|
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(jìn)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(guò)傳導電流來(lái)完成。該種電壓測量方法無(wú)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，接觸測量心電信號時(shí)，電極需要利用導電膏與皮膚直接接觸，容易引起皮膚過(guò)敏，造成皮膚不適；接觸測量電路時(shí)延特性時(shí)，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(shí)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(diǎn)，滿(mǎn)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(guò)運用保護、自舉、有源屏蔽等反饋技術(shù)，有效地提高了其輸入阻抗，從而使該系統對物體表面電壓測量時(shí)相當于一個(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(lèi)似于磁力儀測量磁場(chǎng)，不需要直接電氣連接，通過(guò)電容耦合，利用位移電流來(lái)測量物體表面或自由空間的電壓。將傳感器電極放在電場(chǎng)中，感應電極與信號源之間將形成耦合電容，通過(guò)耦合電容信號源經(jīng)過(guò)測量系統與地之間將構成一個(gè)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(shí)，系統相當于一個(gè)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(guò)程中，應該采用反饋等技術(shù)提高系統前端傳感器的輸入電阻，降低輸入電容。通過(guò)測量空中兩點(diǎn)電壓的大小，根據電壓與電場(chǎng)的關(guān)系，可以推導出空中電場(chǎng)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(guò)敏感電極將信號以位移電流的形式采集到系統，然后進(jìn)入前置放大電路，經(jīng)過(guò)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(guò)藍牙無(wú)線(xiàn)傳輸給上位機進(jìn)行顯示。因為系統輸入阻抗的大小直接關(guān)系到靈敏度，因此，在整個(gè)系統設計中，敏感電極和前置放大電路的設計是關(guān)鍵和難點(diǎn)，系統的結構框圖如圖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(guò)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(gè)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(guò)程中采用了保護、自舉、有源驅動(dòng)屏蔽和接地屏蔽技等技術(shù)，結構原理圖如圖4所示。前置放大電路通過(guò)三同軸電纜從前端敏感電極獲得感應信號，經(jīng)過(guò)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(mǎn)足非接觸電壓測量的需要。前置放大電路工作需要穩定的直流工作點(diǎn)，偏置電路能夠為運放提供穩定的直流工作點(diǎn)，但偏置電路的引入也降低了系統的輸入電阻，因此需要利用反饋技術(shù)在不顯著(zhù)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(guò)折中考慮，采用2個(gè)阻值為100 MΩ的電阻通過(guò)正反饋構成自舉結構來(lái)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(xiàn)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(guò)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。 從式(4)可以看出，經(jīng)過(guò)精確調節，選擇合適參數，輸入電容抵消結構能夠有效降低運放的等效輸入電容，增大系統輸入阻抗。高性能運算放大器和新型反饋技術(shù)的運用使系統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 2.3 控制器和模數轉換 系統采用16位單片機MSP430F5529作為控制器，該單片機采用了精簡(jiǎn)指令集結構，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(kāi)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備對低功耗的要求。 因為檢測的是微弱電壓信號，為了提高系統的分辨率，采用24位寬頻帶AD轉換芯片ADSl271構成模數轉換電路。該芯片通過(guò)單電源供電，采用外部參考電壓，輸入端采用差分輸入。因為系統測量的是低頻交流電壓信號，為了使信號滿(mǎn)足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(gè)電壓提升電路。該電壓提升電路由差分驅動(dòng)芯片AD8131構成，其作用是將測量到的交流信號疊加一個(gè)2.5 V的直流偏移。疊加2.5 V的直流偏移不僅使信號滿(mǎn)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 軟件設計 系統采用模塊化程序設計，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(wú)線(xiàn)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。系統流程圖如圖5所示，主控制模塊負責協(xié)調控制整個(gè)系統的運行，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(wú)線(xiàn)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。 圖5前置放大電路原理圖 3 測試結果及分析 為了對系統性能進(jìn)行測試，文中設計了一種電壓測試平臺，如圖6所示。該平臺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(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(fā)生器兩端，用來(lái)產(chǎn)生電場(chǎng)。圖中中間3片是絕緣支撐板，測量時(shí)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(fā)生器正電壓輸出端，下極板接負電壓輸出端并接地，感應電極距離上極板為25 cm，在兩極板上加一個(gè)幅值為500mV，頻率為2 Hz的正弦信號，測得的波形結果如圖7所示。由圖中可以看出，利用該系統通過(guò)非接觸方式可以測得波形清晰，將測得的數值乘以標定系數后能夠反映極板的電壓。通過(guò)改變極板間不同的電壓，可以測得系統的靈敏度和線(xiàn)性度。 圖6電壓測試平臺 圖7測試結果圖 4 結束語(yǔ) 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計，完成了包括敏感電極和信號處理、傳輸、顯示等模塊在內的系統設計。該系統結構簡(jiǎn)單、靈敏度高，頻帶寬，實(shí)現了對電壓的非接觸測量，在醫療、安全、無(wú)損檢測、人機交互等方面擁有廣闊的應用空間。 |
