阅读说明：本技术 一种物体表面带电非接触式检测装置及方法 (Charged non-contact detection device and method for object surface ) 是由 李炳要 余梅梅 黄令忠 侯玉 李涛 戴斌 李昀珊 张志闻 刘启彬 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种物体表面带电非接触式检测装置以及方法,其包括：透明壳体；设置于所述壳体中的电场传感器、以及和所述电场传感器连接的信号调理电路、控制处理单元、显示单元和电源单元；所述透明壳体与其内部各部件之间灌封有透明环氧树脂,所述控制处理单元进一步连接有报警蜂鸣器和红外感应器。实施本发明,其在实际使用过程中能够准确识别物体、尤其金属平面表面的带电状态,为生产生活的安全展开提供了保障手段。(The invention provides a charged non-contact detection device and method for the surface of an object, which comprises the following steps: a transparent housing; the electric field sensor is arranged in the shell, and the signal conditioning circuit, the control processing unit, the display unit and the power supply unit are connected with the electric field sensor; transparent epoxy resin is filled and sealed between the transparent shell and each part in the transparent shell, and the control processing unit is further connected with an alarm buzzer and an infrared inductor. By implementing the invention, the charged state of an object, particularly a metal plane surface can be accurately identified in the actual use process, and a guarantee means is provided for the safe development of production and life.)

一种物体表面带电非接触式检测装置及方法

技术领域

本发明涉及电力安全技术领域，尤其涉及一种物体表面带电非接触式监测装置及方法。

背景技术

物体表面带电存在着巨大的安全隐患，在生产生活中引发的事故常见报道，通常用电笔依靠人体直接接触测量，但在现有技术中还没有一种成熟、简单、可靠的识别办法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种物体表面带电非接触式监测装置及方法，以实现物体表面带电状态指示，给设备的安全运行，同时保证操作者人身安全提供警示和保证作用。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种物体表面带电非接触式监测装置，其特征在于，包括:

透明壳体；

设置于所述壳体中的非接触式电场传感器、以及和所述电场传感器连接的信号调理电路、控制处理单元、显示单元和电源单元；其中，所述电场传感器用于感应物体表面的工频电场的大小，所述信号调理电路主要功能在于对传感器的输出信号进行放大；所述控制处理单元用于对信号调理电路输出的放大信息进行进行分析处理；显示单元用于显示物体表面的带电状态以及进行低电量指示，电源单元为整个装置提供工作电源；

所述透明壳体与其内部各部件之间灌封有透明环氧树脂；

其中，所述控制处理单元进一步连接有报警蜂鸣器和红外感应器。

优选地，所述物体表面电场传感器由两片空间正交的印制PCB组成，PCB材质为FR4，介电常数约4.2，板厚1.6mm，其中一片在顶层印制回形导线，导线宽度1mm，回转半径3mm，总长2450mm，另一片印制同样回形导线，与第一片错开放置，在导线末端具备匹配电路，其中电阻大小为1M，电容大小为nF，两片PCB组成一个电场谐振腔，在工频电磁场激励下在输出端产生一个正比于激励源的电压。

优选地，所述信号调理电路包括：

第一谐振电路，由并联的电阻R6、电容C3组成，其设置于电场传感器的一端；

第二谐振电路，由电阻R7、电容C4组成，其设置于电场传感器的另一端；

第一级放大器，与所述第一谐振电路和第二谐振电路相关联，其由电阻R3、电阻R9、电阻R2、电阻R10、电容C4和比较器U12B组成，用于将传感器的输出的电场信号进行放大；

第二级放大器，连接在所述第一级放大器后端，其由电容C5、电阻R1、电阻R42、电阻R52、电容C6、电阻R5以及比较器U12A组成；

其中，所述比较器U12B和比较器U12A的型号均为OPA2379AID。

优选地，所述控制处理单元由电容C1、电容C9、电阻R11、处理芯片U1和第二芯片J1组成，所述处理芯片U1的型号为PIC16F1518-E/SS，其第三脚输入电场放大后的信号UAD1，第4脚输入红外信号，第23脚输出报警控制信号给光闸。

优选地，所述显示器包括报警指示器和低电量指示器，所述报警指示器和低电量指示器采用LCD显示屏，所述LCD显示屏由液晶光闸组成，用于降低报警指示功耗。

优选地，所述红外感应器用于识别出30～100Hz特征红外信号，并启动蜂鸣器报警。

优选地，所述电源单元由电池及电量检测电路组成，电池输出电压3.6V，电量为0.5Ah，当电池电量即输出电压小于阈值时，电量检测电路输出一信号控制LCD显示屏进行显示。

相应地，本发明还提供一种物体表面带电检测方法，其采用前述的装置完成，所述方法包括如下步骤：

步骤S1，进行有效值计算，其中，采样点数32，基准电压2.5V；

步骤S2，进行信号频率计算，根据信号的多次过零点计算输入信号的频率；

步骤S3，根据信号的有效值及频率判断此信号是否是工频信号；

步骤S4，根据判断结果确认是否输出LCD闪烁控制信号；如果判断结果为是，则确定信号表面带电，并输出LCD闪烁控制信号，控制LCD显示屏进行闪烁。

优选地，进一步包括：

步骤S5，如果红外感应器识别到30～100Hz特征红外信号，则确定有人走近，并启动蜂鸣器报警，并输出LCD闪烁控制信号，控制LCD显示屏进行闪烁。

实施本发明实施例，其有益效果在于：

通过在一个透明壳体中设置电场传感器、以及和所述电场传感器连接的信号调理电路、控制处理单元、显示单元和电源单元，可以实现了物体表面带电状态的准确指示，为设备及操作者的安全提供了警示及保证作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种物体表面带电非接触式监测装置的电路框架架构示意图；

