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基于电场测量的起重机防碰撞报警系统的设计

刘调，许湘莲，唐潇倩，刘婷，黄刚

自动化学院

武汉理工大学 中国湖北武汉

liutiao@whut.edu.cn

摘要

本文介绍了基于电场测量的起重机防撞报警系统的设计。起重机防撞报警系统由许多电场采集装置和报警装置组成。电场采集装置负责收集每个点的电场值。报警装置可以无线接收各种电场采集装置发送的所有信号，然后通过判断安全电场值给出不同的报警信息，以确保在高压传输线环境中工作的起重机的安全。

关键词：高压输电线; 报警; 电场测量; STM32。

1. 引言

安全是电力生产永恒的主题。不在安全的前提下，它就不能实现电网运行的稳定性和电源的可靠性。电力系统已成为最重要的能源供应传输系统。具有不同电压电平的传输线系统位于社会的每个角落。近年来，许多省份经常发生高压线附近的起重机造成的短路事故[1]。因为没有特殊的防碰撞报警装置，在高压输电线下，起重机容易发生触电的情况。目前，起重机和高压线之间的安全距离基本通过目测。这种测量距离的方法通常导致更多的误差，这是在现场工作中潜在的巨大危险[2]。这种危险对人们的生活和社会活动产生了巨大的影响。因此，设计起重机防撞报警系统是非常重要的。

2. 研究现状

为了实现起重机防撞报警的功能，关键问题是测量起重机和高压线之间的安全距离。目前，在中国有两种类型的装置来防止起重机接触高压线[3]。一种是通过红外检测，获得起重机的位置和状态。另一种是电感应，通过感应高压线周围的电场来确定风险[4]。

以下是对红外检测手段的介绍。首先，通过亮度计算将捕获的彩色图像转换为灰度图像，并提取边缘轮廓的图像以获得给定区域的形状。然后自动调整给定区域分段图像的线长度和统计数量。也有可能，变换实现了图像像素线轮廓形状在已知区域的提取和检测。最后，根据电源线的并联特性，电源线可以通过使用直线和方向模板的拟合在图像中自动识别。具有红外检测和图像处理的高压线检测系统的优点是其可以在良好的天气条件下清楚地识别电力线。缺点是它不能在恶劣的天气条件下有效地使用。此外，无法确定目标系统的距离，系统的复杂性和高成本也限制了本技术在电缆起重机检测中的应用[5]。

电感应测试通过感应天线检测高压设备周围的电场信号强度，滤波和处理电信号，然后通过计算和测量获得高压线的电压和距离。高电压线路装置近电感应检测的优点是低成本，因为感应天线便宜，甚至可以用在起重机绳索上。此外，电场存在于电力线附近，因此该方法可实现全方向检测，只要靠近高压线，传感器就能有效地检测。然而，这种设计也具有不准确的缺点。因为电力线附近的电场受环境影响，高压线本身也具有电压不稳定的情况。因此，要想稳定地测量高压线路的距离有一定困难。此外，近电感应检测的报警距离短，难以满足大型起重机安全施工的要求[6]。

3. 电场测量

电场以物质的形式存在于电线周围。工频电场是电荷以50Hz周期变化的电场。电场强度是空间中的向量，单位是V / m。通常，电场使用kV / m作为交流高压架空电力输电线和变电站的单位。在导电物体的影响下，电场可以在大小，方向或两者均改变，形成失真电场[7]。通常，物体表面上的电场将由于物体的存在而产生大的变形。

工频电场的测量原理就是本文中静电感应的原理。当传感器放置在电场环境中时，可以检测电场信号。电场信号可以被转换为电压信号，因为它与电压信号成比例。最后，可以通过以下处理电路获得电场强度[8]。工频电场传感器的结构主要包括两种，即球形电场传感器和平行板电场传感器。

3.1 球形电场传感器

球形电场传感器由分为两部分的中空金属球壳组成。中空金属球壳的上半球和下半球是电场传感器的两个电极。两个电极通过绝缘材料胶合在一起。测量电容器与中空金属球壳的上半球和下半球相连。 当球形电场传感器置于电场中时，两个半球形电极将感应电荷。因此，在测量电容器的两端将产生感应电压。电压可以用作测量信号[9]。球形电场传感器如图一所示。

