一种基于MEMS电场传感器的直流验电系统及方法与流程

本发明涉及直流验电技术领域，尤其涉及一种基于mems电场传感器的直流验电系统及方法。

背景技术：

运行检修是掌握带电设备运行情况，及时发现和处理设备缺陷的重要手段。根据国家相关安全规程规定，在部分停电的电气设备上工作或停电工作底端安装接地线前，需要先严明设备或线路是否确定无电压，防止出现带电线撞地线、误碰有电设备等事故发生，以确保施工作业的安全。相比于交流输电线路，直流输电线路，具有输送相同功率时线路造价低、线路有功损耗小等优点，因此在电力系统输电中，通常采用直流输电。

常用接触式验电系统对直流输电线路进行验电。在接触式验电系统中，利用直流验电器检测电力设备或直流输电线路上是否存在电压，是将导线与高压直流线接触，然后通过验电探头将电压引入电路，在验电器内部对此电压进行测量后进行输出。采用接触式对直流输电线路进行验电无法解决作业人员带电操作带来的安全问题，在实际验电作业过程中，可能随时因直流输电线路上产生电弧击穿验电系统并威胁作业人员的安全。

并且，对于有些直流输电线路架设位置高，连接设备尺寸大等原因，接触式验电系统的利用受限。因此，针对直流输电线路一般研究采用非接触的验电设备进行验电作业。现有技术中有利用无人机来进行验电，随利用无人机代替作业人员带电操作，但是在验电过程中仍采用导线接触验电，这种方法会带来的问题是当直流输电回路较多时，导线可能同时接触上层和线路，并且受到回路上的电磁干扰，导致产生误判，甚至导致验电器击穿，无人机破损等事故，引起直流输电线路相间闪络等重大安全事故。

技术实现要素：

本申请提供了一种基于mems电场传感器的直流验电系统，以解决现有非接触式直流验电系统中，仍采用导线接触验电，当直流输电回路较多时，导线可能同时接触上层和线路，并且受到回路上的电磁干扰，导致产生误判，甚至导致验电器击穿，无人机破损等事故，引起直流输电线路相间闪络等重大安全事故的技术问题。

一种基于mems电场传感器的直流验电系统，所述基于mems电场传感器的直流验电系统包括mems电场传感器、信号处理模块、stm32中央处理控制模块、蓝牙无线模块、声光报警模块和电源模块；

