实现电压非接触稳定测量 皮肤过敏, 电信号, 测量

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关键字：电压测量   非接触   电容耦合   位移电流   高阻抗  
在复合材料特性检测、电路电气特性检测、人体心电检测、核磁共振等方面需要对物体表面电压进行精确测量。传统上电压的检测都需要与物体直接接触，通过传导电流来完成。该种电压测量方法无法测量空中电压的变化，即使测量物体表面电压，这种接触测量方式也有许多缺点。例如，接触测量心电信号时，电极需要利用导电膏与皮肤直接接触，容易引起皮肤过敏，造成皮肤不适；接触测量电路时延特性时，由于测量电路的接人，改变了原有电路的传输特性，从而改变了时延，使测量不准确。接触测量物体表面的电压不仅操作麻烦而且有一定的危险性。为了克服接触电压测量的这些缺点，满足对物体表面电压非接触测量的需要，文中设计了一种新型便携式电压检测系统。该系统基于电容耦合原理，前端前置电路通过运用保护、自举、有源屏蔽等反馈技术，有效地提高了其输入阻抗，从而使该系统对物体表面电压测量时相当于一个理想的电压表，不需要与物体表面直接电气接触，利用位移电流即可完成电压的有效测量。
1 非接触电压测量原理

非接触电压测量的原理类似于磁力仪测量磁场，不需要直接电气连接，通过电容耦合，利用位移电流来测量物体表面或自由空间的电压。将传感器电极放在电场中，感应电极与信号源之间将形成耦合电容，通过耦合电容信号源经过测量系统与地之间将构成一个分压电路，如图1所示。



图1非接触电压铡量原理图



设信号源的电压为Vs由分压公式可得，在运放输入端的电压可表示为：





如果传感器前置放大电路的放大倍数为Av，输入电阻和输入电容分别为Rin和Cin则传感器的输出可表示为：




由式(2)可知，当耦合阻抗与系统输入阻抗相比可忽略不计时，系统相当于一个具有理想特性的电压计，可有效测量电压信号。因此，为了提高系统的灵敏度，在系统设计过程中，应该采用反馈等技术提高系统前端传感器的输入电阻，降低输入电容。通过测量空中两点电压的大小，根据电压与电场的关系，可以推导出空中电场的情况。

2 系统设计

系统采用低功耗的MSP430F5529单片机作为控制器，通过敏感电极将信号以位移电流的形式采集到系统，然后进入前置放大电路，经过放大处理后输出给模数转换电路，模数电路将转换后的信号通过蓝牙无线传输给上位机进行显示。因为系统输入阻抗的大小直接关系到灵敏度，因此，在整个系统设计中，敏感电极和前置放大电路的设计是关键和难点，系统的结构框图如图2所示。



图2 非接触电压测量原理图



2.1 敏感电极

该敏感电极由感应层，有源屏蔽层和接地屏蔽层三层结构构成，通过三同轴电缆与后面前置放大电路连接。感应层和有源屏蔽层由直径为3.5 cm的标准双面印刷电路板构成。电路板的一面被覆铜作为感应层，感应层外围的一圈覆铜与印刷电路板的背面相连构成有源屏蔽层，最外层的金属壳作为接地屏蔽层。整个电极的直径为3.7 cm，厚度为0.5 cm．电极的结构如图3所示。



圈3 电极结构圈