输通信的测量端和接收端，测量端包括：电场信号采集模块，用于利用检测探头对电场信号进行采集；信号调理模块，用于将采集的电场信号经过差分处理转化为第一电压信号后进行信号放大和滤波处理，获取第二电压信号；MCU处理模块，用于对所述第二电压信号进行模数转换处理，获取电场数字信号，并将所述电场数字信号经无线发送模块和无线接收模块发送至MCU控制模块；接收端包括：无线接收模块、MCU控制模块、显示模块、数据存储模块和供电模块，MCU控制模块，用于将所述电场数字信号发送至显示模块进行实时显示，以及发送至数据存储模块进行存储；供电模块，用于为接收端提供电源支撑。
Description
技术领域
本发明涉及电场测量技术领域，并且更具体地，涉及一种工频电场测量系统及方法。
背景技术
目前，输电线路周围电场复杂，铺设条件苛刻，电场环境对周围居民有着切身影响，电路检修极其复杂危险，耗费极大的人力和财力。为此国内外先后研制出多种电场测量装置对电场强度进行监测，可以直接测量输电线路周围电场强度，实施有效的监测和分析，为输电线路安全提供可靠的手端和依据。现有的电场测量装置主要分为机械和光学两种测量装置，光学测量装置检测精度高，价格昂贵，普通机械式价格低，但测量装置体积偏大，功耗高，测量精度难以达到要求。
发明内容
本发明提出了一种工频电场测量系统及方法，以解决现有的电场测量装置体积大、不能实时传输和测量精度低的问题。
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种工频电场测量系统，其特征在于，所述系统包括：能够进行无线传输通信的测量端和接收端，所述测量端包括：电场信号采集模块、信号调理模块、MCU处理模块和无线发送模块，所述接收端包括：无线接收模块、MCU控制模块、显示模块、数据存储模块和供电模块，
所述电场信号采集模块，与信号调理模块的输入端相连接，用于利用检测探头对电场信号进行采集，并将采集的电场信号发送至信号调理模块；
所述信号调理模块，与MCU处理模块的输入端相连接，用于将所述采集的电场信号经过差分处理转化为第一电压信号后进行信号放大和滤波处理，获取第二电压信号并将所述第二电压信号发送至MCU处理模块；
所述MCU处理模块，用于对所述第二电压信号进行模数转换处理，获取电场数字信号，并将所述电场数字信号经无线发送模块和无线接收模块发送至MCU控制模块；
所述MCU控制模块，分别与无线接收模块的输出端以及显示模块和数据存储模块的输入端相连接，用于将所述电场数字信号发送至显示模块进行实时显示，以及将所述电场数字信号发送至数据存储模块进行存储；
所述供电模块，用于为接收端提供电源支撑。
优选地，其中所述信号调理模块包括：电场传感器、正弦波发生器、增益控制器、检测电路、差分转换电路以及信号放大滤波电路，
所述正弦波发生器和增益控制器共同控制产生幅值、频率稳定的正弦波输出，驱动电场传感器做周期性机械运动，电场传感器产生跟检测电路检测的外界电场场强成比例的电流信号，所述电流信号经过差分IV转换电路转换成第一电压信号，所述信号放大滤波电路对所述第一电压信号进行信号放大和滤波处理，获取第二电压信号并发送至MCU处理模块。
优选地，其中所述无线发送模块和无线接收模块周围的电路板经过抠铜处理，用于防止地屏蔽接收信号。
优选地，其中所述系统还包括：上位机，与所述接收端通过USB连接，用于通过MCU控制模块将数据存储模块存储的电场数字信号发送至上位机进行分析处理。
优选地，其中所述无线传输通信方式为：蓝牙通信。
优选地，其中所述MCU控制模块自带实时时钟，并使用纽扣电池为所述实时时钟供电，保证实时时钟的正常运行。
根据本发明的另一方面，提供了一种对工频电场进行测量的方法，其特征在于，所述方法包括：
电场检测模块利用检测探头对电场信号进行采集；
信号调理模块将所述采集的电场信号经过差分处理转化为第一电压信号后进行信号放大和滤波处理，获取第二电压信号；
MCU处理模块对所述第二电压信号进行模数转换处理，获取电场数字信号，并将所述电场数字信号经无线发送模块和无线接收模块发送至MCU控制模块；
