手持式鐵路接觸網(wǎng)電壓測量表設(shè)計

1、中南大學(xué)CENTRAL SOUTH UNIVERSITY本科生畢業(yè)論文題 目 手持式鐵路接觸網(wǎng)電壓測量表設(shè)計 學(xué)生姓名 員 瑋 指導(dǎo)教師 危韌勇 學(xué) 院 信息科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)班級 自動化1001 完成時間 2014年6月 中文摘要隨著高鐵的發(fā)展日益迅速，對高鐵基礎(chǔ)設(shè)備的維護工作也越來越重要。對于高鐵的供電系統(tǒng)及輸電線路中各部分電壓的實時監(jiān)測，能夠保證高鐵系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行。同時在對高鐵系統(tǒng)進行維護時，電壓測量在保證施工安全，系統(tǒng)穩(wěn)定等方面具有重要的參考意義。在高鐵供電系統(tǒng)中，接觸網(wǎng)作為一個重要的組成環(huán)節(jié)，準(zhǔn)確可靠的電壓測量能夠為供電系統(tǒng)的控制、保護及維護提供重要的參考信息，伴隨著高鐵建設(shè)的

2、日益增加，維護工作的難度也隨之提升，因此對接觸網(wǎng)電壓的測量要求也隨之提升。因此，針對高鐵接觸網(wǎng)的電壓測量，本文采用由電場標(biāo)定電壓的測量方法研究了電壓的非接觸式測量，進行了測量原理，儀表設(shè)計，數(shù)據(jù)處理等方面的討論以及分析。同時，介紹并成功研制了一套適用于高鐵接觸網(wǎng)電壓測量的儀表，實現(xiàn)了電壓測量的基本功能。通過電壓與電場的關(guān)系，用檢測出的電場場強對電壓進行標(biāo)定。由于當(dāng)前缺少一種有效的測量設(shè)備能夠?qū)Ω哞F接觸網(wǎng)附近的電場進行測量，本文利用平行板電容傳感器和單片機研制了一種電場測量設(shè)備。該電場測量設(shè)備可以進行工頻交變電場的測量，并且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)實時顯示的功能。本套設(shè)備通過平行板電容式電場傳感器產(chǎn)生感應(yīng)電

3、荷，并轉(zhuǎn)換為交變電壓信號輸出，通過去噪、濾波、交直變換、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換將信號送入單片機進行運算并且進行實時顯示。實驗測試結(jié)果證明，該設(shè)備性能穩(wěn)定，能夠快速有效地對交變電場信號進行測量與顯示，可以應(yīng)用于高鐵接觸網(wǎng)產(chǎn)生的電場，具有良好的實用價值。關(guān)鍵詞： 接觸網(wǎng) 電壓表 電場測量IIIABSTRACT With the development of High-speed Railway is going to be more quickly, the equipment maintenance work of High-speed Railway has become increasingly i

4、mportant. Measure the voltage High-speed Railway in transmission line to ensure the safe and stable High-speed Railway system operation is very important. At the same time in the maintenance of the High-speed Railway system, voltage measurement has important reference significance in ensuring the co

5、nstruction safety and quick. In High-speed Railway power supply system, contact network as one of the important link, accurate and reliable voltage measurement can provide important information for the control, power system protection and maintenance, with the number increasing, the maintenance diff

6、iculty lifting, measurement of the contact line voltage is also put forward higher requirements. Therefore, the voltage measurement High-speed Railway catenary, non-contact measurement is studied in this paper. The measurement method of voltage by electric field calibration voltage, the measuring pr

7、inciple, instrument design, data processing, discussion and analysis. At the same time, introduce and successfully developed a set of suitable for High-speed Railway catenary voltage measuring instrument, the realization of the basic functions of voltage measurement. The relationship between voltage

8、 and electric field, the voltage calibration field measurements. Due to the current lack of a measuring device can effectively measure the High-speed Railway electric field near the contact network, parallel plate capacitance sensor and SCM is developed an electric field measurement equipment using

9、this. Measurement of the electric field measurement device can be power frequency alternating electric field, and can realize real-time data display function. This set of equipment to produce the induced charge by parallel plate capacitor electric field sensor, and is converted to alternating voltag

10、e output signal, the denoising, filtering, AC / DC converter, amplifier, analog to digital conversion will signal into SCM operation and real-time display. The results of the experiments show that, the device performance is stable, efficient and fast to measure and display the signal to an alternati

11、ng electric field, electric field applied to the High-speed Railway catenary produces, has good practical value.KEY WORDS: catenary voltmeter electric field measurement 目錄中文摘要I英文摘要II第一章 緒論11.1選題背景11.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀11.3研究目的及意義31.4本文研究與設(shè)計內(nèi)容4第二章 電場表征電壓52.1引言52.2電場表征電壓的基本原理52.3球型傳感器測量接觸網(wǎng)電壓的方法62.4本章小結(jié)6第三章 硬件設(shè)計8

12、3.1設(shè)計思路83.2傳感器單元83.3信號處理單元93.3.1前置放大電路93.3.2交直變換電路103.3.3主放大電路103.3.4模數(shù)轉(zhuǎn)換電路113.4單片機處理單元123.4.1 AT89C51概述123.4.2 AT89C51主要特性123.4.3單片機綜合電路設(shè)計123.5顯示單元133.6電源單元143.7硬件電路圖143.8本章小結(jié)15第四章 軟件設(shè)計164.1開發(fā)環(huán)境164.1.1程序調(diào)試軟件164.1.2系統(tǒng)仿真軟件164.2主程序流程164.3模數(shù)轉(zhuǎn)換流程174.4顯示輸出流程184.5程序194.5.1聲明部分194.5.2延時部分204.5.3顯示部分204.5.4

