【正文】 2021 年 6 月 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 非接觸式高壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 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(hào)： 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(jì)（論文） I 摘 要 基于目前市場(chǎng)上常規(guī)的高壓檢測(cè)往往采用接觸式的檢測(cè)方法，因此本文設(shè)計(jì)了一個(gè)非接觸式高壓檢測(cè)電路來(lái)進(jìn)行高壓檢測(cè)。 該電路的主要檢測(cè)方法為，用高壓探頭將高壓設(shè)備附近的強(qiáng)電場(chǎng)，轉(zhuǎn)換成一定幅度的小信號(hào)，送入信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)整和判斷，當(dāng)檢測(cè)到的電壓高于設(shè)定值時(shí)，輸出信號(hào)使報(bào)警電路進(jìn)行聲光報(bào)警，本設(shè)計(jì)中還包含了一個(gè)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(hào)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(bào)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(jì)目標(biāo) 4 電路 的功能 4 電路 的特點(diǎn) 5 第 3 章 信號(hào)調(diào)理和聲光電路設(shè)計(jì) 7 高壓探頭的選擇 7 信號(hào)調(diào)理電路的組成 7 放大電路 12 報(bào)警控制電路 15 語(yǔ)音芯片的選擇 18 第 4 章 電源轉(zhuǎn)換電路 設(shè)計(jì) 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(jì)（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(cè)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(jí)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(jí)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(duì)于低壓檢測(cè)，高壓檢測(cè)技術(shù)含量高，資本投入較大，而在市場(chǎng)前景上看，高壓檢測(cè)的規(guī)模也將日益形成低壓檢測(cè)市場(chǎng)那么大。 所以說(shuō)，高壓電的檢測(cè)在我國(guó)前景廣闊，特別是國(guó)家 對(duì)檢測(cè)行業(yè)實(shí)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(jìng)爭(zhēng)者的進(jìn)入 ，而 檢測(cè)設(shè)備的先進(jìn)程度決定了檢測(cè)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(kāi)展電器產(chǎn)品檢測(cè)的前提條件， 因此掌握著多種高壓電的檢測(cè)方法，對(duì)于企業(yè)和個(gè)人都至關(guān)重要。傳統(tǒng)的驗(yàn)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(cè)是一種較新穎的檢測(cè)高壓方法，它突破了傳統(tǒng)檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)理論和思路的束縛，無(wú)須接觸即可檢測(cè)高壓線是否帶電，使用起來(lái)安全、方便、正確。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(cè)電路的設(shè)計(jì)，主要目的用于檢測(cè)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(wú)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(duì)整個(gè)電路的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)方法，及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并對(duì)電路中的每個(gè)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(guò)一下幾點(diǎn)。 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，其中包括信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；濾波電路的設(shè)計(jì)；放大電路的設(shè)計(jì)；比較電路的設(shè)計(jì)；報(bào)警控制電路的設(shè)計(jì)。 電源轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)，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(gè)論文的總結(jié)。為了達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，必須將高壓信號(hào)的采集、調(diào)理、比較等各種原理融會(huì)貫通。這樣，才能對(duì)非接觸式高壓檢測(cè)電路總體設(shè)計(jì)有一個(gè)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(jì)的需要。 由于在高電壓存在的地方，周圍會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的交變電場(chǎng)，目前一般的檢測(cè)高壓是否存在，通常是通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管在交變電場(chǎng)作用下 G、 S極阻抗變小這一特性，來(lái)檢測(cè)高壓是否存在。 檢測(cè)距離又受到場(chǎng)效應(yīng)管特性的限制，難以保證在精確的距離下檢測(cè)到高壓是否存在。 