第３０卷第３期 华东交通大学学报 Ｖ０ｌ＿３０ Ｎｏ．３ ２０１３年６月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｊｕｎ．，２０１３ 文章编号：１００５．０５２３（２０１３）０３．００９６．０５ 互相关技术在钳口法接地电阻检测中的应用 余为清 （华东交通大学载运工具与装备省部共建教育部重点实验室，江西南昌３３００１３） 摘要：论述了钳口法接地电阻检测的工作原理。通过对信号互相关的分析，重点对带有噪声的微弱感应电流信号的提取方 法进行了分析。给出了以ＡＤ６３０锁相器为核心的信号处理模块，利用ＤＤＦＳ芯片ＭＬ２０３５信号作为参考信号，实现了对接地 回路感生电流信号的锁相放大，通过实验标定的方式，确定出接地电阻计算的系数，该方法能够有效地抑制噪声，提高接地 电阻的测量精度，简化了信号提取电路，同时由于输出信号为直流，降低了信号采样的难度。 关键词：接地电阻；互相关；锁相放大；ＡＤ６３０ ． 中图分类号：ＴＭ９３４．１５ 文献标志码：Ａ 建筑物防雷网通过引线引人大地，防雷网与大地之间的接地电阻，直接关系到防雷的效果，为此，应定 期对接地电阻进行检测。钳口法作为一种新型的免地桩接地电阻检测方法，具有施工简便，测试效率高等 突出优点，在日常巡检或对重点单位接地电阻连续在线监测方面有着广泛的应用，检测结果可以作为数据 参考，以及时发现接地问题，报告气象部门进行精确检定。钳口法是利用互感原理而工作的，仪器回检的 信号非常微弱，且伴随大量的噪声信号，如何有效提取有用的感应信号，抑制噪声是提高钳口法检测精度 所面临的主要问题，目前，异频法通过信号放大、滤波、频谱分析及复阻抗计算等方法可以有效削弱工频的 干扰。提高接地电阻测量仪的抗干扰性，为了避开某些固定频率的干扰，部分接地电阻检测仪具备自动变 频能力 。 １钳口法接地电阻检测原理 钳口法测量接地电阻是基于法拉第电磁感应原理工作的。钳口法适用于检测有多条接地线的建筑物 防雷接地电阻。检测原理如图１。钳口法一般 采用电压钳口与电流钳口的双钳结构，电压钳 口将激励信号耦合到接地网，电流钳口对回路 中的电流进行检测一。常见工频测量接地电阻 的方法，由于接地网中，除有较大的功率零序电 流外还有较大的谐波电流，传统的工频测量难 以消除 ］。 图１中，尺，为除被检测接地线外，其他接 地线接地电阻的并联值， 为待测接地电阻； Ⅳｎ为绕在电压互感钳口内的线圈匝数；Ｎｉ为 图１钳口法测量原理图 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｌａｍｐｉｎｇ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ 绕在电流钳口内的接收线圈匝数。电压互感器 收稿日期：２０１３．０３．１０ 作者简介：余为清（１９７９一），讲师，硕士。研究方向为智能仪器仪表，机电一体化，设备故障诊断技术。 第３期 余为清：互相关技术在钳口法接地电阻检测中的应用 ９７ 在被测接地回路内发生一个频率一定交流电压Ｅ Ｅ＝ｅ／（Ｎ，ｋ１） （１） 式中：ｅ为电压互感器激励电压，七１是由于磁场泄露等造成的损失系数。 闭合回路内将产生感应电流 ＝ ＋ ：） （２） （３） 该电流同时形成同频感应磁场，电流互感器上感应到该磁场后，产生感应电流ｉ ｉ＝Ｉ／（Ｎ￣ｋ２） 式中： 为电流互感器的线圈匝数， 为由于磁场泄露造成的损失系数。当电压互感器及电流互感器的 物理结构固定后， １， 为常数，可由实验法测量得到。由于Ｒ ＜＜Ｒ ，可以认为 为０，则建筑物的接地 电阻为 Ｒ ：面ｅ／（Ｎ，ｋＤ （４） 可以看到，电压互感器的激励电压ｅ可以被ＡＩＤ变换器直接采样测量，但感应电流ｉ十分微弱，且往往 是伴随大量的噪声的周期信号，为此必须对感应电流信号进行分离噪声的处理。 ３信号的互相关分析 对于伴有噪声的周期信号 ］ ＝ （Ｄ＋Ⅳ（Ｄ＝ ｓｉｎ ｆ＋ ＋Ⅳｏ） 其中： （ｆ）为有用信号；其幅值为Ａ；角频率为ＣＯ；初相角 ；Ｎ 为随机噪声。