13、主程序部分204.5.5中斷部分214.6仿真驗證214.7本章小結(jié)21第五章 實驗與校準(zhǔn)225.1引言225.2單相導(dǎo)線實測225.3本章小結(jié)23第六章 總結(jié)與展望246.1畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容總結(jié)246.2后續(xù)工作展望24手持式鐵路接觸網(wǎng)電壓測量表設(shè)計 緒論第一章 緒論1.1選題背景 鐵路的電氣化是中國鐵路總的發(fā)展方向。實現(xiàn)鐵路的電氣化必須依賴接觸網(wǎng)工程、變電工程、信號工程和通信工程，其中以接觸網(wǎng)工程作為鐵路電氣化工程中最主要的部分。由于供電系統(tǒng)所輸出的電能需要通過接觸網(wǎng)電路輸送給電力機車的牽引動力系統(tǒng)以及信號采集和控制系統(tǒng)使用，因此接觸網(wǎng)的工作質(zhì)量和工作狀態(tài)將直接影響到高速鐵路系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定迅

14、速地運行。由于接觸網(wǎng)架設(shè)在野外，沒有遮蓋的防護設(shè)施，沒有備用的線路，也不能隨時進行維護，線路上的負(fù)載又是隨著電力機車的運行而實時變化的，所以要求接觸網(wǎng)無論在任何條件下，供電都要有良好的保障，保證電力機車在線路上安全高速的運行，并盡可能地節(jié)省投資、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、便于管理、維護以及更新。 在此環(huán)境下，安全測量接觸網(wǎng)的電壓在維護接觸網(wǎng)系統(tǒng)時顯得至關(guān)重要。由于接觸網(wǎng)電壓高，周圍的工頻電場會對人體產(chǎn)生危害，所以目前需要提供一種在安全范圍內(nèi)進行非接觸式電壓測量的解決方案。1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀早期人們主要是通過電學(xué)原理來對電場進行測量，主要分為兩種方法，即電位平衡法和電荷法。電位平衡法的測量原理是通過測量傳感器

15、兩端的電極的電位分布來對電場進行測量，精確等級并不高。電荷法的測量原理是通過計算金屬球殼在電場中感應(yīng)出的電荷量來對電場進行測量，比電位平衡法要精確，但是容易受到外界干擾，具有一定的局限性。近年來，利用電學(xué)原理為基礎(chǔ)設(shè)計的感應(yīng)電荷式的電場測量儀表在測量幅值較高、頻率較低的電場，其中以工頻電場為主時，得到了廣泛的應(yīng)用；利用光學(xué)原理為基礎(chǔ)設(shè)計的光電電場測量儀器在測量幅值小、頻率高的電場，其中以實驗室產(chǎn)生的高頻電場為主時，得到了較為廣泛的設(shè)計開發(fā)及應(yīng)用。20世紀(jì)60年代，科研人員提出了使用電荷感應(yīng)原理來設(shè)計電場傳感器的方法，被用于測量工頻電場。自1980年初，國內(nèi)外對測量工頻電場這一領(lǐng)域展開了較為深入

16、的探索和研究。1984年，歷史上第一個基于電荷感應(yīng)設(shè)計出的電場測量系統(tǒng)在德國問世。德國斯圖加特大學(xué)的KFeser1等人研制了一種用于測量二維瞬態(tài)電場的電場測量系統(tǒng)，這是電場測量領(lǐng)域的一大創(chuàng)舉。該大學(xué)對原有的球型傳感器進行了技術(shù)方面的改進，研制了一種電場測量系統(tǒng)用于測量二維瞬態(tài)電場。該系統(tǒng)的球型傳感器的半徑為20mm，不會對待測的瞬態(tài)電場造成干擾。該系統(tǒng)擁有高達10MHz的測量頻率帶寬，信噪比為32dB。該新型系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)范圍比原來的系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)范圍擴展了很多。使用該系統(tǒng)對固定頻率的交變電場以及多頻率混合的瞬態(tài)電場進行測量試驗時，該系統(tǒng)表現(xiàn)出了快速響應(yīng)的優(yōu)良性能，測量的效果十分理想。1986

17、年，美國斯坦福大學(xué)的EMThomson2等人在斯圖加特大學(xué)研制的二維瞬態(tài)電場測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研制出了新的電場測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠測量三維球形瞬態(tài)電場。該系統(tǒng)的球型傳感器的半徑為225mm，比二維瞬態(tài)電場測量系統(tǒng)的球型傳感器的半徑增加了許多。該系統(tǒng)的測量頻率帶寬為3Hz4MHz，與二維瞬態(tài)電場測量系統(tǒng)的測量頻率帶寬相比要窄了一半左右。該系統(tǒng)使用光纖傳輸信號，光纖長度為100m，在較大程度上降低了測量系統(tǒng)電流對測量結(jié)果的干擾。由于以上這些更加完善的設(shè)計，使得該測量系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性更加優(yōu)秀，系統(tǒng)的測量精度也有所提高，使用該系統(tǒng)對三維瞬態(tài)電場進行測量實驗，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)的測量誤差小于0.1。1

18、992年，瑞士Haefely3公司的研究人員研制出了一種采用光電方式傳輸信號的電場測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)的光纖長度為20 m。該系統(tǒng)主要用于測量二維交變電場。該儀器采用球型傳感器，直徑為8cm，與以上兩種測量系統(tǒng)的傳感器大小相比要小了很多，可以同時測量兩個正交方向的電場。該測量系統(tǒng)擁有高達20MHz的測量頻率帶寬，可以測量的場強大小范圍為0.210kV/cm。使用該系統(tǒng)對高壓輸電線路進行測量實驗，實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)的測量誤差在1%左右，與此同時，該系統(tǒng)表現(xiàn)出了快速的動態(tài)響應(yīng)性能和高精確度的測量性能。1994年，美國JRamirezNino4等人在瑞士公司研制的二維交變電場測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上成功研制了更

