一种工频电场与工频磁场检测装置研究

牛红涛， 隋良红， 郭乃理， 李 龙， 邓鑫林

(1. 中国测试技术研究院，四川 成都 610021; 2. 中测测试科技有限公司，四川 成都 610021;3. 四川大学制造科学与工程学院，四川 成都 610065)

0 引 言

随着人民生活水平的不断提高，环境电磁干扰对健康的影响备受关注。高压线缆和变电站与人民生活密切相关，这些电力系统周围环境中的工频电场干扰和磁场干扰逐渐成为新的环境污染物，可能导致不良的生物学效应。此外，电力系统的电磁干扰还可能对工业设备的正常运行产生影响。因此，研究工频电场和磁场的测量技术对于电磁兼容问题以及长期生活在高压电场和磁场环境下人们的身体健康具有重要意义[1-7]。目前市场上虽然已经有成熟的电磁场检测设备，但大多是国外研制且造价高昂。国外电磁场检测精度较高的仪器研发公司主要有德国的Narda公司和意大利PMM公司等。国内已有学者研究了一维球形传感器测量工频电场的技术原理[8]，也有学者将磁阻传感器应用于车辆检测传感器设计和磁场监测[9-10]。

对于工频电场与工频磁场检测，研制一款成本低，可以满足普通用户需求的检测装置有重要意义。本文设计了一种基于STM32 ARM 控制处理器的工频电场与工频磁场测量装置，系统介绍了工频电场与磁场信号的测量原理、装置的硬/软件设计原理以及数据处理算法[11]。

1 硬件设计

图1为该装置的系统硬件原理图。该装置利用一个金属球形电容传感器和一个磁阻传感器（HMC1052）分别感应工频电场与工频磁场信号，信号调理放大电路将采集到的弱信号进行放大并传送至 AD7606 多通道同步数据采集模块，STM32F407控制处理器采用FSMC接口技术与AD7606多通道同步数据采集模块连接实现数据转换和接收，采集的数据经控制器处理计算后送至液晶显示模块显示，按键控制模块用来接收用户输入信息。该装置能同时采集工频电场与磁场信号，处理速度快，并具有声光报警功能。

图1 系统硬件原理图

1.1 工频电场测量传感器

本文设计了一种金属球形电容传感器探头来进行高压工频电场强度测量[8]。该电场探头包括上、下两个金属半球壳，两个金属球壳中间内置一个10 nF的电容器，电容两端分别与上、下金属球壳相连接，两个金属球壳之间通过绝缘物质固定。假设在探头外部施加一个工频高压均匀电场E(t)，在球壳表面会感应出极性相反的感应电荷，以上半球壳为例，对球壳上电荷密度σ(t)沿上半球面积分，可得到上半球面的感应电荷极限值Q(t)，即：

其中，R、θ和φ为球壳外表面上电荷密度为σ(t)处的点的坐标，ε0为真空介电常数。

由于上下球壳间的电容C两端的电压为U(t)=Q(t)/C，可得

可以看出，被测场强大小与电容输出电压之间存在线性关系。

1.2 工频磁场测量传感器

系统采用一种高性能磁阻传感器HMC1052，该传感器具有两个正交的磁场感应轴，具有超小尺寸和低功耗的优点，能够测量±6 Gs（1 T=104Gs）范围的磁场大小[9-10]。磁场传感器利用4个磁阻薄膜合金组成惠斯通电桥，其原理见图2。其中，U1，U2和Uo分别为磁阻传感器电桥的两个输出电压和经运算放大器AD620放大后的差分电压。当传感器敏感轴与外加磁场的作用方向一致时，传感器内惠斯通电桥的4个桥臂的电阻发生变化，其对应的输出电压为

图2 工频磁场探头原理图

在理想情况下，R1=R2=R3=R4=R,ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔR，由式（3）可得：

其中，U为电桥供电电压VCC，G为运算放大器的放大倍数。由式（4）可知，输出电压信号Uo与受外部磁场引起的电阻变化量∆R呈线性关系。

为使磁阻传感器HMC1052保持高灵敏度，在进行工频磁场测量前还需要对其进行置位、复位操作。图3为系统采用的置位/复位电路原理图。利用STM32控制芯片在磁场测量开始前产生置位/复位脉冲，通过该电路可产生足够大的置位复位电流。

1.3 差分运算放大器模块

由于工频电场传感器与磁场传感器输出的电信号比较微弱，需要经过调理放大电路处理后才能有效被后端AD7606同步采集模块捕获。图4为放大倍数可调的差分运算放大电路AD620模块原理图，该模块的输入端U1和U2为来自传感器的经调理后的差分电压信号，输出端Vo为放大后的工频电压信号。根据AD620芯片手册，放大倍数的计算公式如下：

