任東宇，彭春榮，夏善紅

(1．中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100190；2．中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京　100190)

0　引言

電場(chǎng)傳感器在智能電網(wǎng)等領(lǐng)域具有十分重要的應(yīng)用，通過監(jiān)測(cè)電網(wǎng)中高壓輸電線、絕緣子等電力設(shè)施周圍的電場(chǎng)分布，可檢測(cè)絕緣子污穢情況、電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)等[1-3]。目前報(bào)道的用于非接觸式電網(wǎng)電壓測(cè)量的傳統(tǒng)電場(chǎng)傳感器，由于傳感器使用傳統(tǒng)機(jī)械技術(shù)加工，探頭尺寸大，易引起電場(chǎng)畸變，測(cè)量誤差大。隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)發(fā)展，國(guó)內(nèi)外相繼報(bào)道了多種基于MEMS技術(shù)的微型電場(chǎng)傳感器[4-8]。與傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)制作的電場(chǎng)傳感器相比，基于MEMS技術(shù)的電場(chǎng)傳感器具有探頭尺寸小、集成度高、成本低、功耗低等突出優(yōu)點(diǎn)。但是目前國(guó)內(nèi)外對(duì)MEMS微電場(chǎng)傳感器的研究一般只用于檢測(cè)靜電場(chǎng)，且由于微型電場(chǎng)傳感器敏感結(jié)構(gòu)尺寸小，空間耦合干擾大，信噪比很低，極易受到噪聲、外部環(huán)境干擾的影響，使用微型電場(chǎng)傳感器檢測(cè)交變電場(chǎng)信號(hào)難度大。

為解決以上存在的問題，文中針對(duì)微型電場(chǎng)傳感器的信號(hào)輸出特點(diǎn)，提出了一種可用于檢測(cè)工頻電場(chǎng)的算法，并使用電場(chǎng)敏感的MEMS微結(jié)構(gòu)及LabVIEW可視化編程語言研制了系統(tǒng)樣機(jī)，成功實(shí)現(xiàn)了高性能工頻電場(chǎng)檢測(cè)。

1　傳感器敏感結(jié)構(gòu)工作原理

文中研究對(duì)象是基于SOI的MEMS諧振式微型電場(chǎng)傳感器敏感結(jié)構(gòu)[8]，該傳感器的工作原理圖如圖1所示。

圖1　SOI微型電場(chǎng)傳感器敏感結(jié)構(gòu)圖

傳感器屏蔽電極接地，在激勵(lì)電壓Vd±Vasin(ωt)驅(qū)動(dòng)下，激勵(lì)電極帶動(dòng)屏蔽電極以頻率ω水平振動(dòng)[9]，周期性遮擋置于屏蔽電極左右兩側(cè)的感應(yīng)電極。感應(yīng)電極表面的感應(yīng)電荷量周期性改變，產(chǎn)生感應(yīng)電流，此電流幅值與被測(cè)電場(chǎng)幅值成正比，測(cè)量此電流值即可達(dá)到測(cè)量被測(cè)電場(chǎng)的目的。

2　工頻電場(chǎng)檢測(cè)方法

當(dāng)被測(cè)電場(chǎng)垂直于感應(yīng)電極上方，感應(yīng)電極表面有感應(yīng)電荷產(chǎn)生，傳感器接收到激勵(lì)信號(hào)后，屏蔽電極會(huì)來回做周期性的振動(dòng)，感應(yīng)電極上的感應(yīng)電荷產(chǎn)生周期性變化。

若被測(cè)電場(chǎng)為工頻電場(chǎng)E0sin(ω2t+φ2)。根據(jù)高斯定理，可推算出瞬時(shí)感應(yīng)電荷量如式(1)所示。

Q=ε0εrA0sin(ω1t+φ1)E0sin(ω2t+φ2)

(1)

式中：ε0為真空介電常數(shù)；εr為相對(duì)介電常數(shù)；E0為工頻電場(chǎng)幅值；A0為感應(yīng)電極最大感應(yīng)面積；ω1為靜電激勵(lì)信號(hào)頻率；φ1為激勵(lì)信號(hào)初始相位；ω2為工頻電場(chǎng)頻率50 Hz；φ2為工頻電場(chǎng)初相位。

感應(yīng)電極與屏蔽電極形成的電容周期性的充放電生成的感應(yīng)電流為

I=dQ/dt=ε0εrA0E0[ω2sin(ω1t+φ1)cos(ω2t+φ2)+

ω1cos(ω1t+φ1)sin(ω2t+φ2)]

(2)

此電流為pA級(jí)別，直接檢測(cè)難度很大，將小電流經(jīng)過跨阻放大器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)

x(t)=I·Rs=Rsε0A0E0[ω2sin(ω1t+φ1)cos(ω2t+φ2)+

ω1cos(ω1t+φ1)sin(ω2t+φ2)]