MCU控制模块将所述电场数字信号发送至显示模块进行实时显示，并将所述电场数字信号发送至数据存储模块进行存储。
优选地，其中所述信号调理模块，包括：电场传感器、正弦波发生器、增益控制器、检测电路、差分转换电路以及信号放大滤波电路，
所述正弦波发生器和增益控制器共同控制产生幅值、频率稳定的正弦波输出，驱动电场传感器做周期性机械运动，电场传感器产生跟检测电路检测的外界电场场强成比例的电流信号，所述电流信号经过差分IV转换电路转换成第一电压信号，所述信号放大滤波电路对所述第一电压信号进行信号放大和滤波处理，获取第二电压信号。
优选地，其中所述方法还包括：
利用供电模块提供电源支撑。
优选地，其中对所述无线发送模块和无线接收模块周围的电路板进行抠铜处理，用于防止地屏蔽接收信号。
优选地，其中所述方法还包括：
通过MCU控制模块将数据存储模块存储的电场数字信号发送至上位机进行分析处理。
优选地，其中所述无线发送模块和无线接收模块间传输通信方式为：蓝牙通信。
优选地，其中所述方法还包括：
利用MCU控制模块自带的实时时钟进行计时，并使用纽扣电池为所述实时时钟供电，保证实时时钟的正常运行。
本发明提供了一种工频电场测量系统及方法，测量端和接收端通过无线传输数据，实现电场数据的实时传输显示。在进行电场测量时，利用检测探头对电场信号进行采集；利用信号调理模块将所述采集的电场信号经过差分处理转化为第一电压信号后进行信号放大和滤波处理，获取第二电压信号并将所述第二电压信号；利用MCU处理模块对所述第二电压信号进行模数转换处理，获取电场数字信号，并将所述电场数字信号经无线发送模块和无线接收模块发送至MCU控制模块；并利用MCU控制模块将所述电场数字信号发送至显示模块进行实时显示，以及将所述电场数字信号发送至数据存储模块进行存储。本发明通过将测量端和接收端分离，并且对采集的电场信号进行差分处理，降低了工模信号干扰，提高了测量的准确度；同时，能够将电场数字信号进行存储，用于对输电线路的好坏快速的进行分析判断。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据本发明实施方式的工频电场测量系统100的示意图；
图2为根据本发明实施方式的信号调理模块的结构示意图；
图3为根据本发明实施方式的接收端的结构示意图；
图4为根据本发明实施方式的工频电场测量系统的结构示意图；以及
图5为根据本发明实施方式的工频电场测量方法500的流程图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明实施方式的工频电场测量系统100的结构示意图。如图1所示，本发明实施方式提供的工频电场测量系统100中，测量端和接收端通过无线传输数据，实现电场数据的实时传输显示。在进行电场测量时，利用检测探头对电场信号进行采集；利用信号调理模块将所述采集的电场信号经过差分处理转化为第一电压信号后进行信号放大和滤波处理，获取第二电压信号；利用MCU处理模块对所述第二电压信号进行模数转换处理，获取电场数字信号，并将所述电场数字信号经无线发送模块和无线接收模块发送至MCU控制模块；利用MCU控制模块将所述电场数字信号发送至显示模块进行实时显示，以及将所述电场数字信号发送至数据存储模块进行存储。本发明通过将测量端和接收端分离，并且对采集的电场信号进行差分处理，降低了工模信号干扰，提高了测量的准确度；同时，能够将电场数字信号进行存储，用于对输电线路的好坏快速的进行分析判断。根据本发明实施方式的工频电场测量系统100包括：能够进行无线传输通信的测量端101和接收端102，所述测量端包括：电场信号采集模块1011、信号调理模块1012、MCU处理模块1013和无线发送模块1014，所述接收端102包括：无线接收模块1021、MCU控制模块1022、显示模块1023、数据存储模块1024和供电模块1025。
优选地，其中所述无线传输通信方式为：蓝牙通信。在本发明的实施方式中，测量端主要包括检测探头、信号调理模块、MCU处理模块以及蓝牙无线发送模块。实际测量时，将检测探头放置到待测量的电场环境中，检测探头不接触其它物体，供电后测量端开始工作。
