双判据近电预警装置的制作方法

本发明属于带电作业安全管控，具体涉及双判据近电预警装置。

背景技术：

1、在变电站电力施工的作业环境中，作业的人员或机械装置容易受到各种高压带电设备以及高压输电线路的威胁，因此，为了保护施工人员的人身安全，需要施工作业人员或大型机械装置配备专用的近电告警装置，在存在强电入侵的情况下，对施工人员做出提醒，要注意做好防触电保护。由于变电站间隔内电场分布较为复杂，传统的只有电场强度单判据的近电告警装置已经不能够满足变电站内的近电预警工作，会发生误报警和漏报警的情况，非常不利于电力现场施工作业人员和机械的安全保障，因此研制电场和距离双判据的近电预警装置来弥补此项缺陷已成必要。

2、传统的近电预警装置所用电场传感器大多为天线型，其场强测量范围有限，因此只能适用于一到两个电压等级变电站的近电预警，而使用mems电场传感器，不仅其体积小、功耗低、易于集成，而且场强测量范围也相对较大，再结合mems超声换能器所拥有的大距离测量范围，研制双判据近电预警装置，便可以适用于不同电压等级的近电预警工作。

3、如专利cn 107329001 a.结构复杂，便携性较差，适用范围较窄，对低电压线路的近电预警并不灵敏。专利cn 207114638 u，设计负重较高，不利于人员的便携化作业。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供更加全面、准确，能够有效避免以往只有电场强度单判据的近电预警装置所存在的误报、漏报问题的双判据近电预警装置。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、双判据近电预警装置，包括测量模块，与所述测量模块连接的主控芯片，所述主控芯片上设置的预警档位调控单元，所述主控芯片与近电预警模块相连接，供电模块通过所述主控芯片分别为所述测量模块、所述预警档位调控单元、所述近电预警模块供电，

4、所述测量模块包括模拟信号处理单元、所述模拟信号处理单元分别连接的mems电场传感器、mems超声换能器，所述模拟信号处理单元与所述主控芯片相连接，所述模拟信号处理单元向所述主控芯片发送所述mems电场传感器反馈并得出的表征场强的数值、所述mems超声换能器反馈并得出的电场距离测量值，

5、所述预警档位调控单元上设置用于不同电压等级和人员、机械预警模式切换的控制按键，

6、所述主控芯片内设置不同电压等级和预警模式下所对应一、二级电场的电场强度报警阈值和距离报警阈值，

7、所述主控芯片将所述表征场强的数值和所述电场距离测量值与一、二级电场下电场强度报警阈值、距离报警阈值相比较，判断其报警等级，一级报警为声光报警，二级报警为语音提示；

8、所述近电预警模块上集成有电场距离显示单元、警示单元，所述主控芯片分别连接所述电场距离显示单元、所述警示单元，所述电场距离显示单元接收所述主控芯片转发的所述电场距离测量值并显示，所述警示单元接收来自所述主控芯片的报警信号并作出相应报警。

9、进一步的，所述mems电场传感器为压电驱动型场磨式电场传感器，

10、所述mems电场传感器通过压电驱动结构控制调制模态：

11、两侧压电驱动结构施加电压相位差180°时，电场处于扭转振动调制模态，该模态具有灵敏度高的优点；

12、当施加电压相位相等时，电场处于活塞振动调制模态，该模态具有谐振频率高的优点。

13、所述mems超声换能器的距离测量范围是0.5-7.0m，所述mems超声换能器采用超声波测距的方式完成距离测定。

14、进一步的，所述模拟信号处理单元包括放大电路、模拟解调电路、超声测距芯片，所述放大电路增幅信号的强度，所述模拟解调电路为针对所述mems电场传感器采用的高通－正交相关-带通滤波法解调工频电场，所述超声测距芯片内置超生测距算法。

15、进一步的，所述不同电压等级和预警模式下的所述距离报警阈值是根据国家电网电力安全工作规程设定的，所述不同电压等级和预警模式下的所述电场强度报警阈值是结合仿真与实际测量安全距离处的场强值所设定的。

16、所述电场距离显示单元为led显示屏，所述声光报警单元由扬声器、蜂鸣器和警示灯构成。

17、进一步的，所述报警等级包括所述一级报警阈值、所述二级报警阈值；

18、当检测到所述表征场强的数值和所述电场距离测量值同时满足所述二级报警阈值但不满足所述一级报警阈值(二级电场强度报警阈值≤表征场强的数值＜一级电场强度报警阈值，一级距离报警阈值＜电场距离测量值≤二级距离报警阈值)，此时进行所述二级报警，通过所述声光报警单元中的扬声器语音提示作业人员或机械附近存在带电体需要注意；

19、当检测到所述表征场强的数值和所述电场距离测量值同时满足所述一级报警阈值(表征场强的数值≥一级电场强度报警阈值，电场距离测量值≤一级距离报警阈值)，此时进行所述一级报警，通过所述声光报警单元中的蜂鸣器和警示灯，快速有效的提醒作业人员应马上停止作业远离带电体。

20、mems传感器即微机电系统，是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。

21、截止到2010年，全世界有大约600余家单位从事mems的研制和生产工作，已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品，其中mems传感器占相当大的比例。