图一 球形电场传感器

通常，电场传感器用于高压环境。电场传感器的工作环境可以高达几千到几万伏。因此，上半球和下半球之间的小电压可以忽略。也就是说，两个半球可以假定为等电位体[10]。这种情况相当于放置在电场中的金属球形。

可以假定传感器的中心是点O。在电场传感器置于电场中之前，中心点的电场强度是E₀(t)。它不是一个扭曲的电场。在将球形电场传感器置于电场中之后，两个半球形电极将感应电荷。如果上半球壳的面积为S，在球壳的表面上装料的表面密度为sigma;_s。上半球壳的总表面电荷为Q（t）：

Q(t)=int;sigma;_s（t）d_s （1）

在球形电场传感器置于电场中之后，球壳上的表面电荷与位于球心电场传感器中心的电场中的非畸变电场E₀(t)成比例。

Q(t)=k E₀(t) （2）

其中，k为可变系数。 感应电荷Q(t)将在测量电容C_M的基础上产生测量电压U_M(t)。

U_M(t)= （3）

公式2可以代入公式3，即：
U_M(t)= （4）

公式4反映了电场传感器的变化E₀(t)可以通过计算测量电容上的电压来获得。 这是测量球形电场传感器的电场的基本原理。

3.2 平行板电场传感器

目前，大多数平行板电场传感器由两个具有相同材料和尺寸的薄铜构成。薄铜平行板电场传感器是通过在空气的作用下将两片铜胶合固定在绝缘材料上而设计的。采用这种方式，两片铜之间可能存在大的差异并且容易变形，这将导致在工频电场的测量中较大的误差。通过使用PCB板，电场传感器可以克服上述缺点。 因此本文采用PCB板作为电场传感器。PCB板中间的绝缘材料是环氧树脂FR4。 其介电常数为空气的4.2-4.7倍，可以是4.5倍。如果板电容为Crsquo;,则平行板电容器的电容为：

Crsquo;= (5)

在这种类型中，环氧树脂的介电常数为ε; 金属平行板的面积为S; 系数为k; 平行板之间的距离为d。圆形平行板的半径为r = 40mm。因此平行铜板的面积为S：

S=pi;r²=3.14times;0.02²=0.001256m² (6)

工程上通常：

ε=ε₀ε_r (7)

真空介电常数ε₀在国际单位中，其值为8.854187817times;10-12 F / m。ε_r是平行板介电常数，在这种类型中为4.5。本文中平行板电场传感器的电容为：

Crsquo;==

=4.5times;8.85times;10^-12times;3.17times;

=25.0101times;10^-12F

=25.0101pF (8)

在实际测量中，除了平行板之间的固有电容Crsquo;之外，电容C_m需要在两个极板之间平行。可以通过在测量电容C_m之后测量电容器两端的电压来测量电场强度。传感器的等效电路如图二所示：

图二 传感器的等效电路图

球形电场传感器的设计复杂且难以处理。因此在本文中选择平行板电场传感器作为工频电场传感器。

4. 系统设计

基于电场测量的起重机防碰撞报警系统分为硬件设计和软件设计两部分。该系统是通过总结现有电场测量技术的特点和结合实际需要而设计的。该系统由报警装置和大量电场采集装置组成。电场采集装置的功能是监测高压输电线周围的工频电场，并通过无线通信将电场值实时传输给报警装置。报警装置的功能是实时接收电场值，通过判断和比较给出声光报警信息。在硬件设计中，电场采集装置主要包括电场信号处理模块，信号采集模块，无线传输模块和报警模块。报警装置主要包括信号处理模块，声光报警模块，无线通信模块。在软件设计中，电场采集装置主要实现电场的采集和数据无线传输，报警装置主要实现数据接收，数据判断和声光报警。

