CN108333437A - 微小电容测量***及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微小电容测量***，其包括一信号发生模块、一电容/电压变换模块、一信号采集处理模块、一CPU及一通信模块，所述信号发生模块包括DDS正弦信号发生器及数模转换器，所述信号采集处理模块包括程控放大器、模数转换器及数字解调器，所述DDS正弦信号发生器输出端依次串联数模转换器、电容/电压变换模块、程控放大器、模数转换器、数字解调器及CPU，所述数字解调器的另一端信号输入端口连接DDS正弦信号发生器，所述CPU还分别与DDS正弦信号发生器、程控放大器及通信模块相连。本发明微小电容测量***可克服电荷注入、零点漂移和测量对象为气固两相流动时的颗粒电荷干扰问题，提高测量精度。本发明还提供一种微小电容测量方法。

Description

微小电容测量***及测量方法

技术领域

本发明涉及两相流质量测量技术领域，尤其涉及一种微小电容测量***及测量方法。

背景技术

随着工业技术和科学水平的迅速发展，含有粉体粒子的气固两相流动在国民经济和人类生活中的地位日益重要。粉料气力输送***广泛应用于化工、冶金、动力、轻工和军工等部门，与粉料输送有关的问题也引起了人们的重视。由于工业气固两相流体的流动过程复杂，很难找到其流动规律，现代工业领域，气固两相流体的质量流量的测量成为一个十分重要的课题，工业发达国家的许多科研工作者为此做了大量工作，研制了如冲力式、差压式、热平衡式的流量测量装置，但这些装置都存在着局限性，没能在工业生产中广泛应用。

电容式气固两相流质量流量计是测量气固两相流质量流量的一种测量技术，具有结构简单，成本低廉的特点，便于工业应用。电容式气固两相流质量流量计主要由传感器、测量***和数据处理***组成。其基本工作原理是在气固两相流体流动的管道外侧安装电容传感器。由于管道内两相流体的各分相的物质不同，因此具有不同的介电常数，当流体流过电容极板间所形成的检测场时，由于相浓度的变化会引起流体的等效介电常数的变化，从而使传感器的电容输出值随之改变。因此，电容值的大小即可作为气固两相流的质量流量。该***中被测电容值一般在0.01pF至1pF之间，属于微弱电容的测量，因此，微小电容测量是电容式气固两相质量流量计***中关键问题之一。

而最常用的微小电容测量电路主要有充放电法和交流法两种，充放电法电容测量电路以其结构简单、成本低廉、功耗低等优点而最早用于电容检测，但是其与交流法相比具有零点漂移和电荷注入等问题，容易引起测量偏差。当测量对象为气固两相流体时，颗粒荷电现象将会导致传感器电极上感应出一定的电荷，从而在测量电路中产生一定的电压输出，这样会给电容测量带来一定的影响，有时甚至会使测量***失效，制约着微小电容检测精度的进一步提高。

鉴于此，有必要提供一种可解决上述缺陷的测量偏差小且测量精度高的微小电容测量***及测量方法。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题提供一种测量偏差小且测量精度高的微小电容测量***。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种微小电容测量方法以降低测量偏差，提高测量精度。

为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案：本发明提供一种微小电容测量***，用于连接控制***或者数据接收***，所述微小电容测量***包括有一信号发生模块，用于生成激励信号，其包括DDS正弦信号发生器及数模转换器，所述DDS正弦信号发生器用于生成数字正弦激励信号，所述数模转换器用于将所述DDS正弦信号发生器生成的数字正弦激励信号转换为模拟正弦激励信号；一电容/电压变换模块，用于将所述信号发生模块生成的激励信号变换为交流测量电压信号；一信号采集处理模块，用于采集所述电容/电压变换模块转换获得的交流测量电压信号并对其进行处理，其包括程控放大器、数模转换器及数字解调器，所述程控放大器用于对所述交流测量电压信号进行缩放，所述模数转换器用于将所述程控放大器缩放后的交流测量电压信号转换成数字测量电压信号，所述数字解调器用于根据所述数字测量电压信号及DDS正弦信号发生器生成的数字正弦激励信号进行解调，获取与被测电容成比例关系的幅值结果；一CPU，用于控制信号发生模块产生激励信号；用于控制信号采集处理模块的程控放大器的工作；用于获取并发送所述数字解调器解调后获得的与被测电容成比例关系的幅值结果；一通信模块，用于获取与被测电容成比例关系的幅值结果并输出至所述控制***或者数据接收***。

