本發(fā)明屬于電力設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于安全防護(hù)的電場(chǎng)測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

在高壓輸變電電力技術(shù)領(lǐng)域，由于其固有特性，高壓輸變電設(shè)備會(huì)在其周圍空間產(chǎn)生工頻電場(chǎng)。高強(qiáng)度的工頻電場(chǎng)可能引發(fā)火花放電或瞬時(shí)電擊，存在極大安全隱患；而長(zhǎng)時(shí)間暴露于工頻電場(chǎng)環(huán)境中，對(duì)人體也具有潛在的健康危害。因此，各個(gè)國(guó)家或者國(guó)際組織也針對(duì)不同人群制定了工頻電場(chǎng)安全限值。電力工作人員不可避免地處于較復(fù)雜的工頻電磁環(huán)境之中，如果能夠?yàn)樗麄兣鋫淇呻S身攜帶的、可對(duì)所處空間的電場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量并且進(jìn)行超限預(yù)警的儀器，將會(huì)極大地保障他們的人身安全和健康。

電場(chǎng)測(cè)量主要分為以光學(xué)原理為基礎(chǔ)的測(cè)量和以電學(xué)原理為基礎(chǔ)的測(cè)量，其中電學(xué)原理為基礎(chǔ)的測(cè)量因?yàn)槠湓砗?jiǎn)單、傳感器制作方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)成為目前的電場(chǎng)測(cè)量主要方法。從結(jié)構(gòu)來(lái)看，有平板型、立方體型、雙半球型(也被稱為球型，由上下半球構(gòu)成，與本發(fā)明有本質(zhì)區(qū)別)。目前，常用的商用工頻電場(chǎng)測(cè)量?jī)x有德國(guó)Narda的EFA系列、意大利PMM系列、法國(guó)CA系列等。但是使用這些儀器進(jìn)行電場(chǎng)測(cè)量時(shí)，都要求測(cè)量人員與傳感器保持一定距離以避免人體造成的電場(chǎng)畸變影響測(cè)量結(jié)果，傳感器需使用支架進(jìn)行固定，操作繁瑣，不能滿足便攜、實(shí)時(shí)測(cè)量的需求，因此需要設(shè)計(jì)新型的電場(chǎng)測(cè)量?jī)x，其核心就是傳感器設(shè)計(jì)。傳感器的感應(yīng)電壓通過(guò)差分放大電路采集，經(jīng)濾波電路濾波后送入單片機(jī)，通過(guò)預(yù)先設(shè)定的比例系數(shù)計(jì)算得出待測(cè)點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度并進(jìn)行顯示，再加上報(bào)警系統(tǒng)，上述整體構(gòu)成便攜式電場(chǎng)測(cè)量?jī)x。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在解決以上現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題。提出了一種體積小、測(cè)量方便且易于隨身佩戴的便攜式電場(chǎng)測(cè)量傳感器。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種便攜式電場(chǎng)測(cè)量傳感器，包括第一電極層、介質(zhì)層及第二電極層；其中所述介質(zhì)層位于第一電極層和第二電極層之間，由里及外的依次分布著第一電極層、介質(zhì)層及第二電極層，所述第一電極層和第二電極層均為球形金屬殼結(jié)構(gòu)，其中第一電極層為整體球形金屬殼，第二電極層被均分成了上下兩個(gè)半球，上下半球的連接部分采用金屬密封；在所述第一電極層和第二電極層的外表面分別設(shè)置第一導(dǎo)線和第二導(dǎo)線并連接至外部，第一電極層和第二電極層用于在電場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電壓；所述第一導(dǎo)線和第二導(dǎo)線用于輸出電壓信號(hào)，即為傳感器在電場(chǎng)中所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U_AC。

進(jìn)一步的，所述第二電極層上下半球的連接部分密閉采用錫進(jìn)行密封，介質(zhì)層采用環(huán)氧樹(shù)脂填充介質(zhì)。

進(jìn)一步的，所述第一電極層和第二電極層均采用銅，第二電極層的球半徑為R＝21mm，厚度為d1＝1mm，第一電極層的球半徑為R0＝17.5mm，厚度為d2＝1mm。

