#应用# MEMS传感器在高电压试验中的应用

1、高电压试验对MEMS传感器的要求

　　在高电压试验现场，常出现冲击试验的闪络、工频耐压放电、局放、电晕和其他异常情况。监测上述现象，不仅关系判定试验结果；还影响人生和设奋安全。在实验室有高电压大电流的发生装置。人只能在控制室，覌测试品试验，不可能进入试验现场。MEMS传感器可用于高电压试验现场，监测冲击试验的闪络、工频耐压放电、局放、电晕和其他异常情况，准确判定试验结果；而且有效的保证设备安全。

高电压试验现场监测的技术参数

（1）紫外技术参数

响应波长：         　　　240～280nm

紫外光滤光技术：         全日盲100%滤掉太阳光

紫外光像增强技术:  　　　电晕光斑真实、无阴影

最小紫外光灵敏度：       3×10^-18W/cm²

电晕探测灵敏度：         2PC

紫外光增益:   　　　　　 增益可手动、自动调节

紫外光聚焦方式：         自动

紫外光聚焦距离：         0.5m～无穷远

（2）红外技术参数

分辨率：                  384×288

输出制式：                 NTSC

工作波段：                 8μm～14μm

测温范围：                 -20℃～300℃(可扩展至2000℃)

测温精度：                 ±2%

温度分辨率：              ≤0.06℃(在30℃)

空间分辨率：              1.3mrad

焦距范围：                 0.5m～∞

场频：                     50Hz/60Hz

光圈，焦距：              电动

数字输出：                 14位

（3）可见光技术参数

可见光灵敏度:            ≤0.1 Lux

可见光视频制式：         PAL

可见光聚焦方式：         自动

可见光聚焦距离：         0. 5m～无穷远

可见光曝光控制：         自动 

可见光增益控制：         自动 

2　 红外传感器在高电压试验中应用

 红外传感器(如图1)根据探测机理可分成为:光子探测器(基于光电效应)和热探测器(基于热效应)。

                     图1
　红外传感器是　FLIR红外热像仪(如图2)的关键部件。为

　　               　图2。

FLIR红外热像仪的结构如图3。

                图3 　　

　　红外传感器式FLIR红外热像仪热成像工作原理：通过以太网与机器人主控电脑连接，主控制器通过网络对红外热成像、高清相机和云台运动进行控制。热成像输出CVBS模拟视频(如图5)和高清相机数字视频通过视频压缩板进行H264编码压缩，再传输到主控电脑。热成像测温数据通过以太网接穿透视频压缩板直达主控制器，向主控制器提供每秒多帧的全屏测温数据、最高最低温信息，同时也根据被测温设备特性从主控制获取辐射率、距离、区域信息等，结合机器人的精确预置位能力，可以有效保证测温的准确性和多次测温数据的数据可对比性。

　　红外传感器式热成像数据与其他传感器采集而来的数据互相整合兼容尤为关键；“FLIR的数据可以与试验系统软件实现有效兼容，这是成功的关键因素。”FLIR红外热像仪被安装于试验系统上、轨道上、固定支架上，与高清可见相机、高灵敏音频采集设备、WiFi等设备完美协同动作，以±2℃或2%读数的精确测温结果保障每处电力设备现象+进行移动检测和缺陷诊断分析，及时发现设备潜在缺陷并发出预警的安全运作。

　　　　　图4 

除此以外，安装FLIR热像仪，还可以提高系统的安全可靠性。FLIR热像仪将日常巡视、夜间红外巡视、重点设备巡视和特殊巡视相结合，利用多传感信息融合定位技术，结合电子地图与路径规划完成整个机器人运动导航，准确获取设备状态和表计信息，提高视频分析的精度和可靠性。

红外传感器式FLIR红外热像仪在高电压试验的工作过程(如图5)：

　　　　图5

   高电压试验大厅试验信息，传送到控制室智能终端，再到传送检测中心智能终端，最后将其结果显示在子屏上。

3、MEMS传感器在高电压试验中的抗干扰综合措施

在高电压试验室，强弱电设备及仪器在邻近的条件下工作，存在着严重的“电磁兼容”(electro- magnetic compatibility，EMC)问题。

    电磁干扰源：3.1) 由于测量用的射频同轴电缆外皮中通过瞬态电流引起的干扰；

              3.2)间隙放电時产生的空间电磁辐射；

              3.3)弱电仪器电源线引入的干扰。

      针对上述三大电磁干扰源的抗干扰综合措施可用图7来表示。

                图6   

D—分压器；Cab—双屏蔽电缆；E—集中接地极；W—金属板接地；S—屏蔽室；M—测量仪器；F—滤波器；T—1比1绝缘隔离变压器；HV—高电压

   弱电仪器建一个小屏蔽室或屏蔽盒。它们用金属板焊成，或网双层屏蔽网构成。

4   其他MEMS传感器在高电压试验中应用的选用見附录。

附录： 　MEMS传感器选用指南

在万物互联的时代，传感器是其中最关键的组件之一。
 
　　按照一般的划分，物联网在结构上分为感知层、网络层和应用层三个部分。其中感知层作为网络层传输的数据源头、应用层计算的数据基础，更是起到了至关重要的作用。而构成感知层的重要组件就是各种各样的传感器。
 