其进一步技术方案为：所述电容/电压变换模块包括有一电容传感器及与所述电容传感器的检测电极连接的用于将所述电容传感器检测的电容转换为电压的转换电路，所述转换电路包括一运算放大器、一反馈电容及一反馈电阻，所述电容传感器的检测电极连接在所述运算放大器的反相输入端，所述运算放大器的正相输入端接地，其输出端作为转换电路的输出端，所述反馈电阻及反馈电容并联后一端与运算放大器的输出端相连，其另一端与运算放大器的反相输入端相连。

其进一步技术方案为：所述数模转换器为具有65MHz采样率和14位分辨率的DAC芯片，所述模数转换器为具有65MHz采样率和14位分辨率的ADC芯片。

其进一步技术方案为：所述信号发生模块还包括一低通滤波器，用于对所述数模转换器转换获得的模拟正弦激励信号进行滤波处理。

其进一步技术方案为：所述低通滤波器为Sallen-Key结构的二阶低通滤波器，其截止频率为600KHz。

其进一步技术方案为：所述DDS正弦信号发生器、CPU、数字解调器及通信模块均由FPGA实现。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种微小电容测量方法，其包括以下步骤：

CPU控制信号发生模块产生激励信号；

电容/电压变换模块接收所述信号发生模块提供的激励信号，根据接收到的激励信号获取交流测量电压信号；

信号采集处理模块采集所述电容/电压变换模块获得的交流测量电压信号并对其进行处理，获取与被测电容成比例关系的幅值结果；

CPU获取所述幅值结果，并将其发送至通信模块；

通信模块将所述幅值结果输出至控制***或者数据接收***。

其进一步技术方案为：所述CPU控制信号发生模块产生激励信号包括以下步骤：

CPU控制DDS正弦信号发生器生成数字正弦激励信号；

数模转换器根据所述数字正弦激励信号转换为模拟正弦激励信号；

低通滤波器对所述模拟正弦激励信号进行滤波处理。

其进一步技术方案为：所述信号采集处理模块采集所述电容/电压变换模块获得的交流测量电压信号并对其进行处理，获取与被测电容成比例关系的幅值结果包括以下步骤：

CPU控制程控放大器采集所述电容/电压变换模块获得的交流测量电压信号，对所述交流测量电压信号进行缩放；

模数转换器将所述程控放大器缩放后的交流测量电压信号转换成数字测量电压信号；

数字解调器获取所述数字测量电压信号及DDS正弦信号发生器生成的数字正弦激励信号，并根据所述数字测量电压信号及数字正弦激励信号进行乘法运算，获取与被测电容成比例关系的幅值结果。

其进一步技术方案为：所述数字解调器获取所述数字测量电压信号及DDS正弦信号发生器生成的数字正弦激励信号，并根据所述数字测量电压信号及数字正弦激励信号进行乘法运算，获取与被测电容成比例关系的幅值结果包括以下步骤：

数字解调器根据测量的精度和速度需求设置每次解调时需要使用的数字测量电压信号的采样点数N，对所述数字测量电压信号进行采样，获取采样测量数据；

数字解调器根据所述采样点数N，在一个完整信号周期内对DDS正弦信号发生器生成的数字正弦激励信号进行采样，获取其同相及正交参考信号数据，并将所述同相参考信号数据及正交参考信号数据分别与采样测量数据进行乘法运算，获取对应的同相乘积信号数据及正交乘积信号数据；

数字解调器将获得的一个完整信号周期内的N个同相乘积信号数据进行累加，获取同相乘积信号和，将获得的一个完整信号周期内的N个正交乘积信号数据进行累加，获取正交乘积信号和；

数字解调器根据所述同相乘积信号和及正交乘积信号和获取与被测电容成比例关系的幅值结果。

本发明的有益技术效果在于：本发明微小电容测量***通过设置DDS正弦信号发生器以生成数字激励信号，克服电容测量产生的电荷注入及零点漂移，降低测量偏差，通过程控放大器对交流测量电压信号进行缩放后经由模数转换器进行模数转换，以使采集到的信号具有最佳的信噪比，采用数字解调器对采集到的信号进行乘法运算及解调处理，获得与被测电容成比例关系的幅值结果，从而实现电容的测量。本发明微小电容测量方法通过数字激励及数字解调的方式克服电荷注入、零点漂移和测量对象为气固两相流动时的颗粒电荷干扰问题，提高测量精度，降低测量偏差，确保电容测量的可靠性和准确性。

