實(shí)現(xiàn)電壓非接觸穩(wěn)定測量

　　在復(fù)合材料特性檢測、電路電氣特性檢測、人體心電檢測、核磁共振等方面需要對物體表面電壓進(jìn)行精確測量。傳統(tǒng)上電壓的檢測都需要與物體直接接觸，通過傳導(dǎo)電流來完成。該種電壓測量方法無法測量空中電壓的變化，即使測量物體表面電壓，這種接觸測量方式也有許多缺點(diǎn)。例如，接觸測量心電信號時，電極需要利用導(dǎo)電膏與皮膚直接接觸，容易引起皮膚過敏，造成皮膚不適;接觸測量電路時延特性時，由于測量電路的接人，改變了原有電路的傳輸特性，從而改變了時延，使測量不準(zhǔn)確。接觸測量物體表面的電壓不僅操作麻煩而且有一定的危險(xiǎn)性。為了克服接觸電壓測量的這些缺點(diǎn)，滿足對物體表面電壓非接觸測量的需要，文中設(shè)計(jì)了一種新型便攜式電壓檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于電容耦合原理，前端前置電路通過運(yùn)用保護(hù)、自舉、有源屏蔽等反饋技術(shù)，有效地提高了其輸入阻抗，從而使該系統(tǒng)對物體表面電壓測量時相當(dāng)于一個理想的電壓表，不需要與物體表面直接電氣接觸，利用位移電流即可完成電壓的有效測量。

　　1非接觸電壓測量原理

　　非接觸電壓測量的原理類似于磁力儀測量磁場，不需要直接電氣連接，通過電容耦合，利用位移電流來測量物體表面或自由空間的電壓。將傳感器電極放在電場中，感應(yīng)電極與信號源之間將形成耦合電容，通過耦合電容信號源經(jīng)過測量系統(tǒng)與地之間將構(gòu)成一個分壓電路，如圖1所示。

　　圖1非接觸電壓鍘量原理圖

　　設(shè)信號源的電壓為Vs由分壓公式可得，在運(yùn)放輸入端的電壓可表示為：

　　如果傳感器前置放大電路的放大倍數(shù)為Av，輸入電阻和輸入電容分別為Rin和Cin則傳感器的輸出可表示為：

　　由式(2)可知，當(dāng)耦合阻抗與系統(tǒng)輸入阻抗相比可忽略不計(jì)時，系統(tǒng)相當(dāng)于一個具有理想特性的電壓計(jì)，可有效測量電壓信號。因此，為了提高系統(tǒng)的靈敏度，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該采用反饋等技術(shù)提高系統(tǒng)前端傳感器的輸入電阻，降低輸入電容。通過測量空中兩點(diǎn)電壓的大小，根據(jù)電壓與電場的關(guān)系，可以推導(dǎo)出空中電場的情況。

　　2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用低功耗的MSP430F5529單片機(jī)作為控制器，通過敏感電極將信號以位移電流的形式采集到系統(tǒng)，然后進(jìn)入前置放大電路，經(jīng)過放大處理后輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，模數(shù)電路將轉(zhuǎn)換后的信號通過藍(lán)牙無線傳輸給上位機(jī)進(jìn)行顯示。因?yàn)橄到y(tǒng)輸入阻抗的大小直接關(guān)系到靈敏度，因此，在整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，敏感電極和前置放大電路的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵和難點(diǎn)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　圖2非接觸電壓測量原理圖