CN105527501B - 一种微小电容测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种微小电容测量方法，该测量方法包括电容值测量，电容值测量为：分别测量待测电容与参考电容从第一电压值放电至第二电压值时所需的放电时间，根据放电时间与电容值的关系、以及测量得到的放电时间计算待测电容的电容值。本发明基于放电时间与电容值的关系测量电容值，具有实现操作简单、所需成本低、能够测量微小电容且不受电容值限制，同时测量效率及精度高的优点。

Description

一种微小电容测量方法
技术领域
本发明涉及电容测量技术领域，尤其涉及一种微小电容测量方法。
背景技术
电容传感器因其小尺寸和低功耗以及高精度等方面的特性，在工业以及消费类产品等多种领域中都有非常广泛的应用。目前针对电容的测量，常用的方法有共振法、振荡法、充放电法及交流激励法等，其中共振法和振荡法不适合应用于对微小电容的高精度测量场合中，充放电法时漂及温漂较大，因而***的稳定性有限；交流激励法响应时间长，且不便于实际应用。上述电容测量方法除均具有各自无法克服的局限性外，通常还需要依赖复杂的电路设计，实现操作复杂，电容测量范围固定且难以进行扩展，因而无法实现对各种大小微小电容的测量。即便通过电容数字转换器芯片的方式可以一定程度上简化电路结构，但通常该类芯片的价格高且使用复杂，且性能以及对测量电容本身依然存在多种限制。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现操作简单、所需成本低、能够测量微小电容且不受电容值限制，同时测量效率及精度高的微小电容测量方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种微小电容测量方法，所述测量方法包括电容值测量步骤，所述电容值测量步骤为：分别测量待测电容与参考电容从第一电压值放电至第二电压值时所需的放电时间，根据放电时间与电容值的关系、以及测量得到的放电时间计算待测电容的电容值。
作为本发明的进一步改进，所述放电时间的具体测量步骤为：依次将待测电容、参考电容接至同一充放电回路中，通过所述充放电回路将接入的电容充电至第一电压值后使所述接入的电容开始放电，并记录放电至第二电压值所需的放电时间，分别测量得到待测电容、参考电容所需的放电时间。
作为本发明的进一步改进：所述充放电回路通过脉冲信号发生器对接入的电容进行充电、通过放电电阻使接入的电容放电；所述充放电回路通过时间转换器记录放电时间。
作为本发明的进一步改进：所述电容值测量步骤还包括参考电容配置步骤，具体为配置与待测电容处于同一数量等级的电容作为参考电容。
作为本发明的进一步改进：所述第二电压值为指定比例的第一电压值，其中0<指定比例<100%。
作为本发明的进一步改进，所述待测电容的电容值具体根据参考电容的电容值、以及待测电容与参考电容之间放电时间的比值计算得到。
作为本发明的进一步改进：所述待测电容的电容值具体按照下式计算得到；
C = C0* μ/(μ+n)
其中C为待测电容的电容值，C0为参考电容的电容值，μ为待测电容从第一电压值V0放电至第二电压值Vt时所需的放电时间，μ+n为参考电容从第一电压值V0放电至第二电压值Vt时所需的放电时间，其中为待测电容与参考电容之间的放电时间差。
作为本发明的进一步改进，所述测量方法还包括分布电容值去除步骤，具体步骤为：依次以待测电容两端导线的分布电容作为目标电容，按照所述电容值测量步骤计算目标电容的电容值，得到待测电容两端导线的分布电容值，并根据得到的分布电容值计算去除分布电容值后待测电容的最终电容值。
作为本发明的进一步改进：所述计算目标电容的电容值时，具体通过将目标电容所在端的导线连接至充放电回路中，测量目标电容所需的放电时间。
作为本发明的进一步改进：所述待测电容的最终电容值由计算得到的待测电容的电容值减去两端导线的分布电容值得到。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1）本发明微小电容测量方法，基于放电时间与电容值之间的特性，通过测量待测电容与参考电容之间的放电时间来计算待测电容的电容值，不需要依赖复杂的电路结构，实现操作简单且测量的效率和精度高，同时由于是基于参考电容与待测电容之间放电时间的比较，因而可以实现电容值非常小的微小电容的测量，且测量范围不受限制，测量的应用场合广泛；
2）本发明微小电容测量方法，放电时间测量时通过依次将待测电容、参考电容接至同一充放电回路中，通过充放电回路将接入的电容进行相同的充、放电过程，可以使得待测电容与参考电容处于同一充、放电工况下，从而将放电时间与电容值建立线性关系，基于该放电过程中的放电时间对比即可准确的计算待测电容的电容值；
3）本发明微小电容测量方法，放电时间仅需测量放电至一定比例的电源电压值时所需的时间，无需完成整个放电过程，与传统测量方法需要完成整个放电过程相比，可以大大缩短测量时间，有效提高测量效率；
