图1 现有馈电状态传感器检测电路
黄春1,2
(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400039；
2.重庆市矿山物联网关键技术工程技术研究中心， 重庆 400039)
摘要：针对现有馈电状态传感器需要进行接地处理且易受干扰的问题，提出非接地式矿用馈电状态传感器设计方案。该传感器将信号探头包裹在负荷侧线缆上，并采用屏蔽层对极板进行防干扰处理，保证了极板和信号处理电路采用相同的参考地，能够在不接地的情况下准确检测出馈电状态。
关键词：馈电状态传感器； 接地处理； 防干扰处理
根据《煤矿安全规程》规定，在煤矿井下各种控制设备开关的负荷侧应设置馈电状态传感器，用于检测负荷侧是否断电成功，保证安全生产[1]。基于参考文献[2]中提出的馈电检测原理设计的馈电状态传感器需要进行接地处理，才能够正确检测出馈电状态，且易受周边环境干扰而出现误判现象。针对该问题，本文提出非接地式矿用馈电状态传感器设计方案，结合接触式电场感应检测方式[2-5]，将信号探头包裹在负荷侧线缆上，对探头内2个极板感应的微弱电场信号差进行放大等处理，并转换为开关量信号，从而间接检测出负荷侧馈电状态。
现有馈电状态传感器检测电路如图1所示，图中A点和B点与处在电场中的2个探头连接，利用通电时馈电电缆周围交替电场的不平衡原理检测设备的馈电状态。2个探头卡在馈电电缆的任意位置。如果馈电电缆没有通电,则其周围的电场为零，A点和B点的电位差几乎为零；如果馈电电缆处于通电状态，则其周围存在交替电场，由于不同位置的电场不平衡，A点和B点处的电容C两端感应出不同的微弱交流电压信号，对2个信号进行差分放大处理可得到馈电状态。
图1 现有馈电状态传感器检测电路
现有检测方法需要接地的原因：A点和B点处的探头感应的电压参考都是大地，将感应的电压接入到处理电路后，需要将处理电路的地与大地连接，这样探头和处理电路都有共同的参考大地，才能够正确地检测出馈电状态。如果处理电路不接大地，则经过运算放大器跟随并且差分后的信号与探头的感应信号参考地不相同，稳定性不能保证且不能真实反映A点和B点的感应电压。
现有检测方法易受干扰的原因：探头在感应检测时置放在电缆的任意位置，现有煤矿开关处电缆交叠复杂，其余电缆泄露的电场会影响探头，使得检测出的结果易受周边干扰。
2.1 总体设计
非接地式矿用馈电状态传感器的总体设计如图2所示。传感器将采集的馈电状态转换为驱动开关量的高低电平，为了满足不同监控系统的开关量接入要求，可以通过调整电阻的大小以输出不同的电流信号。
图2 传感器总体设计
2.2 电场采集探头设计
电场采集探头结构如图3所示，屏蔽层铜网、极板和屏蔽线缆放置于防水包裹布料内层和外层之间，电场采集探头将采集的信号通过屏蔽线缆传递到信号处理装置。
电场采集探头极板结构如图4所示。极板的顶层和底层铺铜并喷锡，只保留一个线缆连接的焊盘，极板的中间层填充PCB制作材料。
图3 电场采集探头结构
图4 电场采集探头极板结构
连接探头和信号处理装置的是两芯的屏蔽线缆，两芯线分别与两极板的正面连接，极板的负面与屏蔽层铜网连接，同时两芯线的屏蔽层也与屏蔽层铜网连接。连接完毕后，利用防水包裹布料外层与内层将铜网屏蔽层、两极板进行封装，封装完成后将其包在负荷侧的线缆上，如图5所示。
图5 探头安装
极板1放置在电场中，一面与电缆连接，另外一面与屏蔽层连接。极板1的正负两端类似于电容，屏蔽线缆将极板1感应的微弱电压信号传递到主机；同理，将极板2感应的微弱电压信号也传递到主机。屏蔽线缆的屏蔽层连接到主机的参考地，使得探头和主机有相同的参考地。在相同参考地的基础上，通过对极板1和极板2在电场中不同位置感应的微弱电压信号差间接得到馈电状态。
2.3 信号处理电路设计
2.3.1 电场采集信号处理电路
电场采集信号处理电路由电阻、电容、嵌位二极管、运算放大器等基本器件构成，如图6所示。A，B分别连接屏蔽电缆的两芯线，G与屏蔽线缆的屏蔽层连接。这种连接方式可以保证A点和B点处极板、信号处理电路都是采用相同的参考地，解决了需要将传感器接入大地才能够准确测试馈电状态的问题。C1和C2为隔直电容，用于消除直流干扰的影响。R1和R4为限流电阻，用于防止因电流太大而损坏器件。电场感应变化时电压也是变化的，因此，采用双电源进行嵌位保护，以防止器件被损坏。为了保证信号极性不被破坏，对运算放大器采用双电源模式供电。
图6 电场采集信号处理电路
电场采集探头极板的正面通过电缆与C1端连接，负面通过电缆与地连接，UA1近似为A点处极板的感应电压，UB1近似为B点处极板的感应电压。UA2为UA1经过运算放大器后的跟随电压，UB2为UB1经过运算放大器后的跟随电压。跟随前和跟随后的电压值近似相等，极性相同。根据运算放大器的虚短和虚断可得
