电场测试仪的制作方法

本发明涉及安全防护技术领域，具体地，涉及一种电场测试仪。

背景技术：

在高压电检修工作中，工作人员经常需要确定高压电故障的位置，并且确定高压电的电场是不是在人体可以接收的安全范围之内，工作人员急需一种体积小、可以方便携带的、提醒工作人员注意安全的装置。

为了解决上述问题，人们一直在寻求一种理想的技术方案。目前，市场上也有可以起到上述功能的设备，但是这些设备的主要目的不是提醒工作人员注意安全的，而是需要测得全面的电场参数的结构复杂的设备，并且这些设备的体积都比较大，不便于携带，或者灵敏度不高，或者功耗大。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种电场测试仪，用以提供一种结构简单、体积小、便于携带，功耗低、灵敏度高的提醒工作人员注意安全的装置，该电场测试仪包括：电容式单极板电极、信号采集模块、信号预处理模块、单片机控制器和报警模块；其中，

电容式单极板电极的第一面为圆形铜箔，第二面为正方形铜箔，圆形铜箔和正方形铜箔之间为绝缘层；电容式单极板电极通过圆形铜箔、绝缘层和正方形铜箔构成的采集电容来感应电压差，得到电场强度交流信号；圆形铜箔的直径取值范围为25mm至35mm，厚度取值范围为30um至40um；

信号采集模块包括信号采集端和公共GND端，信号采集端与圆形铜箔连接，公共GND端与正方形铜箔连接；信号采集模块用于采集电场强度交流信号；

信号预处理模块与信号采集模块连接，用于将电场强度交流信号转换成电场强度直流信号提供给单片机控制器；

单片机控制器与信号预处理模块连接，用于当电场强度直流信号的大小超过预设电场强度大小时，控制报警模块发出警报。

在一个实施例中，正方形铜箔的边长取值范围为25mm至35mm，厚度取值范围为30um至40um；绝缘层的厚度取值范围为1mm至2mm。

在一个实施例中，圆形铜箔的直径取值为30mm，厚度取值为35um；正方形铜箔的边长取值为30mm，厚度取值为35um；绝缘层的厚度取值为1.6mm。

在一个实施例中，上述电场测试仪还包括：3.7V锂电池直流电源，用于为信号采集模块、信号预处理模块、单片机控制器和报警模块提供工作电源。

在一个实施例中，信号预处理模块包括：自动增益调整模块、带通滤波器、精密整流电路和π型滤波电路；其中，

自动增益调整模块与信号采集模块连接，用于将电场强度交流信号进行自动增益调整；

带通滤波器与自动增益调整模块连接，用于滤除电场强度交流信号中的高频干扰信号和直流分量；

精密整流电路与带通滤波器连接，用于将经过带通滤波器滤波处理后的电场强度交流信号进行全波整流；

π型滤波电路与精密整流电路连接，用于将精密整流电路精密整流后的电场强度交流信号转换成电场强度直流信号，提供给单片机控制器。

在一个实施例中，

当电场强度信号小于20时，自动增益调整模块将电场强度信号进行自动增益10倍；

当电场强度信号大于200时，自动增益调整模块将电场强度信号进行自动增益1/10倍；

当电场强度信号大于20且小于200时，自动增益调整模块将电场强度信号进行自动增益1倍。

在一个实施例中，上述报警模块包括：

多个LED灯，与单片机控制器连接，用于根据单片机控制器的控制发光，光的强弱与电场强度交流信号的大小成正比；

和/或，蜂鸣器，与单片机控制器连接，用于根据单片机控制器的控制发出报警声音，报警声音的强弱与电场强度交流信号的大小成正比。

在一个实施例中，LED灯的数目为3个。

本发明提供的电场测试仪，通过采用技术方案：电容式单极板电极感应电场强度交流信号，信号采集模块采集所述电场强度交流信号，信号预处理模块将电场强度交流信号处理成电场强度直流信号提供给单片机控制器，当电场强度直流信号超过预设电场强度大小 时，单片机控制器控制报警模块发出警报，可以达到的有益技术效果为：

