非接触电压测量系统.pdf

2014年
仪衰技木与传敲器
第1期
Instrument Technique and Sensor
No. I
非接触电压测量系统
李文宝…2,陈贤祥,任仁,夏善红
中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室,北京100190;2.中国科学院大学,北京100190)
摘要:为了实现电压非接触稳定测量,文中设计了一种基于电容耦合原理的新型电压测量系统。该系统采用保护、自
举、有源屏蔽等反愤技术,提高了系统的输入凰抗。测量时不需要电极与信号源直接电气接触,利用位移电流即可完成测
量。实验结果表明,该系统灵敏度高、频带宽、测量稳定,而且结构简单,完全满足电压非接触测量的要求。
关键词:电压测量;非接触;电容耦合;位移电流;高阻抗
中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:1002-1841(2014)01-0050-03
Noncontact Potential Measurement System
II Wen-bao", CHEN Xian-xiang REN Ren,XIA Shan-hong
1.State Key Laboratory of Transducer Technology, Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences
Beijing 100190, China 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beiiing 100190, China)
Abstract: To implement noncontact measurement of potential steadily, a novel potential measurement system based on capaci
tance coupling was designed in this paper. The feedback technology of guard, bootstrap and active shield was adopted to increase
the input impedance of system. The system can measure potentials without direct electrical contact to the source of these potentials
which operate on displacement, not real charge current. The experiment results show that the system has good operation stability
high sensitivity and wide bandwidth, especially its structure is very simple. The system meets the requirement of noncontact meas-
urement of potential totally
Key words: potential measurement; noncontact capacitance coupling displacement current; high impedance
0引言
与地之间将构成一个分压电路,如图1所示。
在复合材料特性检测、电路电气特性检测、人体心电检测、
信号源
核磁共振等方面需要对物体表面电压进行精确测量"-?。传
传器
电极
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
Q
输出
R
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
空气间隙
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
图1非接触电压测量原理图
延,使测量不准确?。接触测量物体表面的电压不仅操作麻烦
设信号源的电压为V,由分压公式可得,在运放输入端的
而且有一定的危险性。为了克服接触电压测量的这些缺点,满电压可表示为
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
V?Z。/(Zn
携式电压检测系统。该系统基于电容耦合原理,前端前置电路如果传感器前置放大电路的放大倍数为A,输人入电阻和输人电
通过运用保护、自举、有源屏蔽等反馈技术,有数地提高了其输容分别为Rn和Cm,则传感器的输出可表示为:
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
RC
TUOR Ci+ FWR
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。
由式(2)可知,当耦合阻抗与系统输入阻抗相比可忽略不
1非接触电压测量原理
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
非接触电压测量的原理类似于磁力仪测量磁场,不需要直压信号。因此,为了提高系统的灵敏度,在系统设计过程中,应
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
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
自由空间的电压?。将传感器电极放在电场中,感应电极与信
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。
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
2系统设计
甚金项目:国家863项目(NO.2012AAO40506)
系统采用低功耗的MSP430F5529单片机作为控制器,通过
收稿日期:2013-03-28收修改稿日期:2013-10-12
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