gaizhongdianyaceliangfangfawufaceliangkongzhongdianyadebianhua，jishiceliangwutibiaomiandianya，zhezhongjiechuceliangfangshiyeyouxuduoquedian。liru，jiechuceliangxindianxinhaoshi，dianjixuyaoliyongdaodiangaoyupifuzhijiejiechu
，rongyiyinqipifuguomin，zaochengpifubushi；接jie觸chu測ce量liang電dian路lu時shi延yan特te性xing時shi，由you於yu測ce量liang電dian路lu的de接jie人ren，改gai變bian了le原yuan有you電dian路lu的de傳chuan輸shu特te性xing，從cong而er改gai變bian了le時shi延yan

，使shi測ce量liang不bu準zhun確que。接jie觸chu測ce量liang物wu體ti表biao麵mian的de電dian壓ya不bu僅jin操cao作zuo麻ma煩fan而er且qie有you一yi定ding的de危wei險xian性xing。為wei了le克ke服fu接jie觸chu電dian壓ya測ce量liang的de這zhe些xie缺que點dian，滿man足zu對dui物wu體ti表biao麵mian電dian壓ya非fei接jie觸chu測ce量liang的de需xu要yao，文wen中zhong設she計ji了le一yi種zhong新xin型xing便bian攜xie式shi電dian壓ya檢jian測ce係xi統tong。該gai係xi統tong基ji於yu電dian容rong耦ou合he原yuan理li，前qian端duan前qian置zhi電dian路lu通tong過guo運yun用yong保bao護hu、自舉、有(you)源(yuan)屏(ping)蔽(bi)等(deng)反(fan)饋(kui)技(ji)術(shu)，有(you)效(xiao)地(di)提(ti)高(gao)了(le)其(qi)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)，從(cong)而(er)使(shi)該(gai)係(xi)統(tong)對(dui)物(wu)體(ti)表(biao)麵(mian)電(dian)壓(ya)測(ce)量(liang)時(shi)相(xiang)當(dang)於(yu)一(yi)個(ge)理(li)想(xiang)的(de)電(dian)壓(ya)表(biao)，不(bu)需(xu)要(yao)與(yu)物(wu)體(ti)表(biao)麵(mian)直(zhi)接(jie)電(dian)氣(qi)接(jie)觸(chu)，利(li)用(yong)位(wei)移(yi)電(dian)流(liu)即(ji)可(ke)完(wan)成(cheng)電(dian)壓(ya)的(de)有(you)效(xiao)測(ce)量(liang)。

1 非接觸電壓測量原理

非(fei)接(jie)觸(chu)電(dian)壓(ya)測(ce)量(liang)的(de)原(yuan)理(li)類(lei)似(si)於(yu)磁(ci)力(li)儀(yi)測(ce)量(liang)磁(ci)場(chang)

，不(bu)需(xu)要(yao)直(zhi)接(jie)電(dian)氣(qi)連(lian)接(jie)，通(tong)過(guo)電(dian)容(rong)耦(ou)合(he)，利(li)用(yong)位(wei)移(yi)電(dian)流(liu)來(lai)測(ce)量(liang)物(wu)體(ti)表(biao)麵(mian)或(huo)自(zi)由(you)空(kong)間(jian)的(de)電(dian)壓(ya)。將(jiang)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係統與地之間將構成一個分壓電路
，如圖1所示。


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(ke)知(zhi)，當(dang)耦(ou)合(he)阻(zu)抗(kang)與(yu)係(xi)統(tong)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)相(xiang)比(bi)可(ke)忽(hu)略(lve)不(bu)計(ji)時(shi)，係(xi)統(tong)相(xiang)當(dang)於(yu)一(yi)個(ge)具(ju)有(you)理(li)想(xiang)特(te)性(xing)的(de)電(dian)壓(ya)計(ji)，可(ke)有(you)效(xiao)測(ce)量(liang)電(dian)壓(ya)信(xin)號(hao)。因(yin)此(ci)
，為(wei)了(le)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)，在(zai)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)過(guo)程(cheng)中(zhong)，應(ying)該(gai)采(cai)用(yong)反(fan)饋(kui)等(deng)技(ji)術(shu)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)前(qian)端(duan)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)輸(shu)入(ru)電(dian)阻(zu)，降(jiang)低(di)輸(shu)入(ru)電(dian)容(rong)。通(tong)過(guo)測(ce)量(liang)空(kong)中(zhong)兩(liang)點(dian)電(dian)壓(ya)的(de)大(da)小(xiao)，根(gen)據(ju)電(dian)壓(ya)與(yu)電(dian)場(chang)的(de)關(guan)係(xi)，可(ke)以(yi)推(tui)導(dao)出(chu)空(kong)中(zhong)電(dian)場(chang)的(de)情(qing)況(kuang)。

