引言

　　目前國(guó)內(nèi)外研制開發(fā)了一些饋電狀態(tài)傳感器，這些饋電狀態(tài)傳感器大多數(shù)是基于光纖、電壓互感器或采用霍耳器件的饋電狀態(tài)傳感器。日本、歐洲等國(guó)家研制并應(yīng)用了煤礦光纖電壓傳感器；在國(guó)內(nèi)，鎮(zhèn)江中煤電子有限公司開發(fā)的KGT8饋電狀態(tài)傳感器；煤炭科學(xué)研究總院常州自動(dòng)化研究所研制的KGT23礦用本安型饋電狀態(tài)傳感器；三恒自動(dòng)化儀表有限公司開發(fā)的KGT9型礦用機(jī)電設(shè)備饋電狀態(tài)傳感器；長(zhǎng)春東煤高技術(shù)開發(fā)公司開發(fā)的KJ19-31型機(jī)電設(shè)備饋電狀態(tài)傳感器等。這些饋電狀態(tài)傳感器在煤炭安全生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。

　　然而，由于現(xiàn)有饋電狀態(tài)傳感器除進(jìn)行防爆、防塵、防潮外，均沒有進(jìn)一步針對(duì)煤礦井下特殊條件進(jìn)行研究，存在著難以維護(hù)、靈敏度低、可靠性差、系統(tǒng)復(fù)雜、造價(jià)高等問(wèn)題，嚴(yán)重地制約了這些饋電狀態(tài)傳感器的推廣應(yīng)用。

　　因此，有必要針對(duì)現(xiàn)有礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的功能復(fù)雜、可靠性差、成本高、不能與現(xiàn)有安全生產(chǎn)的檢測(cè)儀器很好的配合運(yùn)行、使用維護(hù)不當(dāng)?shù)葐?wèn)題，以及針對(duì)煤礦井下的特殊情況，研究可靠性高、便于維護(hù)、經(jīng)濟(jì)型饋電狀態(tài)傳感器具有重要意義。

　　1、饋電狀態(tài)傳感器方案的選擇

　　根據(jù)礦井監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)斷電及饋電狀態(tài)檢測(cè)的要求，可以將對(duì)斷電及饋電狀態(tài)檢測(cè)的方式分為兩種，一種是直接接觸式檢測(cè)饋電狀態(tài)，一種是間接非接觸式檢測(cè)饋電狀態(tài)。直接式是指在電氣上與負(fù)荷設(shè)備直接聯(lián)系，從供電網(wǎng)絡(luò)上直接獲取信號(hào)，如用電壓互感器、電流互感器檢測(cè)有無(wú)信號(hào)輸出等。間接式是指在電氣上與負(fù)荷設(shè)備不發(fā)生直接聯(lián)系，如電磁感應(yīng)原理、霍爾原理、測(cè)溫原理、測(cè)磁原理、光電原理、接近（電感）原理等。直接接觸式又可根據(jù)檢測(cè)饋電狀態(tài)的工作原理可以分為電壓互感器電壓傳感器等。間接非接觸式又可以根據(jù)檢測(cè)饋電狀態(tài)的工作原理可以分為光纖電壓傳感器，電磁感應(yīng)電壓傳感器，霍耳電壓傳感器，電容原理電壓傳感器等。

　　根據(jù)電壓互感器原理、電流互感器原理做成的這些直接接觸式的電壓檢測(cè)方法，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是與被檢測(cè)電壓直接接觸。然而對(duì)于井下所用的電纜來(lái)說(shuō)，若是采用這種直接接觸式方法來(lái)檢測(cè)電纜的饋電狀態(tài)，就必須去除井下電纜的絕緣外皮，這必然給井下的安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患，違反《煤礦安全規(guī)程》，所以這種檢測(cè)電壓的方法不適合對(duì)井下饋電狀態(tài)的檢測(cè)。

　　在間接非接觸式電壓傳感器中，光纖電壓傳感器雖然具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、耐惡劣環(huán)境、絕緣性能好、體積小、質(zhì)量輕、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，但是這種傳感器成本很高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不便維護(hù)等缺點(diǎn)，因此制約了這種傳感器在礦井監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用；電磁感應(yīng)原理和霍耳原理電壓傳感器是通過(guò)檢測(cè)磁場(chǎng)的有無(wú)狀態(tài)來(lái)檢測(cè)電流（或電壓）的有無(wú)，當(dāng)沒有電流存在時(shí)，也就沒有磁場(chǎng)。對(duì)于井下電纜饋電狀態(tài)的檢測(cè)來(lái)說(shuō)，我們不但要檢測(cè)有電流時(shí)的饋電狀態(tài)，同時(shí)也要檢測(cè)無(wú)電流時(shí)的饋電狀態(tài)。因此這種類型的電壓傳感器不適合用作井下電纜饋電狀態(tài)的檢測(cè)。

