【正文】 2021 年 6 月 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 非接觸式高壓檢測電路設(shè)計 學(xué) 院（部）： 電氣與信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 學(xué) 號： 07401500234 學(xué) 生 姓 名： 謝桂龍 指導(dǎo)教師姓名： 龍永紅 教授 2021 年 6 月 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） I 摘 要 基于目前市場上常規(guī)的高壓檢測往往采用接觸式的檢測方法，因此本文設(shè)計了一個非接觸式高壓檢測電路來進(jìn)行高壓檢測。 該電路的主要檢測方法為，用高壓探頭將高壓設(shè)備附近的強(qiáng)電場，轉(zhuǎn)換成一定幅度的小信號，送入信號調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)整和判斷，當(dāng)檢測到的電壓高于設(shè)定值時，輸出信號使報警電路進(jìn)行聲光報警，本設(shè)計中還包含了一個電源轉(zhuǎn)換電路，能夠?qū)⑼饨珉妷恨D(zhuǎn)換為電路工作電壓。 文中 信號調(diào)理電路中，包含了一階低通濾波電路、同相放大電路、比較電路、報警控制電路。 文中電源轉(zhuǎn)換電路包含了全波整流橋、整流器、電源模塊。 1 課題的研究背景 2 論文結(jié)構(gòu)的安排 3 設(shè)計目標(biāo) 4 電路 的功能 4 電路 的特點 5 第 3 章 信號調(diào)理和聲光電路設(shè)計 7 高壓探頭的選擇 7 信號調(diào)理電路的組成 7 放大電路 12 報警控制電路 15 語音芯片的選擇 18 第 4 章 電源轉(zhuǎn)換電路 設(shè)計 20 電源模塊及其外圍元件的選擇 22 參考文獻(xiàn) 23 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） IV 致謝 25 附錄 2 但是伴隨著高壓電的發(fā)展，高壓的檢測也成了人們非常關(guān)心的一件事情。根據(jù)相關(guān)調(diào)查， 1999年電力系統(tǒng)發(fā)生重大誤操作事故 1次， 220 kV 及以上電壓等級誤操作事故 8次，電氣誤操作事故總數(shù) 79次， 220 kV 及以上電壓等級誤操作事故 19次； 1998～2021年共發(fā)生誤操作事故 260次，造成了巨大的損失。相對于低壓檢測，高壓檢測技術(shù)含量高，資本投入較大，而在市場前景上看，高壓檢測的規(guī)模也將日益形成低壓檢測市場那么大。 所以說，高壓電的檢測在我國前景廣闊，特別是國家 對檢測行業(yè)實行嚴(yán) 格的資質(zhì)管理制度 ，并且由于 準(zhǔn)入制度、技術(shù)門檻、資金密集型等限制了新的競爭者的進(jìn)入 ，而 檢測設(shè)備的先進(jìn)程度決定了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，是否擁有這些專業(yè)設(shè)備是開展電器產(chǎn)品檢測的前提條件， 因此掌握著多種高壓電的檢測方法，對于企業(yè)和個人都至關(guān)重要。傳統(tǒng)的驗電器體積小、攜帶方便，但必須與高壓電路接觸才都使 用，因此仍然存在一定的安全隱患。非接觸式檢測是一種較新穎的檢測高壓方法，它突破了傳統(tǒng)檢測方法的設(shè)計理論和思路的束縛，無須接觸即可檢測高壓線是否帶電，使用起來安全、方便、正確。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 論文研究的目的和內(nèi)容 本論文中非接觸式高壓檢測電路的設(shè)計，主要目的用于檢測電力機(jī)車機(jī)車車頂與外界高壓電氣設(shè)備之間車頂高壓設(shè)備的故障。由于乘務(wù)員無法判斷故障情況，一旦再次升起受電弓將導(dǎo)致高壓放電、接地，輕則造成受電弓滑板與接觸網(wǎng)粘接，重則燒斷接觸網(wǎng)，造成大的故障，將嚴(yán)重地干擾運(yùn)輸生產(chǎn)。 本論文內(nèi)容包含了對整個電路的設(shè)計思路，設(shè)計方法，及設(shè)計結(jié)構(gòu)，并對電路中的每個模塊進(jìn)行詳細(xì)分析。 論文結(jié)構(gòu)安排 本論文的結(jié)構(gòu)主要包過一下幾點。 信號調(diào)理電路的設(shè)計，其中包括信號調(diào)理電路的設(shè)計結(jié)構(gòu)；濾波電路的設(shè)計；放大電路的設(shè)計；比較電路的設(shè)計；報警控制電路的設(shè)計。 電源轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計，包括電源轉(zhuǎn)換電路的總體結(jié)構(gòu)，全波整流橋的選擇， 電源模塊的選擇以及外圍模塊的選擇 整個論文的總結(jié)。為了達(dá)到設(shè)計目標(biāo)，必須將高壓信號的采集、調(diào)理、比較等各種原理融會貫通。這樣，才能對非接觸式高壓檢測電路總體設(shè)計有一個整體的方案規(guī)劃，才能達(dá)到任務(wù)書的要求，完成設(shè)計的需要。 由于在高電壓存在的地方，周圍會產(chǎn)生很強(qiáng)的交變電場，目前一般的檢測高壓是否存在，通常是通過場效應(yīng)管在交變電場作用下 G、 S極阻抗變小這一特性，來檢測高壓是否存在。 檢測距離又受到場效應(yīng)管特性的限制，難以保證在精確的距離下檢測到高壓是否存在。 