非接触电压测量系统_李文宝_陈贤祥_任仁_夏善红
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Beijing 100190，China；2． University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）
Abstract：To implement noncontact measurement of potential steadily，a novel potential measurement system based on capacitance 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 measurement of potential totally． Key words：potential measurement；noncontact；capacitance coupling；displacement current；high impedance
图 3 电极结构图
2． 2 前置放大电路
为了提高系统输入阻抗，有效测量空间或者物体表面微弱
电压信号，在前置放大电路设计过程中采用了保护、自举、有源
驱动屏蔽和接地屏蔽技等技术，结构原理图如图 4 所示。前置
放大电路通过三同轴电缆从前端敏感电极获得感应信号，经过
放大后输出给后面的信号处理电路。电路设计以高性能的静
电型运算放大器 AD549 （ 图中 A1） 为核心，该运放具有超高的
输入阻抗、极低的 输 入 电 容 和 低 的 输 入 噪 声，完 全 满 足 非 接 触
电压测量的需要。前置放大电路工作需要稳定的直流工作点，
偏置电路能够为运放提供稳定的直流工作点，但偏置电路的引
入也降低了系统的输入电阻，因此需要利用反馈技术在不显著
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、有源屏蔽等反馈技术，提高了系统的输入阻抗。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。
极高的输入阻抗，能够有效的耦合空间微弱电压信号。
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。
降低输入阻抗的条件下为前置放大电路设计偏置电路。设计
中考虑到 Ｒ1 和 Ｒ2 对偏置电路阻抗和噪声的影响，经过折中考 虑，采用 2 个阻值为 100 MΩ 的电阻通过正反馈构成自举结构
来形成偏置电路，如前置放大电路原理图所示。偏置电路的等
效输入阻抗可用下面公式表示：
Ｒ' b
=
V+ V+ －V－
·Ｒ1
0 引言 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［1 － 4］。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［5］；接触测量电路时延特性时，由于 测量电路的接入，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［6］。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［7］。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
基金项目：国家 863 项目（ NO． 2012AA040506） 收稿日期：2013 － 03 － 28 收修改稿日期：2013 － 10 － 12
系统采用模块化程序设计，使用了多个子程序，包括 AD 初 始化程序、延时程 序、软 件 滤 波 程 序、无 线 传 输 程 序、上 位 机 显 示程序等，完成了 信 号 采 集、信 号 处 理、信 号 传 输，信 号 显 示 等 功能。系统流程图如图 5 所示，主控制模块负责协调控制整个 系统的运行，采用调用原则将需要的模块调入运行；AD 转换模 块负责完成信号的模数转换；无线传输模块完成单片机与上位 机的信号传输；上位机显示模块完成信号的初步处理及显示。 3 测试结果及分析
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
LI Wen-bao1，2 ，CHEN Xian-xiang1 ，ＲEN Ｒen1 ，XIA Shan-hong1 （1． State Key Laboratory of Transducer Technology，Institute of Electronics，Chinese Academy of Sciences，
2014 年 第1 期
仪表技术与传感器
Instrument Technique and Sensor
2014 No. 1
非接触电压测量系统
李文宝1，2 ，陈贤祥1 ，任 仁1 ，夏善红1
（1． 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）
因为检测的是微 弱 电 压 信 号，为 了 提 高 系 统 的 分 辨 率，采 用 24 位宽频带 AD 转换芯片 ADS1271 构成模数转换电路。该 芯片通过单电源 供 电，采 用 外 部 参 考 电 压，输 入 端 采 用 差 分 输 入。因为系统 测 量 的 是 低 频 交 流 电 压 信 号，为 了 使 信 号 满 足 AD 转换芯片输入端电压的要求，在模数转换之前设计了一个 电压提升电路。该电压提升电路由差分驱动芯片 AD8131 构 成，其作用是将测量到的交流信号叠加一个 2． 5 V 的直流偏 移。叠加 2． 5 V 的直流偏移不仅使信号满足了芯片输入端对 电压的要求，而且增大了电压的测量范围。 2． 4 软件设计
2． 3 控制器和模数转换 系统采用 16 位单片机 MSP430F5529 作为控制器，该单片
机采用了精简指令集结构，具有较低的供电电压，并且具有 3 个时钟，每个时钟 都 可 以 在 指 令 控 制 下 打 开 与 关 闭 ，这 些 特 点 使其具有极低的功耗，非常适合便携式检测设备对低功耗的要 求。