　　綜合以上分析，筆者提出一種非接觸式電壓檢測(cè)方法，即通過(guò)電容檢測(cè)原理來(lái)檢測(cè)電纜芯線對(duì)地電場(chǎng)的存在與否來(lái)間接檢測(cè)電纜的饋電狀態(tài)。

　　2、電容原理測(cè)量電壓法

　　我們先分析一下井下電纜周圍電場(chǎng)的分布情況。如圖1所示，三相電纜分別為A、B、C，電流方向僅作為參考。從三相電纜的結(jié)構(gòu)以及均勻傳輸線的理論可知，在任何兩個(gè)絕緣導(dǎo)體之間均有寄生電容存在，因此在三相電纜之間，也必然存在寄生電容，傳輸線之間的這種寄生電容的大小與電纜芯線之間距離成反比，與導(dǎo)線直徑、絕緣材料的介電常數(shù)成正比，而與材料、環(huán)境溫度以及傳輸交流電源的頻率無(wú)關(guān)。這種寄生電容等效為C0，通常這種電容很小。

 
圖1 電容原理電壓測(cè)量法

　　由圖1可知，無(wú)論三相電纜中有無(wú)電流，只要三相電纜之間存在電壓，就會(huì)在三相電纜的絕緣外皮上產(chǎn)生電荷，也就必然會(huì)在電纜周圍產(chǎn)生電場(chǎng)，電場(chǎng)的大小取決于三相交流電對(duì)地之間的電壓大小。由于是對(duì)稱的三相交流電，理想情況下，應(yīng)該在距離三相電纜很遠(yuǎn)的周圍產(chǎn)生0電場(chǎng)。而在距離三相電纜很近的位置上將會(huì)產(chǎn)生由三相交流電所引起電場(chǎng)的合電場(chǎng)，并且這種合電場(chǎng)是一種交變電場(chǎng)，其頻率取決于三相交流電的頻率。這樣我們可以在這種三相電纜對(duì)地的電場(chǎng)中，放入定值的電容（如圖1所示的電容C1），就會(huì)在電容C1兩端產(chǎn)生電壓Ux。當(dāng)三相電纜之間存在交流電壓時(shí)，電容C1兩端也會(huì)產(chǎn)生交流電壓；當(dāng)三相電纜之間不存在交流電壓時(shí)，電容C1兩端也就不會(huì)產(chǎn)生交流電壓，即Ux為零。通過(guò)這種檢測(cè)電容C1兩端電壓Ux的存在與否，就可以間接地檢測(cè)井下電纜的饋電狀態(tài)，這是一種簡(jiǎn)單方便的選擇方案。

　　3、傳感器硬件電路的設(shè)計(jì)

　　3.1 敏感元件電路原理

　　根據(jù)傳感器電路設(shè)計(jì)的要求，對(duì)于高輸出阻抗的傳感器，則要求傳感器電路的輸入阻抗必須與輸出阻抗相適應(yīng)。為此，只有選用場(chǎng)效應(yīng)管作為輸入級(jí)才能滿足設(shè)計(jì)要求。因此本文選用FET場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)檢測(cè)電場(chǎng)狀態(tài)，其等效原理如圖2所示。
 

圖2 利用FET檢測(cè)電場(chǎng)狀態(tài)原理圖

　　利用FET檢測(cè)電場(chǎng)狀態(tài)原理不是直接測(cè)量表面電位或電荷，而是利用分布在表面上的電荷所產(chǎn)生的電場(chǎng)在探頭上感應(yīng)出電荷，最終對(duì)FET的柵極產(chǎn)生影響。由此原理可知，若FET本身靠近絕緣膜，則在柵極上感應(yīng)出電荷，從而FET可作為電場(chǎng)敏感元件工作。

　　在圖2中，導(dǎo)電性基片相當(dāng)于電纜的導(dǎo)體；絕緣體相當(dāng)于電纜外表皮的絕緣物質(zhì)；測(cè)量探頭相當(dāng)于電容。當(dāng)導(dǎo)電性基片中有電壓時(shí)，在絕緣體的上下表面就會(huì)感應(yīng)出正負(fù)電荷，當(dāng)測(cè)量探頭接近絕緣體上表面（帶有正電荷）時(shí)，就會(huì)在測(cè)量探頭的兩極分別感應(yīng)出正負(fù)電荷即靠近帶有正電荷絕緣體上表面的一極帶有負(fù)電荷，另一極帶有正電荷。也就是說(shuō)在測(cè)量探頭兩極間產(chǎn)生電壓Ux。當(dāng)電壓Ux大于柵源之間的閥值電壓VT（或稱開啟電壓）時(shí)，外加較小的VDS，漏極電流iD將隨著VDS上升迅速增大。同時(shí)考慮測(cè)量探頭兩極間產(chǎn)生的電壓Ux為交流微弱電壓信號(hào)，應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行初級(jí)放大。由此設(shè)計(jì)的饋電狀態(tài)傳感器電路的敏感元件電路如圖3所示。