(3)

由于ω1已知為激勵(lì)信號(hào)頻率。根據(jù)此信號(hào)的特性，采取正交鎖相放大提取電場(chǎng)信號(hào)[10]。另外采集兩路與激勵(lì)信號(hào)同頻率的參考信號(hào)

r1(t)=Vrsin(ω1t+φ3)，r2(t)=Vrcos(ω1t+φ3)

(4)

將兩路參考信號(hào)分別與電壓信號(hào)相乘，使用中心頻率為ω2的帶通濾波器濾除直流信號(hào)、頻率為ω1、2ω1的高頻信號(hào)，以及通帶之外的噪聲信號(hào)，得到的輸出為

uo1(t)=0.5kE0ω2cos(ω2t+φ2)cos(φ3-φ1)+

0.5kE0ω1sin(ω2t+φ2)sin(φ3-φ1)

(5)

uo2(t)=0.5kE0ω2cos(ω2t+φ2)sin(φ3-φ1)+

0.5kE0ω1sin(ω2t+φ2)cos(φ3-φ1)

(6)

式中：k=VrRsε0εrA0；ω2為50 Hz；傳感器激勵(lì)頻率ω1約為3～5 kHz，要遠(yuǎn)大于ω2。

因此可忽略式(5)及式(6)兩式中的第一項(xiàng)，此時(shí)可見兩路輸出信號(hào)uo1(t)，uo2(t)為同頻率同相位的兩路正弦信號(hào)，且系數(shù)存在三角函數(shù)關(guān)系，將兩路信號(hào)做矢量合成后，并將k=VrRsε0εrA0帶入可得到：

uo(t)=0.5VrVsε0εrA0E0ω1|sin(ω2t+φ2)|

(7)

如此處理后得到的信號(hào)是一個(gè)頻率信號(hào)，其幅值與交變電場(chǎng)幅值成正比關(guān)系，只需測(cè)出處理后信號(hào)的幅值即可通過計(jì)算得到交變電場(chǎng)幅值，達(dá)到檢測(cè)AC(50 Hz)電場(chǎng)的目的。

3　系統(tǒng)方案硬件部分設(shè)計(jì)

微電場(chǎng)傳感器工頻電場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。系統(tǒng)主要包括微電場(chǎng)傳感器敏感元件、預(yù)處理電路、傳感器激勵(lì)信號(hào)電路、NI無線數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)。

圖2　系統(tǒng)整體框

MEMS微電場(chǎng)傳感器敏感結(jié)構(gòu)需要頻率及相位都十分穩(wěn)定的正弦信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)。由于DDS(直接數(shù)字頻率合成)器件具有相對(duì)帶寬較寬，頻率分辨率高、相位連續(xù)變化等優(yōu)點(diǎn)，因此本文使用一片單片機(jī)控制DDS芯片AD9834產(chǎn)生傳感器需要的激勵(lì)信號(hào)。

預(yù)處理電路主要功能是將傳感器輸出的微弱電場(chǎng)感應(yīng)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并進(jìn)行放大和濾波處理。由于傳感器輸出電流信號(hào)幅值為pA級(jí)別，信噪比低(-60 dB)，因此預(yù)處理電路的低噪聲設(shè)計(jì)極為重要[11]。

如圖3所示為預(yù)處理電路部分電路圖。主要包括I/V轉(zhuǎn)換電路、差分放大電路、濾波電路。文中采用低噪聲精密放大器AD8626、AD620、OPA277和精密電阻及高精度電容設(shè)計(jì)預(yù)處理電路，有效降低了系統(tǒng)的電磁干擾。在1V激勵(lì)信號(hào)輸出的情況下，傳感器本地噪聲40 mV以下，提高了傳感器信噪比。

圖3　預(yù)處理電路示意圖

文中使用NI無線數(shù)據(jù)采集卡將經(jīng)過預(yù)處理電路的傳感器輸出信號(hào)采集并通過無線發(fā)射的方式傳輸至上位機(jī)。這樣在測(cè)量高壓輸電線等危險(xiǎn)輸送電裝置附近的工頻電場(chǎng)時(shí)，可保證良好的上下絕緣性。

4　系統(tǒng)方案軟件部分設(shè)計(jì)

基于LabVIEW的上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)工頻電場(chǎng)的檢測(cè)算法，并實(shí)時(shí)顯示待測(cè)工頻電場(chǎng)幅值。如圖4所示為軟件流程圖，圖5所示為工頻電場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)前端界面，圖6所示為L(zhǎng)ab-VIEW程序框圖。軟件開始工作后，首先通過計(jì)算機(jī)無線設(shè)備與NI采集卡建立連接，連接成功后，接收采集卡輸出的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分為兩路，一路為經(jīng)過預(yù)處理電路后的傳感器輸出信號(hào)，另一路為激勵(lì)信號(hào)。

