基于无线传输的电场强度测量系统研究

郑志生+何启超

摘 要：该文研究了简单和复杂电场中电场强度的测量方法，以及电场强度传感信号的无线传输方法。设计了应用这些方法的电场强度测量系统，该系统采用球形或平行板传感器进行一维或三维电场测量，采用433MHz无线传输，采用单片机进行控制与信号处理，有很高的实用价值。

关键词：电场强度  传感器  无线传输  433MHz  三维测量

中图分类号：TM15 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（b）-0030-04

Research on Electric Field intensity Measurement System Based on Wireless Transmission

Zheng Zhisheng1 He Qichao2

（1.Dongguan Power Supply Bureau，Guangdong Grid Co， Dongguan Guangdong，523008，China;

2.Guangdong WeiHeng Power Transmission and Distribution Engineering Co. Ltd. Foshan Guangdong，528200，China）

Abstract：Electric field intensity measurement in sample and complex case is investigated in this paper， and a wireless transmission method of the electric field intensity signal is presented. Based on this method， an electric field intensity measurement system is designed. A globular or plant senor in this system is used to measure the one or three dimensional electric field intensity， and single-chip microcomputer is applied for the signal control and management with the wireless transmission of 433 MHz The system has practical application potential.

Key Words：Electric Field Intensity;Senor;Wireless Transmission;433MHz;Three-dimensional Measurement

电场空间中，“在任意点的电场强度是矢量，它等于位于该点单位正电荷所受的力。……电场强度的大小以每米的伏特数（V/m）来表示。”测量电场强度在理论研究、干扰分析、电磁环境评价与危害防护等方面有重要应用。

国家标准要求测量电场强度时，观察者必须离探头足够远，以避免使探头处的电场有明显的畸变;探头的尺寸应保证产生电场的边界面上的电荷分布没有明显的畸变。但现有的电场强度测量装置或连接导线长，或体积大，或功耗高，都将造成干扰和被测电场的变化，使测量电场强度的不确定性增大。该文着重研究一种新的基于无线传输的电场强度测量系统，以解决电场强度测量中出现的干扰、尺寸与距离限制等问题，并方便测量及提高测量精度。

1 电场强度测量

使用传感器测量电场强度。传感器在待测电场的作用下，其金属电极表面会感应出与待测电场同频率变化的感应电荷，当传感器的两电极间接入一个测量电容时，感应电荷在电容上产生感应电压，不管是在均匀场还是非均匀场中，待测电场强度都与此感应电压成正比。

1.1 一维电场强度测量方法

一维传感器采用球形探头，由两个金属半球壳及测量电容Cs组成，结构如图1所示，其优点包括电场的畸变比较小，可避免尖端放电现象;容易计算球壳表面感应电荷与电场的关系;比平行板探头的可测场强范围大;可将内置电路置于空心探头内，利用金属外壳的屏蔽作用来提高抗干扰能力。

设待测电场为E0（t），参考图1，则一个半球上的感应电荷Qs（t）为

（1）

式中，ε为介电常数;r为球半径。

感应电荷Qs（t）在测量电容Cs上产生感应电压Us（t）为

（2）

将式（1）代入式（2）可得，

（3）

即测量电容上的感应电压可计算出待测电场的电场强度。

1.2 三维电场强度测量方法

在电场分布复杂的环境中（如变电站内），必须测量空间矢量的三维电场并计算出合成值，才能真正指示出测量点的实际电场强度值。

三维传感器采用一组三个平行板探头，以极板垂直方向正交放置，具有加工制作简单，方向性好，相互干扰小的优点。实际工程应用中，当平行板探头的几何形状小到对整个电场空间来说可以忽略时，可认为该传感器的存在不会造成待测电场分布的变化。单个平行板探头结构如图2所示，安放位置如图3所示。

设待测电场为E0（t），参考图2，则一个极板上的感应电荷Q p（t）为

（4）

式中，k是与几何形状有关的系数，由校准来决定。

感应电荷Qp（t）在测量电容Cp上产生感应电压Up（t）为

（5）

将式（4）代入式（5）可得，

（6）

可知，同样通过测量电容上的感应电压得到待测电场的电场强度。

设测量点三个方向的场强大小分别为Ex、Ey、Ez，则合成场强的大小为

（7）

2 无线传输

将探头（含采样转换单元）与显示/数据分析单元分离，仅留探头在待测电场内，可有效缩小探头尺寸，减小测量设备对待测电场的影响。探头采集的信号传输给显示单元可采用有线、无线等多种方式。