所述mems电场传感器、所述信号处理模块、所述stm32中央处理控制模块、所述蓝牙无线模块、所述声光报警模块均与所述电源模块电连接；

所述mems电场传感器用于测量直流输电线路的静电场；

所述mems电场传感器与所述信号处理模块电连接；

所述信号处理模块用于处理所述mems电场传感器得到除去干扰量的数字信号；

所述mems电场传感器通过所述信号处理模块与所述stm32中央处理控制模块电连接；

所述信号处理模块通过所述stm32中央处理控制模块与所述蓝牙无线模块电连接；

所述stm32中央处理控制模块通过所述蓝牙无线模块与所述声光报警模块电连接；

所述stm32中央处理控制模块内设置报警信号设定值；

所述stm32中央处理控制模块用于将所述信号处理模块得到除去干扰量的数字信号进行处理；

所述蓝牙无线模块用于将所述stm32中央处理控制模块处理后的信号传送至作业人员的终端设备中；

所述stm32中央处理控制模块还用于通过所述蓝牙无线模块控制所述声光报警模块进行有电提醒。

进一步地，所述信号处理模块包括i/v变换器，电压跟随器、锁相放大器和a/d转换器；

所述i/v变换器用于将所述mems电场传感器中感应电极产生的感应电流接收并转化为同频变化的电压信号；

所述电压跟随器用于将i/v变换器输出的同频率电压信号由高阻抗转换为低阻抗的电压信号；

所述锁相放大器用于将所述电压跟随器输出的电压信号按内设增益进行放大，并将同频或倍频、同相的噪音分量响应，除去干扰量，得到可测电压信号；

所述a/d转换器用于将所述锁相放大器输出的可测信号进行模数转换得到采集所需信号的值。

进一步地，所述stm32中央处理控制模块通过串口与所述蓝牙模块进行通信连接。

进一步地，所述stm32中央处理控制模块用于根据所述信号处理模块输出的电信号进行处理，并控制所述声光报警模块进行有电提醒，续航时间可达23小时。

进一步地，所述基于mems电场传感器的直流验电方法包括：

一种基于mems电场传感器的直流验电方法，基于mems电场传感器的直流验电系统进行自检，自检通过进行下一步，否则，进行系统报错；

mems电场传感器测量直流输电线路的静电场；

信号处理模块处理所述mems电场传感器得到的电信号；

蓝牙无线模块用于所述stm32中央处理控制模块处理后的信号传送至作业人员的终端设备中，并由stm32中央处理控制模块根据内设报警信号设定值与所述信号处理模块的输出电信号进行对比，所述信号处理模块的输出电信号超过所述报警信号设定值后，执行下一步，否则无报警响应；

所述stm32中央处理控制模块通过所述蓝牙无线模块控制所述声光报警模块进行有电提醒。

进一步地，所述信号处理模块处理所述mems电场传感器得到的电信号包括：

所述i/v变换器将所述mems电场传感器中感应电极产生的感应电流接收并转化为同频变化的电压信号；

所述电压跟随器将i/v变换器输出的同频率电压信号由高阻抗转换为低阻抗的电压信号；

所述锁相放大器将所述电压跟随器输出的电压信号按内设增益进行放大，并将同频或倍频、同相的噪音分量响应，除去干扰量，得到可测电压信号；

所述a/d转换器将所述锁相放大器输出的可测信号进行模数转换得到采集所需信号的值。

进一步地，所述stm32中央处理控制模块通过串口与所述蓝牙无线模块进行通信连接。

进一步地，所述stm32中央处理控制模块实时根据所述信号处理模块输出的电信号进行处理，并通过所述蓝牙无线模块控制所述声光报警模块进行有电提醒。

本申请的有益效果是：

由以上技术方案可知，本申请提供了一种基于mems电场传感器的直流验电系统及方法，该系统包括mems电场传感器、信号处理模块、stm32中央处理控制模块、蓝牙无线模块、声光报警模块和电源模块；所述mems电场传感器用于测量直流输电线路的静电场；所述mems电场传感器通过所述信号处理模块与所述stm32中央处理控制模块电连接；所述信号处理模块用于处理所述mems电场传感器得到除去干扰量的数字信号；所述信号处理模块通过所述stm32中央处理控制模块与所述蓝牙无线模块电连接；所述stm32中央处理控制模块通过所述蓝牙无线模块与所述声光报警模块电连接。通过信号处理模块用于处理所述mems电场传感器得到除去干扰量的数字信号，避免由于直流输电回路上的电磁干扰，产生误判；并且stm32中央处理控制模块实现对电场信号的采集，通过声光预警模块实现有电提醒，简化验电作业的操作复杂性，可实现准确检测直流设备的带电状态，及时报警，具有操作简单、抗干扰力强。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一种基于mems电场传感器的直流验电系统的结构示意图；

图2为本申请信号处理模块的结构示意图；

图3为本申请信号处理模块的电流图；

图4为本申请一种基于mems电场传感器的直流验电方法的流程图。

其中，1-mems电场传感器，2-信号处理模块，3-stm32中央处理控制模块，4-蓝牙无线模块，5-声光报警模块，6-电源模块，7-i/v变换器，8-电压跟随器，9-锁相放大器，10-a/d转换器。

具体实施方式

这里将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。

参见图1为本申请一种基于mems电场传感器的直流验电系统的结构示意图，图2为本申请信号处理模块的结构示意图，图3为本申请信号处理模块的电流图。

一种基于mems电场传感器的直流验电系统，所述基于mems电场传感器的直流验电系统包括mems电场传感器1、信号处理模块2、stm32中央处理控制模块3、蓝牙无线模块4、声光报警模块5和电源模块6；