圖4　系統(tǒng)軟件流程圖

圖5　工頻電場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)前端界面

使用數(shù)據(jù)濾波器進(jìn)一步對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，濾除高頻噪聲及工頻干擾，提高信噪比。由之前分析可知，工頻電場(chǎng)檢測(cè)算法需要兩路頻率與傳感器激勵(lì)信號(hào)頻率相同的，且相位差為90°的正交參考信號(hào)，因此將激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過快速希爾伯特變換后，生成式(4)所示的兩路參考信號(hào)。將正交參考信號(hào)分別與濾波后的傳感器輸出信號(hào)相乘并經(jīng)過高性能的數(shù)字濾波器，產(chǎn)生如式(7)所示的頻率信號(hào)，此信號(hào)幅值與待測(cè)工頻電場(chǎng)幅值成正比關(guān)系。檢測(cè)此信號(hào)的波峰，提取幅值，根據(jù)此信號(hào)幅值計(jì)算出待測(cè)電場(chǎng)幅值。最后將測(cè)量結(jié)果繪制曲線并保存至本地文件。

5　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

在室溫和室內(nèi)大氣壓條件下，使用文中設(shè)計(jì)的微型電場(chǎng)傳感器激勵(lì)與預(yù)處理電路和固有振動(dòng)頻率ω1=3 175 Hz的傳感器敏感元件測(cè)量50 Hz工頻電場(chǎng)。為驗(yàn)證系統(tǒng)檢測(cè)算法和性能，該樣機(jī)測(cè)試采用實(shí)驗(yàn)室搭建的標(biāo)定裝置來實(shí)現(xiàn)，該標(biāo)定裝置采用平行極板之間產(chǎn)生勻強(qiáng)電場(chǎng)的工作原理，一塊極板通過函數(shù)發(fā)生器施加工頻電壓，另一塊極板接地電勢(shì)，這樣在兩平行極板之間獲得了均勻的工頻電場(chǎng)，如圖7(a)所示為系統(tǒng)實(shí)物圖。圖7(b)為待測(cè)電場(chǎng)的電壓加載曲線。圖7(c)及圖7(d)所示為經(jīng)過預(yù)處理電路后的傳感器輸出信號(hào)頻譜分析曲線，在未加工頻電場(chǎng)時(shí)，圖7(c)曲線上沒有明顯的ω1±50 Hz頻率信號(hào)。加工頻電場(chǎng)后，圖7(d)中可明顯看到有ω1±50 Hz的信號(hào)。圖7(e)為正交鎖相放大器輸出信號(hào)頻譜曲線，可明顯看出，加工頻電場(chǎng)后有50 Hz信號(hào)分量。表明經(jīng)過正交鎖相放大電路的處理，傳感器輸出信號(hào)中體現(xiàn)工頻電場(chǎng)幅值的分量已被成功提取出來。圖7(f)所示為矢量合成之后的信號(hào)波形，此波形為頻率100 Hz的頻率信號(hào)，提取此信號(hào)的幅值即可計(jì)算出待測(cè)工頻電場(chǎng)幅值。圖7(g)所示為傳感器系統(tǒng)測(cè)量工頻電場(chǎng)的最終輸出曲線，在未加待測(cè)電場(chǎng)時(shí)，傳感器系統(tǒng)輸出值為環(huán)境內(nèi)工頻噪聲電場(chǎng)幅值，該噪聲電場(chǎng)經(jīng)過傳感器系統(tǒng)計(jì)算后輸出接近于0 mV，當(dāng)加入待測(cè)電場(chǎng)后，傳感器系統(tǒng)輸出信號(hào)呈現(xiàn)階躍式變化，分辨力優(yōu)于20 V/m．

圖6　LabVIEW程序框圖

6　結(jié)束語

文中基于MEMS微型電場(chǎng)傳感器，針對(duì)其輸出信號(hào)特點(diǎn)，采用正交鎖相放大技術(shù)，提出了一種檢測(cè)工頻電場(chǎng)的算法。使用LabVIEW及NI無線數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)了適用于工頻電場(chǎng)檢測(cè)的樣機(jī)。此樣機(jī)成功實(shí)現(xiàn)工頻電場(chǎng)的檢測(cè)，常壓室溫測(cè)試結(jié)果表明，分辨力優(yōu)于20 V/m．文中的研究結(jié)果對(duì)智能電網(wǎng)工頻電場(chǎng)與電壓測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域具有實(shí)際意義。

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