球型电场传感器测量系统的研究及应用

论文摘要

电场测量在诸多科学研究和工程技术领域中都有广泛应用。如能实现实时、准确监测空间电场的大小,无论对于电力设备的设计制造和安全运行,还是日常生活中电磁环境的监测或者其他方面的应用都具有重大的意义。传感器在测量电场时,在场域中探头尺寸的大小、电极材质、测量电极的极间耦合和测量人员在场域附近等因素将引起周围电场的畸变,而影响测量精度。因此,分析传感器探头在场域中引起的畸变量大小,优化设计传感器探头结构,研究一种可远程采集测量数据的电场测量系统,对于提高电场测量系统的精度具有重要意义。本文主要在均匀工频电场环境下,采用分离变量法分析了球型探头在均匀场域中引起的电场畸变量,对不同探头大小、电极材质和测量电极的极间耦合等因素引起的畸变电场进行了仿真分析,从而对传感器探头进行了优化设计,并利用影响因子矩阵法对电场畸变进行了校正,以提高系统测量精度。本装置以美国微芯公司的PIC18F4420单片机作为系统的中央处理器,进行信号A/D转换、数据处理等;采用美国德州仪器公司的仪器放大器INA128对微弱信号进行放大;采用西门子公司生产的TC35i通信模块进行数据传输。在软件上主要以MPLAB IDE为开发平台,主要设计了数据采集、数据处理和数据通信等模块,并在数据处理中对测量数据进行畸变校正。同时为了提高系统的可靠性,进行了相应的软件抗干扰研究。在根据国标GB-T12720-1991要求,设计的均匀电场产生装置下的试验表明,本系统在选取取样电容为350pF时,通过采用最小二乘法对电场测量值进行拟合后,在工频电场强度值小于12kV.m-1内,系统的非线性误差为6.68%左右,外部电场与传感系统的输出具有良好的线性度,可以满足实际工程需要。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究目的和意义
• 1.3 国内外研究概况
• 1.3.1 电场测量技术研究概况
• 1.3.2 电场传感器的种类及优缺点
• 1.3.3 电场标定研究
• 1.3.4 电场测量在电力系统及特高压中的意义
• 1.4 本文的研究内容
• 2 电场传感器测量探头的畸变优化分析
• 2.1 电场传感器测量原理
• 2.2 工频电场测量的畸变分析
• 2.2.1 畸变电场
• 2.2.2 球型探头畸变理论分析
• 2.3 传感器探头空间占位性的畸变分析
• 2.3.1 空间占位性
• 2.3.2 不同形状的探头畸变仿真分析
• 2.3.3 不同大小的探头畸变仿真分析
• 2.4 不同材料球体的畸变分析
• 2.4.1 极化电荷与电场畸变的关系
• 2.4.2 不同材料球体的畸变仿真分析
• 2.5 测量电极间的耦合畸变分析
• 2.5.1 探头电极的杂散电容分析
• 2.5.2 测量电极间的耦合畸变仿真分析
• 2.6 电场畸变校正研究
• 2.7 小结
• 3 电场传感器测量系统研究
• 3.1 电场测量系统的整体设计
• 3.2 传感器探头设计与等效分析
• 3.2.1 探头的设计与制作
• 3.2.2 探头等效分析
• 3.3 信号处理电路
• 3.3.1 前端放大电路
• 3.3.2 滤波电路
• 3.3.3 电平抬升电路
• 3.4 PIC 单片机处理电路
• 3.4.1 PIC18F4420 概述
• 3.4.2 单片机外围电路设计
• 3.5 通信接口电路
• 3.5.1 短消息及TC35i 简介
• 3.5.2 串行通信设置
• 3.5.3 通信接口电路
• 3.6 电源电路
• 3.7 PCB 电路整体设计
• 3.8 小结
• 4 测量系统的软件设计与实现
• 4.1 MPLAB IDE 开发环境的介绍
• 4.2 程序总体流程介绍
• 4.3 系统各模块的软件设计
• 4.3.1 数据采集模块软件设计
• 4.3.2 数据处理模块软件设计
• 4.3.3 数据通信模块软件设计
• 4.4 软件的抗干扰设计
• 4.5 小结
• 5 系统试验研究
• 5.1 取样电容的选择
• 5.2 系统调试与性能测试
• 5.2.1 系统调试
• 5.2.2 传感器性能测试
• 5.3 输变电设备的电场测量
• 5.3.1 变电站外测量试验
• 5.3.2 输电线下测量试验
• 5.4 小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文与专利目录
• B. 作者在攻读学位期间参与项目目录