2 係統設計

係統采用低功耗的MSP430F5529單dan片pian機ji作zuo為wei控kong製zhi器qi，通tong過guo敏min感gan電dian極ji將jiang信xin號hao以yi位wei移yi電dian流liu的de形xing式shi采cai集ji到dao係xi統tong，然ran後hou進jin入ru前qian置zhi放fang大da電dian路lu，經jing過guo放fang大da處chu理li後hou輸shu出chu給gei模mo數shu轉zhuan換huan電dian路lu，模mo數shu電dian路lu將jiang轉zhuan換huan後hou的de信xin號hao通tong過guo藍lan牙ya無wu線xian傳chuan輸shu給gei上shang位wei機ji進jin行xing顯xian示shi。因yin為wei係xi統tong輸shu入ru阻zu抗kang的de大da小xiao直zhi接jie關guan係xi到dao靈ling敏min度du，因yin此ci，在zai整zheng個ge係xi統tong設she計ji中zhong，敏min感gan電dian極ji和he前qian置zhi放fang大da電dian路lu的de設she計ji是shi關guan鍵jian和he難nan點dian
，係xi統tong的de結jie構gou框kuang圖tu如ru圖tu2所示。 2.1 敏感電極

gaimingandianjiyouganyingceng
，youyuanpingbicenghejiedipingbicengsancengjiegougoucheng，tongguosantongzhoudianlanyuhoumianqianzhifangdadianlulianjie。ganyingcengheyouyuanpingbicengyouzhijingwei3.5 cmdebiaozhunshuangmianyinshuadianlubangoucheng。dianlubandeyimianbeifutongzuoweiganyingceng，ganyingcengwaiweideyiquanfutongyuyinshuadianlubandebeimianxiangliangouchengyouyuanpingbiceng
，zuiwaicengdejinshukezuoweijiedipingbiceng。zhenggedianjidezhijingwei3.7 cm
，厚度為0.5 cm．電極的結構如圖3所示。 [page]
 
2.2 前置放大電路

為了提高係統輸入阻抗
，有效測量空間或者物體表麵微弱電壓信號，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4suoshi。qianzhifangdadianlutongguosantongzhoudianlancongqianduanmingandianjihuodeganyingxinhao
，jingguofangdahoushuchugeihoumiandexinhaochulidianlu。dianlushejiyigaoxingnengdejingdianxingyunsuanfangdaqiAD549(圖中A1)為核心
，該運放具有超高的輸入阻抗、jidideshurudianronghedideshuruzaosheng
，wanquanmanzufeijiechudianyaceliangdexuyao。qianzhifangdadianlugongzuoxuyaowendingdezhiliugongzuodian，pianzhidianlunenggouweiyunfangtigongwendingdezhiliugongzuodian


，danpianzhidianludeyinruyejiangdilexitongdeshurudianzu，yincixuyaoliyongfankuijishuzaibuxianzhujiangdishuruzukangdetiaojianxiaweiqianzhifangdadianlushejipianzhidianlu。shejizhongkaolvdaoR1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麵公式表示： 從式(3)可(ke)知(zhi)自(zi)舉(ju)結(jie)構(gou)的(de)運(yun)用(yong)極(ji)大(da)的(de)提(ti)高(gao)了(le)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)等(deng)效(xiao)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)。為(wei)了(le)減(jian)小(xiao)傳(chuan)輸(shu)線(xian)上(shang)的(de)等(deng)效(xiao)寄(ji)生(sheng)電(dian)容(rong)