　　按照不同的划分方式，传感器可以被分为不同的类别。例如按照被测的非电物理量划分，可以分为压力传感器和温度传感器等。
 
　　按照将非电物理量转换为电物理量时的工作方式划分，可以分为能量转换型(工作时不需要额外的能量接入)和能量控制型(工作时需要额外的能量接入)等。此外还可以按照制造工艺，分为陶瓷传感器和集成传感器等。
 
　　我们从各种不同的被测非电物理量入手，盘点那些在物联网领域常见的传感器。
 
　　距离传感器图片
 
　　距离传感器根据测距时发出的脉冲信号不同，可以分为光学和超声波两种。二者的原理类似，都是通过向被测物体发送脉冲信号，接收反射，然后根据时差、角度差和脉冲速度计算出被测物体的距离。
 
　　距离传感器被广泛应用于手机和各种智能灯具中，产品可以根据用户在使用过程中的不同距离产生不同的变化。
 
　　光传感器

 
　　光传感器的工作原理就是利用光电效应，通过光敏材料将环境光线的强弱转换为电量信号。根据不同材质的光敏材料，光传感器又会有各种不同的划分和敏感度。
 
　　光传感器主要应用在电子产品的环境光强监测上。数据显示在一般的电子产品中，显示器的电量消耗高达总电量消耗的3成以上，因此随着环境光强的变化改变显示屏的亮度就成了最关键的节能手段。另外也能智能的让显示效果更加柔和舒适。
 
　　温度传感器
 
　　温度传感器从使用的角度大致可以分为接触式和非接触式两类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，来通过温敏元件感知被测物体温度的变化，而后者是使温度传感器与待测物体保持一定的距离，检测从待测物体放射出的红外线强弱，从而计算出温度的高低。
 
　　温度传感器的主要应用在智能保温和环境温度检测等和温度紧密相关的领域。
 
　　烟雾传感器

 
　　烟雾传感器根据探测原理的不同，常用的有化学探测和光学探测两种。
 
　　前者利用了放射性镅241元素，在电离状态下产生的正、负离子在电场作用下定向运动产生稳定的电压和电流。一旦有烟雾进入传感器，影响了正、负离子的正常运动，使电压和电流产生了相应变化，通过计算就能判断烟雾的强弱。
 
　　后者通过光敏材料，正常情况下光线能完全照射在光敏材料上，产生稳定的电压和电流。而一旦有烟雾进入传感器，则会影响光线的正常照射，从而产生波动的电压和电流，通过计算也能判断出烟雾的强弱。
 
　　烟雾传感器主要应用在火情报警和安全探测等领域。
 　　角速度传感器

 
　　角速度传感器有时也称陀螺仪，它基于角动量守恒的原理设计。一般的角速度传感器由一个位于轴心且可旋转的转子构成，通过转子的旋转和角动量的改变反应物体的运动方向和相对位置信息。
 
　　单轴的角速度传感器只能测量单一方向的改变，因此一般的系统要测量 X、Y、Z 轴三个方向的改变，就需要三个单轴的角速度传感器。目前通用的一个 3 轴角速度传感器就能替代三个单轴的，而且还有体积小、重量轻、结构简单、可靠性好等诸多优点，因此各种形态的 3 轴角速度传感器是目前主要的发展趋势。
 
　　最常见的角速度传感器使用场景就是手机，如极品飞车等著名手游主要就是通过角速度传感器的作用产生汽车左右摇摆的交互模式。除了手机，角速度传感器目前还被广泛应用在导航定位以及 AR/VR 等领域。
 
　　除了上述提到的传感器，物联网中常见的还有气压传感器、加速度传感器、湿度传感器、指纹传感器以及指纹传感器等。它们的工作原理虽然各有不同，但最基本的原理都是上述提到的，即通过光、声、材料以及化学原理将待测量转化为电学量，只不过大多都根据特定的领域在一般原理的基础上做了特定的升级和扩展。
 
　　自从工业时代被发明以来，传感器就在生产控制和探测计量等领域发挥着至关重要的作用。正如人的眼睛和耳朵一样，作为物联网中一个从外界接收信息的载体，重要的感知层前端，传感器未来将随着物联网的普及迎来一个高速的发展期。