引言
目前國內(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、歐洲等國家研制并應(yīng)用了煤礦光纖電壓傳感器；在國內(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；三恒自動化儀表有限公司開發(fā)的KGT9型礦用機電設(shè)備饋電狀態(tài)傳感器；長春東煤高技術(shù)開發(fā)公司開發(fā)的KJ19-31型機電設(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)傳感器除進行防爆、防塵、防潮外，均沒有進一步針對煤礦井下特殊條件進行研究，存在著難以維護、靈敏度低、可靠性差、系統(tǒng)復(fù)雜、造價高等問題，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)的檢測儀器很好的配合運行、使用維護不當(dāng)?shù)葐栴}，以及針對煤礦井下的特殊情況，研究可靠性高、便于維護、經(jīng)濟型饋電狀態(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)對斷電及饋電狀態(tài)檢測的要求，可以將對斷電及饋電狀態(tài)檢測的方式分為兩種，一種是直接接觸式檢測饋電狀態(tài)，一種是間接非接觸式檢測饋電狀態(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，如用電壓互感器、電流互感器檢測有無信號輸出等。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、測溫原理、測磁原理、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方法，其優(yōu)點是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，缺點是與被檢測電壓直接接觸。然而對于井下所用的電纜來說，若是采用這種直接接觸式方法來檢測電纜的饋電狀態(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)帶來隱患，違反《煤礦安全規(guī)程》，所以這種檢測電壓的方法不適合對井下饋電狀態(tài)的檢測。
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、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，但是這種傳感器成本很高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不便維護等缺點，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檢測磁場的有無狀態(tài)來檢測電流（或電壓）的有無，當(dāng)沒有電流存在時，也就沒有磁場。對于井下電纜饋電狀態(tài)的檢測來說，我們不但要檢測有電流時的饋電狀態(tài)，同時也要檢測無電流時的饋電狀態(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。
綜合以上分析，筆者提出一種非接觸式電壓檢測方法，即通過電容檢測原理來檢測電纜芯線對地電場的存在與否來間接檢測電纜的饋電狀態(tài)。
2、電容原理測量電壓法
我們先分析一下井下電纜周圍電場的分布情況。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 電容原理電壓測量法
由圖1可知，無論三相電纜中有無電流，只要三相電纜之間存在電壓，就會在三相電纜的絕緣外皮上產(chǎn)生電荷，也就必然會在電纜周圍產(chǎn)生電場，電場的大小取決于三相交流電對地之間的電壓大小。由于是對稱的三相交流電，理想情況下，應(yīng)該在距離三相電纜很遠的周圍產(chǎn)生0電場。而在距離三相電纜很近的位置上將會產(chǎn)生由三相交流電所引起電場的合電場，并且這種合電場是一種交變電場，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地的電場中，放入定值的電容（如圖1所示的電容C1），就會在電容C1兩端產(chǎn)生電壓Ux。當(dāng)三相電纜之間存在交流電壓時，電容C1兩端也會產(chǎn)生交流電壓；當(dāng)三相電纜之間不存在交流電壓時，電容C1兩端也就不會產(chǎn)生交流電壓，即Ux為零。通過這種檢測電容C1兩端電壓Ux的存在與否，就可以間接地檢測井下電纜的饋電狀態(tài)，這是一種簡單方便的選擇方案。
3、傳感器硬件電路的設(shè)計
3.1 敏感元件電路原理
根據(jù)傳感器電路設(shè)計的要求，對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，只有選用場效應(yīng)管作為輸入級才能滿足設(shè)計要求。因此本文選用FET場效應(yīng)管來檢測電場狀態(tài)，其等效原理如圖2所示。
圖2 利用FET檢測電場狀態(tài)原理圖
利用FET檢測電場狀態(tài)原理不是直接測量表面電位或電荷，而是利用分布在表面上的電荷所產(chǎn)生的電場在探頭上感應(yīng)出電荷，最終對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)；測量探頭相當(dāng)于電容。當(dāng)導(dǎo)電性基片中有電壓時，在絕緣體的上下表面就會感應(yīng)出正負(fù)電荷，當(dāng)測量探頭接近絕緣體上表面（帶有正電荷）時，就會在測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。也就是說在測量探頭兩極間產(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，外加較小的VDS，漏極電流iD將隨著VDS上升迅速增大。同時考慮測量探頭兩極間產(chǎn)生的電壓Ux為交流微弱電壓信號，應(yīng)當(dāng)對其進行初級放大。由此設(shè)計的饋電狀態(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
一般場效應(yīng)管的RGS一般大于107Ω，本設(shè)計中所選用的是K30A Y-2F結(jié)型N溝道場效應(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
由于我們所要檢測的是井下電纜的饋電狀態(tài)，也就是檢測井下電纜所產(chǎn)生的交變電場的有無狀態(tài)。本次設(shè)計所采用電容原理來檢測電場狀態(tài)，在敏感元件的輸出端產(chǎn)生交流微弱電壓信號，根據(jù)傳感器電路的設(shè)計要求，傳感器電路輸出的信號應(yīng)當(dāng)是開關(guān)量電壓信號。因此，我們應(yīng)對敏感元件的輸出信號進行檢波、放大和信號轉(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)傳感器的工作過程如下：L7805是一個直流穩(wěn)壓芯片，它提供傳感器電路的工作電源；二個發(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)把傳感器放入被測量帶電電纜附近，檢測電容C兩端感應(yīng)出微弱的交流電壓信號；此信號經(jīng)過結(jié)型場效應(yīng)管K30A進行初級放大，由場效應(yīng)管的漏極輸出大約是檢測電容兩端電壓5倍的交流電壓信號；接著通過檢波電路，把交流電壓信號轉(zhuǎn)變成單極性信號；這種單極性信號仍很微弱，還要經(jīng)過測量運算放大器（或儀用運算放大器）二級放大，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻RW，可以得到很大范圍的電壓增益；最后直流電壓信號經(jīng)過由二個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。
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)在檢測電容兩端施加大于0.1V的交流電壓信號時，就能在三極管集電極輸出大于3.6V的高電平電壓信號；當(dāng)檢測電容兩端施加小于0.1V的交流電壓信號時，三極管集電極輸出小于0.3V的低電平電壓信號。同樣，在實際電路實驗中，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻RW的阻值，會得到比在EWB軟件上仿真更高的靈敏度。因此，證明所設(shè)計的饋電狀態(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)計與選型手冊》的設(shè)計標(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)計與選型手冊》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：①可靠性高；②設(shè)備簡單、成本低，所需附加設(shè)備少；③設(shè)備靈敏度高；④信號傳輸距離遠；⑤設(shè)備易于維護，更換方便。其突出的特點是這種傳感器是一種非接觸式檢測電纜芯線對地電場的狀態(tài)，這使得這種饋電狀態(tài)傳感器在礦井監(jiān)控系統(tǒng)中無疑具有很好的應(yīng)用前景。(end)