19、高精度的電場測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)同樣擁有高達20MHz的測量頻率帶寬，可以測量的電場強度大小范圍為0100kV/m，比瑞士公司研制的測量系統(tǒng)范圍擴大了十倍左右。使用該系統(tǒng)對電流互感器中軸的電場強度進行了測量實驗，實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)的測量誤差可控制在1以內(nèi)，與此同時，該系統(tǒng)表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性能。在國內(nèi)，電場測量技術(shù)受到了較高的重視，同時國內(nèi)各高校也對電場測量技術(shù)開展了較為深入的研究。1985年，中國第一個基于電荷感應(yīng)原理設(shè)計出的電場測量系統(tǒng)在西安交通大學(xué)問世。西安交通大學(xué)的蔣國雄5等人成功研制了基于電荷感應(yīng)原理的電場測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用于一維球型電場的測量。該系統(tǒng)的球型傳感器半徑為12.5m

20、m，與瑞士公司研制的電場測量系統(tǒng)的傳感器大小相仿，該系統(tǒng)擁有10MHz的測量頻率帶寬，可測電場強度的大小范圍為0.110kV/cm，使用該系統(tǒng)進行均勻電場的測量實驗，實驗結(jié)果表明系統(tǒng)的測量誤差可以控制在2內(nèi)。該系統(tǒng)能夠測量球、板電極之間的電場分布和場強大小，使用該系統(tǒng)進行測量板電極之間場強大小的實驗，實驗結(jié)果表明，實際測量值與理論計算值非常接近，體現(xiàn)了系統(tǒng)快速響應(yīng)的優(yōu)秀性能和高精度的測量性能。1987年，中國電科院高壓所6成功研制了高靈敏度工頻場強表，該系統(tǒng)使用了盒形平行板傳感器，測量頻率帶寬為40Hz60Hz，測量工頻電場的場強大小范圍為0.01100kV/m，可以測量低壓及高壓輸電線路產(chǎn)生

21、的工頻電場，使用該測量系統(tǒng)進行了380V輸電線路和35KV輸電線路的現(xiàn)場測試實驗，實驗結(jié)果表明系統(tǒng)的測量誤差不超過5。1993年，華北電力大學(xué)的李成榕7等人在西安交通大學(xué)研制的電場測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研制出了性能更加優(yōu)秀的測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)σ痪S球形暫態(tài)電場進行測量。該系統(tǒng)使用的是球型傳感器，半徑為30mm，擁有10MHz的測量頻率帶寬，信噪比為32dB。系統(tǒng)可測量的一維暫態(tài)電場的場強大小范圍為0.110kV/cm，使用該系統(tǒng)進行了均勻工頻電場的測量實驗，實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)的測量誤差不超過1。該系統(tǒng)與西安交通大學(xué)研制的電場測量系統(tǒng)相比，具有良好的線性度和測量精度，使用該系統(tǒng)對棒、板電極間的電場分

22、布及場強大小進行驗證，取得了較為良好的測量效果，和理論計算的數(shù)值非常接近。2002年，華北電力大學(xué)的王澤忠8等人成功研制了國內(nèi)首個能夠測量三維電場的寬頻測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對三維工頻電場和三維暫態(tài)電場進行測量，該系統(tǒng)的電場傳感器采用了仿制德國斯圖加特大學(xué)的三維球型傳感器，傳感器的半徑為20mm，擁有相當(dāng)寬的測量頻率帶寬，其測量頻率帶寬為15Hz100MHz，對工頻電場場強大小的測量范圍為10048 kV/m。與美國EMThomson等人研制的三維球型電場測量系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有優(yōu)秀的快速響應(yīng)性能和高精度的測量性能。使用該系統(tǒng)進行了變電站工頻電場分布與場強大小的測量實驗，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)的測

23、量誤差不超過1%，獲得的測量數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)十分接近。2004年，華北電力大學(xué)的張衛(wèi)東9等人在美國斯坦福大學(xué)的EMThomson等人研制的三維瞬態(tài)電場測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，成功開發(fā)了一個能夠測量三維瞬態(tài)電場的測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用了光電傳輸信號的方式，光纖長度為50m。該系統(tǒng)使用了球型傳感器，直徑為62.5cm。系統(tǒng)的測量頻率帶寬非常寬，范圍為40Hz100MHz，系統(tǒng)測量電場場強大小的范圍為0.01100kV/m。該系統(tǒng)與美國斯坦福大學(xué)研制的三維瞬態(tài)電場測量系統(tǒng)相比，該測量系統(tǒng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)性能、較高的測量精度及良好的時頻特性，使用該系統(tǒng)對高壓變電站內(nèi)操作開關(guān)動作時產(chǎn)生的暫態(tài)電場的分布及場強

24、大小進行了測量實驗，實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)的測量誤差不超過2%。 目前，國際市場上的電場測量儀器種類比較少，主要有德國Narda公司10生產(chǎn)的EFA300低頻電場分析儀，美國HOLADAY公司11生產(chǎn)的HL3604工頻電場強度檢測儀，以及意大利PMM公司12生產(chǎn)的PMMS053A型綜合場強分析儀。這些儀器都擁有較寬的測量頻率帶寬和較廣的場強測量范圍，但是價格昂貴。國內(nèi)生產(chǎn)的電場測量儀器在性能上仍然與國外產(chǎn)品存在差距，比如測量頻率窄，測量范圍小，實時響應(yīng)性能較差、測量精度不夠高等。因此，研制響應(yīng)快、體積小、精度高、價格適中，并且能有效監(jiān)測高鐵接觸網(wǎng)線路電壓的測量儀能夠快速的填充中國的市場缺口。 目前