4）本发明微小电容测量方法中，通过配置与待测电容同一数量级的参考电容，由同一数量级的电容之间放电时间的比较确定待测电容的电容值，可以降低增益偏移，从而进一步提高电容测量的精度；同时通过参考电容的配置，可以实现对各数量等级的微小电容的测量，不受电容大小的限制；
5）本发明微小电容测量方法，在电容值测量的基础上，通过分别测量待测电容两端的分布电容值，相比较传统共振法、激励法等，可以有效消除微小电容测量中分布电容对测量结果的影响，获得待测电容精确的电容值。
附图说明
图1是本实施例微小电容测量方法的实现流程示意图。
图2是本实施例中充放电回路的结构示意图。
图3是本实施例微小电容测量方法的实现原理示意图。
图4是本实施例中待测电容与参考电容的放电曲线对比示意图。
图5是待测电容中分布电容的结构原理示意图。
图6是本实施例微小电容测量方法包含去除分布电容步骤的实现原理示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例微小电容测量方法包括电容值测量步骤，电容值测量步骤为：分别测量待测电容与参考电容从第一电压值放电至第二电压值时所需的放电时间，根据放电时间与电容值的关系、以及测量得到的放电时间计算待测电容的电容值。
由于在相同工况下，电容的放电时间长短与电容值相关，即放电时间与电容值呈线性关系，本实施例基于放电时间与电容值之间的该特性，通过测量待测电容与参考电容之间的放电时间来计算待测电容的电容值，不需要依赖复杂的电路结构，实现操作简单且测量的效率和精度高，同时由于是基于参考电容与待测电容之间放电时间的比较，因而可以实现电容值非常小的微小电容的测量，且测量范围不受限制，测量的应用场合广泛。
本实施例中，放电时间的具体测量步骤为：依次将待测电容、参考电容接至同一充放电回路中，通过充放电回路将接入的电容充电至第一电压值后使接入的电容开始放电，并记录放电至第二电压值所需的放电时间，分别测量得到待测电容、参考电容所需的放电时间。通过依次将待测电容、参考电容接至同一充放电回路中，由充放电回路将接入的电容进行相同的充、放电过程，可以使得待测电容与参考电容处于同一充、放电工况下，从而将放电时间与电容值建立线性关系，基于该放电过程中的放电时间对比即可准确的计算待测电容的电容值。
本实施例充放电回路如图2所示，包括脉冲信号发生器、接入的待测电容或参考电容以及放电电阻，通过脉冲信号发生器向接入的电容充电、通过放电电阻使接入的电容放电，结构简单且稳定性好。本实施例还设置时间转换器记录充放电回路中的放电时间，具体采用高精度时间数字转换器，可以直观的获取得到高精度的放电时间。待测电容和参考电容的放电时间测量时，依次将待测电容、参考电容接入至充放电回路中，使得均与同一个放电电阻连接组成Low-pass低通滤波电路；如图3所示，由脉冲信号发生器产生脉冲信号，将充放电回路中接入的电容充电到第一电压值的电源电压，然后充放电回路通过放电电阻进行放电，放电至第二电压值时所需时间通过时间数字转换器进行记录，待测电容和参考电容分别执行上述步骤后即可测量得到对应的放电时间，由测量得到的放电时间即可计算待测电容的电容值。
电容的电量和其两端的电压成线性关系，可表示为Q = UC，其中Q为电容的电量，U为电容两端的电压，C为电容值，因而通过电压值可以确定对应的电容量变化。本实施例中，第二电压值为指定比例的第一电压值，其中0<指定比例<100%，可根据实际需求进行设置，即放电时间仅需测量放电至一定比例的电源电压值时所需的时间，无需完成整个放电过程，与传统测量方法需要完成整个放电过程相比，可以大大缩短测量时间，有效提高测量效率。本实施例具体取90%，即测量的放电时间为放电至第一电压值的90%（原电容电量的90%）时所需时间，第二电压值具体还可根据实际需求进行设置。
本实施例中，电容值测量步骤还包括参考电容配置步骤，具体为配置与待测电容处于同一数量等级的电容作为参考电容，如若待测电容为pF级，则对应的选择pF级电容作为参考电容。待测电容测量前，通常可以确定其数量等级（数量级），本实施例通过配置与待测电容同一数量级的参考电容，由同一数量级的电容之间放电时间的比较确定待测电容的电容值，可以降低增益偏移，从而进一步提高电容测量的精度，同时通过参考电容的配置，可以实现对各数量等级的微小电容的测量，不受电容大小的限制，待测电容具体可以为几fF到几十nF的电容。
本实施例中，待测电容的值具体根据参考电容的电容值、以及待测电容与参考电容之间放电时间的比值计算得到。放电时间与电容值呈线性关系，即待测电容与参考电容之间的电容值的比值与放电时间的比值呈线性关系，则根据参考电容的电容值，再由待测电容与参考电容之间放电时间的比值即可计算得到待测电容的电容值。
本实施例待测电容、参考电容所记录的放电曲线如图4所示，其中横坐标为时间，待测电容从第一电压值V0放电至第二电压值Vt时所需的放电时间为μs，待测电容与参考电容之间的放电时间差为ns，则μ+n为参考电容从第一电压值V0放电至第二电压值Vt时所需的放电时间，待测电容的值具体按照下式（1）计算得到；