图2为图1中信号调理电路的电路原理图；

图3为图1中控制处理单元的电路原理图；

图4为图1中涉及的接口电路的电路原理图；

图5为电场传感器中的一个PCB板中的导线走线结构示意图；

图6为为本发明提供的一种物体表面带电非接触式监测方法的主流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。

请参照图1所示，示出了本发明提供的一种物体表面带电非接触式监测装置的电路框架架构示意图；一并结合图2至图5所示，在本实施例中，所述物体表面带电监测装置包括:

透明壳体；

设置于所述壳体中的电场传感器10、以及和所述电场传感器10连接的信号调理电路11、控制处理单元12、显示单元14和电源单元13；其中，所述电场传感器10用于感应物体表面的电场的大小，尤其指工频电场，所述信号调理电路11主要功能在于对传感器的输出信号进行放大；所述控制处理单元12用于对信号调理电路11输出的放大信息进行分析处理，输出一个用于驱动显示单元14的驱动信号；显示单元14用于显示物体表面的带电状态以及进行低电量指示，电源单元13为整个装置提供工作电源，同时监测自身的电压，当高于阈值发出报警信息；

其中，所述控制处理单元12进一步连接有报警蜂鸣器15和红外感应器15。

所述透明壳体与其内部各部件之间灌封有透明环氧树脂；

如图2所示，示出了一片PCB板中感应线路的示意图。所述电场传感器用于感应物体表面的电场的大小，电场传感器包括两片空间正交的PCB板，所述两片PCB板上相对的面上印制有感应线路。在一个实际的例子中，物体表面电场传感器由两片空间正交的印制PCB组成，PCB材质为FR4，介电常数约4.2，板厚1.6mm，其中一片在顶层印制回形导线，导线宽度1mm，回转半径3mm，总长2450mm，另一片印制同样回形导线，与第一片错开放置，在导线末端具备匹配电路，其中电阻大小为1M，电容大小为nF，两片PCB组成一个电场谐振腔，在工频电磁场激励下在输出端产生一个正比于激励源的电压。

在一个具体地的例子中，电场传感器、信号调理电路、控制处理单元、显示单元、电源安装与50*45*5mm的透明壳体内，内部用透明环氧树脂灌封，防护等级优于IP67，适应各种不同的使用环境。

如图3至图5所示，示出了一种物体表面带电非接触式检测装置的电路原理图。具体地，

所述信号调理电路包括：

第一谐振电路，由并联的电阻R6、电容C3组成，其设置于电场传感器的一端；

第二谐振电路，由电阻R7、电容C4组成，其设置于电场传感器的另一端；

第一级放大器，与所述第一谐振电路和第二谐振电路相关联，其由电阻R3、电阻R9、电阻R2、电阻R10、电容C4和比较器U12B组成，其中放大器截止频率为5Hz，增益为2500，用于将传感器的输出的电场信号进行放大；其中，U12B的型号为OPA2379AID；

第二级放大器，连接在所述第一级放大器后端，其由电容C5、电阻R1、电阻R42、电阻R52、电容C6、电阻R5以及比较器U12A组成，其增益为2，用于将信号总的放大倍数为5000；其中，U12A的型号为OPA2379AID；

其中，控制处理单元由电容C1、电容C9、电阻R11、处理芯片U1和J1组成，所述处理芯片U1的型号为PIC16F1518-E/SS，其第三脚输入电场放大后的信号UAD1，第4脚输入红外信号，第23脚输出报警控制信号给光闸。

电源电路由电池及电量检测电路组成，电池输出电压3.6V，电量为0.5Ah，当电池电量即输出电压小于阈值时，电量检测电路输出一信号控制LCD指示。

进一步所述显示器包括报警指示器和低电量指示器，所述报警指示器和低电量指示器采用LCD显示屏，所述LCD显示屏由液晶光闸组成，用于降低报警指示功耗。进一步地，其中报警指示器用于指示物体表面带电状态，低电量指示器用于指示电池电量，工作电压3.3v，控制信号的频率为5Hz。

进一步参考图5中的接口电路，其中，P1为电池接口，P2为带电报警光闸接口，其中U2为电池电量监测芯片，P3为电池电量报警光闸接口，P4为红外感应器接口。

相应地，如图6所示，其为本发明提供的一种物体表面带电检测方法的主流程示意图。在本实施例中，物体表面带电非接触式检测方法采用如所述图1至图5示出的装置完成，所述方法包括如下步骤：

步骤S1，进行有效值计算，其中，采样点数32，基准电压2.5V；

步骤S2，进行信号频率计算，根据信号的多次过零点计算输入信号的频率；

步骤S3，根据信号的有效值及频率判断此信号是否是工频信号；

步骤S4，根据判断结果确认是否输出LCD闪烁控制信号；如果判断结果为是，则确定信号表面带电，并输出LCD闪烁控制信号，控制LCD显示屏进行闪烁。

在一些具体的例子中，进一步包括：

步骤S5，如果红外感应器识别到30～100Hz特征红外信号，则确定有人走近，并启动蜂鸣器报警，并输出LCD闪烁控制信号，控制LCD显示屏进行闪烁。

实施本发明实施例，其有益效果在于：

通过在一个透明壳体中设置非接触式电场传感器、以及和所述电场传感器连接的信号调理电路、控制处理单元、显示单元和电源单元，可以实现了物体表面带电状态的准确指示，为设备及操作者的安全提供了警示及保证作用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。