(1)
(2)
(3)
式中：R6=R7；R5=R8。
由式(1)—式(3)可得输出电压VOUT的数学表达式为
(4)
2.3.2 信号转换处理电路设计
微弱信号经过放大处理后仍然是交流信号或者方波信号，如果用该信号驱动后级的1/5 mA电路则会出现错误，因此，对输入的交流信号和方波信号进行转换处理，转换为能够反映馈电状态的高低电平信号。信号转换处理电路如图7所示。
图7 信号转换处理电路
输入信号VIN经过二极管D1后，利用正弦信号或者方波信号的正电平对电容C111进行充电处理，负电平时，由于二极管作用被限制，电容通过电阻R112进行放电处理。当有信号输入时电容C111的电压VC如图8所示。适当调节电阻R110和R111，使得
电阻R110分得的电压小于有信号时电容C111的最低电压，就可以通过比较器U11D将输出的信号转换为高低电平，从而间接反映馈电状态。
图8 有信号输入时的电容电压
详细讨论了现有馈电状态传感器的不足，对探头和电路进行了改进，设计了非接地式矿用馈电状态传感器。该传感器在不接地的情况下，能够准确地测出负荷侧的馈电状态；探头采用屏蔽层对极板进行防干扰处理，具有良好的抗干扰性和稳定性(此方法只能检测非屏蔽线缆的馈电状态)；将采集的馈电状态转换为高低电平控制开关量的输出，满足了监控系统的接入要求，可实时地将馈电状态传至地面。
参考文献：
[1] 煤炭工业部安全司.矿井安全监控原理与应用[M].徐州:中国矿业大学出版社,1996.
[2] 孙小进,陆铮.智能馈电状态传感器的研究[J].工矿自动化,2006,32(4):55-56.
[3] 高永清,孙继平,商丹.新型馈电状态传感器的研究[J].电子设计应用,2004(12):94-95.
[4] 商丹,高永清.电容式矿用馈电状态传感器研究[J].传感技术学报,2005,18(4):717-721.
[5] 高永清.矿用馈电状态传感器研究[D].北京:中国矿业大学(北京),2004.
分析研究
黄春.非接地式矿用馈电状态传感器设计[J].工矿自动化，2016,42(1)：7-9.
HUANG Chun1,2
(1.CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400039，China； 2.Chongqing Engineering
Research Center of Key Technologies of Mine Internet of Things，Chongqing 400039， China)
Abstract:In view of problem that existing feed state sensor need to be grounded and it is susceptible to interference, a design scheme of mine-used ungrounded feed state sensor was proposed. The sensor wraps signal probes on the load side cable, and uses shield for anti-interference processing of electrode plates, it ensures that the plates and the signal processing circuit use the same reference, and can accurately detect the feed status in the case of ungrounded.
Key words:feed state sensor; grounding handling; anti-interference handling
作者简介：黄春(1984-)，男，重庆人，硕士，现主要从事煤矿安全监控技术及仪器仪表、无线通信技术等方面的研究工作，E-mail:zhangxb32012@foxmail.com。
基金项目：2014年国家物联网发展专项资金项目(2014083105)。
收稿日期：2015-07-28；修回日期：2015-10-15；责任编辑：胡娴。
中图分类号：TD605
文献标志码：A 网络出版时间：2015-12-31 15:50
文章编号：1671-251X(2016)01-0007-03 DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.01.003