C = C0* μ /(μ+n) （1）
其中C为待测电容的电容值，C0为参考电容的电容值。
本实施例中，测量方法还包括分布电容值去除步骤，具体步骤为：依次以待测电容两端导线的分布电容作为目标电容，按照电容值测量步骤计算目标电容的电容值，得到待测电容两端导线的分布电容值，并根据得到的分布电容值计算待测电容的最终电容值。
电容在任何两个绝缘导体间皆存在，相邻的导线、线圈相邻两匝、分立的元件以及一个元件内部的各部分之间都具有一定的电容，即为分布电容，分布电容对电路的影响等效于给电路并联上一个电容器。在低频交流电路中，分布电容的容抗很大，对电路的影响不大，因此在低频交流电路中，一般可以不考虑分布电容的影响，但对于高频交流电路，分布电容的影响就不能忽略。
由于微小电容的尺寸处于毫米级别，能够获得的电容信号非常微弱，因而直接测量得到的电容中还叠加有分布电容，且通常分布电容的值往往比待测电容本身要大得多。本实施例在上述电容值测量的基础上，通过分别测量待测电容两端的分布电容值，可以有效消除微小电容测量中分布电容对测量结果的影响，获得待测电容精确的电容值，而传统的共振法和振荡法等均无法克服分布电容的影响。
本实施例中，计算目标电容的电容值时，具体通过将目标电容所在端的导线连接至充放电回路中，测量目标电容所需的放电时间。依次将待测电容两端导线连接至充放电回路中，即可测量得到两端分布电容所需的放电时间，从而计算得到两端分布电容值。
本实施例中，由计算得到的待测电容的电容值减去两端导线的分布电容值，获取得到待测电容的最终电容值。
如图5所示，C1和C2分别等效为待测电容C两端导线等的杂散分布电容，A、B分别为待测电容两端的导线接口。对待测电容进行测量时，如图6所示，首先将A、B端接入至充放电回路中，按上述电容值测量步骤计算得到待测电容的电容值，即包含分布电容的总电容值；再分别对待测电容C两端分布电容C1和C2进行测量，其中分布电容C1即为A端相对于地的电容、分布电容C2即为B端相对于地的电容，分别将A端、B端接入充放电回路中按照上述电容值测量步骤进行测量，即可获得分布电容C1和C2的电容值；最后将待测电容的电容值（A、B两端之间的电容）减去获得的分布电容C1和C2的电容值，即得到待测电容C的最终电容值，最终电容值中消除了分布电容值。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种微小电容测量方法，其特征在于，所述测量方法包括电容值测量步骤，所述电容值测量步骤为：分别测量待测电容与参考电容从第一电压值放电至第二电压值时所需的放电时间，根据放电时间与电容值的关系、以及测量得到的放电时间计算待测电容的电容值；所述放电时间的具体测量步骤为：依次将待测电容、参考电容接至同一充放电回路中，通过所述充放电回路将接入的电容充电至第一电压值后使所述接入的电容开始放电，并记录放电至第二电压值所需的放电时间，分别测量得到待测电容、参考电容所需的放电时间；所述待测电容的电容值具体根据参考电容的电容值、以及待测电容与参考电容之间放电时间的比值计算得到。
2.根据权利要求1所述的微小电容测量方法，其特征在于：所述充放电回路通过脉冲信号发生器向接入的电容充电、通过放电电阻使接入的电容放电；所述充放电回路通过时间转换器记录放电时间。
3.根据权利要求2所述的微小电容测量方法，其特征在于：所述电容值测量步骤还包括参考电容配置步骤，具体为配置与待测电容处于同一数量等级的电容作为参考电容。
4.根据权利要求3所述的微小电容测量方法，其特征在于：所述第二电压值为指定比例的第一电压值，其中0<指定比例<100%。
5.根据权利要求1所述的微小电容测量方法，其特征在于，所述待测电容的电容值具体按照下式计算得到；
C = C0*μ/(μ+n)
其中C为待测电容的电容值，C0为参考电容的电容值，μ为待测电容从第一电压值V0放电至第二电压值Vt时所需的放电时间，μ+n为参考电容从第一电压值V0放电至第二电压值Vt时所需的放电时间，其中n 为待测电容与参考电容之间的放电时间差。
6.根据权利要求1～4中任意一项所述的微小电容测量方法，其特征在于，所述测量方法还包括分布电容值去除步骤，具体步骤为：依次以待测电容两端导线的分布电容作为目标电容，按照所述电容值测量步骤计算目标电容的电容值，得到待测电容两端导线的分布电容值，并根据得到的分布电容值计算去除分布电容值后待测电容的最终电容值。
7.根据权利要求6所述的微小电容测量方法，其特征在于：所述计算目标电容的电容值时，具体通过将目标电容所在端的导线连接至充放电回路中，测量目标电容所需的放电时间。
8.根据权利要求7所述的微小电容测量方法，其特征在于：所示待测电容的最终电容值由计算得到的待测电容的电容值减去两端导线的分布电容值得到。
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