新型馈电状态传感器的研究

摘 要：本文介绍的新型馈电状态传感器，以电容检测原理来监测电缆芯线对地电场状态，从而间接检测矿井电缆的馈电状态，与负载是否工作、电缆有无电流无关。具有结构简单、成本低、可靠性高、灵敏度高、易于维护以及更换方便等优点。
关键词：馈电状态；传感器；监控系统；场效应管

引言
目前市场上的馈电状态传感器大多基于光纤、电压互感器或采用霍耳器件，除进行防爆、防尘、防潮外，均没有进一步针对煤矿井下特殊条件进行考虑，所以在用于煤炭安全生产的设备中存在着难维护、灵敏度低、可靠性差、系统复杂、造价高等问题，从而严重制约了馈电状态传感器的推广应用。

馈电状态传感器方案的选择
根据矿井监控系统的要求，对断电及馈电状态检测的方式分为两种，一种是直接接触式，一种是间接非接触式。
根据电压互感器原理和电流互感器原理设计的直接接触式电压检测方案，其优点是设备结构简单，缺点是与被检测电压直接接触。对于井下的电缆来说，若是采用直接接触式方法来检测电缆的馈电状态，就必须去除电缆的绝缘外皮，这必然给井下的安全生产带来隐患，所以这种检测电压的方法不适合对井下馈电状态的检测。
在间接非接触式电压传感器中，光纤电压传感器虽然具有抗电磁干扰能力强、耐恶劣环境、绝缘性能好、体积小、质量轻、灵敏度高等优点，但是成本高、结构复杂、不便维护，因此制约了这种传感器在矿井监控系统中的应用；电磁感应和霍耳电压传感器是通过检测磁场的有无状态来检测电流(或电压)的有无，当没有电流存在时，也就没有磁场。对于井下电缆馈电状态的检测来说，不但要检测有电流时的馈电状态，同时也要检测无电流时的馈电状态。因此这种传感器也不适合用作井下电缆馈电状态的检测。
综合以上分析，本文提出了一种非接触式电压检测方法，即通过电容检测原理来检测电缆对地电场是否存在，从而间接检测电缆的馈电状态。

传感器硬件电路的设计
敏感元件电路原理
根据传感器电路设计的要求，对于高输出阻抗的传感器，传感器电路的输入阻抗必须与输出阻抗相适应。因此，只有选用场效应管作为输入级才能满足设计要求。本文选用FET场效应管来检测电场状态，其等效原理图如图1所示。
利用FET检测电场状态不是直接测量表面的电位或电荷，而是利用分布在表面上的电荷所产生的电场在探头上感应出电荷，最终对FET的栅极产生影响。
在图1中，导电性基片相当于电缆的导体；绝缘体相当于电缆外表皮的绝缘物质；测量探头相当于电容。当导电性基片中有电压时，在绝缘体的上下表面就会感应出正负电荷，当测量探头接近绝缘体上表面(带有正电荷)时，就会在测量探头的两极分别感应出正负电荷，所以会在测量探头两极间产生电压Ux。当电压Ux大于栅源之间的阈值电压VT时，外加较小的VDS，漏极电流iD将随着VDS上升迅速增大。此外，由于测量探头两极间产生的电压Ux为交流弱电压信号，所以应当对其进行初级放大。由此设计的馈电状态传感器电路的敏感元件电路如图2所示。
一般场效应管的RGS大于107W，本设计中所选用的是K30A Y-2F结型N沟道场效应管，其最大值RGS=3×1010W。在图2中，电阻R1、R2和RG的选择主要是根据输入阻抗与输出阻抗相匹配的要求，所以RG应选择大阻值的，通常在1~10MW之间取值。本设计中选取RG为2MW；R1和R2分别为20kW和80kW；RD为10kW；RS为10kW；RL为100kW；电源VDD为5V。
馈电状态传感器电路设计
本设计采用电容原理来检测电场状态，在敏感元件的输出端产生交流弱电压信号，但是根据传感器电路的设计要求，传感器电路输出的信号应当是开关量电压信号。因此，应对敏感元件的输出信号进行检波、放大和信号转换处理，其整体电路如图3所示。
图3中，L7805是一个直流稳压芯片，它提供传感器电路的工作电源。当把传感器放入被测量带电电缆附近时，检测电容C两端感应出微弱的交流电压信号。此信号经过结型场效应管K30AY-2F进行初级放大，然后由场效应管的漏极输出大约是检测电容两端5倍的交流电压信号，该信号通过检波电路，把交流电压信号转变成单极性信号。这种单极性信号仍很微弱，还要经过测量运算放大器(或仪用运算放大器)二级放大，调节可调电阻RW，可以得到很大范围的电压增益。最后直流电压信号经过由2个NPN型的三极管组成的开关电路，输出TTL开关量电压信号。

结语
把图3所示电路在EWB软件上仿真，当在检测电容两端施加大于0.1V的交流电压信号时，在三极管集电极得到了大于3.6V的高电平电压信号；当检测电容两端施加小于0.1V的交流电压信号时，在三极管集电极得到了小于0.3V的低电平电压信号。而且，在实际电路实验中，通过调节可调电阻RW的阻值，得到了比在EWB软件上仿真更高的灵敏度。因此，这种馈电状态传感器在矿井监控系统中将具有很好的应用前景。■

参考文献
1 煤炭工业部安全司.矿井安全监控原理与应用. 徐州：中国矿业大学出版社，1996
2 杨晓春，阎永志.光纤电场传感器泡克尔斯元件的理论分析与设计.压电与声学. 1986
3 赵家贵，付小美，董平.新编传感器电路设计手册.北京：中国计量出版社，2002
4 吴兴惠.敏感元器件及材料.北京：电子工业出版社，1992