4.1 硬件设计

本文所述的起重机防撞报警系统是基于金属制品表面在电场中感应电荷的原理设计的。金属表面的电荷可以转换为电压信号。选好50Hz频率滤波电路和信号放大电路后，信号由STM32芯片采样。测量的结果被转换成距离信息。报警信息由无线通信模块NRF905发送到报警装置。报警装置可通过声光报警提醒操作者有高压线。整个系统可分为信号处理模块，信号采集模块，无线传输模块和报警模块。系统图如图三所示。

图三 系统图

在硬件设计中，信号采集模块直接采用CPU（STM32）的ADC通道。无线通信模块使用挪威Nordic单芯片RF发射器芯片NRF905。 报警模块直接使用CPU的GPIO端口控制蜂鸣器和LED。信号处理模块的功能是可以将电场信号精确地转换为由CPU测量的电压信号。因此信号处理模块是整个系统中最重要的部分。

为了获得准确和有效的电场信号，应该处理传感器的信号。 原因是传感器信号本身非常弱，电场传感器的环境复杂，信号容易干扰。信号处理模块的示意图如图四所示。

图四 信号处理模块图

信号处理模块包括4个部分。它们是低通滤波器，差分放大器，比例放大器和升压装置。低通滤波电路的功能是收集工频信号。差分放大电路可以去除干扰信号。比例放大电路用来放大倍率。升压电路的功能是将负电压变为0至3.3V。其中，差分放大电路是最重要的部分。

因为两个输入信号都受到相同传感器的干扰。因此，信号处理电路的前置放大器可以使用差分放大电路。差分放大器的功能是放大两个输入信号之间的差异。当输入相同幅度和相位的共模干扰信号时，放大器的差为零，此时输入信号无效。而有用信号可以通过差分放大电路放大。因此，可以通过差分放大器电路抑制无效共模干扰信号，也可以尽可能地产生测量结果的干扰误差。差分放大电路如图五所示。

图五 差分放大电路

在此使用差分放大器芯片AD620系统。AD620是基于经典三运放方法修改的单片仪表放大器。绝对值微调允许用户只用一个电阻准确地编程增益（G = 100时为0.15％）。单片结构和激光晶片修整允许电路元件的紧密匹配和跟踪，从而确保该电路固有的高水平的性能[11]。在图五中，差分放大器电路的增益为：

G= 1 (9)

差分放大器芯片AD620的特性是高精度（最大非线性为40 ppm），低失调电压（最大电压为50uV），低失调漂移（最大值为0.6uV /°C）和高输入阻抗(10GOmega;）。

4.2 软件设计

软件设计包括系统中电场采集装置和报警装置的设计。首先，电场采集装置通过CPU内部的ADC通道将模拟信号转换为数字信号。然后通过无线模块NRF905将电场信号发送到报警装置。传送的电场信号是工频电场信号的实时值，即AC实时值。因此必须转换为有效值。最后，报警设备的CPU给予不同的声光报警。为了警告操作者高压电线的危险，此系统应运而生。

该系统基于ARM Cortex-M3系列CPU芯片STM32F103C8内核，由三个12位ADC组成。每个ADC通道采集模拟信号的精度为0.8mV。12位ADC是逐次逼近型模数转换器。它具有多达18个多路复用通道，允许它测量来自16个外部和两个内部源的信号。可以在单个，连续，扫描或不连续模式中执行各种通道的A / D转换。ADC的结果存储在左对齐或右对齐的16位数据寄存器中。

采集设备与显示设备之间的无线通信通过NRF905无线传输模块实现。NRF905是用于433/868/915 MHz ISM频段的单芯片无线电收发器。收发器由完全集成的频率合成器，具有解调器的接收器链，功率放大器，晶体振荡器和调制器组成。ShockBurst^TM功能自动处理前导码和CRC。通过使用SPI接口可以轻松地对配置进行编程。电流消耗非常低，在-10dBm的输出功率下仅传输9mA，在接收模式中为12.5mA。内置省电模式使省电变得容易实现。为了实现报警装置可以接收系统中每个设备的所有电场强度信号，所有无线传输模块NRF905必须设置相同的波特率，IP地址和其他参数[12]。

关于RMS值的计算，有很多方法。常用的方法包括硬件转换和软件转换。硬件转换方法的核心器件是RMS / DC芯片。

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