非接觸電壓測量系統(tǒng)

李文寶，陳賢祥，任　仁，夏善紅

(1．中國科學(xué)院電子學(xué)研究所傳感技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100190；2．中國科學(xué)院大學(xué)，北京　100190)

0　引言

在復(fù)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[1-4]。傳統(tǒng)上電壓的檢測都需要與物體直接接觸，通過傳導(dǎo)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(diǎn)。例如，接觸測量心電信號(hào)時(shí)，電極需要利用導(dǎo)電膏與皮膚直接接觸，容易引起皮膚過敏，造成皮膚不適[5]；接觸測量電路時(shí)延特性時(shí)，由于測量電路的接入，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(zhǔn)確[6]。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(xiǎn)性。為了克服接觸電壓測量的這些缺點(diǎn)，滿足對物體表面電壓非接觸測量的需要，文中設(shè)計(jì)了一種新型便攜式電壓檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于電容耦合原理，前端前置電路通過運(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)對物體表面電壓測量時(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[7]。將傳感器電極放在電場中，感應(yīng)電極與信號(hào)源之間將形成耦合電容，通過耦合電容信號(hào)源經(jīng)過測量系統(tǒng)與地之間將構(gòu)成一個(gè)分壓電路，如圖1所示。

圖1　非接觸電壓測量原理圖

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：

Vin=Vs·Zin/(Zin+Zs)

(1)

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：

(2)

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。通過測量空中兩點(diǎn)電壓的大小，根據(jù)電壓與電場的關(guān)系，可以推導(dǎo)出空中電場的情況[8]。

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)通過藍(lán)牙無線傳輸給上位機(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　非接觸電壓測量原理圖

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(gè)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。

圖3　電極結(jié)構(gòu)圖

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(hào)，在前置放大電路設(shè)計(jì)過程中采用了保護(hù)、自舉、有源驅(qū)動(dòng)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(hào)，經(jīng)過放大后輸出給后面的信號(hào)處理電路。電路設(shè)計(jì)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?yàn)檫\(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(jì)偏置電路。設(shè)計(jì)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(gè)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：

(3)

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(hào)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(jì)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：

(4)

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(hào)。

圖4　前置放大電路原理圖

2．3控制器和模數(shù)轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)采用16位單片機(jī)MSP430F5529作為控制器，該單片機(jī)采用了精簡指令集結(jié)構(gòu)，具有較低的供電電壓，并且具有3個(gè)時(shí)鐘，每個(gè)時(shí)鐘都可以在指令控制下打開與關(guān)閉，這些特點(diǎn)使其具有極低的功耗，非常適合便攜式檢測設(shè)備對低功耗的要求。

因?yàn)闄z測的是微弱電壓信號(hào)，為了提高系統(tǒng)的分辨率，采用24位寬頻帶AD轉(zhuǎn)換芯片ADS1271構(gòu)成模數(shù)轉(zhuǎn)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?yàn)橄到y(tǒng)測量的是低頻交流電壓信號(hào)，為了使信號(hào)滿足AD轉(zhuǎn)換芯片輸入端電壓的要求，在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前設(shè)計(jì)了一個(gè)電壓提升電路。該電壓提升電路由差分驅(qū)動(dòng)芯片AD8131構(gòu)成，其作用是將測量到的交流信號(hào)疊加一個(gè)2．5 V的直流偏移。疊加2．5 V的直流偏移不僅使信號(hào)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化程序設(shè)計(jì)，使用了多個(gè)子程序，包括AD初始化程序、延時(shí)程序、軟件濾波程序、無線傳輸程序、上位機(jī)顯示程序等，完成了信號(hào)采集、信號(hào)處理、信號(hào)傳輸，信號(hào)顯示等功能。系統(tǒng)流程圖如圖5所示，主控制模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，采用調(diào)用原則將需要的模塊調(diào)入運(yùn)行；AD轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)完成信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換；無線傳輸模塊完成單片機(jī)與上位機(jī)的信號(hào)傳輸；上位機(jī)顯示模塊完成信號(hào)的初步處理及顯示。

圖5　前置放大電路原理圖

圖6　電壓測試平臺(tái)

3　測試結(jié)果及分析

為了對系統(tǒng)性能進(jìn)行測試，文中設(shè)計(jì)了一種電壓測試平臺(tái)，如圖6所示。該平臺(tái)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(shè)計(jì)了多個(gè)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(jì)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(hào)發(fā)生器兩端，用來產(chǎn)生電場。圖中中間3片是絕緣支撐板，測量時(shí)將感應(yīng)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(hào)發(fā)生器正電壓輸出端，下極板接負(fù)電壓輸出端并接地，感應(yīng)電極距離上極板為25 cm，在兩極板上加一個(gè)幅值為500 mV，頻率為2 Hz的正弦信號(hào)，測得的波形結(jié)果如圖7所示。由圖中可以看出，利用該系統(tǒng)通過非接觸方式可以測得波形清晰，將測得的數(shù)值乘以標(biāo)定系數(shù)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(tǒng)的靈敏度和線性度。

圖7　測試結(jié)果圖

4　結(jié)束語

文中對基于電容耦合原理的非接觸電壓檢測方法進(jìn)行了闡述，重點(diǎn)介紹了具有超高輸入阻抗的前置放大電路設(shè)計(jì)，完成了包括敏感電極和信號(hào)處理、傳輸、顯示等模塊在內(nèi)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高，頻帶寬，實(shí)現(xiàn)了對電壓的非接觸測量，在醫(yī)療、安全、無損檢測、人機(jī)交互等方面擁有廣闊的應(yīng)用空間。

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