优选地，所述电场信号采集模块1011，与信号调理模块1012的输入端相连接，用于利用检测探头对电场信号进行采集，并将采集的电场信号发送至信号调理模块1012。
优选地，所述信号调理模块1012，与MCU处理模块1013的输入端相连接，用于将所述采集的电场信号经过差分处理转化为第一电压信号后进行信号放大和滤波处理，获取第二电压信号并将所述第二电压信号发送至MCU处理模块1013。
优选地，其中所述信号调理模块包括：电场传感器、正弦波发生器、增益控制器、检测电路、差分IV转换电路以及信号放大滤波电路，所述正弦波发生器和增益控制器共同控制产生幅值、频率稳定的正弦波输出，驱动电场传感器做周期性机械运动，电场传感器产生跟检测电路检测的外界电场场强成比例的电流信号，所述电流信号经过差分IV转换电路转换成第一电压信号，所述信号放大滤波电路对所述第一电压信号进行信号放大和滤波处理，获取第二电压信号并发送至MCU处理模块。
图2为根据本发明实施方式的信号调理模块的结构示意图。如图2所示，正弦波发生器和增益控制器共同控制产生幅值、频率稳定的正弦波输出，驱动电场传感器做周期性机械运动，电场传感器产生跟外界电场场强成比例的电流信号，此信号经过差分IV转换电转换成电压信号，再经过信号放大滤波电路输出至接收端。
优选地，所述MCU处理模块1013，用于对所述第二电压信号进行模数转换处理，获取电场数字信号，并将所述电场数字信号经无线发送模块1014和无线接收模块1021发送至MCU控制模块1022。优选地，其中所述无线发送模块和无线接收模块周围的电路板经过抠铜处理，用于防止地屏蔽接收信号。
优选地，所述MCU控制模块1022，分别与无线接收模块1021的输出端以及显示模块1023和数据存储模块1024的输入端相连接，用于将所述电场数字信号发送至显示模块1023进行实时显示，以及将所述电场数字信号发送至数据存储模块1024进行存储。
优选地，其中所述MCU控制模块自带实时时钟，并使用纽扣电池为所述实时时钟供电，保证实时时钟的正常运行。
优选地，所述供电模块1025，用于为接收端提供电源支撑。
优选地，其中所述系统还包括：上位机，与所述接收端通过USB连接，用于通过MCU控制模块将数据存储模块存储的电场数字信号发送至上位机进行分析处理。
本发明实施方式的手持接收端，主要包括：电池、电池座、屏幕、按键、电路板、蓝牙天线、充电器和塑料外壳。将电池座通过抱箍固定在塑料壳内部，电路板放在电池旁边，用螺丝固定同时加绝缘胶带处理，防止短路，屏幕使用支架固定，并且在塑料外壳正面开孔使屏幕可以突出显示。按键通过外接线连接到电路板上，塑料外壳侧边开孔来放置蓝牙无线传输、按键和充电器配套接口。
图3为根据本发明实施方式的接收端的结构示意图。如图3所示，手持接收端选用9V的充电器，9V电压输出给电路板，经过锂电池充电控制芯片，产生8.4V的电压给锂电池充电，9V充电器必须能提供至少1A电流，减少锂电池充电时间。锂电池控制芯片采用TI电源管理芯片，实现锂电池预充电、快充、恒压充电三个阶端充电电压、电流控制，同时能检测电池温度，在电池温度过高时，采用相应的保护措施。所述的锂电池采用18650双节串联，提供7.4V的电压，电量要求在2000mAh以上，保障供电时间。对锂电池放电电压加以控制，当达到放电电压临界阈值，系统自动关闭，即使按键控制系统开启，在此状况下，无法开机，并且指示灯显示电池电量过低。按键控制电路包括消抖电路，实现一键控制开关机，当测量时，按键控制系统上电，在不需要测量时，按键关闭系统显示。系统上电后，电源控制单元控制产生5V，3.3V的电源，5V提供给屏幕，3.3V提供给MCU主控电路和蓝牙接收模块。蓝牙接收模块加天线，在测量时，调整天线角度延长接收距离。并且将蓝牙接收模块焊接到PCB电路板上，蓝牙接收模块周围进行抠铜处理，减少地屏蔽。系统上电时，蓝牙接收模块将接收到的数据定时传送给MCU主控电路。MCU主控电路自带实时时钟(Real-Time Clock，RTC)，用于读出当前时间值并且使用CR1220之类的纽扣电池对RTC进行供电，在系统掉电时，仍可以进行计时。屏幕选择亮度较好的OLED，用于实时显示时间和对应的电场强度值，在强光条件下仍可以正常读数。MCU主控电路通过安全数字输入输出卡(Secure Digital Input and OutputCard，SDIO)读写方式并且添加文件系统，将数据以FAT32文件格式存储到数据存储模块。
