實(shí)現電壓非接觸穩定測量

　　在復合材料特性檢測、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。傳統上電壓的檢測都需要與物體直接接觸，通過(guò)傳導電流來(lái)完成。該種電壓測量方法無(wú)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(shí)，電極需要利用導電膏與皮膚直接接觸，容易引起皮膚過(guò)敏，造成皮膚不適;接觸測量電路時(shí)延特性時(shí)，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(shí)延，使測量不準確。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性。為了克服接觸電壓測量的這些缺點(diǎn)，滿(mǎn)足對物體表面電壓非接觸測量的需要，文中設計了一種新型便攜式電壓檢測系統。該系統基于電容耦合原理，前端前置電路通過(guò)運用保護、自舉、有源屏蔽等反饋技術(shù)，有效地提高了其輸入阻抗，從而使該系統對物體表面電壓測量時(shí)相當于一個(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量。

　　1非接觸電壓測量原理

　　非接觸電壓測量的原理類(lèi)似于磁力儀測量磁場(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，感應電極與信號源之間將形成耦合電容，通過(guò)耦合電容信號源經(jīng)過(guò)測量系統與地之間將構成一個(gè)分壓電路，如圖1所示。

　　圖1非接觸電壓鍘量原理圖

　　設信號源的電壓為Vs由分壓公式可得，在運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，當耦合阻抗與系統輸入阻抗相比可忽略不計時(shí)，系統相當于一個(gè)具有理想特性的電壓計，可有效測量電壓信號。因此，為了提高系統的靈敏度，在系統設計過(guò)程中，應該采用反饋等技術(shù)提高系統前端傳感器的輸入電阻，降低輸入電容。通過(guò)測量空中兩點(diǎn)電壓的大小，根據電壓與電場(chǎng)的關(guān)系，可以推導出空中電場(chǎng)的情況。

　　2系統設計

　　系統采用低功耗的MSP430F5529單片機作為控制器，通過(guò)敏感電極將信號以位移電流的形式采集到系統，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轉換電路，模數電路將轉換后的信號通過(guò)藍牙無(wú)線(xiàn)傳輸給上位機進(jìn)行顯示。因為系統輸入阻抗的大小直接關(guān)系到靈敏度，因此，在整個(gè)系統設計中，敏感電極和前置放大電路的設計是關(guān)鍵和難點(diǎn)，系統的結構框圖如圖2所示。

　　圖2非接觸電壓測量原理圖