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(cè)原理來(lái)監(jiān)測(cè)電纜芯線對(duì)地電場(chǎng)狀態(tài)，從而間接檢測(cè)礦井電纜的饋電狀態(tài)，與負(fù)載是否工作、電纜有無(wú)電流無(wú)關(guān)。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高、靈敏度高、易于維護(hù)以及更換方便等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：饋電狀態(tài)；傳感器；監(jiān)控系統(tǒng)；場(chǎng)效應(yīng)管

引言
目前市場(chǎng)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(jìn)行防爆、防塵、防潮外，均沒(méi)有進(jìn)一步針對(duì)煤礦井下特殊條件進(jìn)行考慮，所以在用于煤炭安全生產(chǎn)的設(shè)備中存在著難維護(hù)、靈敏度低、可靠性差、系統(tǒng)復(fù)雜、造價(jià)高等問(wèn)題，從而嚴(yán)重制約了饋電狀態(tài)傳感器的推廣應(yīng)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(duì)斷電及饋電狀態(tài)檢測(cè)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(shè)計(jì)的直接接觸式電壓檢測(cè)方案，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是與被檢測(cè)電壓直接接觸。對(duì)于井下的電纜來(lái)說(shuō)，若是采用直接接觸式方法來(lái)檢測(cè)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(lái)隱患，所以這種檢測(cè)電壓的方法不適合對(duì)井下饋電狀態(tài)的檢測(cè)。
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(qiáng)、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(diǎn)，但是成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不便維護(hù)，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)和霍耳電壓傳感器是通過(guò)檢測(cè)磁場(chǎng)的有無(wú)狀態(tài)來(lái)檢測(cè)電流(或電壓)的有無(wú)，當(dāng)沒(méi)有電流存在時(shí)，也就沒(méi)有磁場(chǎng)。對(duì)于井下電纜饋電狀態(tài)的檢測(cè)來(lái)說(shuō)，不但要檢測(cè)有電流時(shí)的饋電狀態(tài)，同時(shí)也要檢測(cè)無(wú)電流時(shí)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(cè)。
綜合以上分析，本文提出了一種非接觸式電壓檢測(cè)方法，即通過(guò)電容檢測(cè)原理來(lái)檢測(cè)電纜對(duì)地電場(chǎng)是否存在，從而間接檢測(cè)電纜的饋電狀態(tài)。

傳感器硬件電路的設(shè)計(jì)
敏感元件電路原理
根據(jù)傳感器電路設(shè)計(jì)的要求，對(duì)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(yīng)。因此，只有選用場(chǎng)效應(yīng)管作為輸入級(jí)才能滿足設(shè)計(jì)要求。本文選用FET場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)檢測(cè)電場(chǎng)狀態(tài)，其等效原理圖如圖1所示。
利用FET檢測(cè)電場(chǎng)狀態(tài)不是直接測(cè)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(chǎng)在探頭上感應(yīng)出電荷，最終對(duì)FET的柵極產(chǎn)生影響。
在圖1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(cè)量探頭相當(dāng)于電容。當(dāng)導(dǎo)電性基片中有電壓時(shí)，在絕緣體的上下表面就會(huì)感應(yīng)出正負(fù)電荷，當(dāng)測(cè)量探頭接近絕緣體上表面(帶有正電荷)時(shí)，就會(huì)在測(cè)量探頭的兩極分別感應(yīng)出正負(fù)電荷，所以會(huì)在測(cè)量探頭兩極間產(chǎn)生電壓Ux。當(dāng)電壓Ux大于柵源之間的閾值電壓VT時(shí)，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(cè)量探頭兩極間產(chǎn)生的電壓Ux為交流弱電壓信號(hào)，所以應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行初級(jí)放大。由此設(shè)計(jì)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(chǎng)效應(yīng)管的RGS大于107W，本設(shè)計(jì)中所選用的是K30A Y-2F結(jié)型N溝道場(chǎng)效應(yīng)管，其最大值RGS=3