徐 磊， 周國(guó)平， 張宇思， 王 瓊

(1.南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210037;2.江蘇第二師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210013)

0 引 言

隨著地鐵、高鐵長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，運(yùn)行的安全性就顯得至關(guān)重要，定時(shí)對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行檢修必不可少。接地線可靠安裝是檢修工作安全進(jìn)行的保證，經(jīng)常出現(xiàn)由于接地線安裝不可靠引起檢修車間跳閘，造成大范圍停電，帶來(lái)嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失，甚至還會(huì)威脅檢修人員的人身安全。因此，實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備可靠接地具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)常用的回路電阻測(cè)試儀存在成本高、安裝不方便、不能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)热秉c(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的回路電阻測(cè)試儀，采用穿線式結(jié)構(gòu)，只需要將待測(cè)的回路線穿過(guò)測(cè)量線圈，電壓線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)便可以在回路線上感應(yīng)出電流，電流線圈通過(guò)回路電路產(chǎn)生的磁場(chǎng)便可感應(yīng)出電流，通過(guò)采集回路電壓、電流，便可測(cè)量出整個(gè)回路的電阻值，完全克服了傳統(tǒng)回路電阻測(cè)試儀安裝困難、測(cè)量不方便的缺點(diǎn)，大幅提高了測(cè)量的效率[1，2]。同時(shí)，還克服了開機(jī)校準(zhǔn)的弊端，可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，方便快捷[3，4]。

1 總體方案設(shè)計(jì)

基于電磁感應(yīng)的理論設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體原理框圖[5]如圖1所示。

圖1 總體原理框圖

通過(guò)搭建ML2035模塊產(chǎn)生1 000 Hz的正弦波，經(jīng)過(guò)功率放大后加在電壓激勵(lì)線圈上。同時(shí)，電壓采集電路采集產(chǎn)生的電壓，經(jīng)過(guò)精密整流濾波后，將采集的電壓值轉(zhuǎn)換為0～3 V的電壓信號(hào)送給單片機(jī)進(jìn)行采集。電壓激勵(lì)線圈上產(chǎn)生的磁場(chǎng)，會(huì)在被測(cè)回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)在電流感應(yīng)線圈中感應(yīng)出電流，電流線圈感應(yīng)出來(lái)的電流經(jīng)過(guò)電流/電壓(I/V)轉(zhuǎn)換，精密整流濾波電路后，轉(zhuǎn)換為直流0～3V的電壓信號(hào)傳至單片機(jī)進(jìn)行采集。單片機(jī)通過(guò)采集電壓信號(hào)和電流信號(hào)，再經(jīng)過(guò)相應(yīng)的控制算法，計(jì)算出回路的電阻值，顯示在液晶屏上，并實(shí)時(shí)向上位機(jī)發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。可以通過(guò)觸摸屏或者上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)的報(bào)警參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)回路電阻值大于設(shè)置值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警，提示系統(tǒng)工作不正常。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 1 000 Hz信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用ML2035作為正弦波發(fā)生器，ML2035的最大輸出頻率為25 kHz，其電路原理如圖2所示。

圖2 1 000 Hz信號(hào)發(fā)生電路原理

ML2035的控制字長(zhǎng)為16 bitD0～D15，其輸出頻率與控制字的關(guān)系為

(1)

系統(tǒng)采用6.553 6 MHz的有源晶振作為整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘源，由式(1)可以得知要想產(chǎn)生1 000 Hz的正弦波，所需要的控制字為D15∶D0=fout223/fclk,將系統(tǒng)頻率fclk和fout代入，可以計(jì)算出ML2035的頻率控制字為1 280，因此,需要的16 bit控制位為0000 1010 0000 0000，本文通過(guò)74HC4060進(jìn)行分頻和計(jì)數(shù)，74LS02是高速CMOS與非門。為了實(shí)現(xiàn)ML2035的輸出正弦信號(hào)頻率為1 000 Hz，必須在前8個(gè)脈沖移入8 bit的“0”，然后在接下來(lái)的后8個(gè)脈沖移入0000 1010。

2.2 功率放大電路設(shè)計(jì)

ML2035作為信號(hào)發(fā)生源，其帶負(fù)載能力是有限的，不能產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)電流帶動(dòng)電壓線圈。為了增大系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力，設(shè)計(jì)了如圖3所示的功率放大電路[6，7]。

圖3 功率放大電路原理

采用TDA2030對(duì)1 000 Hz的正弦波信號(hào)進(jìn)行功率放大，通過(guò)電容器C12將信號(hào)源中的直流分量進(jìn)行濾除，可以消除直流對(duì)電路的影響，也可以減輕TDA2030的負(fù)載。電路還帶有信號(hào)放大的作用，通過(guò)改變電位器W3的阻值，可以改變輸出信號(hào)的電壓幅值。

