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(tǒng)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(tǒng)。該系統(tǒng)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(tǒng)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(jīng)過測量系統(tǒng)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(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：

由式(2)可知，當耦合阻抗與系統(tǒng)輸入阻抗相比可忽略不計時，系統(tǒng)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(tǒng)的靈敏度，在系統(tǒng)設計過程中，應該采用反饋等技術提高系統(tǒng)前端傳感器的輸入電阻，降低輸入電容。通過測量空中兩點電壓的大小，根據(jù)電壓與電場的關系，可以推導出空中電場的情況。

2系統(tǒng)設計

系統(tǒng)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(tǒng)，然后進入前置放大電路，經(jīng)過放大處理后輸出給模數(shù)轉換電路，模數(shù)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(tǒng)輸入阻抗的大小直接關系到靈敏度，因此，在整個系統(tǒng)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(tǒng)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。

圈3電極結構圈

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，在前置放大電路設計過程中采用了保護、自舉、有源驅(qū)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(jīng)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(wěn)定的直流工作點，偏置電路能夠為運放提供穩(wěn)定的直流工作點，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(jīng)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(3)可知自舉結構的運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，并減少了信號傳輸損耗。為減小運算放大器輸入電容，在前置放大電路設計過程中采用了電容抵消技術，如原理圖所示，電容Cf和電位器Rp構成輸入電容抵消結構，該結構的運用使得運放的等效輸入電容降低為：

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)，輸入電容抵消結構能夠有效降低運放的等效輸入電容，增大系統(tǒng)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(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。

圈4前置放大電路原理圈