为了对系统 性 能 进 行 测 试，文 中 设 计 了 一 种 电 压 测 试 平 台，如图 6 所示。该平台主要由聚四氟乙烯支撑架、铝金属板、 绝缘支撑板三部分组成。聚四氟乙烯三根支撑柱上设计了多 个等距离的间隙，用 于 放 置 极 板 和 支 撑 板，并 且 方 便 板 间 距 离 的计算。以 2 片直径为 80 cm 的圆铝金属板作为电极极板，连 接到信号发生器两端，用来产生电场。图中中间 3 片是绝缘支 撑板 ，测 量 时 将 感 应 电 极 粘 附 在 支 撑 板 上 ，因 此 支 撑 板 到 极 板
（3）
从式（3） 可知自举结构的运用极大的提高了传寄生电容，提高了输入阻
抗，并减少了信 号 传 输 损 耗。为 减 小 运 算 放 大 器 输 入 电 容，在
前 置 放 大 电 路 设 计 过 程 中 采 用 了 电 容 抵 消 技 术，如 原 理 图 所
图 4 前置放大电路原理图
与地之间将构成一个分压电路，如图 1 所示。
图 1 非接触电压测量原理图
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：
Vin = Vs ·Zin / （ Zin + Zs ）
（1）
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：
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［8］。
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
第1 期
李文宝等：非接触电压测量系统
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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。
Vout
=1
+
jwＲin jwＲin Cin
Cs + jwＲ
in
Cs
·Vs
·Av
（2）
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
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Instrument Technique and Sensor
Jan. 2014
的距离就是测量电极到极板的距离。将两极板相距 30cm，上极 板 接 信 号 发 生 器 正 电 压 输 出 端，下 极 板 接 负 电 压 输 出 端 并 接 地，感应电极距离上极板为 25 cm，在两极板上加一个幅值为 50 0 mV ，频 率 为2 Hz 的 正 弦 信 号 ，测 得 的 波 形 结 果 如 图7 所
示，电容 Cf 和电位器 Ｒp 构成输入电容抵消结构，该结构的运用 使得运放的等效输入电容降低为：
C'i = Cin － （ μ － 1） ·Cf
（4）
式中 μ 是电位器的正反馈系数。
从式（4） 可以看出，经过精确调节，选择合适参数，输入电
容抵消结构能够有效降低运放的等效输入电容，增大系统输入
阻抗。高性能运算放大器和新型反馈技术的运用使系统具有
Abstract：To implement noncontact measurement of potential steadily，a novel potential measurement system based on capacitance 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 measurement of potential totally． Key words：potential measurement；noncontact；capacitance coupling；displacement current；high impedance
图 3 电极结构图
2． 2 前置放大电路
为了提高系统输入阻抗，有效测量空间或者物体表面微弱
电压信号，在前置放大电路设计过程中采用了保护、自举、有源
驱动屏蔽和接地屏蔽技等技术，结构原理图如图 4 所示。前置
放大电路通过三同轴电缆从前端敏感电极获得感应信号，经过
放大后输出给后面的信号处理电路。电路设计以高性能的静
电型运算放大器 AD549 （ 图中 A1） 为核心，该运放具有超高的
输入阻抗、极低的 输 入 电 容 和 低 的 输 入 噪 声，完 全 满 足 非 接 触
电压测量的需要。前置放大电路工作需要稳定的直流工作点，
偏置电路能够为运放提供稳定的直流工作点，但偏置电路的引
入也降低了系统的输入电阻，因此需要利用反馈技术在不显著
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、有源屏蔽等反馈技术，提高了系统的输入阻抗。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。
极高的输入阻抗，能够有效的耦合空间微弱电压信号。
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。
降低输入阻抗的条件下为前置放大电路设计偏置电路。设计
中考虑到 Ｒ1 和 Ｒ2 对偏置电路阻抗和噪声的影响，经过折中考 虑，采用 2 个阻值为 100 MΩ 的电阻通过正反馈构成自举结构
来形成偏置电路，如前置放大电路原理图所示。偏置电路的等
效输入阻抗可用下面公式表示：
Ｒ' b
=
V+ V+ －V－
·Ｒ1
0 引言 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［1 － 4］。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［5］；接触测量电路时延特性时，由于 测量电路的接入，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［6］。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［7］。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