(1)通过采用电容式单极板，该电容式单极板电极的第一面为圆形铜箔，第二面为正方形铜箔，圆形铜箔和正方形铜箔之间为绝缘层；电容式单极板电极通过圆形铜箔、绝缘层和正方形铜箔构成的采集电容来感应电压差，得到电场强度交流信号；圆形铜箔的直径取值范围为25mm至35mm，厚度取值范围为30um至40um，这样可以使电场测试仪结构简单，体积小，便于携带；

(2)与现有技术中需要测得全面电场参数的结构复杂的设备相比较，本发明实施例采用单片机控制器进行计算判断，当电场强度信号超过预设电场强度大小时，控制报警模块发出警报，这样本发明实施例提供的电场测试仪为结构简单、体积小、便于携带、且功耗小的可以实现提醒工作人员注意安全的装置。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明实施例中电场测试仪的结构示意图；

图2为本发明实施例中电场测试仪的整体电路板的结构示意图；

图3为图2中电场测试仪的整体电路板的部分电路放大结构示意图；

图4为图2中电场测试仪的整体电路板的部分电路放大结构示意图；

图5为图2中电场测试仪的整体电路板的部分电路放大结构示意图；

图6为图2中电场测试仪的整体电路板的部分电路放大结构示意图；

图7为本发明实施例中电场测试仪的工作方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

图1为本发明实施例中电场测试仪的结构示意图，如图1所示，该电场测试仪包括：电容式单极板电极10、信号采集模块20、信号预处理模块30、单片机控制器40和报警模块50；其中，

电容式单极板电极10的第一面为圆形铜箔，第二面为正方形铜箔，圆形铜箔和正方形铜箔之间为绝缘层；电容式单极板电极通过圆形铜箔、绝缘层和正方形铜箔构成的采集 电容来感应电压差，得到电场强度交流信号；圆形铜箔的直径取值范围为25mm至35mm，厚度取值范围为30um至40um；

信号采集模块20包括信号采集端和公共GND端，信号采集端与圆形铜箔连接，公共GND端与正方形铜箔连接；信号采集模块20用于采集电场强度交流信号；

信号预处理模块30与信号采集模块20连接，用于将电场强度交流信号转换成电场强度直流信号提供给单片机控制器40；

单片机控制器40与信号预处理模块30连接，用于当电场强度直流信号的大小超过预设电场强度大小时，控制报警模块50发出警报。

当工作人员佩戴本发明实施例提供的电场测试仪进入高压电场时，电容式单极板电极10将感应到的电场强度交流信号提供给信号采集模块20，信号采集模块20将所述电场强度交流信号进行采集，将采集到的模拟信号转换成数字信号，输入给信号预处理模块30，信号预处理模块30将所述电场强度交流信号处理成单片机控制器40可安全准确接收的电场强度直流信号，当该电场强度直流信号的大小超过预设电场强度大小时，证明工作人员失去了有效安全距离，单片机控制器40就会控制报警模块50发出警报，以提醒工作人员远离，当工作人员重新保持安全距离时，报警模块50停止报警。

在一个实施例中，正方形铜箔的边长取值范围为25mm至35mm，厚度取值范围为30um至40um；绝缘层的厚度取值范围为1mm至2mm。通过上百次的实验，发明人发现上述取值范围可以保证电场强度监测的精确性和灵敏性。

在一个实施例中，圆形铜箔的直径取值为30mm，厚度取值为35um；正方形铜箔的边长取值为30mm，厚度取值为35um；绝缘层的厚度取值为1.6mm。通过上百次的实验，发明人发现这样的直径取值范围更加可以保证电场强度监测的精确性和灵敏性。

发明人发现传统的电场测试仪中，用于测量电场强度的装置存在体积大，结构复杂，对电场强度的测量不准确的技术问题，因此，本发明实施例提供的电场测试仪中，采用电容式单极板电极实现电场强度的测量，利用人体是导体，会引起电场线弯曲的特征，使得电场线能够垂直穿过电极，这样与现有技术相比，本发明实施例提供的电场测试仪既结构简单，体积小，又可以实现对电场强度信号灵敏、精确地感应。