25、國內(nèi)鐵路系統(tǒng)常用的工頻電場測量儀器主要是以進口中高端產(chǎn)品為主，電場測量用于工人在高壓線路帶電操作的安全防護、電力系統(tǒng)的實時監(jiān)測和安全維護及電氣化鐵路接觸網(wǎng)線路的安全維護還不夠普及。1.3研究目的及意義在諸多學(xué)術(shù)和工程研究中，電場測量技術(shù)起到至關(guān)重要的作用。國防領(lǐng)域中對核武爆炸產(chǎn)生的電場分布的測量13、大氣科學(xué)領(lǐng)域中對雷電產(chǎn)生的瞬態(tài)電場的實時監(jiān)測14、醫(yī)學(xué)行業(yè)中對醫(yī)學(xué)設(shè)備附近產(chǎn)生的電場的實時監(jiān)測15、通信領(lǐng)域中對天線附近電場的實時監(jiān)測16、生物學(xué)中電場對動物產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)的研究17等，都離不開電場測量技術(shù)的有力支持。在電力工業(yè)系統(tǒng)中，電場測量技術(shù)是最基礎(chǔ)也是最重要的技術(shù)。目前電場測量技術(shù)主要應(yīng)用

26、于測量高壓輸電線路附近及變電站周圍產(chǎn)生的電場的強度，以此來判斷輸電線路及變電站是否正常工作。通過實際測量高壓輸電線路附近、變電站周圍及電力設(shè)備附近產(chǎn)生的工頻電場或者瞬態(tài)電場的大小18，獲取到有效的電場數(shù)據(jù)，為輸電線路及電力系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)測、絕緣設(shè)備絕緣性能的評估、電力設(shè)備設(shè)計制造工藝的優(yōu)化及電力系統(tǒng)電磁兼容和信號干擾19等領(lǐng)域提供了有力的數(shù)據(jù)支持，對整個電力行業(yè)安全、穩(wěn)定、健康的發(fā)展具有重要的意義。隨著我國高鐵建設(shè)的不斷完善，接觸網(wǎng)供電電路及配套的電力設(shè)備的維護與優(yōu)化成為了完善高鐵系統(tǒng)的重點。安全快速的監(jiān)測接觸網(wǎng)電路電壓，能夠為高鐵系統(tǒng)安全穩(wěn)定的工作提供必要的保障。1.4本文研究與設(shè)計內(nèi)容

27、本文研究與設(shè)計的內(nèi)容分為以下五個部分：1.推導(dǎo)球型電場傳感器測量鐵路接觸網(wǎng)輸電線路產(chǎn)生的一維工頻電場的基本原理。2.分析、論證、推導(dǎo)使用平行板型電場傳感器代替球型電場傳感器來測量鐵路接觸網(wǎng)輸電線路產(chǎn)生的一維工頻電場的數(shù)學(xué)原理，并完成傳感器的設(shè)計。3設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)測量電場場強功能的系統(tǒng)框圖，按照框圖設(shè)計出實現(xiàn)每一模塊功能的電路原理圖并選擇合適的元器件，完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計。4.根據(jù)系統(tǒng)的功能，完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)各模塊的功能，并進行仿真，完善系統(tǒng)的整體性能。5.進行實驗驗證，檢驗自制測量儀器的測量精度和工作性能。6手持式鐵路接觸網(wǎng)電壓測量表設(shè)計 電場表征電壓第二章 電場表征電壓2.1引言 使

28、用非接觸的方式測量鐵路接觸網(wǎng)電壓的方法利用的是靜電感應(yīng)原理，即導(dǎo)體在電場中會感應(yīng)出電荷20。將傳感器放置在待測線路產(chǎn)生的電場中，獲得電場信號，并將該信號轉(zhuǎn)換成與電場強度大小成正比的電壓信號，通過后續(xù)電路處理求出待測線路電壓大小。本章主要分析采用球型傳感器測量工頻電場場強大小的數(shù)學(xué)原理。2.2電場表征電壓的基本原理將球型傳感器放在待測線路產(chǎn)生工頻電場中，傳感器在電場的作用下，其金屬球殼表面會產(chǎn)生出與工頻電場同頻率變化的感應(yīng)電荷21，對產(chǎn)生的感應(yīng)電荷進行處理，就能得到與待測線路產(chǎn)生的電場場強大小成比例關(guān)系的電場信號，根據(jù)相應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系就能計算出待測點的電場強度，從而通過待測點的場強大小就能計算出待

29、測線路的電壓。目前通過對感應(yīng)電荷進行處理，能反映待測線路產(chǎn)生的工頻電場的電場信號主要是感應(yīng)電荷在傳感器的兩個電極間產(chǎn)生的感應(yīng)電流或感應(yīng)電壓。對應(yīng)的，對感應(yīng)電荷有兩種處理方式：1.測量感應(yīng)電流：在內(nèi)部用一個電阻將傳感器的兩個電極連接起來，感應(yīng)電荷在電阻上產(chǎn)生感應(yīng)電流，將感應(yīng)電流作為測量信號。2.測量感應(yīng)電壓：在內(nèi)部用一個電容將傳感器的兩個電極連接起來，感應(yīng)電荷在電容上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，將感應(yīng)電壓作為測量信號。本文所設(shè)計的測量系統(tǒng)，采用測量感應(yīng)電壓的方式，將傳感器的兩個電極在內(nèi)部用一個測量電容連接。由于球型結(jié)構(gòu)的電場傳感器表面的電荷分布均勻，能夠準(zhǔn)確計算表面電荷量，因此為了方便分析，本文采用球型傳感器