2.1 无线传输的优势

较之有线传输，信号的无线传输有明显的优势：

（1）有线传输使用的连接导线会引起待测电场分布的变化，而无线传输不会干扰待测电场;

（2）有线传输的测量距离受连接线的限制，而无线传输可获得更长的测量距离，更易保证测量人员的安全;

（3）多点同时测量时，有线传输布线复杂，而无线传输可灵活布点;

（4）无线传输的发送端和接收端完全电隔离，接收端的电位不会影响测试的电场强度信号。

2.2 无线传输实用技术

作为传感器使用的无线传输方式，其传输距离相对短（最大不过几十、上百米），传输的信号速率较低，带宽要求不高，因此考虑使用简单的无线通信系统来完成传输，以使整个系统简化，降低成本。

发射模块、接收模块和无线电波即构成一个简单的无线通信系统。目前主流的无线通信技术包括ZigBee和433技术等，该文选用433技术。原因在于433 MHz工作频段相对比较干净，没有太多干扰，而且433 MHz工作频率低，绕射性能好，传输距离长，传输时耗损小。433 MHz无线收发模块集成度高，技术成熟。

3 系统设计与调试

基于无线传输的电场强度测量系统的整体设计方案如图4所示。其中，前端（置于待测电场内）包括传感器、采样及转换电路、无线发射模块、电池等。

3.1 系统功能设计

根据实际测量环境选用1.1或1.2节涉及的传感器。采样电容信号直接通过电压跟随电路和滤波电路后，进入单片机A/D进行采集，记录一个周期（20 ms）内的感应电压信号。采样信号放大、低通滤波以及AC/DC转换电路如图5所示，主程序流程如图6所示。

选用SRWF-508型无线数传模块作无线传输，该模块中心频率433 MHz，采用高效FEC前向纠错技术结合高性能的无线射频IC，并与高速微处理器相结合，具有抗干扰能力强、全透明传输、体积小、功耗低、传输距离远的特点，且使用时不需要任何编码技术。

为保证系统能在复杂电磁环境中正常工作，设计中采用了双重校验方式对数据的合法性进行检测，发生丢包时重新启动一次握手和数据传输，保证接收的数据正确。同时降低通讯速率，提高通讯稳定性。

前端测量单元采用锂电池（12.6 V4Ah）供电，通过DC/DC转换为±12 V（供放大电路）、5 V（供无线通讯模块）和3.3 V（供单片机）。电场信号采集电路采用浮地方式，即电场传感器的两个电极连到放大器的差分输入端，首先作阻抗变换，该电路的输出负端与模拟地相连，数字电路与模拟电路分别有独立的地线，再通过一个0欧姆电阻连接形成参考地，与外部大地无关。

使用单片机STM32对信号进行处理，实现传感器的线性修正及性能补偿，减少系统误差，提高测量精度和可靠性。同时，实现数据分析、处理与显示。单片机电路如图7所示，软件结构如图8所示。

3.2 系统调试

参考国标GB/T 12720-91《工频电场测量》的规定制作了一套标准电场发生装置，上下极板均为1.2 m×1.2 m的镀锌钢板，两块极板间距0.6 m。以此对电场传感器进行了标定。如图9所示。标定数据见表1（传感器置于46 cm处）。

数据可见，系统测量误差小。采集单元和接收单元在移动过程中，数据采集正常，数据传输正常。电场强度测量值几乎同时响应，基本没有延时。用JSJ-800TYPE超高压直流脉冲自卫器作为干扰源，在测量单元四周干扰，没有出现通讯异常，数据显示正常。

4 结语

基于无线传输的电场强度测量系统达到设计要求，其电场强度指标为测量范围0～100 kV/m;测量精度优于±10%。经某变电站试用证明该系统有很高的实用价值。可进一步完善系统设计，如考虑温度和湿度的变化对电场强度产生的影响、分布式电场强度测量等。

参考文献

[1] GB/T 12720-91工频电场测量[S].中国标准出版社，2007.