，提(ti)高(gao)了(le)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)
，並(bing)減(jian)少(shao)了(le)信(xin)號(hao)傳(chuan)輸(shu)損(sun)耗(hao)。為(wei)減(jian)小(xiao)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)輸(shu)入(ru)電(dian)容(rong)
，在(zai)前(qian)置(zhi)放(fang)大(da)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)過(guo)程(cheng)中(zhong)采(cai)用(yong)了(le)電(dian)容(rong)抵(di)消(xiao)技(ji)術(shu)，如(ru)原(yuan)理(li)圖(tu)所(suo)示(shi)，電(dian)容(rong)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是電位器的正反饋係數。

從式(4)keyikanchu
，jingguojingquetiaojie

，xuanzeheshicanshu，shurudianrongdixiaojiegounenggouyouxiaojiangdiyunfangdedengxiaoshurudianrong
，zengdaxitongshuruzukang。gaoxingnengyunsuanfangdaqihexinxingfankuijishudeyunyongshixitongjuyoujigaodeshuruzukang，nenggouyouxiaodeouhekongjianweiruodianyaxinhao。

2.3 控製器和模數轉換

係統采用16位單片機MSP430F5529作為控製器，該單片機采用了精簡指令集結構
，具有較低的供電電壓，並且具有3個時鍾，每個時鍾都可以在指令控製下打開與關閉，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，為了提高係統的分辨率，采用24位寬頻帶AD轉換芯片ADSl271構(gou)成(cheng)模(mo)數(shu)轉(zhuan)換(huan)電(dian)路(lu)。該(gai)芯(xin)片(pian)通(tong)過(guo)單(dan)電(dian)源(yuan)供(gong)電(dian)，采(cai)用(yong)外(wai)部(bu)參(can)考(kao)電(dian)壓(ya)，輸(shu)入(ru)端(duan)采(cai)用(yong)差(cha)分(fen)輸(shu)入(ru)。因(yin)為(wei)係(xi)統(tong)測(ce)量(liang)的(de)是(shi)低(di)頻(pin)交(jiao)流(liu)電(dian)壓(ya)信(xin)號(hao)，為(wei)了(le)使(shi)信(xin)號(hao)滿(man)足(zu)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範圍。

2.4 軟件設計

係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。係統流程圖如圖5所示
，主控製模塊負責協調控製整個係統的運行，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。

[page]
 
3 測試結果及分析

為了對係統性能進行測試，文中設計了一種電壓測試平台，如圖6所示。該平台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，用於放置極板和支撐板，並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並接地
，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(suo)示(shi)。由(you)圖(tu)中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)
，利(li)用(yong)該(gai)係(xi)統(tong)通(tong)過(guo)非(fei)接(jie)觸(chu)方(fang)式(shi)可(ke)以(yi)測(ce)得(de)波(bo)形(xing)清(qing)晰(xi)，將(jiang)測(ce)得(de)的(de)數(shu)值(zhi)乘(cheng)以(yi)標(biao)定(ding)係(xi)數(shu)後(hou)能(neng)夠(gou)反(fan)映(ying)極(ji)板(ban)的(de)電(dian)壓(ya)。通(tong)過(guo)改(gai)變(bian)極(ji)板(ban)間(jian)不(bu)同(tong)的(de)電(dian)壓(ya)，可(ke)以(yi)測(ce)得(de)係(xi)統(tong)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)和(he)線(xian)性(xing)度(du)。 結語

本(ben)文(wen)主(zhu)要(yao)闡(chan)述(shu)了(le)基(ji)於(yu)電(dian)容(rong)耦(ou)合(he)原(yuan)理(li)的(de)非(fei)接(jie)觸(chu)電(dian)壓(ya)檢(jian)測(ce)方(fang)法(fa)，著(zhe)重(zhong)講(jiang)述(shu)了(le)具(ju)有(you)超(chao)高(gao)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)的(de)前(qian)置(zhi)放(fang)大(da)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)
，完(wan)成(cheng)了(le)包(bao)括(kuo)敏(min)感(gan)電(dian)極(ji)和(he)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)、傳輸、顯示等模塊在內的係統設計。本文設計的係統簡單易懂、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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