【導讀】電壓非接觸式測量的應用很廣泛，例如電路電器的特性檢測、核磁共振、復合材料特性檢測、人體心電監測等方面。傳統意義上的電壓檢測都需要直接與物體接觸，通過傳導電流來完成電壓測量。本文詳述的是電壓非接觸式穩壓測量的設計實現。
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。例如，接觸測量心電信號時，電極需要利用導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，滿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，前端前置電路通過運用保護、自舉、有源屏蔽等反饋技術，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相當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過測量系統與地之間將構成一個分壓電路，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：
2 系統設計
系統采用低功耗的MSP430F5529單片機作為控制器，通過敏感電極將信號以位移電流的形式采集到系統，然后進入前置放大電路，經過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藍牙無線傳輸給上位機進行顯示。因為系統輸入阻抗的大小直接關系到靈敏度，因此，在整個系統設計中，敏感電極和前置放大電路的設計是關鍵和難點，系統的結構框圖如圖2所示。
圖2：非接觸電壓測量原理圖
2.1 敏感電極該敏感電極由感應層，有源屏蔽層和接地屏蔽層三層結構構成，通過三同軸電纜與后面前置放大電路連接。感應層和有源屏蔽層由直徑為3.5 cm的標準雙面印刷電路板構成。電路板的一面被覆銅作為感應層，感應層外圍的一圈覆銅與印刷電路板的背面相連構成有源屏蔽層，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．電極的結構如圖3所示。
圖3：電極結構圈
2.2 前置放大電路
為了提高系統輸入阻抗，有效測量空間或者物體表面微弱電壓信號，在前置放大電路設計過程中采用了保護、自舉、有源驅動屏蔽和接地屏蔽技等技術，結構原理圖如圖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信號，經過放大后輸出給后面的信號處理電路。電路設計以高性能的靜電型運算放大器AD549(圖中A1)為核心，該運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定的直流工作點，偏置電路能夠為運放提供穩定的直流工作點，但偏置電路的引入也降低了系統的輸入電阻，因此需要利用反饋技術在不顯著降低輸入阻抗的條件下為前置放大電路設計偏置電路。設計中考慮到R1和R2對偏置電路阻抗和噪聲的影響，經過折中考慮，采用2個阻值為100 MΩ的電阻通過正反饋構成自舉結構來形成偏置電路，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(4)可以看出，經過精確調節，選擇合適參數，輸入電容抵消結構能夠有效降低運放的等效輸入電容，增大系統輸入阻抗。高性能運算放大器和新型反饋技術的運用使系統具有極高的輸入阻抗，能夠有效的耦合空間微弱電壓信號。
圖4：前置放大電路原理圈
2.3 控制器和模數轉換系統采用16位單片機MSP430F5529作為控制器，該單片機采用了精簡指令集結構，具有較低的供電電壓，并且具有3個時鐘，每個時鐘都可以在指令控制下打開與關閉，這些特點使其具有極低的功耗，非常適合便攜式檢測設備對低功耗的要求。
因為檢測的是微弱電壓信號，為了提高系統的分辨率，采用24位寬頻帶AD轉換芯片ADSl271構成模數轉換電路。該芯片通過單電源供電，采用外部參考電壓，輸入端采用差分輸入。因為系統測量的是低頻交流電壓信號，為了使信號滿足AD轉換芯片輸入端電壓的要求，在模數轉換之前設計了一個電壓提升電路。該電壓提升電路由差分驅動芯片AD8131構成，其作用是將測量到的交流信號疊加一個2.5 V的直流偏移。疊加2.5 V的直流偏移不僅使信號滿足了芯片輸入端對電壓的要求，而且增大了電壓的測量范圍。
2.4 軟件設計
系統采用模塊化程序設計，使用了多個子程序，包括AD初始化程序、延時程序、軟件濾波程序、無線傳輸程序、上位機顯示程序等，完成了信號采集、信號處理、信號傳輸，信號顯示等功能。系統流程圖如圖5所示，主控制模塊負責協調控制整個系統的運行，采用調用原則將需要的模塊調入運行；AD轉換模塊負責完成信號的模數轉換；無線傳輸模塊完成單片機與上位機的信號傳輸；上位機顯示模塊完成信號的初步處理及顯示。
圖5：前置放大電路原理圖
3 測試結果及分析
為了對系統性能進行測試，文中設計了一種電壓測試平臺，如圖6所示。該平臺主要由聚四氟乙烯支撐架、鋁金屬板、絕緣支撐板三部分組成。聚四氟乙烯三根支撐柱上設計了多個等距離的間隙，用于放置極板和支撐板，并且方便板間距離的計算。以2片直徑為80 cm的圓鋁金屬板作為電極極板，連接到信號發生器兩端，用來產生電場。圖中中間3片是絕緣支撐板，測量時將感應電極粘附在支撐板上，因此支撐板到極板的距離就是測量電極到極板的距離。將兩極板相距30cm，上極板接信號發生器正電壓輸出端，下極板接負電壓輸出端并接地，感應電極距離上極板為25 cm，在兩極板上加一個幅值為500mV，頻率為2 Hz的正弦信號，測得的波形結果如圖7所示。由圖中可以看出，利用該系統通過非接觸方式可以測得波形清晰，將測得的數值乘以標定系數后能夠反映極板的電壓。通過改變極板間不同的電壓，可以測得系統的靈敏度和線性度。
圖6：電壓測試平臺
圖7：測試結果圖
結語本文主要闡述了基于電容耦合原理的非接觸電壓檢測方法，著重講述了具有超高輸入阻抗的前置放大電路設計，完成了包括敏感電極和信號處理、傳輸、顯示等模塊在內的系統設計。本文設計的系統簡單易懂、頻帶寬、靈敏度高，能夠實現對電壓的非接觸式測量。在安全、醫療、人機交互、無損檢測等領域有良好的發展前景。
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