進(jìn)一步的，當(dāng)將所述傳感器放入電場(chǎng)時(shí)，根據(jù)電磁屏蔽理論得第一電極層和第二電極層之間的電場(chǎng)強(qiáng)度E_AC與待測(cè)點(diǎn)原電場(chǎng)強(qiáng)度E_S成正比，而內(nèi)外球之間的電壓U_AC與E_AC成正比，因而存在如下關(guān)系：U_AC＝k₁E_S。

進(jìn)一步的，當(dāng)將所述傳感器所處點(diǎn)的原電場(chǎng)視為有效值為U_S的工頻電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)時(shí)，U_S與待測(cè)點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度E_S存在如下關(guān)系：

E_S＝k₂U_S，k₂表示比例系數(shù) (2)

因此只需驗(yàn)證傳感器內(nèi)外球之間的感應(yīng)電壓與場(chǎng)源的電壓大小成正比，即：

U_AC＝k₃U_S，k₃表示比例系數(shù) (3)

通過(guò)公式(2)和(3)聯(lián)立求得公式(1)中的系數(shù)k₁：

$k_1=\frac{k_3}{k_2}---\left(4\right)$

進(jìn)一步的，所述傳感器的第一電極層和第二電極層的感應(yīng)電壓U_AC利用差分放大電路進(jìn)行采集。

進(jìn)一步的，所述感應(yīng)電勢(shì)差U_AC的采集電路包括容性阻抗和阻性阻抗及差分放大器電路，其中輸入電阻為10～20GΩ，輸入電容為1～2pF。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下：

1.體積小、重量輕，適于佩戴在手臂或腰間；

2.在人體行進(jìn)過(guò)程中、有一定幅度的軀體擺動(dòng)情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定、準(zhǔn)確的電場(chǎng)測(cè)量，反映空間電場(chǎng)的實(shí)際強(qiáng)度；

3.適用于多電氣設(shè)備產(chǎn)生的復(fù)雜工頻電磁環(huán)境的測(cè)量。

本裝置設(shè)計(jì)了一種大球殼套小球殼的雙球型電場(chǎng)傳感器，內(nèi)、外金屬球殼分別為電容的兩級(jí)，每一個(gè)電級(jí)都是一個(gè)整球殼，增大感應(yīng)面積，可以縮小體積，而采用球殼可減輕重量；由于近乎完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，使得測(cè)量結(jié)果不會(huì)因測(cè)量角度的變化而變化，測(cè)量穩(wěn)定性好。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明提供優(yōu)選實(shí)施例雙球型傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是內(nèi)外球殼電勢(shì)差有效值與激勵(lì)電壓關(guān)系曲線

圖3激勵(lì)電壓與待測(cè)點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線

圖4傳感器電壓采集電路。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、詳細(xì)地描述。所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種便攜式電場(chǎng)測(cè)量傳感器，包括第一電極層、介質(zhì)層及第二電極層；其中所述介質(zhì)層位于第一電極層和第二電極層之間，由里及外的依次分布著第一電極層、介質(zhì)層及第二電極層，所述第一電極層和第二電極層均為球狀結(jié)構(gòu)，其中第一電極層為整體球狀，第二電極層被均分成了上下兩個(gè)半球，上下半球的連接部分密閉；在所述第一電極層和第二電極層的外表面分別設(shè)置第一導(dǎo)線和第二導(dǎo)線并連接至外部，第一電極層和第二電極層用于在電場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電壓；所述第一導(dǎo)線和第二導(dǎo)線用于輸出電壓信號(hào)，即為傳感器在電場(chǎng)中所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U_AC。

1電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)與材料

本發(fā)明的雙球形電場(chǎng)傳感器，主要有內(nèi)球(第一電極層)、外球(第二電極層)、介質(zhì)三部分組成，如圖1所示為雙球型傳感器結(jié)構(gòu)圖。

其中：A、B為兩個(gè)半徑均為R的銅半球殼，成型后接口處需密封；C為半徑R₀的銅球殼；D為環(huán)氧樹(shù)脂填充介質(zhì)。在內(nèi)外球殼上焊接漆包線引出，其輸出信號(hào)即為傳感器在電場(chǎng)中所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)差U_AC。

2測(cè)量原理

當(dāng)放入傳感器后，空間電場(chǎng)會(huì)在傳感器表面發(fā)生反射和透射，由電磁屏蔽理論可知，傳感器內(nèi)外球之間的電場(chǎng)強(qiáng)度E_AC與待測(cè)點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度E_S成正比，而內(nèi)外球之間的電勢(shì)差U_AC與E_AC成正比，因而存在如下關(guān)系：