所以，本設(shè)計(jì)所設(shè)想的電路，必 須克服以上缺點(diǎn)，要設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便的非接觸高壓檢測(cè)電路，不僅要滿足普通高電壓的檢測(cè)，更需要檢測(cè)出在電力機(jī)車這些嚴(yán)酷環(huán)境下的高電壓。同樣，整個(gè)電路中，必須設(shè)計(jì)出一個(gè)電源轉(zhuǎn)換模塊，對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行供電。 本設(shè)計(jì)的技術(shù)方案為， 通過(guò)高壓探頭講檢測(cè)到的高壓設(shè)備附近的強(qiáng)電場(chǎng)，轉(zhuǎn)換成一定幅度的小信號(hào)送入信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)整和判斷，當(dāng)檢測(cè)到的電壓高于設(shè)定值時(shí)，輸出給報(bào)警電路報(bào)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(jì)（論文） 4 電路的總體結(jié)構(gòu) 如圖 、圖 所示，本設(shè)計(jì)電路的所述高壓探頭、報(bào)警電路、電源轉(zhuǎn)換電路分別與所示信號(hào)調(diào)理電路相連，所示電源轉(zhuǎn)換電路還同時(shí)分別與所述報(bào)警電路和電源端相連。 設(shè)計(jì)電路中的電路中，還包括一個(gè)用于存在檢測(cè)部位電壓過(guò)高時(shí)進(jìn)行發(fā)光提示的發(fā)光電路。 設(shè)計(jì)電路中的語(yǔ)音提示電路包括一個(gè)語(yǔ)音芯片、一個(gè)放大電路、一個(gè)揚(yáng)聲器及其外圍電路。 設(shè)計(jì)中的報(bào)警控制電路包括一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管、一個(gè)繼電器、續(xù)流二極管、一個(gè)電解電容及其外圍元件。 使用高壓探頭采集信號(hào)。 所以，本設(shè)計(jì)所采用高壓探頭，其功能就是講檢測(cè)到的高壓設(shè)備附近的強(qiáng)電場(chǎng)，轉(zhuǎn)換成一定幅度的小信號(hào)。在設(shè) 計(jì)的電路中其功能主要將高壓探頭所探測(cè)到的小信號(hào)，進(jìn)行調(diào)整和判斷。報(bào)警電路中，包含著語(yǔ)音提示電路和發(fā)光電路，對(duì)操作員提供聲光報(bào)警，提示電壓過(guò)高。設(shè)計(jì)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(duì)整個(gè)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(gè)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(jì)（論文） 5 電路特點(diǎn) 該設(shè)計(jì)電路特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，保障了操作員的人身安全。因此，在整個(gè)非接觸式高壓檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)了一個(gè)檢測(cè)電路，用于檢測(cè)采集的電壓是否為高電壓，這其中就包含了信號(hào)調(diào)理電路和報(bào)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(wàn)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(cè)的范圍內(nèi)才能準(zhǔn)確的測(cè)試出來(lái) 。 因此，電路的第一點(diǎn)，是對(duì)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(hào)調(diào)理電路的組成 信號(hào)調(diào)理電路，其功能是將高壓探頭采集的信號(hào)，進(jìn)行一系列的調(diào)理變換使之能達(dá)到總體設(shè)計(jì)時(shí)所需的目標(biāo)，即最后能夠?qū)⒉杉母邏盒盘?hào)與設(shè)定電壓進(jìn)行比較，從而判斷測(cè)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(hào)中，含有干擾信號(hào) ，為了使檢測(cè)結(jié)果具有準(zhǔn)確性，必須濾掉所采集信號(hào)中的其他干擾信號(hào)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)需要的頻率小于 50HZ，高于50HZ 的信號(hào)將被過(guò)濾，因此在這采用個(gè)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(shí)，電容器可視為開(kāi)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(shí) → 電壓增益 211vp RA R?? 頻率高于 時(shí) → 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(shí)，通過(guò)多個(gè)電阻和電容的低通濾波作用，能夠?yàn)V除從高壓探頭輸出的小信號(hào)中的干擾信號(hào)，并同時(shí)將高壓探頭輸出的小信號(hào)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(shí)的信號(hào)一般來(lái)說(shuō)比較小，還不能進(jìn)行比較，因此，在這里還需設(shè)計(jì)一個(gè)放大電路，對(duì)所得信號(hào)進(jìn)行放大。它的內(nèi)部 通常包含四個(gè)基本組成部分，即輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 圖 集成運(yùn)放的組成 集成運(yùn)放的輸入級(jí)通常由差分放大電路組成、因此一般具有兩個(gè)輸入端以及一個(gè)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(jì)（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(hào)能與比較電路中的設(shè)定電 壓