附图说明

图1是本发明微小电容测量***一具体实施例的结构框架示意图。

图2是图1所示测量***的电容/电压变换模块的电路原理图。

图3是本发明微小电容测量方法一具体实施例的流程图。

图4是本发明微小电容测量方法的数字解调的流程图。

具体实施方式

为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。显然，以下将描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明微小电容测量***用于连接控制***或者数据接收***，将获得的与被测电容成比例关系的幅值结果输出至控制***或者数据接收***以分析处理获得对应的电容大小，实现对电容的测量。

参照图1，本发明微小电容测量***10包括一信号发生模块110、一电容/电压变换模块120、一信号采集处理模块130、一CPU140及一通信模块150。所述信号发生模块110包括DDS正弦信号发生器111及数模转换器112，所述信号采集处理模块130包括程控放大器131、模数转换器132及数字解调器133。

所述信号发生模块110用于生成激励信号，所述DDS正弦信号发生器111用于生成数字正弦激励信号，所述数模转换器112用于将所述DDS正弦信号发生器111生成的数字正弦激励信号转换为模拟正弦激励信号。利用数字激励信号代替传统的充放电式激励信号，可克服电荷注入和零点漂移的问题，降低测量偏差。在本实施例中，所述DDS正弦信号发生器111为数字信号处理方法实现的不具备频率可调功能的简化的DDS正弦信号发生器，具有极高的频率和幅值的稳定度，有利于提高***的稳定性。

所述电容/电压变换模块120用于获取所述信号发生模块110生成的激励信号，并将其变换为交流测量电压信号。所述信号采集处理模块130用于采集所述电容/电压变换模块120转换获得的交流测量电压信号并对其进行处理，其中，所述程控放大器131对所述电容/电压变换模块120变换获得的交流测量电压信号进行适当缩放，以使最终输入到模数转换器132的交流测量电压信号具有最适合采集的幅值范围，从而使采集到的信号具有最佳的信噪比，测量动态范围大。所述模数转换器132用于将所述程控放大器131缩放后的交流测量电压信号转换成数字测量电压信号，所述数字解调器133用于根据所述数字测量电压信号及DDS正弦信号发生器111生成的数字正弦激励信号进行解调，获取与被测电容成比例关系的幅值结果。其中，采用数字解调器133进行数字解调有利于提高解调结果的准确性。

所述CPU140用于控制所述信号发生模块模块110的DDS正弦信号发生器111产生数字正弦激励信号；用于控制信号采集处理模块130的程控放大器131的工作；用于获取所述数字解调器133解调后获得的与被测电容成比例关系的幅值结果，并传送至所述通信模块150，所述通信模块150将获得的与被测电容成比例关系的幅值结果输出至控制***或者数据接收***以分析处理，获取对应的电容值。其中，程控放大器131是一种放大倍数由程序控制的放大器，可实现自动控制增益或量程自动切换，在本实施例中，所述CPU140为程控放大器131的控制模块，所述程控放大器131为数字量控制增益放大器，用于将不同测量范围的交流测量电压信号进行增益控制，使其达到模数转换器132的工作要求。

在本实施例中，所述信号发生模块110还包括一低通滤波器113，所述低通滤波器113连接于数模转换器112及电容/电压变换模块120之间，用于对所述数模转换器112转换获得的模拟正弦激励信号进行滤波处理，衰减不需要的抽样分量和杂散信号，平滑模拟正弦激励信号。所述DDS正弦信号发生器111的输出端依次串联数模转换器112、低通滤波器113、电容/电压变换模块120、程控放大器131、模数转换器132、数字解调器133及CPU140，所述数字解调器133的另一端信号输入端口连接DDS正弦信号发生器111，所述CPU140还分别与DDS正弦信号发生器111、程控放大器131及通信模块150相连。