为 谐信号Ｙｑ）作为参考 ｙ（ｆ）＝ ｓｉｎｏＪ（ｔ＋ 提供一个同频的简 其中： 为同频简谐信号幅值；ｆ是时间延迟，则两者的互相关函数为 ｘｙ（ ＝舰手 硎 ＋ 出＝竽ｃ。ｓ（ｃｏｔ＋ ）＋ＲＮＹ（ｆ） 尺ＮＹ 是Ⅳ ）与】， 的互相关函数。由于ｙ（ｆ）与Ⅳ 互不相关（不同频情况下），所以尺Ｎｙ一项为零， 这样 Ｒｘｙ（Ｖ）＝ 亍１ Ｊ０Ｔ （ｆ）】，（ｆ＋ｒ）ｄｔ＝竽ｃ。ｓ ｆ＋ （５） 由此可见，两个均值为０，且具有相同频率的周期信号，其互相关函数中反映了各自的幅值信息和相位 信息 ，而噪声对互相关的输出没有贡献，可以大幅度的削弱噪声的影响。由电磁感应定律可知，电压钳口 的激励电压ｅ与电流钳口的检测电流ｉ具有同频的性质，可以通过信号的互相关运算，抑制噪声，提取有用 信号。 ４互相关分析的硬件实现 对于存在噪声的非周期信号，一般采用带宽压缩法抑制噪声，对于存在噪声的周期信号，采用频域窄 带化处理的方法更为有效 ｛ 。利用集成锁相放大器芯片ＡＤ６３０可以实现频域窄带化处理，实质就是一个 高品质因素的滤波器。 锁相放大器实际就是一个模拟的傅立叶变换 器，相敏检波器是锁相放大器的核心，由相敏检波 器完成互相关运算中的相乘运算。 号为 ＝Ｅｃ ｓｉｎ（２ｎｆ２ｔ＋￣ｂ２），那么 设输入信号为 ＝ 。ｓｉｎ（２￣ｌ，＋ Ｄ，参考信 ｆ图２互相关运算乘法电路 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｃｒｏｓｓ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ９８ 华东交通大学学报 Ｕｏｔｔ ＝竽ｃｏｓ －／２） １ 卜警ｃｏｓ［２兀∽ 为倍频信号，可以通过低通滤波器将倍频信号滤除。 接地电阻检测仪信号处理简图如图３。 为避开工频干扰，ＭＬ２０３５ ＤＤＦＳ芯片产生异于工 ］ （６） 相敏检波器的输出包含着两个信号的和频与差频分量，当 与 同频时，这时候差频分量为０，该项 变成了相敏直流分量输出，当两信号相位差为０时有最大输出，当两个信号正交时，输出为０；和频分量成 频及其高次谐波的正弦信号，信号频率为６３ Ｈｚ。该信 号一路经过ＡＰ功率放大后，驱动电压钳口，电流钳口 的回检电流经过Ｉ／Ｖ变换后，经过ＬＰＦ１低通滤波器后 进入ＡＤ６３０，ｌ厂、，变换系数为庇 ，。由ＭＬ２０３５取出的 信号经过移相器后，作为ＡＤ６３０的参考信号，ＡＤ６３０的 输出信号经过低通滤波器ＬＰＦ２后为直流信号，方便了 微控制器的采样处理，由于ＭＬ２０３５工作在稳压模式 下，可以稳定输出５ Ｖ的正弦信号，能够保证参考信号 的稳定。 图３接地电阻检测仪信号处理简图 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ 由电磁感应定律知，电流钳口能够感应出与ＭＬ２０３５发出信号同频的电流信号。ＡＤ６３０的两个输入信 号具有同频的特点，为防止由于电路中存在的电容、电感的影响导致两信号产生正交，设置一个移相器，对 ＭＬ２０３５提供的参考信号相位进行调整。 ５接地电阻检测仪的标定 由信号处理简图知 ｅ＝ｋ３ ＿ＭＬ２０３５ （７） （８） 其中：船是功率放大器的放大倍数，可以被测量； Ｌ２ｏ３ 为ＭＬ２０３５输出电压。 ＝七Ｉ，ｖｉ 以模拟接地回路中串接标准电阻的方法，调整移相器，使得ＡＤ６３０的输出最大，此时输人ＡＤ６３０的两 路信号相位差为零，ＡＤ６３０的输出电压为 ，ｄ，可以送微控制器进行采样。 根据式（４）（６）（７）（８）可得： 己，ＭＬ２０３５ ２Ｕａ／ｄＵｉ ｋｌＲ 己，ＭＬ２０３５后ＩⅣ 则接地电阻为 Ｄ ｋ３ ：一Ｌ２０３５ ｋｉ／ｖｋ２ ２Ｕａ／ｄＵｉＮｇｋｌ 简记 Ｒ ＝Ｋ／ＵＡ／Ｄ （９） 式中： 为待定系数，通过标准电阻，以实验法对该系数进行标定。标定完成后，通过测量 ， 值，即可计 算出待测接地电阻Ｒ 。为进一步提高检测精度，可以加入温度补偿。