22、mems传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。

23、早期的主控器及mems传感器制造成本高，技术并不成熟，误报、漏报现象频繁，对于特种作业而言，极易造成重大安全隐患事故。针对电力行业的零容错要求来说，并不能很好地满足特种行业对于作业安全的要求。

24、随着芯片技术和微集成电器元件技术的快速迭代，在一定程度上满足了对制造成本、监测精度、算力要求、便携性的不同使用需求。

25、参考《基于mems技术的微型电场传感器设计与仿真》、《mems技术及其应用》、《mems设计模拟与仿真系统应用——coventor ware》、《用于mems电场传感器的cmos可控增益前置放大电路》、《mems and nanotechnology》等相关文献资料，实现对mems传感器的技术应用。

26、通过采用mems电场传感器对变电站内带电设备周围进行工频电场测量，经过后端电路和主控制器信号处理，得到电场强度的具体数值，再和设定好的安全距离临界电场阈值相比较，如果大于此值，则装置发出声光报警的信号以提示作业人员注意安全。作业人员带电作业的电压等级可通过控制按键选择，并在显示器中显示出来。

27、mems超声换能器即是谐振于超声频率的压电陶瓷，由材料的压电效应将电信号转换为机械振动。医用超声换能器(超声探头)的工作原理大体是相同的，其内部通常都包含一个电的储能元件和一个机械振动系统。当换能器用作发射器时，从激励电源送来的电振荡信号将引起换能器中电储能元件中电场或磁场的变化，这种变化通过某种效应对换能器的机械振动系统产生一个推动力，使其进入振动状态，从而推动与换能器机械振动系统相接触的介质发生振动，向介质中辐射声波。接收声波的过程正好与此相反，外来声波作用在换能器的振动面上，从而使换能器的机械振动系统发生振动，借助某种物理效应，引起换能器储能元件中的电场或磁场发生相应的变化，从而引起换能器的电输出端产生一个相应于声信号的电压和电流。

28、本发明基于电场和距离双判据对带电作业场所进行预警，双判据更加全面、准确，能够有效避免以往只有电场强度单判据的近电预警装置所存在的误报、漏报问题，同时本发明适用于220kv及以下变电所(变压器)针对于人员和机械的近电预警。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

30、通过双判据近电预警装置的开发，为变电站作业现场作业人员和机械装置提供安全保障，确保作业人员按照操作规范作业，对人员或吊车等大型机械设备靠近高压带电体现象进行提前预警，避免安全事故的发生。

31、双判据近电预警装置由电场距离测量模块、预警档位按键、主控芯片、近电预警模块和供电模块构成，首先可通过预警档位按键选择不同的工作电压等级和预警模式(人员和机械)，对应于主控芯片内所设置的一、二级电场和距离报警阈值，然后开始作业环境周围电场强度和与带电体距离的测量，测量好的电场和距离信号经模拟信号处理单元处理后再经模数转换接口传送到主控芯片，再将电场和距离测量值与一、二级电场距离报警阈值相比较，判断其报警等级，并将报警信号和电场距离信号传送至近电预警模块，使其作出相应等级报警并显示出电场、距离测量值，以提醒作业人员安全作业。

32、本发明所使用mems电场传感器采用先进的压电驱动方式和结构，具有功耗低、灵敏度高和振动模式可控的优点。该便携式近电预警装置适用范围广泛，可通过控制按键选择电压等级，可用于220kv及以下变电站的带电作业近电预警工作。

33、所述mems电场传感器敏感组件的双路微弱电流信号经过i/v转换、差分放大、滤波等低噪声预处理后，提供给后端信号检测电路进行电场信号的提取和传输，mems电场传感器敏感组件无电机等易磨损器件，具有一定的稳定性和可靠性。

34、所述后端信号检测电路采用高通－正交相关-带通滤波法解调工频电场，适用于微弱信号的检测，可避免对参考信号做可变移相，也可以避免移相造成对测量准确性的影响。

35、所述mems电场传感器通过压电驱动结构控制调制模态：两侧压电驱动结构施加电压相位差180°时，电场处于扭转振动调制模态，该模态具有灵敏度高的优点；当施加电压相位相等时，电场处于活塞振动调制模态，该模态具有谐振频率高的优点。

36、mems超声换能器采用超声波测距技术，该技术应用成熟，在现有技术的基础上整合先进的电器元件，最大程度上降低了技术的研发成本，便于普及。

37、通过本发明的上述技术方案得到的双判据近电预警装置，其具有以下有益效果：

38、(1)使用电场、距离双判据，有效避免了传统近电预警器用于变电站近电作业时产生的误报警、漏报警等问题，使得评估近电危险的标准更全面，报警更准确。

39、(2)双判据近电预警装置结合了mems电场传感器和超声换能器的优良性能，场强和距离测量范围广，因此可适用于不同电压等级变电站人员与机械作业的近电预警，并且可实现多级预警。

40、(3)电场传感器、超声换能器基于先进的mems技术，敏感结构特征尺寸微小化，具有功耗低、成本低、易集成、可批量化制造、空间探测分辨率高、电场测量畸变小等特点，并且mems电场传感器其敏感组件无电机等机械磨损器件，有效提升了传感器工作的稳定性和可靠性。

41、(4)与现有的验电器等近电预警装置相比，基于mems电场传感器、超声换能器的便携式近电预警装置测量范围更加广泛，可应用于220kv及以下变电站近电作业安全预警。