在本实施例中，优选地，所述低通滤波器113采用Sallen-Key结构的二阶低通滤波器，其截止频率为600KHz。所述电容/电压变换模块120获取低通滤波器113滤波后的模拟正弦激励信号，并将其变换为交流测量电压信号。在某些实施例中，所述电容/电压变换模块120可获取数模转换器112转换获得的模拟正弦激励信号，并将其变换为交流测量电压信号。

在本实施例中，所述DDS正弦信号发生器111、CPU140、数字解调器133及通信模块150均由FPGA实现，充分利用FPGA并行计算的优点，使得各模块的操作可以同时进行，实现电容信号的实时检测。所述数模转换器112为具有65MHz采样率和14位分辨率的DAC芯片，所述模数转换器132为具有65MHz采样率和14位分辨率的ADC芯片。

参照图2，在本实施例中，所述电容/电压变换模块120包括有一电容传感器C_x及与电容传感器C_x的检测电极连接的用于将所述电容传感器C_x检测的电容转换为电压的转换电路121，所述转换电路121包括一运算放大器U1、一反馈电容C_f及一反馈电阻R_f。所述电容传感器C_x的一侧检测电极连接在所述运算放大器U1的反相输入端，该电容传感器C_x的另一侧检测电极作为所述电容/电压变换模块120的输入端IN，所述转换电路121的输出端作为电容/电压变换模块120的输出端OUT，所述运算放大器U1的正相输入端接地，其输出端作为转换电路121的输出端，所述反馈电阻R_f与反馈电容C_f并联后一端与运算放大器U1的输出端相连，其另一端与运算放大器U1的反相输入端相连。所述电容传感器C_x的两检测电极分别连接有一一端接地的电容C_s1、C_s2，其中，所述电容C_s1、C_s2表示由连接电容传感器C_x的检测电极的屏蔽电缆引入的杂散电容，杂散电容的大小与屏蔽电缆的长度有关，一般认为1m长的电缆带来的杂散电容为100pF。电容C_s1为第一杂散电容，电容C_s2为第二杂散电容，由于第一杂散电容C_s1的一端固定接地，其另一端接模拟正弦激励信号，而模拟正弦激励信号为交流电压信号，因此第一杂散电容C_s1不会产生能流过电容传感器C_x的电流，从而不影响电容传感器C_x的测量，而所述第二杂散电容C_s2一端固定接地，其另一端接运算放大器U1的反相输入端，流过电容传感器C_x的电流不会流入第二杂散电容C_s2，从而不影响对电容传感器C_x的测量。因此，所述电容/电压变换模块120具有抗杂散电容的功能，可有效避免杂散电容对电容测量精度的影响，提高本发明微小电容测量***10的稳定性和可靠性。

参照图3，本发明还提供了一种微小电容测量方法，该微小电容测量方法可基于上述微小电容测量***进行，其包括以下步骤：

步骤S1，CPU控制信号发生模块产生激励信号。

具体地，所述步骤S1包括以下步骤：

步骤S11，CPU控制DDS正弦信号发生器生成数字正弦激励信号。

步骤S12，数模转换器将所述数据正弦激励信号转换为模拟正弦激励信号。

所述DDS正弦信号发生器的参考信号频率为f_c，输出信号频率为f_o，所述参考信号频率f_c与输出信号频率f_o的比值为比值n是一个整数，以比值n作为数据长度，建立一个简单的正弦数据查找表，数据内容分别为每个正弦信号周期内具有相同相位间隔的n个正弦信号的幅值，再按照所述参考信号频率f_c逐个输出到所述模数转换器即可获得所需的数字正弦激励信号。所述数模转换器的分辨率为L位，所需存储在查找表内的正弦数据可按照以下两个步骤计算：

相位增量Δθ：

其中，n为所述参考信号频率f_c与输出信号频率f_o的比值。

第i(0≤i≤n)个具有L位分辨率的正弦数据Data(i)：

Data(i)＝Round[2^L-1·sin(i·Δθ)+2^L-1] (2)

其中，Round为取整运算符，结合公式(1)和(2)可知，所述正弦数据Data(i)中，第0个数据和第n个数据都是0，在连续的正弦发生过程中，前一个周期的第n个数据与当前周期的第0个数据恰好重合，因此，两者只需留其一，从而多个正弦波周期被无缝衔接，并且各个周期内的采样点数据的个数和值都相同，因此，所述DDS正弦信号发生器可产生幅值和频率均稳定的数字正弦激励信号。优选地，所述数模转换器的分辨率为14位，则L＝14。