考虑到不同材料的接地线，具有不 同的电阻温度系数，而温度的影响对接地电阻检测结果影响并不大，为简化硬件及软件设计，未做温度补 偿。 利用互相关法在实验室条件下对仪器进行检测。测试设备：ＦＬＵＣＫ１７Ｂ万用表、精密电阻电桥测量 仪、精密电阻、电磁藕荷线圈及信号发生器。实验方法：利用导线串人待测电阻，模拟接地回路。由电磁耦 合线圈对回路施加干扰，第一次加入干扰频率５０Ｈｚ，第二次１５０Ｈｚ，第三次３０００Ｈｚ。测试结果如表１所示。 第３期 余为清：互相关技术在钳口法接地电阻检测中的应用 表１实验室条件下电阻测试结果 Ｔａｂ．２ Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｋｓ ｏｆ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｕｎｄｅｒ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｃｏｎｄｉｉｏｎｓ ｔ对某一建筑物六根接地线的接地电阻检测结果对比见表２。 表２接地电阻检测结果 Ｔａｂ．２ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｅｓｔｉｎｇ Ｑ 从检测结果看，采用互相关处理后，接地电阻检测结果与摇表法的测量值很接近，具有较高的检测精 度，能够满足接地电阻巡检精度要求。 ６结束语 论述了钳口法接地电阻测量以及信号互相关处理的的原理。以锁相放大芯片ＡＤ６３０为核心设计了接 地电阻检测仪的信号处理电路，能够从复杂噪声环境下，有效提取接地回路的感应电流信号，提高了测量 的准确度。在仪器标定过程中，以纯电阻代替接地电阻，而实际接地网络的电感及电容，会导致信号相位 产生一定程度的改变，对检测结果产生影响，需要进一步研究。 参考文献 ［１］余为清．地网测量仪用数字变频电源设计［Ｊ］．华东交通大学学报，２０１３，３０（１）：７３．７４． 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ｌｏｏｐ ｉｎｄｕｃｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｉｎａｌ，ｒｇｅｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ａｎｄ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｉｃｉｆｅｎｔ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔｒｕｃ— ｔｕｒｅ ｉｓ ｓｉｍｐｌｉｉｆｅｄ ａｎｄ ｈｅ ｔｓｉｎａｌｇ ｃａｎ ｂｅ ｇｏｔ ｅａｓｉｌｙ ｓｉｎｃｅ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｓｉｇｎａｌ ｉｓ ＤＣ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｍｕｔｕａｌ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ；ｌｏｃｋ－ｉｎ ａｍｐｌｉｉｃａｔｆｉｏｎ；ＡＤ６３０ （上接第９５页） ［２１］ＧＬＥＮＮ ＢＥＡＣＨ，ＣＨＲＩＳ ＬＯＭＯＮＴ，ＣＨＡＲＬＥＳ ＣＯＨＥＮ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（ＱＵＩＰ）［Ｃ ３／／３２ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｉｍａｇｅｒｙ ＰａＲｅｒｎ Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：ＩＥＥＥ Ｐｒｅｓｓ，２００３：３９—４４． ［２２］周日贵，张满群，吴茜，施洋．新ＢＣＤ｝Ｊｌ法器及其可逆逻辑实现［Ｊ］．