[2] GBZ 2007—2007工作场所有害因素职业接触限值[S].北京：人民卫生出版社，2007.

[3] 汪金刚，林伟，李健，等.电容式交变电场传感器与工频电场检测试验研究[J].传感器与微系统，2010，29（9）：21-23，26.

[4] 胡泽文.工频电场测量方法和传感器的研究[D].重庆：重庆大学硕士学位论文，2010.

[5] 李快快，张东.一种433MHz无线传感器网络的设计与应用[J].信息技术. 2014（1）：131-134.

[6] 陈国文.球形二维工频电场测量系统研究[D].北京：华北电力大学，2012： 8-12.

[7] 李群芳，黄建.单片微型计算机与接口技术[M].电子工业出版社，2001.74-83.

[8] 俞集辉，郑亚利，徐禄文，等.温度、湿度对工频电场强度的影响[J].重庆大学学报，自然科学版，2009（2）：137-140.

[9] 史毓尧.点电荷电场中导体球面上的感应电荷分布[J].河北师范大学学报，1986（S1）.

[10] 张星，白强.小型三维电场传感器设计与测试[J].电子与信息学报，2007（4）：1002-1004.

[11] 蒋国雄，张源斌.无源电场测量仪在工频电场测试中的应用[J].中国电力，1988，15（3）：56-58.

[12] 晋文杰.数字式工频电场、磁场校准系统的研究[D].西安：西安交通大学，2010.

[13] 罗福山，何渝晖，张华伟，等.电场的标定方法[J].空间科学学报，2007，27（3）：223-226.

[14] 李清泉，刘健，李彦明.基于光纤的测量瞬态电场的球形传感器[J].传感器技术，2002，21（3）：14-16.

[15] 潘琢金，施国君.C8051FXXX高速SOC单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[16] GB/T 12720—91.工频电场测量[S].GB/T 1272091.

可知，同样通过测量电容上的感应电压得到待测电场的电场强度。

设测量点三个方向的场强大小分别为Ex、Ey、Ez，则合成场强的大小为

（7）

2 无线传输

将探头（含采样转换单元）与显示/数据分析单元分离，仅留探头在待测电场内，可有效缩小探头尺寸，减小测量设备对待测电场的影响。探头采集的信号传输给显示单元可采用有线、无线等多种方式。

2.1 无线传输的优势

较之有线传输，信号的无线传输有明显的优势：

（1）有线传输使用的连接导线会引起待测电场分布的变化，而无线传输不会干扰待测电场;

（2）有线传输的测量距离受连接线的限制，而无线传输可获得更长的测量距离，更易保证测量人员的安全;

（3）多点同时测量时，有线传输布线复杂，而无线传输可灵活布点;

（4）无线传输的发送端和接收端完全电隔离，接收端的电位不会影响测试的电场强度信号。

2.2 无线传输实用技术

作为传感器使用的无线传输方式，其传输距离相对短（最大不过几十、上百米），传输的信号速率较低，带宽要求不高，因此考虑使用简单的无线通信系统来完成传输，以使整个系统简化，降低成本。

发射模块、接收模块和无线电波即构成一个简单的无线通信系统。目前主流的无线通信技术包括ZigBee和433技术等，该文选用433技术。原因在于433 MHz工作频段相对比较干净，没有太多干扰，而且433 MHz工作频率低，绕射性能好，传输距离长，传输时耗损小。433 MHz无线收发模块集成度高，技术成熟。

3 系统设计与调试

基于无线传输的电场强度测量系统的整体设计方案如图4所示。其中，前端（置于待测电场内）包括传感器、采样及转换电路、无线发射模块、电池等。

3.1 系统功能设计

根据实际测量环境选用1.1或1.2节涉及的传感器。采样电容信号直接通过电压跟随电路和滤波电路后，进入单片机A/D进行采集，记录一个周期（20 ms）内的感应电压信号。采样信号放大、低通滤波以及AC/DC转换电路如图5所示，主程序流程如图6所示。