步骤S13，低通滤波器对所述模拟正弦激励信号进行滤波处理，并将滤波后的模拟正弦激励信号传输至所述电容/电压变换模块。

步骤S2，电容/电压变换模块接收所述信号发生模块提供的激励信号，根据接收到的激励信号获取交流测量电压信号。其中，在本实施例中，所述信号发生模块产生的激励信号为低通滤波器滤波后的模拟正弦激励信号。

具体地，结合图2所示电路原理图，信号发生模块所产生的模拟正弦激励信号即输入信号V_i(t)施加在电容/电压变换模块的输入端上，流过电容传感器的电流等于流过反馈电阻及反馈电容的电流之和，即：

其中，ω为模拟正弦激励信号的角频率，C_f为反馈电容的电容值，R_f为反馈电阻的阻值，C_x为电容传感器测得的被测电容的电容值，V_o(t)表示输出信号。

整理可得，电容/电压变换模块转换获得的交流测量电压信号即输出信号V_o(t)为：

其中，电容/电压变换模块不受杂散电容的影响，具有较强的抗杂散电容能力，当|jωC_fR_f+1|＞＞1时，公式(4)可简化为：

其中，V_o和V_i分别为输出信号V_o(t)和输入信号V_i(t)的幅值。可见，输出信号和输入信号的频率无关，而且，在输入信号固定不变的情况下，输出信号的幅值与被测电容的电容值之间成比例关系，即在信号发生模块所产生的模拟正弦激励信号固定不变的情况下，电容/电压变换模块转换获得的交流测量电压信号的幅值与被测电容的电容值之间成比例关系。电容值越大，幅值越大，所述电容/电压变换模块转换获得的交流测量电压信号的幅值通过信号采集处理模块采集处理后获得，获得的幅值结果直接反映电容大小，从而实现电容测量。

步骤S3，信号采集处理模块采集所述电容/电压变换模块获得的交流测量电压信号并对其进行处理，获取与被测电容成比例关系的幅值结果。

具体地，步骤S3包括以下步骤：

步骤S31，CPU控制程控放大器采集所述电容/电压变换模块获得的交流测量电压信号并控制程控放大器对所述交流测量电压信号进行适当缩放。其中，利用程控放大器可使得最终输入到所述模数转换器的交流测量电压信号具有最合适采集的幅值范围，从而使采集到的信号具有最佳的信噪比。在本实施例中，所述程控放大器为数字量控制增益放大器，用于将不同测量范围的交流测量电压信号进行增益控制，使其达到模数转换器的工作要求。

步骤S32，模数转换器将所述程控放大器缩放后的交流测量电压信号转换成数字测量电压信号。

步骤S33，数字解调器获取数字测量电压信号及DDS正弦信号发生器生成的数字正弦激励信号，并根据所述数字测量电压信号及数字正弦激励信号进行乘法运算，获取与被测电容成比例关系的幅值结果。其中，采用数字解调方式可无需再将数字信号转换为模拟信号，直接根据DDS正弦信号发生器的数字正弦激励信号的信息及数字测量电压信号进行数字解调，数据结果更加准确可靠，简化了电容测量***的复杂程度。

结合图4，在本实施例中，具体地，步骤S33包括以下步骤：

步骤S331，数字解调器根据测量的精度和速度需求设置每次解调时需要使用的数字测量电压信号的采样点数N，对所述数字测量电压信号进行采样，获取采样测量数据。其中，所述采样点数N的数值和DDS正弦信号发生器的参考信号频率f_c与输出信号频率f_o之间的比值n的数值相等。

步骤S332，数字解调器根据采样点数N，在一个完整信号周期内对DDS正弦信号发生器的数字正弦激励信号进行采样，获取数字正弦激励信号的同相及正交参考信号数据，并将同相参考信号数据及正交参考信号数据分别与所述采样测量数据进行乘法运算，获取对应的同相乘积信号数据及正交乘积信号数据。