具体实施时，电容式单极板电极采用双面结构设计，正面为25mm至35mm的圆形铜箔，铜箔厚度为35um；背面采用边长为25mm至35mm的正方形铜箔，铜箔厚度为35um。电容式单极板的正面和背面中间为绝缘层，绝缘层的厚度为1.6mm。极板的正面接电路的信号采集端(如图2和图4中的TEST端)，为电场强度信号的采集极板；极板的背面接 电路板的公共端(如图2和图4中的GND端)，用来屏蔽电场信号对系统内部电路的干扰以及作为采集极板的参考点。这样整个极板组成了一个采集电容，系统通过该采集电容两端感应到的电压差，就得到了周围电场的原始电场强度交流信号。

本发明实施例提供的电场测试仪，通过采用电容式单极板电极感应电场强度交流信号，这样可以使电场测试仪结构简单、体积小，便于携带，对电场强度信号的感应灵敏、准确；通过信号预处理模块将电场强度信号处理成单片机控制器可安全准确接收的电场强度直流信号，这样可以提高对电场强度信号的监测精度，安全、可靠；通过单片机控制器进行计算判断，当电场强度直流信号超过预设电场强度大小时，控制报警模块发出警报，这样可以使电场测试仪结构简单，体积小，便于携带，且功耗小。

图3为图2中电场测试仪的整体电路板的部分电路放大结构示意图，如图3所示，上述电场测试仪还包括：3.7V锂电池直流电源60，用于为信号采集模块20、信号预处理模块30、单片机控制器40和报警模块50提供工作电源。上述电场测试仪采用3.7V锂电池进行供电，并且进行电量显示，当电池电量过低时，可以使用锂电池充电器进行充电。本发明实施例由于采用3.7V锂电池进行供电，功耗低，节能，满电情况下能够保证工作8小时以上。

图4为图2中电场测试仪的整体电路板的部分电路放大结构示意图，如图4所示，信号预处理模块30包括：自动增益调整模块31、带通滤波器32、精密整流电路33和π型滤波电路34；其中，

自动增益调整模块31与信号采集模块20连接，用于将电场强度交流信号进行自动增益调整；

带通滤波器32与自动增益调整模块31连接，用于滤除电场强度交流信号中的高频干扰信号和直流分量；

精密整流电路33与带通滤波器32连接，用于将经过带通滤波器滤波处理后的电场强度交流信号进行全波整流；

π型滤波电路34与精密整流电路33连接，用于将精密整流电路精密整流后的电场强度交流信号转换成电场强度直流信号，提供给单片机控制器。

具体实施时，如图4所示，自动增益调整模块31采用数字电位器和运算放大器组成反相比例放大电路；带通滤波器32通过RC高通滤波器和RC低通滤波器组成，R16和C10组成低通滤波器，R17和C9组成高通滤波器；精密整流电路33采用两路运放，实现正弦波的全波整流，采用如图4所示的精密整流电路33可以更加精确地对电场强度信号 进行整流，保证了电场测试仪监测的精确性；π型滤波电路34由R13、C7和C8组成。其中，带通滤波器32主要是滤掉对系统进行干扰的高频信号以及直流分量，使得信号变为标准的正弦信号，去掉干扰项，避免误报警。π型滤波电路34主要是在精密整流之后，将交流信号转变为直流信号，便于MCU进行信号采集和处理。

图7为本发明实施例中电场测试仪的工作方法的流程示意图，如图7所示，当电场强度数字信号小于20时，自动增益调整模块将电场强度数字信号进行自动增益10倍；

当电场强度数字信号大于200时，自动增益调整模块将电场强度数字信号进行自动增益1/10倍；

当电场强度数字信号大于20且小于200时，自动增益调整模块将电场强度数字信号进行自动增益1倍。

上述数字信号20为大约100毫伏，200为大约1伏，针对上述电场测试仪，发明人进行了大量的实验，发现在进行自动增益调整时，以数字信号20和200作为增益标准参数，效果最好，保证将电场强度数字信号处理成单片机控制器可安全接收的电场强度数字信号，这样可以提高对电场强度信号的监测精度，安全、可靠。

图5为图2中电场测试仪的整体电路板的部分电路放大结构示意图，如图5所示，报警模块50包括：

多个LED灯51，与单片机控制器40连接，用于根据单片机控制器40的控制发光，光的强弱与电场强度交流信号的大小成正比；

和/或，蜂鸣器52，与单片机控制器40连接，用于根据单片机控制器40的控制发出报警声音，报警声音的强弱与电场强度交流信号的大小成正比。

具体实施时，根据电场强度信号的大小，单片机控制器40可以控制蜂鸣器52发出相应大小的声音警报；同理，根据电场强度信号的大小，单片机控制器40也可以控制高亮LED灯51发亮的个数，这样工作人员就可以通过光的强弱，来了解电场强度的大小，及时进行相应的安全防护措施。