华东交通大学学报，２０１１，２８（４）：１－６． Ｑｕａｎｔｕｍ Ｇｒａｙ－Ｓｃａｌｅ Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｐｏｉｎｔｅｒ Ａｉ Ｊｉｎｇｅｎ ，Ｚｈｏｕ Ｒｉｇｕｉ （１．Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｊｉｎｇｘｉａ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００４６，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙ，ｔＮａｎｃｈａｎｇ ３３００１３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｑｕａｎｔｕｍ ｒａｙ—ｓｃａｌｇｅ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｔｈｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｉｎ ｑｕａｎｔｕｍ ｓｔａｔｅｓ ｉｓ ｔｈｅ ｃｏｌｏｒ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｙ ｇｓｃａｌｅ ｉｎ ａ ｒａｙ‘ｓｃａｌｇｅ ｉｍａｇｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａｎｄ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ａ ｎｏｖｅｌ ｓｔｏｒａｇｅ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｕａｑｎｔｕｍ ｇｒａｙ—ｓｃａｌｅ ｉｍａｇｅ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ，ａ ｎｅｗ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆ“ｑｕａｎｔｕｍ ｐｏｉｎｔｅｒ”ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ｑｕａｎｔｕｍ ｐｏｉｎｔｅｒ ｉｓ ｔｈｅ ｖｉｎｃｕｌｕｍ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｒａｙ．ｇｓｃａｌｅ ａｎｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｅａｃｈ ｐｉｘｅｌ ｉｎ ｑｕａｎｔｕｍ ｇｒａｙ－ｓｃａｌｅ ｉｍａｇｅｓ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｖｅｒｉｆｉｅｓ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｑｕａｎｔｕｍ ｐｏｉｎｔｅｒ ａｎｄ ｆｉｎｄｓ ｉｔ ｍａｄｅ ｔｈｅ ｓｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｕａｎｔｑｕｍ ｒａｙ—ｓｃａｌｇｅ ｉｍａｇｅ ｓｉｍｐｌｅｒ ｎｄ ａｍｏｒｅ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｂｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｕｂ・ｂｌｏｃｋ・ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｑｕａｎｔｕｍ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ｑｕａｎｔｕｍ ｇｒａｙ。ｓｃａｌｅ ｉｍａｇｅ；ｑｕａｎｔｕｍ ｐｏｉｎｔｅｒ；ｑｕａｎｔｕｍ ｇｒａｙ ｓｃａｌｅ ｍａｇｅ ｓｔｏｒｉｎｇ