选用SRWF-508型无线数传模块作无线传输，该模块中心频率433 MHz，采用高效FEC前向纠错技术结合高性能的无线射频IC，并与高速微处理器相结合，具有抗干扰能力强、全透明传输、体积小、功耗低、传输距离远的特点，且使用时不需要任何编码技术。

为保证系统能在复杂电磁环境中正常工作，设计中采用了双重校验方式对数据的合法性进行检测，发生丢包时重新启动一次握手和数据传输，保证接收的数据正确。同时降低通讯速率，提高通讯稳定性。

前端测量单元采用锂电池（12.6 V4Ah）供电，通过DC/DC转换为±12 V（供放大电路）、5 V（供无线通讯模块）和3.3 V（供单片机）。电场信号采集电路采用浮地方式，即电场传感器的两个电极连到放大器的差分输入端，首先作阻抗变换，该电路的输出负端与模拟地相连，数字电路与模拟电路分别有独立的地线，再通过一个0欧姆电阻连接形成参考地，与外部大地无关。

使用单片机STM32对信号进行处理，实现传感器的线性修正及性能补偿，减少系统误差，提高测量精度和可靠性。同时，实现数据分析、处理与显示。单片机电路如图7所示，软件结构如图8所示。

3.2 系统调试

参考国标GB/T 12720-91《工频电场测量》的规定制作了一套标准电场发生装置，上下极板均为1.2 m×1.2 m的镀锌钢板，两块极板间距0.6 m。以此对电场传感器进行了标定。如图9所示。标定数据见表1（传感器置于46 cm处）。

数据可见，系统测量误差小。采集单元和接收单元在移动过程中，数据采集正常，数据传输正常。电场强度测量值几乎同时响应，基本没有延时。用JSJ-800TYPE超高压直流脉冲自卫器作为干扰源，在测量单元四周干扰，没有出现通讯异常，数据显示正常。

4 结语

基于无线传输的电场强度测量系统达到设计要求，其电场强度指标为测量范围0～100 kV/m;测量精度优于±10%。经某变电站试用证明该系统有很高的实用价值。可进一步完善系统设计，如考虑温度和湿度的变化对电场强度产生的影响、分布式电场强度测量等。

参考文献

[1] GB/T 12720-91工频电场测量[S].中国标准出版社，2007.

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[14] 李清泉，刘健，李彦明.基于光纤的测量瞬态电场的球形传感器[J].传感器技术，2002，21（3）：14-16.

[15] 潘琢金，施国君.C8051FXXX高速SOC单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[16] GB/T 12720—91.工频电场测量[S].GB/T 1272091.

可知，同样通过测量电容上的感应电压得到待测电场的电场强度。

设测量点三个方向的场强大小分别为Ex、Ey、Ez，则合成场强的大小为

（7）

2 无线传输

将探头（含采样转换单元）与显示/数据分析单元分离，仅留探头在待测电场内，可有效缩小探头尺寸，减小测量设备对待测电场的影响。探头采集的信号传输给显示单元可采用有线、无线等多种方式。

2.1 无线传输的优势

较之有线传输，信号的无线传输有明显的优势：

（1）有线传输使用的连接导线会引起待测电场分布的变化，而无线传输不会干扰待测电场;

（2）有线传输的测量距离受连接线的限制，而无线传输可获得更长的测量距离，更易保证测量人员的安全;

（3）多点同时测量时，有线传输布线复杂，而无线传输可灵活布点;

（4）无线传输的发送端和接收端完全电隔离，接收端的电位不会影响测试的电场强度信号。

2.2 无线传输实用技术

作为传感器使用的无线传输方式，其传输距离相对短（最大不过几十、上百米），传输的信号速率较低，带宽要求不高，因此考虑使用简单的无线通信系统来完成传输，以使整个系统简化，降低成本。

发射模块、接收模块和无线电波即构成一个简单的无线通信系统。目前主流的无线通信技术包括ZigBee和433技术等，该文选用433技术。原因在于433 MHz工作频段相对比较干净，没有太多干扰，而且433 MHz工作频率低，绕射性能好，传输距离长，传输时耗损小。433 MHz无线收发模块集成度高，技术成熟。