具体地，假设模数转换器的采样频率为f_s，模数转换后获得的数字测量电压信号，即所述采样测量数据表达式为：

其中，k表示一个采样周期内采样点的序号，y(k)表示第k个采样点的值，A₁是数字测量电压信号的幅值，表示相位，f表示频率，为方便表示，令

则公式(6)可简化为：

同理，被采样后，调解过程中所需的DDS正弦信号发生器的数字正弦激励信号的同相参考信号数据及正交参考信号数据的表达式为：

其中，r_i(k)表示同相参考信号数据，r_q(k)表示正交参考信号数据，将同相参考信号数据及正交参考信号数据分别与所述采样测量数据进行乘法运算，即可得到对应的同相乘积信号数据p_i(k)及正交乘积信号数据p_q(k)：

步骤S333，数字解调器将获得的一个完整信号周期内的N个同相乘积信号数据进行累加，获取同相乘积信号和，将获得的一个完整信号周期内的N个正交乘积信号数据进行累加，获取正交乘积信号和。

具体地，对一个完整信号周期内的同相乘积信号数据进行累加求和，对一个完整信号周期内的正交乘积信号数据进行累加求和，利用数字正弦激励信号在整数个完整信号周期内积分为0的特性，消除二倍频交流分量，而且模数转换器的采样频率较高，每个完整信号周期内存在足够多的采样点数，则有

其中，N为一个完整信号周期内采样点的总个数，因此，按整周期累加求和，同相乘积信号和P_i(k)及正交乘积信号和P_q(k)分别为：

步骤S334，数字解调器根据所述同相乘积信号和及正交乘积信号和获取与被测电容成比例关系的幅值结果。

具体地，所述幅值结果的幅值A₁和对应的相位可表示为：

步骤S4，CPU获取所述幅值结果，并将其发送至通信模块。

步骤S5，通信模块将所述幅值结果输出至控制***或者数据接收***，控制***或者数据接收***对接收到的幅值结果进行分析处理，获取对应的电容值，实现对电容的测量。

综上所述，本发明微小电容测量***通过设置DDS正弦信号发生器以生成数字激励信号，利用数字激励信号进行电容检测避免了电荷注入和零点漂移的问题，降低电容测量的偏差，利用电容/电压转换模块将电容传感器测量的电容转换为交流测量电压信号，所述电容/电压变换模块具有抗杂散电容的功能，可有效避免杂散电容对电容测量精度的影响，提高电容测量***的稳定性和可靠性，通过程控放大器对交流测量电压信号进行缩放后经由模数转换器进行模数转换，以使采集到的信号具有最佳的信噪比，采用数字解调器对采集到的信号进行乘法运算及解调处理，获得与被测电容成比例关系的幅值结果，从而实现电容的测量，利用数字解调有利于提高电容测量的准确性；所述DDS正弦信号发生器、CPU、数字解调器及通信模块均由FPGA实现，充分利用FPGA并行计算的优点，使得各模块的计算可以同时进行，实现电容信号的实时检测，且性能稳定。本发明微小电容测量方法利用数字激励信号及数字解调，避免电荷注入和零点漂移的问题，降低电容测量的偏差，提高电容测量的准确性，而且解调数据的获取操作简单快捷。

以上所述仅为本发明的优选实施例，而非对本发明做任何形式上的限制。本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微小电容测量***，用于连接控制***或者数据接收***，其特征在于，所述微小电容测量***包括有：

一信号发生模块，用于生成激励信号，其包括DDS正弦信号发生器及数模转换器，所述DDS正弦信号发生器用于生成数字正弦激励信号，所述数模转换器用于将所述DDS正弦信号发生器生成的数字正弦激励信号转换为模拟正弦激励信号；

一电容/电压变换模块，用于将所述信号发生模块生成的激励信号变换为交流测量电压信号；

一信号采集处理模块，用于采集所述电容/电压变换模块转换获得的交流测量电压信号并对其进行处理，其包括程控放大器、模数转换器及数字解调器，所述程控放大器用于对所述交流测量电压信号进行缩放，所述模数转换器用于将所述程控放大器缩放后的交流测量电压信号转换成数字测量电压信号，所述数字解调器用于根据所述数字测量电压信号及DDS正弦信号发生器生成的数字正弦激励信号进行解调，获取与被测电容成比例关系的幅值结果；

