新型馈电状态传感器的研究

摘    要：本文介绍的新型馈电状态传感器，以电容检测原理来监测电缆芯线对地电场状态，从而间接检测矿井电缆的馈电状态，与负载是否工作、电缆有无电流无关。具有结构简单、成本低、可靠性高、灵敏度高、易于维护以及更换方便等优点。
关键词：馈电状态；传感器；监控系统；场效应管

引言
目前市场上的馈电状态传感器大多基于光纤、电压互感器或采用霍耳器件，除进行防爆、防尘、防潮外，均没有进一步针对煤矿井下特殊条件进行考虑，所以在用于煤炭安全生产的设备中存在着难维护、灵敏度低、可靠性差、系统复杂、造价高等问题，从而严重制约了馈电状态传感器的推广应用。

馈电状态传感器方案的选择
根据矿井监控系统的要求，对断电及馈电状态检测的方式分为两种，一种是直接接触式，一种是间接非接触式。
根据电压互感器原理和电流互感器原理设计的直接接触式电压检测方案，其优点是设备结构简单，缺点是与被检测电压直接接触。对于井下的电缆来说，若是采用直接接触式方法来检测电缆的馈电状态，就必须去除电缆的绝缘外皮，这必然给井下的安全生产带来隐患，所以这种检测电压的方法不适合对井下馈电状态的检测。
在间接非接触式电压传感器中，光纤电压传感器虽然具有抗电磁干扰能力强、耐恶劣环境、绝缘性能好、体积小、质量轻、灵敏度高等优点，但是成本高、结构复杂、不便维护，因此制约了这种传感器在矿井监控系统中的应用；电磁感应和霍耳电压传感器是通过检测磁场的有无状态来检测电流(或电压)的有无，当没有电流存在时，也就没有磁场。对于井下电缆馈电状态的检测来说，不但要检测有电流时的馈电状态，同时也要检测无电流时的馈电状态。因此这种传感器也不适合用作井下电缆馈电状态的检测。
综合以上分析，本文提出了一种非接触式电压检测方法，即通过电容检测原理来检测电缆对地电场是否存在，从而间接检测电缆的馈电状态。

传感器硬件电路的设计
敏感元件电路原理
根据传感器电路设计的要求，对于高输出阻抗的传感器，传感器电路的输入阻抗必须与输出阻抗相适应。因此，只有选用场效应管作为输入级才能满足设计要求。本文选用FET场效应管来检测电场状态，其等效原理图如图1所示。
利用FET检测电场状态不是直接测量表面的电位或电荷，而是利用分布在表面上的电荷所产生的电场在探头上感应出电荷，最终对FET的栅极产生影响。
在图1中，导电性基片相当于电缆的导体；绝缘体相当于电缆外表皮的绝缘物质；测量探头相当于电容。当导电性基片中有电压时，在绝缘体的上下表面就会感应出正负电荷，当测量探头接近绝缘体上表面(带有正电荷)时，就会在测量探头的两极分别感应出正负电荷，所以会在测量探头两极间产生电压Ux。当电压Ux大于栅源之间的阈值电压VT时，外加较小的VDS，漏极电流iD将随着VDS上升迅速增大。此外，由于测量探头两极间产生的电压Ux为交流弱电压信号，所以应当对其进行初级放大。由此设计的馈电状态传感器电路的敏感元件电路如图2所示。
一般场效应管的RGS大于107W，本设计中所选用的是K30A Y-2F结型N沟道场效应管，其最大值RGS=3