新型饋電狀態(tài)傳感器的研究

摘    要：本文介紹的新型饋電狀態(tài)傳感器，以電容檢測原理來監(jiān)測電纜芯線對地電場狀態(tài)，從而間接檢測礦井電纜的饋電狀態(tài)，與負載是否工作、電纜有無電流無關。具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高、靈敏度高、易于維護以及更換方便等優(yōu)點。
關鍵詞：饋電狀態(tài)；傳感器；監(jiān)控系統(tǒng)；場效應管

引言
目前市場上的饋電狀態(tài)傳感器大多基于光纖、電壓互感器或采用霍耳器件，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考慮，所以在用于煤炭安全生產(chǎn)的設備中存在著難維護、靈敏度低、可靠性差、系統(tǒng)復雜、造價高等問題，從而嚴重制約了饋電狀態(tài)傳感器的推廣應用。

饋電狀態(tài)傳感器方案的選擇
根據(jù)礦井監(jiān)控系統(tǒng)的要求，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，一種是間接非接觸式。
根據(jù)電壓互感器原理和電流互感器原理設計的直接接觸式電壓檢測方案，其優(yōu)點是設備結(jié)構(gòu)簡單，缺點是與被檢測電壓直接接觸。對于井下的電纜來說，若是采用直接接觸式方法來檢測電纜的饋電狀態(tài)，就必須去除電纜的絕緣外皮，這必然給井下的安全生產(chǎn)帶來隱患，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，但是成本高、結(jié)構(gòu)復雜、不便維護，因此制約了這種傳感器在礦井監(jiān)控系統(tǒng)中的應用；電磁感應和霍耳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，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)。因此這種傳感器也不適合用作井下電纜饋電狀態(tài)的檢測。
綜合以上分析，本文提出了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對地電場是否存在，從而間接檢測電纜的饋電狀態(tài)。

傳感器硬件電路的設計
敏感元件電路原理
根據(jù)傳感器電路設計的要求，對于高輸出阻抗的傳感器，傳感器電路的輸入阻抗必須與輸出阻抗相適應。因此，只有選用場效應管作為輸入級才能滿足設計要求。本文選用FET場效應管來檢測電場狀態(tài)，其等效原理圖如圖1所示。
利用FET檢測電場狀態(tài)不是直接測量表面的電位或電荷，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出電荷，最終對FET的柵極產(chǎn)生影響。
在圖1中，導電性基片相當于電纜的導體；絕緣體相當于電纜外表皮的絕緣物質(zhì)；測量探頭相當于電容。當導電性基片中有電壓時，在絕緣體的上下表面就會感應出正負電荷，當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出正負電荷，所以會在測量探頭兩極間產(chǎn)生電壓Ux。當電壓Ux大于柵源之間的閾值電壓VT時，外加較小的VDS，漏極電流iD將隨著VDS上升迅速增大。此外，由于測量探頭兩極間產(chǎn)生的電壓Ux為交流弱電壓信號，所以應當對其進行初級放大。由此設計的饋電狀態(tài)傳感器電路的敏感元件電路如圖2所示。
一般場效應管的RGS大于107W，本設計中所選用的是K30A Y-2F結(jié)型N溝道場效應管，其最大值RGS=3