實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，通過傳導電流來完成。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。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：

　　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，系統相當于一個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，在系統設計過程中，應該采用反饋等技術提高系統前端傳感器的輸入電阻，降低輸入電容。通過測量空中兩點電壓的大小，根據電壓與電場的關系，可以推導出空中電場的情況。

　　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