所述mems电场传感器1、所述信号处理模块2、所述stm32中央处理控制模块3、所述蓝牙无线模块4、所述声光报警模块5均与所述电源模块6电连接；

所述mems电场传感器1用于测量直流输电线路的静电场；

所述mems电场传感器1与所述信号处理模块2电连接；

所述信号处理模块2用于处理所述mems电场传感器1得到除去干扰量的数字信号；

所述mems电场传感器1通过所述信号处理模块2与所述stm32中央处理控制模块3电连接；

所述信号处理模块2通过所述stm32中央处理控制模块3与所述蓝牙无线模块4电连接；

所述stm32中央处理控制模块3通过所述蓝牙无线模块4与所述声光报警模块5电连接；

所述stm32中央处理控制模块3内设置报警信号设定值；

所述stm32中央处理控制模块3用于将所述信号处理模块2得到除去干扰量的数字信号进行处理；

所述蓝牙无线模块4用于将所述stm32中央处理控制模块3处理后的信号传送至作业人员的终端设备中；

所述stm32中央处理控制模块3还用于通过所述蓝牙无线模块4控制所述声光报警模块5进行有电提醒。

现有技术中有利用无人机来进行验电，随利用无人机代替作业人员带电操作，但是在验电过程中仍采用导线接触验电，这种方法会带来的问题是当直流输电回路较多时，导线可能同时接触上层和线路，并且受到回路上的电磁干扰，导致产生误判，甚至导致验电器击穿，无人机破损等事故，引起直流输电线路相间闪络等重大安全事故。

在本实施例中，电源模块6的作用，第一可以用于隔离，作为安全隔离，例如强电弱电隔离，雷电隔离保护等；作为噪音隔离，例如模拟电路与数字电路隔离，强弱信号隔离；作为接地环路消除，例如信号传输；第二可以用于保护，短路保护，过压保护，过流保护等；第三可以用于电压变换，例如升压变换、降压变换等；第四可以用于稳压，例如远程直流供电；第五可以用于降噪，例如有源滤波。通过电源模块6能够实现对mems电场传感器1、信号处理模块2、stm32中央处理控制模块3、蓝牙无线模块4、声光报警模块5电源控制。

mems电场传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统传感器不能实现的功能。

直流输电线路导线周围非电离区域的空间电场包括导线上离子电荷直接产生的电场，即为静电场。通过mems电场传感器1用于测量直流输电线路的静电场，实现通过对直流输电线路的电场进行分析。

信号处理模块2用于处理所述mems电场传感器1得到除去干扰量的数字信号，避免由于直流输电回路上的电磁干扰，产生误判。

信号处理模块2得到除去干扰量的数字信号，输入stm32中央处理控制模块3，中央处理控制模块3作为系统主控制电路控制器，是以32位微控制器为核心的验电系统，对输入信号处理模块2得到除去干扰量的数字信号进行处理，将可显示在作业人员的终端设备中的数据进行通过蓝牙无线模块4进行输送。并且，stm32中央处理控制模块3根据内设置的报警信号设定值，将输入的除去干扰量的数字信号数值与报警信号设定值进行比较，再根据比较的结果确定，是否需要通过蓝牙无线模块4控制声光报警模块5进行有电提醒。当输入的除去干扰量的数字信号数值不高于报警信号设定值，无需进行报警；当输入的除去干扰量的数字信号数值高于报警信号设定值，进行报警，具体通过蓝牙无线模块4控制声光报警模块开启，将报警信息反馈给作业人员。

参见图4为本申请一种基于mems电场传感器的直流验电方法的流程图。

一种基于mems电场传感器的直流验电方法，所述基于mems电场传感器的直流验电方法包括：

基于mems电场传感器的直流验电系统进行自检，自检通过进行下一步，否则，进行系统报错；

mems电场传感器1测量直流输电线路的静电场；

信号处理模块2处理所述mems电场传感器1得到的电信号；

蓝牙无线模块4用于所述stm32中央处理控制模块3处理后的信号传送至作业人员的终端设备中，并由stm32中央处理控制模块3根据内设报警信号设定值与所述信号处理模块2的输出电信号进行对比，所述信号处理模块2的输出电信号超过所述报警信号设定值后，执行下一步，否则无报警响应；