30、模型分析傳感器測量鐵路接觸網(wǎng)輸電線路產(chǎn)生的一維工頻電場的原理，推導(dǎo)出待測點場強與傳感器感應(yīng)電壓的數(shù)學(xué)關(guān)系，為后續(xù)的計算提供數(shù)學(xué)依據(jù)。球型傳感器的一維模型如圖2.1所示。將一個金屬導(dǎo)體球殼從中間水平分割為上下兩部分，分離后的上下半球殼為球型傳感器的兩個電極，中間用一個電容連接起來。將該傳感器放置在鐵路接觸網(wǎng)輸電線路產(chǎn)生的一維工頻電場中，傳感器的兩個電極將相應(yīng)地產(chǎn)生感應(yīng)電荷，從而在測量電容的兩端將相應(yīng)地產(chǎn)生出感應(yīng)電壓，將該電壓作為測量信號。圖2.1 球型傳感器假設(shè)待測點的電場強度為E(t)，當(dāng)把球型傳感器放入待測電場中時，傳感器的兩個電極表面將在待測電場的作用下產(chǎn)生出感應(yīng)電荷。設(shè)傳感器的上半球殼表

31、面積為S，感應(yīng)電荷的面密度為，則上半球殼的面電荷Q(t)大小為：Q(t)=(t)dS (2.1)由大學(xué)物理可知，將球型傳感器放入電場中，傳感器表面的電荷量Q(t)與待測點的電場強度E(t)成正比25：Q(t)=k·E(t) (2.2)由高中物理可知，感應(yīng)電荷Q(t)在測量電容C兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U(t),其大小應(yīng)為：U(t)=Q(t)/C (2.3)將式(2.2)與式(2.3)合并可以得到：E(t)=U(t)C/k (2.4) 通過測量電容C兩端的感應(yīng)電壓U(t)，就可以計算出待測點的電場強度E(t)，這就是球型傳感器測量一維工頻電場的基本原理。下面本文將用數(shù)學(xué)公式對球型傳感器測量鐵

32、路接觸網(wǎng)輸電線路電壓的方法進行分析。2.3球型傳感器測量接觸網(wǎng)電壓的方法本文要測量的接觸網(wǎng)輸電線路產(chǎn)生的電場在一維空間可以等效為點電荷產(chǎn)生的電場。根據(jù)大學(xué)物理可知，點電荷q(t)產(chǎn)生的點電荷電場E0(t)為：E0(t)=q(t)/(4d2) (2.5)當(dāng)球型傳感器的半徑與電場空間相比可以接近零的時候，傳感器表面的電場可以看做均勻電場。根據(jù)高斯定理，此時的傳感器面電荷密度(t)為：(t)=3E0(t) (2.6)沿著球型傳感器上表面進行積分，可得上半球殼在均勻電場中的感應(yīng)電荷的大小為：Q(t)=(t)dS=3R²E0(t) (2.7)由于已知球殼之間的測量電容為C，由Q=UC可知，待測

33、電線的電壓產(chǎn)生的交變電場的場強大小為：E0(t)=U(t)C/(3R²) (2.8)由式2.8可知，當(dāng)使用球型傳感器測量一維均勻電場的時候，測量電容兩端的感應(yīng)電壓與待測點的電場強度大小成正比。由上分析，當(dāng)用球型傳感器在測量接觸網(wǎng)輸電線路產(chǎn)生的一維工頻電場的時候，測量電容兩端的感應(yīng)電壓與測量點的場強大小成正比。由此可得到在距離接觸網(wǎng)輸電線路L米處測量接觸網(wǎng)輸電線路電壓U線(t)的大?。篣線(t)=k·E0(t)L=k·U(t)C/(3R²)L (2.9)2.4本章小結(jié) 本章主要分析和論證了對一維工頻電場的測量方法，分析了球型電場傳感器測量鐵路接觸網(wǎng)輸電線路

34、產(chǎn)生一維工頻電場的基本原理，并且根據(jù)原理進行了數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，得到了傳感器捕捉的電壓信號與接觸網(wǎng)輸電線路電壓的數(shù)學(xué)關(guān)系，為手持式鐵路接觸網(wǎng)電壓測量表的研制提供了理論基礎(chǔ)和數(shù)學(xué)支持。手持式鐵路接觸網(wǎng)電壓測量表設(shè)計 硬件設(shè)計第三章 硬件設(shè)計3.1設(shè)計思路要通過非接觸的方式測量接觸網(wǎng)電壓，設(shè)計的測量系統(tǒng)著重考慮一下幾個方面的技術(shù)： 1.由于系統(tǒng)工作場合為高鐵接觸網(wǎng)附近，檢測的電場環(huán)境復(fù)雜，因此對整個系統(tǒng)的抗干擾要求高。 2.測量系統(tǒng)應(yīng)盡量不對待測接觸網(wǎng)的正常工作產(chǎn)生干擾。 3.由于測量接觸網(wǎng)電場主要為了間接測量接觸網(wǎng)上的電壓，所以對系統(tǒng)的帶寬要求不是很高。電場傳感器信號處理單元電源單元電壓顯示單元A