MCU主控电路通过USB能够与上位机进行通信，将数据存储模块存储的数据读到上位机，进行数据分析显示。
图4为根据本发明实施方式的工频电场测量系统的结构示意图。如图4所示，本发明实施方式的工频电场测量系统包括：测量端和手持接收端两部分，测量端部分首先经过检测探头采集电场信号，然后采用信号调理电路将电场信号转化成电压信号输出，再由MCU处理电路将被测电场值经过蓝牙传输到手持接收端，手持接收端存储的被测电场值并实时显示到屏幕上。手持接收端采用18650双节串联的电池供电。测量端主要包括：检测探头、信号调理电路、MCU处理电路以及蓝牙发送电路。实际测量时，将检测探头放置到待测量的电场环境中，检测探头不接触其它物体，供电后测量端开始工作。
图5为根据本发明实施方式的工频电场测量方法500的流程图。如图5所示，本发明实施方式提供的对工频电场进行测量的方法500从用于对电场信号进行测量，所述对工频电场进行测量的方法500从步骤501处开始，在步骤501电场检测模块利用检测探头对电场信号进行采集。
优选地，在步骤502信号调理模块将所述采集的电场信号经过差分处理转化为第一电压信号后进行信号放大和滤波处理，获取第二电压信号。
优选地，其中所述信号调理模块，包括：电场传感器、正弦波发生器、增益控制器、检测电路、差分转换电路以及信号放大滤波电路，所述正弦波发生器和增益控制器共同控制产生幅值、频率稳定的正弦波输出，驱动电场传感器做周期性机械运动，电场传感器产生跟检测电路检测的外界电场场强成比例的电流信号，所述电流信号经过差分IV转换电路转换成第一电压信号，所述信号放大滤波电路对所述第一电压信号进行信号放大和滤波处理，获取第二电压信号。
优选地，在步骤503MCU处理模块对所述第二电压信号进行模数转换处理，获取电场数字信号，并将所述电场数字信号经无线发送模块和无线接收模块发送至MCU控制模块。
优选地，其中所述无线发送模块和无线接收模块间传输通信方式为：蓝牙通信。优选地，其中对所述无线发送模块和无线接收模块周围的电路板进行抠铜处理，用于防止地屏蔽接收信号。
优选地，在步骤504MCU控制模块将所述电场数字信号发送至显示模块进行实时显示，并将所述电场数字信号发送至数据存储模块进行存储。
优选地，其中所述方法还包括：利用供电模块提供电源支撑。
优选地，其中所述方法还包括：通过MCU控制模块将数据存储模块存储的电场数字信号发送至上位机进行分析处理。
优选地，其中所述方法还包括：利用MCU控制模块自带的实时时钟进行计时，并使用纽扣电池为所述实时时钟供电，保证实时时钟的正常运行。
本发明的实施例的工频电场测量方法500与本发明的另一个实施例的工频电场测量系统100相对应，在此不再赘述。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
Claims (13)
1.一种工频电场测量系统，其特征在于，所述系统包括：能够进行无线传输通信的测量端和接收端，所述测量端包括：电场信号采集模块、信号调理模块、MCU处理模块和无线发送模块，所述接收端包括：无线接收模块、MCU控制模块、显示模块、数据存储模块和供电模块，
所述电场信号采集模块，与信号调理模块的输入端相连接，用于利用检测探头对电场信号进行采集，并将采集的电场信号发送至信号调理模块；
所述信号调理模块，与MCU处理模块的输入端相连接，用于将所述采集的电场信号经过差分处理转化为第一电压信号后进行信号放大和滤波处理，获取第二电压信号并将所述第二电压信号发送至MCU处理模块；
所述MCU处理模块，用于对所述第二电压信号进行模数转换处理，获取电场数字信号，并将所述电场数字信号经无线发送模块和无线接收模块发送至MCU控制模块；