所述stm32中央处理控制模块3通过所述蓝牙无线模块4控制所述声光报警模块5进行有电提醒。

由以上技术方案可知，本申请提供了一种基于mems电场传感器的直流验电系统及方法，该系统包括mems电场传感器1、信号处理模块2、stm32中央处理控制模块3、蓝牙无线模块4、声光报警模块5和电源模块6；所述mems电场传感器1用于测量直流输电线路的静电场；所述mems电场传感器1通过所述信号处理模块2与所述stm32中央处理控制模块3电连接；所述信号处理模块2用于处理所述mems电场传感器1得到除去干扰量的数字信号；所述信号处理模块2通过所述stm32中央处理控制模块3与所述蓝牙无线模块4电连接；所述stm32中央处理控制模块3通过所述蓝牙无线模块4与所述声光报警模块5电连接。通过信号处理模块2用于处理所述mems电场传感器1得到除去干扰量的数字信号，避免由于直流输电回路上的电磁干扰，产生误判；并且stm32中央处理控制模块实现对电场信号的采集，通过声光预警模块实现有电提醒，简化验电作业的操作复杂性，可实现准确检测直流设备的带电状态，及时报警，具有操作简单、抗干扰力强。

进一步地，所述信号处理模块2包括i/v变换器7，电压跟随器8、锁相放大器9和a/d转换器10；

所述i/v变换器7用于将所述mems电场传感器1中感应电极产生的感应电流接收并转化为同频变化的电压信号；

所述电压跟随器8用于将i/v变换器7输出的同频率电压信号由高阻抗转换为低阻抗的电压信号；

所述锁相放大器9用于将所述电压跟随器8输出的电压信号按内设增益进行放大，并将同频或倍频、同相的噪音分量响应，除去干扰量，得到可测电压信号；

所述a/d转换器10用于将所述锁相放大器9输出的可测信号进行模数转换得到采集所需信号的值。

在本实施例中，i/v变换器7进行电流、电压信号间的转换，通过i/v变换器7将mems电场传感器1中感应电极产生的感应电流接收并转换为同频变化的电电压信号。电压跟随器8输出电压与输入电压是相同的，就是说电压跟随器8的电压放大倍数恒小于且接近1。通过电压跟随器8将i/v变换器7输出的同频率电压信号由高阻抗转换为低阻抗的电压信号。

锁相放大器9是一种对交变信号进行相敏检波的放大器，它利用和被测信号有相同频率和相同的相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频(或者倍频)、同相的噪音分量有响应。因此，它能够大幅度抑制无用噪音，改善检测信噪比。并且，通过锁相放大器9设定的增益，将输入通过电压跟随器输出的信号幅值进行放大，得到除去干扰量的可测信号。

最终，通过a/d转换器10将所述锁相放大器9输出的可测信号进行模数转换得到采集所需信号的值。信号处理模块2通过信号变换与处理将输入电场信号交流量转变为除去干扰量的可测数字信号。

进一步地，所述stm32中央处理控制模块3通过串口与所述蓝牙无线模块4进行通信连接。

在本实施例中，串口，即为串行通讯接口，是通过串行通信方式的扩展接口，可将数据一位一位地顺序传送，通讯线路简单，只要一对传输线即可实现双向通信，减低成本，适合与远距离通信。

进一步地，所述stm32中央处理控制模块3用于根据所述信号处理模块2输出的电信号进行处理，并控制所述声光报警模块5进行有电提醒，续航时间可达23小时。

在本实施例中，stm32中央处理控制模块3续航时间可达23小时，实现对输入由信号处理模块2得到除去干扰量的数字信号以及输出到蓝牙无线模块4的信号长达23小时的输入和输出。

由以上技术方案可知，本申请提供了一种基于mems电场传感器的直流验电系统及方法，该系统包括mems电场传感器1、信号处理模块2、stm32中央处理控制模块3、蓝牙无线模块4、声光报警模块5和电源模块6；所述mems电场传感器1用于测量直流输电线路的静电场；所述mems电场传感器1通过所述信号处理模块2与所述stm32中央处理控制模块3电连接；所述信号处理模块2用于处理所述mems电场传感器1得到除去干扰量的数字信号；所述信号处理模块2通过所述stm32中央处理控制模块3与所述蓝牙无线模块4电连接；所述stm32中央处理控制模块3通过所述蓝牙无线模块4与所述声光报警模块5电连接。通过信号处理模块2用于处理所述mems电场传感器1得到除去干扰量的数字信号，避免由于直流输电回路上的电磁干扰，产生误判；并且stm32中央处理控制模块实现对电场信号的采集，通过声光预警模块实现有电提醒，简化验电作业的操作复杂性，可实现准确检测直流设备的带电状态，及时报警，具有操作简单、抗干扰力强。

本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。