一CPU，用于控制信号发生模块产生激励信号；用于控制信号采集处理模块的程控放大器的工作；用于获取并发送所述数字解调器解调后获得的与被测电容成比例关系的幅值结果；

一通信模块，用于获取与被测电容成比例关系的幅值结果并输出至所述控制***或者数据接收***。

2.如权利要求1所述的微小电容测量***，其特征在于：所述电容/电压变换模块包括有一电容传感器及与电容传感器的检测电极连接的用于将所述电容传感器检测的电容转换为电压的转换电路，所述转换电路包括一运算放大器、一反馈电容及一反馈电阻，所述电容传感器的检测电极连接在所述运算放大器的反相输入端，所述运算放大器的正相输入端接地，其输出端作为转换电路的输出端，所述反馈电阻及反馈电容并联后一端与运算放大器的输出端相连，其另一端与运算放大器的反相输入端相连。

3.如权利要求1所述的微小电容测量***，其特征在于：所述数模转换器为具有65MHz采样率和14位分辨率的DAC芯片，所述模数转换器为具有65MHz采样率和14位分辨率的ADC芯片。

4.如权利要求1所述的微小电容测量***，其特征在于：所述信号发生模块还包括一低通滤波器，用于对所述数模转换器转换获得的模拟正弦激励信号进行滤波处理。

5.如权利要求4所述的微小电容测量***，其特征在于：所述低通滤波器为Sallen-Key结构的二阶低通滤波器，其截止频率为600KHz。

6.如权利要求1所述的微小电容测量***，其特征在于：所述DDS正弦信号发生器、CPU、数字解调器及通信模块均由FPGA实现。

7.一种微小电容测量方法，其特征在于，所述微小电容测量方法包括以下步骤：

CPU控制信号发生模块产生激励信号；

电容/电压变换模块接收所述信号发生模块提供的激励信号，根据接收到的激励信号获取交流测量电压信号；

信号采集处理模块采集所述电容/电压变换模块获得的交流测量电压信号并对其进行处理，获取与被测电容成比例关系的幅值结果；

CPU获取所述幅值结果，并将其发送至通信模块；

通信模块将所述幅值结果输出至控制***或者数据接收***。

8.如权利要求7所述的微小电容测量方法，其特征在于，所述CPU控制信号发生模块产生激励信号包括以下步骤：

CPU控制DDS正弦信号发生器生成数字正弦激励信号；

数模转换器将所述数字正弦激励信号转换为模拟正弦激励信号；

低通滤波器对所述模拟正弦激励信号进行滤波处理。

9.如权利要求7所述的微小电容测量方法，其特征在于，所述信号采集处理模块采集所述电容/电压变换模块获得的交流测量电压信号并对其进行处理，获取与被测电容成比例关系的幅值结果包括以下步骤：

CPU控制程控放大器采集所述电容/电压变换模块获得的交流测量电压信号，对所述交流测量电压信号进行缩放；

模数转换器将所述程控放大器缩放后的交流测量电压信号转换成数字测量电压信号；

数字解调器获取所述数字测量电压信号及DDS正弦信号发生器生成的数字正弦激励信号，并根据所述数字测量电压信号及数字正弦激励信号进行乘法运算，获取与被测电容成比例关系的幅值结果。

10.如权利要求9所述的微小电容测量方法，其特征在于，所述数字解调器获取所述数字测量电压信号及DDS正弦信号发生器生成的数字正弦激励信号，并根据所述数字测量电压信号及数字正弦激励信号进行乘法运算，获取与被测电容成比例关系的幅值结果包括以下步骤：

数字解调器根据测量的精度和速度需求设置每次解调时需要使用的数字电压测量信号的采样点数N，对所述数字测量电压信号进行采样，获取采样测量数据；

数字解调器根据所述采样点数N，在一个完整信号周期内对DDS正弦信号发生器生成的数字正弦激励信号进行采样，获取其同相及正交参考信号数据，并将所述同相参考信号数据及正交参考信号数据分别与采样测量数据进行乘法运算，获取对应的同相乘积信号数据及正交乘积信号数据；

数字解调器将获得的一个完整信号周期内的N个同相乘积信号数据进行累加，获取同相乘积信号和，将获得的一个完整信号周期内的N个正交乘积信号数据进行累加，获取正交乘积信号和；

数字解调器根据所述同相乘积信号和及正交乘积信号和获取与被测电容成比例关系的幅值结果。