35、T89C51圖3.1系統(tǒng)方框圖基于以上考慮，以AT89C51單片機為核心開發(fā)的手持式接觸網(wǎng)電壓測量表，由傳感器電路、信號處理電路、單片機系統(tǒng)電路、電壓顯示電路、電源電路等五個部分組成。交變電場傳感器首先把場強轉(zhuǎn)化成與場強對應(yīng)的電壓信號，然后信號處理單元對其差分放大、交直變換后進行模數(shù)轉(zhuǎn)化，之后送入單片機進行處理，最后由單片機輸出對應(yīng)的接觸網(wǎng)上的電壓，用八段數(shù)碼管進行顯示。3.2傳感器單元電場傳感器的主要工作為采集電場信號，其采集信號的性能優(yōu)劣程度直接影響著系統(tǒng)的測量性能。傳感器的設(shè)計要盡量保證傳感器放入待測電場中進行測量時，不會使原來電場產(chǎn)生明顯的畸變。在實際的應(yīng)用中，傳感器的設(shè)計往往會采用圓

36、柱型、盒型、平行板型的電場傳感器，這是因為它們的設(shè)計和制作要比球形結(jié)構(gòu)傳感器更加簡潔方便，精確度也更高。美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的M.Misakian22等人分析了使用球型傳感器對一維均勻電場和非均勻電場進行測量的原理和誤差，并進行了嚴(yán)格的實驗驗證。通過對實驗結(jié)果的分析和論證，使用均勻場標(biāo)定過的平形板型或盒型結(jié)構(gòu)傳感器的電場測量系統(tǒng)的測量精度與采用球型電場傳感器的電場測量系統(tǒng)的測量精度非常接近，用于測量交變電場時的系統(tǒng)誤差較低，能夠滿足交變電場測量的一般要求。因此根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的論證，使用均勻場標(biāo)定的平行板型傳感器對鐵路接觸網(wǎng)輸電線路產(chǎn)生的一維工頻電場進行測量，能夠滿足要求。當(dāng)傳感器的幾何結(jié)構(gòu)確定之

37、后，其固定電容值也隨之確定，下面討論傳感器的固有電容對取樣信號的影響。由高中物理可知，平行板型傳感器的固有電容為 C =·S/d (3.1)式中：S為平行板的表面積；d為平行板之間的距離。由于平行板的邊長和距離都是厘米級，因此平行板的固有電容為皮法級。 由于測量電容為納法級，遠(yuǎn)大于傳感器的固有電容，因此我們可以忽略平行板型傳感器的固有電容對測量電容的影響。3.3信號處理單元3.3.1前置放大電路我們得到的采樣電壓為模擬信號，但是由于信號比較小，同時又存在其他的電磁干擾，為了防止有用的信號在進入主放大電路之前被干擾信號所淹沒，因此信號在進入后級放大電路前要先進行前置放大。由于傳感器周圍

38、存在的干擾信號對輸入信號產(chǎn)生相同的干擾，即共模干擾，本文采用差分放大電路進行前置放大。通過差分放大電路將兩個輸入端電壓的差以一固定增益放大即可得到去掉共模干擾后放大的輸出信號。通過差分放大電路使有用信號得到了放大而共模干擾信號得到了較大的削減，在最大程度上減少了共模干擾信號對輸入信號帶來的誤差。圖3.2為前置放大電路： 圖3.2差分放大電路通過查閱資料，本文采用AD公司生產(chǎn)的AD620儀表放大器來構(gòu)成前置差分放大電路，對傳感器信號進行去噪放大。AD620是一款低成本、高精度的儀表放大器，其增益只需要一個外部電阻來設(shè)置，增益范圍為11000。此外，AD620的功耗較低，最大電源電流僅1.3 mA

39、，因此非常適合電池供電的手持式鐵路接觸網(wǎng)電壓測量表。AD620還具有低噪聲、低輸入偏置電流和低功耗特性，因而作為前置放大器使用效果很好。差分放大電路的輸入端通過10K電阻接在測量電容的兩端，AD620芯片用正負(fù)5V雙電源進行驅(qū)動，輸入的感應(yīng)電壓的差值就是需要的電壓信號，經(jīng)過AD620的差分放大，從6腳輸出去噪放大過的交變電壓信號。AD620的增益控制電阻在外部設(shè)置，增益倍數(shù)為(49.7/R+1)，本文將它設(shè)置為12.4千歐，因此對信號初步放大5倍左右。3.3.2交直變換電路通過差分放大電路出來的交變電壓信號，需要進行交直變換，將交變的電壓信號轉(zhuǎn)換到直流電壓信號。通過查閱資料，本文這里采用AD7

40、36芯片進行交直變換。AD736芯片是經(jīng)過激光修正的精密真有效值模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它的功耗比較低，最大的工作電流為200A。此外，它還擁有其精確度高、靈敏性好、測量速率快、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源范圍寬等特點。用它來測量正弦波電壓的測量誤差可以控制在3%以內(nèi)。ADC736芯片的2腳(VIN)為輸入端，該端有兩種工作方式可選擇：第一種為輸出AC+DC方式。該方式將1腳(CC)與8腳(COM)短接，那么從6腳(OUT)輸出的電壓信號為真有效值與直流分量之和。第二種方式為AC方式。該方式是將1腳(CC)經(jīng)隔直電容接至8腳(COM)，這種方式的輸出電壓為真有效值，它不包含直流分量。 如圖3.3，是交直變