所述MCU控制模块，分别与无线接收模块的输出端以及显示模块和数据存储模块的输入端相连接，用于将所述电场数字信号发送至显示模块进行实时显示，以及将所述电场数字信号发送至数据存储模块进行存储；
所述供电模块，用于为接收端提供电源支撑。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号调理模块包括：电场传感器、正弦波发生器、增益控制器、检测电路、差分转换电路以及信号放大滤波电路，
所述正弦波发生器和增益控制器共同控制产生幅值、频率稳定的正弦波输出，驱动电场传感器做周期性机械运动，电场传感器产生跟检测电路检测的外界电场场强成比例的电流信号，所述电流信号经过差分IV转换电路转换成第一电压信号，所述信号放大滤波电路对所述第一电压信号进行信号放大和滤波处理，获取第二电压信号并发送至MCU处理模块。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无线发送模块和无线接收模块周围的电路板经过抠铜处理，用于防止地屏蔽接收信号。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：上位机，与所述接收端通过USB连接，用于通过MCU控制模块将数据存储模块存储的电场数字信号发送至上位机进行分析处理。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无线传输通信方式为：蓝牙通信。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述MCU控制模块自带实时时钟，并使用纽扣电池为所述实时时钟供电，保证实时时钟的正常运行。
7.一种使用如权利要求1所述的系统对工频电场进行测量的方法，其特征在于，所述方法包括：
电场检测模块利用检测探头对电场信号进行采集；
信号调理模块将所述采集的电场信号经过差分处理转化为第一电压信号后进行信号放大和滤波处理，获取第二电压信号；
MCU处理模块对所述第二电压信号进行模数转换处理，获取电场数字信号，并将所述电场数字信号经无线发送模块和无线接收模块发送至MCU控制模块；
MCU控制模块将所述电场数字信号发送至显示模块进行实时显示，并将所述电场数字信号发送至数据存储模块进行存储。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述信号调理模块，包括：电场传感器、正弦波发生器、增益控制器、检测电路、差分转换电路以及信号放大滤波电路，
所述正弦波发生器和增益控制器共同控制产生幅值、频率稳定的正弦波输出，驱动电场传感器做周期性机械运动，电场传感器产生跟检测电路检测的外界电场场强成比例的电流信号，所述电流信号经过差分IV转换电路转换成第一电压信号，所述信号放大滤波电路对所述第一电压信号进行信号放大和滤波处理，获取第二电压信号。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
利用供电模块提供电源支撑。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，对所述无线发送模块和无线接收模块周围的电路板进行抠铜处理，用于防止地屏蔽接收信号。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过MCU控制模块将数据存储模块存储的电场数字信号发送至上位机进行分析处理。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述无线发送模块和无线接收模块间传输通信方式为：蓝牙通信。
13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
利用MCU控制模块自带的实时时钟进行计时，并使用纽扣电池为所述实时时钟供电，保证实时时钟的正常运行。
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