3 系统设计与调试

基于无线传输的电场强度测量系统的整体设计方案如图4所示。其中，前端（置于待测电场内）包括传感器、采样及转换电路、无线发射模块、电池等。

3.1 系统功能设计

根据实际测量环境选用1.1或1.2节涉及的传感器。采样电容信号直接通过电压跟随电路和滤波电路后，进入单片机A/D进行采集，记录一个周期（20 ms）内的感应电压信号。采样信号放大、低通滤波以及AC/DC转换电路如图5所示，主程序流程如图6所示。

选用SRWF-508型无线数传模块作无线传输，该模块中心频率433 MHz，采用高效FEC前向纠错技术结合高性能的无线射频IC，并与高速微处理器相结合，具有抗干扰能力强、全透明传输、体积小、功耗低、传输距离远的特点，且使用时不需要任何编码技术。

为保证系统能在复杂电磁环境中正常工作，设计中采用了双重校验方式对数据的合法性进行检测，发生丢包时重新启动一次握手和数据传输，保证接收的数据正确。同时降低通讯速率，提高通讯稳定性。

前端测量单元采用锂电池（12.6 V4Ah）供电，通过DC/DC转换为±12 V（供放大电路）、5 V（供无线通讯模块）和3.3 V（供单片机）。电场信号采集电路采用浮地方式，即电场传感器的两个电极连到放大器的差分输入端，首先作阻抗变换，该电路的输出负端与模拟地相连，数字电路与模拟电路分别有独立的地线，再通过一个0欧姆电阻连接形成参考地，与外部大地无关。

使用单片机STM32对信号进行处理，实现传感器的线性修正及性能补偿，减少系统误差，提高测量精度和可靠性。同时，实现数据分析、处理与显示。单片机电路如图7所示，软件结构如图8所示。

3.2 系统调试

参考国标GB/T 12720-91《工频电场测量》的规定制作了一套标准电场发生装置，上下极板均为1.2 m×1.2 m的镀锌钢板，两块极板间距0.6 m。以此对电场传感器进行了标定。如图9所示。标定数据见表1（传感器置于46 cm处）。

数据可见，系统测量误差小。采集单元和接收单元在移动过程中，数据采集正常，数据传输正常。电场强度测量值几乎同时响应，基本没有延时。用JSJ-800TYPE超高压直流脉冲自卫器作为干扰源，在测量单元四周干扰，没有出现通讯异常，数据显示正常。

4 结语

基于无线传输的电场强度测量系统达到设计要求，其电场强度指标为测量范围0～100 kV/m;测量精度优于±10%。经某变电站试用证明该系统有很高的实用价值。可进一步完善系统设计，如考虑温度和湿度的变化对电场强度产生的影响、分布式电场强度测量等。

参考文献

[1] GB/T 12720-91工频电场测量[S].中国标准出版社，2007.

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[4] 胡泽文.工频电场测量方法和传感器的研究[D].重庆：重庆大学硕士学位论文，2010.

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[7] 李群芳，黄建.单片微型计算机与接口技术[M].电子工业出版社，2001.74-83.

[8] 俞集辉，郑亚利，徐禄文，等.温度、湿度对工频电场强度的影响[J].重庆大学学报，自然科学版，2009（2）：137-140.

[9] 史毓尧.点电荷电场中导体球面上的感应电荷分布[J].河北师范大学学报，1986（S1）.

[10] 张星，白强.小型三维电场传感器设计与测试[J].电子与信息学报，2007（4）：1002-1004.

[11] 蒋国雄，张源斌.无源电场测量仪在工频电场测试中的应用[J].中国电力，1988，15（3）：56-58.

[12] 晋文杰.数字式工频电场、磁场校准系统的研究[D].西安：西安交通大学，2010.

[13] 罗福山，何渝晖，张华伟，等.电场的标定方法[J].空间科学学报，2007，27（3）：223-226.

[14] 李清泉，刘健，李彦明.基于光纤的测量瞬态电场的球形传感器[J].传感器技术，2002，21（3）：14-16.

[15] 潘琢金，施国君.C8051FXXX高速SOC单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[16] GB/T 12720—91.工频电场测量[S].GB/T 1272091.