在一个实施例中，LED灯51的数目为3个。

具体实施时，如图3所示，报警模块50还包括十六路光条管53或十六路LED灯54，与单片机控制器40连接，用于根据所述电场强度信号的大小，与所述多个所述高亮LED灯51配合，在所述单片机控制器40的控制下，进行精确的光警报显示。

具体实施时，上述3个高亮LED灯51进行粗略的光警报显示，上述十六路光条管53或十六路LED灯54可以进行更加精确的光警报显示。十六路光条管53或十六路LED灯 54与3个高亮LED51配合进行光警报显示更加精确。工作人员能够更加直观和准确地了解电场的危险情况，从而进行相应的避险措施。

图6为图2中电场测试仪的整体电路板的部分电路放大结构示意图，如图6所示，本发明实施例提供的电场测试仪还可以包括ISP下载口、JTAG调试口和串口调试口等，可以通过编程实现实时的调试功能。

下面结合附图1至6具体介绍本发明实施例提供的电场测试仪的元器件的选择及其技术参数：

Y1采用无源晶振，频率为14.746MHz；U1采用数字电位器，可以通过单片机控制器进行控制阻值；U2采用单片机控制器；U3和U4采用运算放大器；U5采用两路运算放大器；U6、U8和U10采用LED驱动芯片；U7、U9和U11采用直插封装的光条管，或者可以采用十六路LED灯代替。

电路中的所有电阻均按照电路图上的注释进行配置，精度要在1％以上，封装可以采用贴片0805或者0603或者直插封装，注意：R1采用直插100MΩ的电阻。电路中的电容采用贴片或者直插封装，电容值如电路图中所示。

Q1～Q4采用NPN三极管，封装可以采用直插封装或者贴片封装。L1为贴片10uH电感。D1和D2采用1N4148二极管。D3采用贴片红色0805封装的LED，用于指示电源。D4、D5、D6采用直径5mm的高亮发红LED，进行强度显示。BELL采用型号为1201的无源蜂鸣器，供电电压为3-5V。POWER接口的1号管脚接锂电池负极，2号管脚接锂电池正极。

制作要点：电容式单极板电极采用双层电路板，正面为直径30mm的圆形，背面为边长为30mm的正方形，圆形铜箔接电路的TEST端，方形铜箔接电路的GND端。本设计留有ISP下载口、JTAG调试口和串口调试口，可以通过编程实现实时的调试功能。

程序编写：程序编写可参照图7进行编写。

电路调试：可穿戴式电场测试仪的电路，只要在使用的电子元器件性能完好，按照附图2所示的电路连接关系进行焊接，并对物理接线认真核对和检查，并且安装、焊接无误的情况下，然后按照附图7的程序流程图进行程序编写，电路就能够正常的工作。调试中，如果发现电路的电极靠近交流电源后，高亮LED和蜂鸣器不能正常工作，可以通过JTAG进行仿真调试，观察采集到的ADC数据，如果数据没有明显的提高，则可以用示波器逐级的进行波形的测量。

本发明的有益技术效果为：

(1)通过采用电容式单极板，该电容式单极板电极的第一面为圆形铜箔，第二面为正方形铜箔，圆形铜箔和正方形铜箔之间为绝缘层；电容式单极板电极通过圆形铜箔、绝缘层和正方形铜箔构成的采集电容来感应电压差，得到电场强度交流信号；圆形铜箔的直径取值范围为25mm至35mm，厚度取值范围为30um至40um，这样可以使电场测试仪结构简单，体积小，便于携带；

(2)与现有技术中需要测得全面电场参数的结构复杂的设备相比较，本发明实施例采用单片机控制器进行计算判断，当电场强度信号超过预设电场强度大小时，控制报警模块发出警报，这样本发明实施例提供的电场测试仪为结构简单、体积小、便于携带、且功耗小的可以实现提醒工作人员注意安全的装置。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。