實現(xiàn)電壓非接觸穩(wěn)定測量

　　2.1敏感電極

　　該敏感電極由感應(yīng)層，有源屏蔽層和接地屏蔽層三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，通過三同軸電纜與后面前置放大電路連接。感應(yīng)層和有源屏蔽層由直徑為3.5 cm的標(biāo)準(zhǔn)雙面印刷電路板構(gòu)成。電路板的一面被覆銅作為感應(yīng)層，感應(yīng)層外圍的一圈覆銅與印刷電路板的背面相連構(gòu)成有源屏蔽層，最外層的金屬殼作為接地屏蔽層。整個電極的直徑為3.7 cm，厚度為0.5 cm.電極的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　圈3電極結(jié)構(gòu)圈

　　2.2前置放大電路

　　為了提高系統(tǒng)輸入阻抗，有效測量空間或者物體表面微弱電壓信號，在前置放大電路設(shè)計過程中采用了保護(hù)、自舉、有源驅(qū)動屏蔽和接地屏蔽技等技術(shù)，結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。前置放大電路通過三同軸電纜從前端敏感電極獲得感應(yīng)信號，經(jīng)過放大后輸出給后面的信號處理電路。電路設(shè)計以高性能的靜電型運(yùn)算放大器AD549(圖中A1)為核心，該運(yùn)放具有超高的輸入阻抗、極低的輸入電容和低的輸入噪聲，完全滿足非接觸電壓測量的需要。前置放大電路工作需要穩(wěn)定的直流工作點(diǎn)，偏置電路能夠為運(yùn)放提供穩(wěn)定的直流工作點(diǎn)，但偏置電路的引入也降低了系統(tǒng)的輸入電阻，因此需要利用反饋技術(shù)在不顯著降低輸入阻抗的條件下為前置放大電路設(shè)計偏置電路。設(shè)計中考慮到R1和R2對偏置電路阻抗和噪聲的影響，經(jīng)過折中考慮，采用2個阻值為100 MΩ的電阻通過正反饋構(gòu)成自舉結(jié)構(gòu)來形成偏置電路，如前置放大電路原理圖所示。偏置電路的等效輸入阻抗可用下面公式表示：

　　從式(3)可知自舉結(jié)構(gòu)的運(yùn)用極大的提高了傳感器的等效輸入阻抗。為了減小傳輸線上的等效寄生電容，提高了輸入阻抗，并減少了信號傳輸損耗。為減小運(yùn)算放大器輸入電容，在前置放大電路設(shè)計過程中采用了電容抵消技術(shù)，如原理圖所示，電容Cf和電位器Rp構(gòu)成輸入電容抵消結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的運(yùn)用使得運(yùn)放的等效輸入電容降低為：

　　式中μ是電位器的正反饋系數(shù)。

　　從式(4)可以看出，經(jīng)過精確調(diào)節(jié)，選擇合適參數(shù)，輸入電容抵消結(jié)構(gòu)能夠有效降低運(yùn)放的等效輸入電容，增大系統(tǒng)輸入阻抗。高性能運(yùn)算放大器和新型反饋技術(shù)的運(yùn)用使系統(tǒng)具有極高的輸入阻抗，能夠有效的耦合空間微弱電壓信號。

　　圈4前置放大電路原理圈