所以，本設(shè)計所設(shè)想的電路，必 須克服以上缺點，要設(shè)計出一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的非接觸高壓檢測電路，不僅要滿足普通高電壓的檢測，更需要檢測出在電力機(jī)車這些嚴(yán)酷環(huán)境下的高電壓。同樣，整個電路中，必須設(shè)計出一個電源轉(zhuǎn)換模塊，對整個電路進(jìn)行供電。 本設(shè)計的技術(shù)方案為， 通過高壓探頭講檢測到的高壓設(shè)備附近的強(qiáng)電場，轉(zhuǎn)換成一定幅度的小信號送入信號調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)整和判斷，當(dāng)檢測到的電壓高于設(shè)定值時，輸出給報警電路報警，告訴檢修人員高壓供電線路是否存在高壓。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 電路的總體結(jié)構(gòu) 如圖 、圖 所示，本設(shè)計電路的所述高壓探頭、報警電路、電源轉(zhuǎn)換電路分別與所示信號調(diào)理電路相連，所示電源轉(zhuǎn)換電路還同時分別與所述報警電路和電源端相連。 設(shè)計電路中的電路中，還包括一個用于存在檢測部位電壓過高時進(jìn)行發(fā)光提示的發(fā)光電路。 設(shè)計電路中的語音提示電路包括一個語音芯片、一個放大電路、一個揚(yáng)聲器及其外圍電路。 設(shè)計中的報警控制電路包括一個場效應(yīng)管、一個繼電器、續(xù)流二極管、一個電解電容及其外圍元件。 使用高壓探頭采集信號。 所以，本設(shè)計所采用高壓探頭，其功能就是講檢測到的高壓設(shè)備附近的強(qiáng)電場，轉(zhuǎn)換成一定幅度的小信號。在設(shè) 計的電路中其功能主要將高壓探頭所探測到的小信號，進(jìn)行調(diào)整和判斷。報警電路中，包含著語音提示電路和發(fā)光電路，對操作員提供聲光報警，提示電壓過高。設(shè)計中的電源轉(zhuǎn)換電路包含著整流橋，電源模塊及外圍元件，其功能是將外界電源的電能轉(zhuǎn)換為工作電源，對整個電路進(jìn)行供電。在所述高壓探頭 E1 的輸出端和電源變換電路的輸出端還連接有一個用于連通自檢回路的自檢按鈕。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 電路特點 該設(shè)計電路特點是結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，保障了操作員的人身安全。因此，在整個非接觸式高壓檢測電路的設(shè)計過程中，設(shè)計了一個檢測電路，用于檢測采集的電壓是否為高電壓，這其中就包含了信號調(diào)理電路和報警控制電路。 高壓探頭的選擇 高壓探頭的功能是采用衰減的方法，由于示波器、萬用表、電腦等設(shè)備不能夠承受 800V 或者更高的電壓，所以用高壓探頭將高壓衰減 （只是電壓縮小了其它參數(shù)不變）到設(shè)備可測的范圍內(nèi)才能準(zhǔn)確的測試出來 。 因此，電路的第一點，是對高壓探頭進(jìn)行選擇，不同的高壓探頭，其區(qū)別在于衰減的比例不一樣， 比如： 1： 10， 1： 100， 1： 1000 等等的衰減比例 。 信號調(diào)理電路的組成 信號調(diào)理電路，其功能是將高壓探頭采集的信號，進(jìn)行一系列的調(diào)理變換使之能達(dá)到總體設(shè)計時所需的目標(biāo)，即最后能夠?qū)⒉杉母邏盒盘柵c設(shè)定電壓進(jìn)行比較，從而判斷測試設(shè)備是否帶有高壓。 低通濾波電路 由于 高壓探頭采集的信號中，含有干擾信號 ，為了使檢測結(jié)果具有準(zhǔn)確性，必須濾掉所采集信號中的其他干擾信號，根據(jù)設(shè)計要求，設(shè)計需要的頻率小于 50HZ，高于50HZ 的信號將被過濾，因此在這采用個低通濾波電路。 圖 一階低通電路（ LPF） 圖 一階 LPF的幅頻特性曲線 當(dāng) f = 0 時，電容器可視為開路，通帶內(nèi)的增益 為 211vpRA R?? 一階低通濾波器的傳遞函數(shù)如下 ? ? ? ?? ?0101vpAVsAsVs s??? ??????? 其中0 RC? ?。 頻率低于 時 → 電壓增益 211vp RA R?? 頻率高于 時 → 衰減斜率：每 10倍頻率 20dB。 故，濾波電路部分的電路圖如下圖 所示。 此時，通過多個電阻和電容的低通濾波作用，能夠濾除從高壓探頭輸出的小信號中的干擾信號，并同時將高壓探頭輸出的小信號轉(zhuǎn)換為一定幅度的正弦波的正半波輸入下述放大電路。此時的信號一般來說比較小，還不能進(jìn)行比較，因此，在這里還需設(shè)計一個放大電路，對所得信號進(jìn)行放大。它的內(nèi)部 通常包含四個基本組成部分，即輸入級、中間級、輸出級和偏置電路。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 圖 集成運(yùn)放的組成 集成運(yùn)放的輸入級通常由差分放大電路組成、因此一般具有兩個輸入端以及一個輸出端，以及其他用以連接電源電壓和調(diào)零等的引出端。 同相放大電路 基本電路：電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入端虛短、虛斷。 圖 同相放 大電路 其中， iV V V????； 01fifRVVRR? ? ； 0111fRVVR???????? 。 反相放大電路 基本電路：電壓并聯(lián)負(fù)反饋，輸入端虛短、虛斷。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 圖 反相放大電路 其中， ifII? ； 0VV???? ； 0 1f iRVVR?? 。 放大電路的選擇 為了使放大電路輸出的信號能與比較電路中的設(shè)定電 壓