通過(guò)改變電位器W4的阻值，可以改變電壓線圈從TDA2030取得電壓的比例。

因此，設(shè)計(jì)的功率放大電路不僅可以進(jìn)行功率放大，還可以對(duì)信號(hào)的電壓幅值進(jìn)行放大，還能改變后級(jí)電路取得信號(hào)的比例，電路簡(jiǎn)單、使用方便。

2.3 帶通濾波器設(shè)計(jì)

通過(guò)ML2035產(chǎn)生的信號(hào)源，交疊了50 Hz的工頻干擾和一些高頻雜波，為了濾除這些干擾信號(hào)，設(shè)計(jì)了如圖4所示的帶通濾波器[8]。

圖4 帶通濾波器電路原理

圖4多路負(fù)反饋有源二階帶通濾波器中心角頻率ω為

(2)

可以看出，通過(guò)改變R203，R204，R205，電容C153，C154的阻值，可以改變中心角頻率的值。本次設(shè)計(jì)需要通過(guò)正弦波信號(hào)頻率在1 000 Hz左右，因此，設(shè)計(jì)的帶通濾波器的頻帶為950～1 050 Hz，可以很好地濾除掉干擾信號(hào)。

2.4 精密整流電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)調(diào)理后的電壓信號(hào)為正弦波信號(hào)，但采用的STM32單片機(jī)只能對(duì)正電壓進(jìn)行采集，不能對(duì)負(fù)電壓進(jìn)行采集，因此設(shè)計(jì)全波精密整流電路，如圖5所示。在全波精密整流電路中，利用瞬時(shí)極性法判斷：當(dāng)Ui>0時(shí)，第一個(gè)TL081的輸出腳(6腳)瞬間輸出為-2Ui，二極管D1截止、D2導(dǎo)通，Uo1近似輸出-2Ui，此時(shí)，R25和R24分別與R27構(gòu)成反向加法器，輸出Uo=-(-2Ui+Ui)=Ui；當(dāng)Ui<0時(shí)，第一個(gè)TL081的輸出腳(6腳)瞬間輸出為2Ui，此時(shí)二極管D1導(dǎo)通、D2截止，相當(dāng)于開路，由于反饋電阻器R24的作用，Uo1的輸出與TL081的反向輸入端的電位，根據(jù)運(yùn)算放大器“虛短虛斷”原理，可以認(rèn)為TL081的反相輸入端電位與同相輸入端電位相等，約為0 V，故此時(shí)Uo1=0，R25與R27構(gòu)成反向等比例放大，輸出Uo=-Ui。綜上： 當(dāng)Ui>0時(shí)，Uo1=-2Ui，Uo=-(-2Ui+Ui)=Ui；當(dāng)Ui<0時(shí)，U01=0，Uo=-Ui；

圖5 全波精密整流濾波電路

圖5也稱為絕對(duì)值電路,當(dāng)輸入電壓為正弦波時(shí)，電路輸出波形分別如圖6所示。

圖6 正弦波整流輸出波形

3 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

如圖7所示，當(dāng)系統(tǒng)上電后，先對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，之后，通過(guò)上位機(jī)或者觸摸屏進(jìn)行報(bào)警參數(shù)的設(shè)置，還可以對(duì)系統(tǒng)的時(shí)間等信息進(jìn)行校準(zhǔn)。設(shè)置完成后，進(jìn)入電壓、電流采集程序，并數(shù)字濾波，防止個(gè)別誤差較大的值對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響[9，10]。將計(jì)算出來(lái)的回路電阻值與設(shè)置的報(bào)警值進(jìn)行比較，當(dāng)大于報(bào)警值時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警，提示系統(tǒng)電阻值過(guò)大，同時(shí)將時(shí)間、日期、報(bào)警值等信息實(shí)時(shí)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)時(shí)刻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖7 系統(tǒng)軟件流程

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在實(shí)驗(yàn)室的條件下，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。選擇不同的精密標(biāo)準(zhǔn)電阻器作為標(biāo)稱，采用銥泰ETCR2000A+鉗形接地電阻測(cè)試儀進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

可以看出，經(jīng)多次測(cè)試，系統(tǒng)測(cè)量最大絕對(duì)誤差為0.09 Ω，最大相對(duì)誤差為0.46 %，完全滿足工程要求[11，12]。

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)的回路電阻測(cè)試儀，采用非接觸的方式對(duì)系統(tǒng)回路電阻進(jìn)行測(cè)試，安全可靠。設(shè)計(jì)的樣機(jī)已經(jīng)在沈陽(yáng)鐵路局動(dòng)車段進(jìn)行安裝測(cè)試，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸可靠，大幅減輕檢修人員體力勞動(dòng)，更能對(duì)檢修的人身安全進(jìn)行保護(hù)，無(wú)論是在電力行業(yè)對(duì)變壓器接地線的檢測(cè)，還是高鐵、動(dòng)車回路電路的檢測(cè)，都具有重要意義。