新型饋電狀態傳感器的研究

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

引言
目前市場上的饋電狀態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的設備中存在著難維護、靈敏度低、可靠性差、系統復雜、造價高等問題，從而嚴重制約了饋電狀態傳感器的推廣應用。

饋電狀態傳感器方案的選擇
根據礦井監控系統的要求，對斷電及饋電狀態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，其優點是設備結構簡單，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，就必須去除電纜的絕緣外皮，這必然給井下的安全生產帶來隱患，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、耐惡劣環境、絕緣性能好、體積小、質量輕、靈敏度高等優點，但是成本高、結構復雜、不便維護，因此制約了這種傳感器在礦井監控系統中的應用；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的檢測來說，不但要檢測有電流時的饋電狀態，同時也要檢測無電流時的饋電狀態。因此這種傳感器也不適合用作井下電纜饋電狀態的檢測。
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。

傳感器硬件電路的設計
敏感元件電路原理
根據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，其等效原理圖如圖1所示。
利用FET檢測電場狀態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生的電場在探頭上感應出電荷，最終對FET的柵極產生影響。
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；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結型N溝道場效應管，其最大值RGS=3