基金项目：国家 863 项目（ NO． 2012AA040506） 收稿日期：2013 － 03 － 28 收修改稿日期：2013 － 10 － 12
系统采用模块化程序设计，使用了多个子程序，包括 AD 初 始化程序、延时程 序、软 件 滤 波 程 序、无 线 传 输 程 序、上 位 机 显 示程序等，完成了 信 号 采 集、信 号 处 理、信 号 传 输，信 号 显 示 等 功能。系统流程图如图 5 所示，主控制模块负责协调控制整个 系统的运行，采用调用原则将需要的模块调入运行；AD 转换模 块负责完成信号的模数转换；无线传输模块完成单片机与上位 机的信号传输；上位机显示模块完成信号的初步处理及显示。 3 测试结果及分析
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
LI Wen-bao1，2 ，CHEN Xian-xiang1 ，ＲEN Ｒen1 ，XIA Shan-hong1 （1． State Key Laboratory of Transducer Technology，Institute of Electronics，Chinese Academy of Sciences，
2014 年 第1 期
仪表技术与传感器
Instrument Technique and Sensor
2014 No. 1
非接触电压测量系统
李文宝1，2 ，陈贤祥1 ，任 仁1 ，夏善红1
（1． 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）
因为检测的是微 弱 电 压 信 号，为 了 提 高 系 统 的 分 辨 率，采 用 24 位宽频带 AD 转换芯片 ADS1271 构成模数转换电路。该 芯片通过单电源 供 电，采 用 外 部 参 考 电 压，输 入 端 采 用 差 分 输 入。因为系统 测 量 的 是 低 频 交 流 电 压 信 号，为 了 使 信 号 满 足 AD 转换芯片输入端电压的要求，在模数转换之前设计了一个 电压提升电路。该电压提升电路由差分驱动芯片 AD8131 构 成，其作用是将测量到的交流信号叠加一个 2． 5 V 的直流偏 移。叠加 2． 5 V 的直流偏移不仅使信号满足了芯片输入端对 电压的要求，而且增大了电压的测量范围。 2． 4 软件设计
2． 3 控制器和模数转换 系统采用 16 位单片机 MSP430F5529 作为控制器，该单片
机采用了精简指令集结构，具有较低的供电电压，并且具有 3 个时钟，每个时钟 都 可 以 在 指 令 控 制 下 打 开 与 关 闭 ，这 些 特 点 使其具有极低的功耗，非常适合便携式检测设备对低功耗的要 求。
为了对系统 性 能 进 行 测 试，文 中 设 计 了 一 种 电 压 测 试 平 台，如图 6 所示。该平台主要由聚四氟乙烯支撑架、铝金属板、 绝缘支撑板三部分组成。聚四氟乙烯三根支撑柱上设计了多 个等距离的间隙，用 于 放 置 极 板 和 支 撑 板，并 且 方 便 板 间 距 离 的计算。以 2 片直径为 80 cm 的圆铝金属板作为电极极板，连 接到信号发生器两端，用来产生电场。图中中间 3 片是绝缘支 撑板 ，测 量 时 将 感 应 电 极 粘 附 在 支 撑 板 上 ，因 此 支 撑 板 到 极 板
（3）
从式（3） 可知自举结构的运用极大的提高了传寄生电容，提高了输入阻
抗，并减少了信 号 传 输 损 耗。为 减 小 运 算 放 大 器 输 入 电 容，在
前 置 放 大 电 路 设 计 过 程 中 采 用 了 电 容 抵 消 技 术，如 原 理 图 所
图 4 前置放大电路原理图
与地之间将构成一个分压电路，如图 1 所示。
图 1 非接触电压测量原理图
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：
Vin = Vs ·Zin / （ Zin + Zs ）
（1）
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：
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［8］。
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
第1 期
李文宝等：非接触电压测量系统
51
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。
Vout
=1
+
jwＲin jwＲin Cin
Cs + jwＲ
in
Cs
·Vs
·Av
（2）
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
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Instrument Technique and Sensor
Jan. 2014
的距离就是测量电极到极板的距离。将两极板相距 30cm，上极 板 接 信 号 发 生 器 正 电 压 输 出 端，下 极 板 接 负 电 压 输 出 端 并 接 地，感应电极距离上极板为 25 cm，在两极板上加一个幅值为 50 0 mV ，频 率 为2 Hz 的 正 弦 信 号 ，测 得 的 波 形 结 果 如 图7 所
示，电容 Cf 和电位器 Ｒp 构成输入电容抵消结构，该结构的运用 使得运放的等效输入电容降低为：
C'i = Cin － （ μ － 1） ·Cf
（4）
式中 μ 是电位器的正反馈系数。
从式（4） 可以看出，经过精确调节，选择合适参数，输入电
容抵消结构能够有效降低运放的等效输入电容，增大系统输入
阻抗。高性能运算放大器和新型反馈技术的运用使系统具有