 
圖3 饋電狀態(tài)傳感器的敏感元件電路圖

　　一般場(chǎng)效應(yīng)管的RGS一般大于107Ω，本設(shè)計(jì)中所選用的是K30A Y-2F結(jié)型N溝道場(chǎng)效應(yīng)管，其最大值RGS=3×1010Ω。在圖3中，電阻R1、R2和RG的選擇主要是根據(jù)輸入阻抗與輸出阻抗相匹配的要求，所以電阻RG應(yīng)該選擇大阻值的，通常取1～10MΩ，本設(shè)計(jì)中選取RG=2MΩ，電阻R1和R2分別取值為20kΩ和80kΩ，電阻RD=10kΩ，RS=10kΩ，RL=100kΩ，電源VDD取5V。

　　3.2 饋電狀態(tài)傳感器電路設(shè)計(jì)

　　由于我們所要檢測(cè)的是井下電纜的饋電狀態(tài)，也就是檢測(cè)井下電纜所產(chǎn)生的交變電場(chǎng)的有無(wú)狀態(tài)。本次設(shè)計(jì)所采用電容原理來(lái)檢測(cè)電場(chǎng)狀態(tài)，在敏感元件的輸出端產(chǎn)生交流微弱電壓信號(hào)，根據(jù)傳感器電路的設(shè)計(jì)要求，傳感器電路輸出的信號(hào)應(yīng)當(dāng)是開關(guān)量電壓信號(hào)。因此，我們應(yīng)對(duì)敏感元件的輸出信號(hào)進(jìn)行檢波、放大和信號(hào)轉(zhuǎn)換處理，其整體電路如圖4所示。

 
圖4 饋電狀態(tài)傳感器電路

　　由圖4可知饋電狀態(tài)傳感器的工作過(guò)程如下：L7805是一個(gè)直流穩(wěn)壓芯片，它提供傳感器電路的工作電源；二個(gè)發(fā)光二極管，紅色發(fā)光二極管指示電源的狀態(tài)，綠色發(fā)光二極管指示饋電狀態(tài)。當(dāng)把傳感器放入被測(cè)量帶電電纜附近，檢測(cè)電容C兩端感應(yīng)出微弱的交流電壓信號(hào)；此信號(hào)經(jīng)過(guò)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管K30A進(jìn)行初級(jí)放大，由場(chǎng)效應(yīng)管的漏極輸出大約是檢測(cè)電容兩端電壓5倍的交流電壓信號(hào)；接著通過(guò)檢波電路，把交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成單極性信號(hào)；這種單極性信號(hào)仍很微弱，還要經(jīng)過(guò)測(cè)量運(yùn)算放大器（或儀用運(yùn)算放大器）二級(jí)放大，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻RW，可以得到很大范圍的電壓增益；最后直流電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)由二個(gè)NPN型的三極管組成的開關(guān)電路，輸出TTL開關(guān)量電壓信號(hào)。

　　4、結(jié)論與展望

　　把圖4所示電路在EWB（Electronics Workbench）軟件上仿真，當(dāng)在檢測(cè)電容兩端施加大于0.1V的交流電壓信號(hào)時(shí)，就能在三極管集電極輸出大于3.6V的高電平電壓信號(hào)；當(dāng)檢測(cè)電容兩端施加小于0.1V的交流電壓信號(hào)時(shí)，三極管集電極輸出小于0.3V的低電平電壓信號(hào)。同樣，在實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻RW的阻值，會(huì)得到比在EWB軟件上仿真更高的靈敏度。因此，證明所設(shè)計(jì)的饋電狀態(tài)傳感器電路滿足《礦井安全監(jiān)控新標(biāo)準(zhǔn)、新規(guī)程匯編及礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型手冊(cè)》的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

　　本文根據(jù)2001年版《煤礦安全規(guī)程》、2002年版《礦井安全監(jiān)控新標(biāo)準(zhǔn)、新規(guī)程匯編及礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型手冊(cè)》等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程，研制出礦井饋電狀態(tài)傳感器。這種傳感器具有以下的優(yōu)點(diǎn)：①可靠性高；②設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低，所需附加設(shè)備少；③設(shè)備靈敏度高；④信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)；⑤設(shè)備易于維護(hù)，更換方便。其突出的特點(diǎn)是這種傳感器是一種非接觸式檢測(cè)電纜芯線對(duì)地電場(chǎng)的狀態(tài)，這使得這種饋電狀態(tài)傳感器在礦井監(jiān)控系統(tǒng)中無(wú)疑具有很好的應(yīng)用前景。(end)

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