實(shí)現(xiàn)電壓非接觸穩(wěn)定測(cè)量

　　在復(fù)合材料特性檢測(cè)、電路電氣特性檢測(cè)、人體心電檢測(cè)、核磁共振等方面需要對(duì)物體表面電壓進(jìn)行精確測(cè)量。傳統(tǒng)上電壓的檢測(cè)都需要與物體直接接觸，通過(guò)傳導(dǎo)電流來(lái)完成。該種電壓測(cè)量方法無(wú)法測(cè)量空中電壓的變化，即使測(cè)量物體表面電壓，這種接觸測(cè)量方式也有許多缺點(diǎn)。例如，接觸測(cè)量心電信號(hào)時(shí)，電極需要利用導(dǎo)電膏與皮膚直接接觸，容易引起皮膚過(guò)敏，造成皮膚不適;接觸測(cè)量電路時(shí)延特性時(shí)，由于測(cè)量電路的接人，改變了原有電路的傳輸特性，從而改變了時(shí)延，使測(cè)量不準(zhǔn)確。接觸測(cè)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(cè)量的這些缺點(diǎn)，滿足對(duì)物體表面電壓非接觸測(cè)量的需要，文中設(shè)計(jì)了一種新型便攜式電壓檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于電容耦合原理，前端前置電路通過(guò)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(duì)物體表面電壓測(cè)量時(shí)相當(dāng)于一個(gè)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(cè)量。

　　1非接觸電壓測(cè)量原理

　　非接觸電壓測(cè)量的原理類似于磁力儀測(cè)量磁場(chǎng)，不需要直接電氣連接，通過(guò)電容耦合，利用位移電流來(lái)測(cè)量物體表面或自由空間的電壓。將傳感器電極放在電場(chǎng)中，感應(yīng)電極與信號(hào)源之間將形成耦合電容，通過(guò)耦合電容信號(hào)源經(jīng)過(guò)測(cè)量系統(tǒng)與地之間將構(gòu)成一個(gè)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(hào)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(shí)，系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)具有理想特性的電壓計(jì)，可有效測(cè)量電壓信號(hào)。因此，為了提高系統(tǒng)的靈敏度，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)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(guò)測(cè)量空中兩點(diǎn)電壓的大小，根據(jù)電壓與電場(chǎng)的關(guān)系，可以推導(dǎo)出空中電場(chǎng)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(guò)敏感電極將信號(hào)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(guò)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(hào)通過(guò)藍(lán)牙無(wú)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(gè)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(cè)量原理圖