41、換電路，本文選擇芯片的AC工作方式，差分放大過的交變電壓信號從2腳輸入，經(jīng)過AD736芯片的交直變換，從6腳輸出的直流電壓信號的幅值為輸入的交變電壓信號的真有效值。圖3.3交直變換電路3.3.3主放大電路從AD736芯片輸出的直流電壓信號進入主放大電路，通過查閱資料，本文采用LM324芯片構(gòu)成主放大電路，對經(jīng)過差分放大、交直變換的信號進行后續(xù)的放大處理。LM324芯片是四運放集成電路，內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。 如圖3.4，是主放大電路，LM324的3腳為輸入信號，1腳為輸出信號。增益倍數(shù)計算公式為(R11+R12)/R12。圖3.4主放大電路本文中

42、R11取19K，R12取1K，將放大倍數(shù)設(shè)置為20倍，至此，傳感器收集的信號被放大了100倍。3.3.4模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對信號進行去噪放大、交直變換之后，就需要進行模數(shù)轉(zhuǎn)換了，在本文中，我們采用ADC0808對模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。ADC0808是以逐次逼近原理進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的1路進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。ALE端口是地址鎖存允許信號，當(dāng)輸入高電平時有效。START端口需要輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換啟動脈沖，下降沿觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換開始。每當(dāng)輸入一個正脈沖時，上升沿使ADC0808復(fù)位，下降沿啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換。EOC端口負(fù)責(zé)輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束信

43、號，在轉(zhuǎn)換期間保持低電平，當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束時，輸出一個高電平。OE端口是數(shù)據(jù)輸出允許信號，當(dāng)輸入高電平時允許轉(zhuǎn)換完畢的信號輸出。CLK端口是時鐘脈沖輸入端，時鐘頻率決定模數(shù)轉(zhuǎn)換的速度。如圖3.5，將ADC0808的地址片選全部接高，信號從IN7口進入，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出的數(shù)字信號從OUT口輸出，送到單片機進行近一步的處理。通過查閱資料可以知道，ADC0808的電源電壓為+5V，控制端輸入的電壓為-0.3V到+15V，其他的輸入輸出端口的電壓為-0.3V到+0.3V。其模數(shù)轉(zhuǎn)換的速度取決于CLK口的頻率，因此在單片機對CLK口進行控制時必須掌握其工作的頻率。圖3.5模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 3.4單片機處理單

44、元在本設(shè)計中，采用的核心處理器為AT89C51單片機。3.4.1 AT89C51概述AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。51單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器集成在一個芯片當(dāng)中，ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了高效實用的核心處理器以及靈活多變的

45、方案。3.4.2 AT89C51主要特性 AT89C51與MCS-51 兼容，擁有4K字節(jié)可編程FLASH存儲器，使用壽命長達1000次寫/擦循環(huán)，其數(shù)據(jù)保留時間達到10年之久。其全靜態(tài)工作的頻率為0Hz24MHz。能進行三級程序存儲器鎖定，擁有128×8位的內(nèi)部RAM，32位可編程I/O線，兩個16位計數(shù)器，五個中斷源，可編程串行通道。能夠進行低功耗的閑置和掉電模式，其工作需要的電路可選擇片內(nèi)振蕩器或外部時鐘電路。3.4.3單片機綜合電路設(shè)計本文選用的是AT89C51單片機，采用+5V電壓作為工作電壓，端口P2用來接收進行過模數(shù)轉(zhuǎn)換的電壓信號，端口P1用于控制ADC0808的工作，

46、端口P3用于控制數(shù)碼管顯示數(shù)值的位數(shù)刷新，端口P0用于輸出運算結(jié)果，送到數(shù)碼管進行顯示。如圖3.6：圖3.6單片機模塊3.5顯示單元輸出電路通過共陰管顯示測量所得的電壓信號向測量人員反映當(dāng)前接觸網(wǎng)上電壓的數(shù)值顯示。接觸網(wǎng)上的電壓正常為27.5千伏，所以選用四位八段共陰數(shù)碼管。當(dāng)單片機輸出字形碼時，通過單片機對位選通COM端電路的控制，將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就會顯示出對應(yīng)的數(shù)值，沒有選通的數(shù)碼管則不會亮。通過輪流控制各個數(shù)碼管的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，實現(xiàn)動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，由于掃描速度快，以及人體的視覺暫留現(xiàn)象，顯示的數(shù)據(jù)時穩(wěn)定的，沒有閃爍感。本文輪流將C

47、OM端2、3、4腳置低來輪流刷新每一位的數(shù)值，實現(xiàn)實時顯示當(dāng)前的電壓值。如圖3.7：圖3.7顯示模塊 其中，單片機的P0口輸出的為計算過得數(shù)值，P3口控制數(shù)碼管的1、2、3、4腳來選擇位數(shù)輸出。當(dāng)P3輸出1101時，數(shù)碼管的選通2腳被置低，2號數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)；輸出1011時，選通3腳被置低，3號數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)；輸出0111時，選通4腳被置低，4號數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)。在這里，最高位的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)帶小數(shù)點，即2號數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)是帶小數(shù)點的數(shù)字。通過動態(tài)驅(qū)動的方式，系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)顯示的實時性。3.6電源單元手持式鐵路接觸網(wǎng)電壓測量表的模擬電路用于對采集的信號進行去噪放大，交直變換，需要+5V和-5V的直流

48、電壓；數(shù)字部分用于模數(shù)轉(zhuǎn)換、綜合處理、結(jié)果顯示，需要+5V電壓。3.7硬件電路圖 下圖是手持式鐵路接觸網(wǎng)電壓測量表的硬件電路圖。如圖3.8：圖3.8硬件電路圖3.8本章小結(jié)本章主要工作是完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計。在球型傳感器測量鐵路接觸網(wǎng)輸電線路產(chǎn)生的一維工頻電場原理的基礎(chǔ)上做了進一步論述，提出了使用用簡單易制、精確度高的平行板型電場傳感器代替難以制作的球型傳感器，實現(xiàn)測量鐵路接觸網(wǎng)電壓的方法。分析了平行板型電場傳感器的測量方法，推導(dǎo)了系統(tǒng)輸入的感應(yīng)電壓和待測輸電線路電壓的數(shù)學(xué)關(guān)系，從原理上證明了使用平行板型電場傳感器測量鐵路接觸網(wǎng)輸電線路電壓的可行性，并完成了傳感器的設(shè)計。根據(jù)系統(tǒng)各個單元的具體