U_AC＝k₁E_S (1)

因此，只需測(cè)量?jī)?nèi)外球的電勢(shì)差U_AC，就可以通過(guò)校準(zhǔn)比例系數(shù)k₁來(lái)計(jì)算待測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)。

在實(shí)際中，為了方便進(jìn)行仿真驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在導(dǎo)電棒上施加電壓有效值為U_S的工頻電壓，在空間產(chǎn)生工頻電場(chǎng)，U_S與待測(cè)點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度E_S存在如下關(guān)系：

E_S＝k₂U_S (2)

因此只需驗(yàn)證傳感器內(nèi)外球之間的電勢(shì)差與場(chǎng)源的電壓大小成正比，即：

U_AC＝k₃U_S (3)

通過(guò)公式(2)和(3)聯(lián)立求得公式(1)中的系數(shù)k₁：

$k_1=\frac{k_3}{k_2}---\left(4\right)$

3測(cè)量原理的驗(yàn)證和系數(shù)標(biāo)定

3.1傳感器結(jié)構(gòu)尺寸與實(shí)驗(yàn)參數(shù)

外球半徑為R＝21mm，厚度為d₁＝1mm，內(nèi)球半徑為R₀＝17.5mm，厚度為d₂＝1mm。內(nèi)部球和外部球材質(zhì)均為銅，兩球之間的填充介質(zhì)為環(huán)氧樹(shù)脂。設(shè)置單相導(dǎo)線高度距離傳感器垂直距離1.5m。

3.2不同激勵(lì)電壓對(duì)傳感器感應(yīng)電壓的影響

以銅材質(zhì)球殼為例，將輸入正弦電壓的有效值分別設(shè)置為1kV、2kV、……、10kV，求得不同輸入下的感應(yīng)電壓有效值，表1為不同電壓等級(jí)下U_S的值。對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到圖2中的激勵(lì)電壓與U_AC的關(guān)系曲線。

表1不同激勵(lì)電壓下的內(nèi)外球殼電勢(shì)差有效值

圖2內(nèi)外球殼電勢(shì)差有效值與激勵(lì)電壓關(guān)系曲線

由上圖可以看出，傳感器感應(yīng)電壓有效值與導(dǎo)線電壓成正比，k₃＝1.429。

3.3不同激勵(lì)電壓對(duì)待測(cè)點(diǎn)原電場(chǎng)的影響

當(dāng)不放置傳感器時(shí)，設(shè)置輸入正弦電壓的有效值分別為1kV、2kV、3kV、……10kV，求得不同輸入下的待測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)有效值，表2為不同電壓等級(jí)下待測(cè)點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度有效值E_S的值。對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到圖3中的激勵(lì)電壓U_S與E_S的關(guān)系曲線。

表2不同激勵(lì)電壓下的待測(cè)點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度有效值

圖3激勵(lì)電壓與待測(cè)點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線

由上圖可以看出，待測(cè)點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度與激勵(lì)電壓成正比，k₂＝0.279。因此，只需根據(jù)公式(4)，聯(lián)立公式(2)和(3)就可求得公式(1)中的比例系數(shù)k₁＝5.12，也就是求出傳感器內(nèi)外球之間的電勢(shì)差與待測(cè)點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系。

4電壓采集電路

在交變電場(chǎng)中，測(cè)量傳感器兩端的電壓如圖4所示。

由圖4可以看出，傳感器由感應(yīng)電壓、內(nèi)阻抗組成，其中內(nèi)阻抗又由容性阻抗和阻性阻抗組成。在低頻電場(chǎng)中由于容性阻抗增大，為了測(cè)量電壓U_M更加接近U_AC，需要匹配阻抗足夠大，由于運(yùn)算放大器差動(dòng)輸入時(shí)的輸入阻抗很大(其中輸入電阻為10～20GΩ，輸入電容為1～2pF)。因此對(duì)傳感器的感應(yīng)電壓的采集采用差分放大的方式增加匹配阻抗，使U_M(t)≈U_AC(t)。

以上這些實(shí)施例應(yīng)理解為僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。在閱讀了本發(fā)明的記載的內(nèi)容之后，技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。