其中，RG=R9//R10。

图3 置位/复位电路

图4 差分运算放大模块原理图

系统采用的AD620差分放大模块采用双电源供电方式，利用LM317模块和ICL7660模块分别提供5 V和–5 V直流电压。由于工频磁场传感器能够同时测量X、Y两个正交方向的磁场强度，为了实现同时测量工频电场，系统采用3个AD620差分运算放大模块。

1.4 多通道同步数据采集模块

由于需要同时采集两个正交方向上的磁场信号和一个电场信号，系统采用一个AD7606多通道同步数据采集模块[12-14]。系统采用±5 V的真双极性模拟输入范围对电磁场信号进行采集。由于STM32F407的FSMC接口支持8080并行数据模式，因此AD7606模块与控制处理芯片STM32F407的接口采用并行接口方式，方便数据传输，如图5所示。其中，CONVST_A、CONVST_B引脚通过接收STM32F407控制器产生的PWM脉冲来设置采样频率，将BUSY引脚连接到STM32控制器的PB8引脚，通过外部中断的中断下降沿触发模式来读取8个通道的采样数据并保存到STM32控制器的SRAM中。

图5 AD7606模数转换模块原理图

2 软件设计

系统采用的运算控制器是具有ARM Cortex-M4构架的STM32F407芯片，该芯片具有6个通信串口便于与外设通信，其最高主频可达168 MHz。软件开始运行时，首先需要对系统时钟、延时参数、通信串口、按键、指示灯、蜂鸣器等系统参数进行初始化，然后配置磁场和电场测量需要的参数，接着对AD7606同步数据采集模块进行初始化，配置采样速率和输入量程。在电场与磁场测量开始前，需要对磁阻传感器进行置位/复位操作，使其保持较高的灵敏度，通过软件配置STM32F407控制处理器产生PWM脉冲信号，送入置位/复位电路中以有效地置位/复位传感轴。系统启动AD7606模数转换芯片，对磁场传感器输出的两个磁轴电压信号和电场传感器输出的电压信号进行3通道数据同步采集，并将采集到的数据保存在STM32F407芯片内部的SRAM中，每个通道采集512个数据，采样频率设置为2 kHz。通过对数据进行分析处理，分别计算出工频电场和工频磁场的平均值和峰峰值，本文运用高阶多项式拟合算法分别计算出电场强度和磁场强度值，并送至串口显示屏进行显示。如果用户按下重新测量键则可进行重新测量，否则测量结束。系统还可根据用户需要将测得的数据通过串口上传至上位机进行处理和分析。

3 误差抑制算法

传统的数据拟合算法阶次较低，不能很好地拟合传感器输出的数据，容易造成一定的测量误差。由于某些传感器存在非线性特性，若按线性拟合的算法进行数据处理，将会引入非线性误差。为了减小传感器非线性误差的影响，本文提出采用高阶多项式拟合的算法对电磁场测量数据进行拟合处理。为了使结果准确，要求拟合后的残差平方和最小，即最小，其中是被测量的标准值是被测量的估计值。本文采用高阶多项式拟合，令：

通过传感器输出电压pt和对应的标准被测量值yt，应用最小二乘法原理可以求得拟合参数a0，a1，a2，···，ak[15]。在实际应用中，多项式的幂次达到5次以上对拟合结果的误差改善没有太大意义，因此本文根据传感器特性对电场传感器和磁场传感器拟合时分别取k=5和k=4。

4 实验结果与分析

采用5阶多项式拟合算法对工频高压电场数据进行拟合处理，采用4阶多项式拟合算法对工频磁场数据进行拟合处理。将高阶多项式拟合算法与传统的最小二乘线性拟合算法进行比较，图6为这两种算法在电场强度数据拟合中产生的误差，其中最小二乘线性拟合算法产生的电场强度的均方根误差为0.054 2 kV/m，而5阶多项式拟合算法产生的电场强度的均方根误差为0.047 5 kV/m。图7为磁场传感器其中一个敏感轴方向上的磁场强度数据拟合中两种算法产生的误差比较，其中最小二乘线性拟合算法产生的磁场强度的均方根误差为0.112 Gs，而4阶多项式拟合算法产生的磁场强度的均方根误差为0.002 Gs。由图6～图7可以看出，采用高阶非线性拟合算法能够有效降低磁场强度数据拟合误差，这是因为设计的电场传感器受到的非线性误差影响较小，而磁场传感器受到的非线性误差影响较大。本文提出的高阶多项式拟合算法能够有效抑制磁场传感器的非线性误差，同时能够减小电场传感器的测量误差。

图6 电场强度拟合误差比较

图7 磁场强度拟合误差比较

5 结束语

本文设计了一种工频电磁场强度测量装置，该装置运用高精度同步数据采集模块实现了对工频电场强度和工频磁场强度的同时测量。系统应用了高阶多项式数据拟合算法降低了测量误差，为高压线路、变电站附近的工频电场与工频磁场检测问题提供了有效的解决方案。实验结果表明，本文设计的装置测量稳定，便携性好，对电磁环境影响监测有一定的意义。