49、需要，對每一模塊的硬件電路進行了詳細(xì)的描述和分析，選擇了合適的元器件完成各個模塊的硬件電路設(shè)計。26手持式鐵路接觸網(wǎng)電壓測量表設(shè)計 軟件設(shè)計第四章 軟件設(shè)計4.1開發(fā)環(huán)境 51系列單片機作為工業(yè)使用的微控制器，一直受到世界各地的歡迎，從1985年開始就出現(xiàn)了51系列單片機的C語言編譯器。同匯編語言相比，使用C語言對單片機編程具有很多優(yōu)勢，在功能上、結(jié)構(gòu)上、可讀性上和可維護性上具有明顯的優(yōu)勢，使得工作效率和開發(fā)周期得到了較大的提高。4.1.1程序調(diào)試軟件在本章的程序調(diào)試過程中，我們選用Keil軟件進行編輯調(diào)試。Keil uVision2是德國Keil Software公司出品的51系列單片機使用

50、接近于傳統(tǒng)C語言的語法來進行開發(fā)的系統(tǒng)。Keil uVision2集成開發(fā)環(huán)境包含了編譯器，匯編器和調(diào)試器。其中Keil C51標(biāo)準(zhǔn)C編譯器為8051微控制器的軟件開發(fā)提供了C語言環(huán)境，同時保留了匯編語言高效、快速的特點，可以更加貼近CPU本身。4.1.2系統(tǒng)仿真軟件在本章的系統(tǒng)調(diào)試過程中，我們選用Proteus軟件進行系統(tǒng)的調(diào)試和仿真。Proteus軟件是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的EDA工具。其處理器模型支持AT89C51單片機，在編譯方面支持Keil編譯器。Proteus軟件可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合輸出進行顯示，能在運行后看到

51、輸入輸出的仿真結(jié)果。4.2主程序流程硬件電路設(shè)計完畢之后，還需要與之相符合的程序?qū)纹瑱C進行控制，系統(tǒng)才能正常工作，實現(xiàn)設(shè)計需要的功能。本設(shè)計的程序?qū)崿F(xiàn)的功能如下：1. 控制ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對測得的電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。2. 對獲得的數(shù)據(jù)進行計算分析，算出待測接觸網(wǎng)線路的實時電壓。3. 對算出的電壓數(shù)據(jù)進行顯示。本文設(shè)計的鐵路接觸網(wǎng)電壓測量表的工作流程為：開機初始化；模數(shù)轉(zhuǎn)換單元對信號處理單元測量的電壓信號進行轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換完成，單片機對數(shù)字信號進行運算處理，獲得當(dāng)前待測接觸網(wǎng)電壓值；輸出顯示，進行下一輪模數(shù)轉(zhuǎn)換。主程序流程如圖4.1所示。系統(tǒng)開機系統(tǒng)初始化開始模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理是否完畢電

52、壓顯示NY圖4.1主程序流程圖4.3模數(shù)轉(zhuǎn)換流程本文選用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片是ADC0808，為了實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機需要按系統(tǒng)要求控制ADC0808進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換的流程如圖4.2所示。開始轉(zhuǎn)換計數(shù)開始計數(shù)加1啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)保存結(jié)束圖4.2模數(shù)轉(zhuǎn)換流程圖4.4顯示輸出流程單片機對從ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片獲得的數(shù)據(jù)處理完畢后，便獲得了接觸網(wǎng)電壓值的新數(shù)據(jù)，接著便驅(qū)動輸出單元進行電壓的數(shù)值顯示。為正確顯示數(shù)據(jù)，需要按照以下步驟進行工作：當(dāng)產(chǎn)生了新的電壓數(shù)值之后，先對數(shù)據(jù)進行拆分，分為高位、中位和低位并記錄下每一位的數(shù)據(jù)；然后從高位到低位依次判斷顯示新數(shù)據(jù)；有了新的電壓數(shù)值之后，重新開始新一輪的

53、數(shù)據(jù)顯示。流程圖如圖4.3所示。新數(shù)據(jù)產(chǎn)生計算各位數(shù)值顯示高位顯示中位顯示低位顯示完畢圖4.3顯示輸出流程圖4.5程序4.5.1聲明部分#include<reg51.h>#include<intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit ST=P20; /啟動轉(zhuǎn)換位sbit OE=P22; /輸出允許位sbit ALE=P23; /地址允許鎖存位sbit EOC=P21; /轉(zhuǎn)換結(jié)束位sbit CLK=P24; /時鐘long int datas,b,s,g;uchar zhi;ucha

54、r code num =0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;/不帶點的數(shù)字(09)uchar code num_dot =0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed;/帶小數(shù)點的數(shù)字(05)uchar code wei =0x0d,0x0b,0x07;/位碼 (1101時，數(shù)碼管的選通2腳被置低，2號數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)；1011時，選通3腳被置低，3號數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)；0111時，選通4腳被置低，4號數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù))4.5.2延時部分void delay(uint j) uchar i; while(j-) for(i=0;i<100;i+);4.5.3顯示部分void display() uchar i=0; b=(datas*500/255)/100;/計算并得到最高位 s=(datas*500/255)/10 % 10;