CN101968514A - 一种电容变化检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电容变化检测方法，其包括步骤：测量由快速充电器将电容充电至参考电压的充电时间T0；将电容放电至两端电压为0，由快速充电器对电容充电，充电时长为T0，然后由慢速充电器将电容充电至参考电压，计数获取对电容C充电的总充电时间T1；比较T1和T0获得因电容的微增加变化量ΔC所引起的充电时间变化量ΔT，利用充电时间变化量ΔT获得电容的微增加变化量ΔC。本发明不受环境因素的影响，可以精确的测量电容的微增加变化量。

Description

一种电容变化检测方法

技术领域

本发明涉及一种电容测量或检测技术，尤其是涉及一种通过转换充电速度过程，放大被测量的电容的微变化量的检测方法。

背景技术

电容器在电子电路中几乎是不可缺少的储能元件，它具有隔断直流、连通交流、阻止低频的特性。广泛应用在耦合、隔直、旁路；滤波、调谐、能量转换和自动控制等电路中。

美国专利第5764145号描述了一种公知的电容变化检测装置，其利用电子电路和与该电子电路相连接的天线，在天线周围产生电场或电磁场，用于根据天线周围的该电场或该电磁场的变化来检测电容的微小变化。美国专利第5764145号描述的该公知电容变化检测装置是这样配置的，即：通过使来自经由天线接收到的外部电场和电磁场的信号经过高通滤波器，来避免温度和湿度对电容变化的影响。

根据美国专利第5764145号中描述的该公知的电容变化检测装置，通过提供高通滤波器，从检测对象排除由于温度变化和湿度变化而产生的电容变化。换句话说，利用美国专利第5764145号中描述的该公知的电容变化检测装置的结构，关于变化量的灵敏度没有发生改变。

在美国专利申请第10/951883号中，申请人提供了另一种电容变化检测装置。根据美国专利申请第10/951883号中描述的该电容变化检测装置，通过利用将被测量的未知电容对预放电的已知基准电容(Reference Capacitance)进行重复充电，计算充电的次数，直到该基准电容的两端的电压达到预定电压为止。当充电次数的减小等于或大于预定阈值时，随着将被测量的未知电容的增大而检测充电次数。

此外，按照美国专利申请第10/951883号中描述的电容变化检测装置，因为被测的电容根据周围环境的变化而变化(例如，与被测的电容等相连接的线束的电容由于环境的变化而变化)，所以充电次数依赖于环境而变化，直到该基准电容的两端的电压达到该预定电压为止。因此，当在不同的周围环境下以相同的阈值进行充电次数的判定时，即使被测电容的变化量相同，判定结果也可能彼此不同。换句话说，存在以下缺陷，即：关于被测电容的变化量的灵敏度取决于环境。

因此，鉴于实际中电容的变化量是比较小的数值，需要一种以根据基准电容测定的被测电容的相关值的变化为基础、准确检测被测电容变化量的电容变化检测方法。

发明内容

本发明提出一种电容检测方法，通过转换充电速度过程，把被测量的电容的微变化量放大来达到准确检测的目的。

本发明采用了如下技术方案来实现：一种电容变化检测方法，其包括步骤：

测量由快速充电器将电容充电至参考电压的充电时间T0；

将电容放电至两端电压为0，由快速充电器对电容充电，充电时长为T0，然后由慢速充电器将电容充电至参考电压，计数获取对电容C充电的总充电时间T1；

比较T1和T0获得因电容的微增加变化量ΔC所引起的充电时间变化量ΔT，利用充电时间变化量ΔT获得电容的微增加变化量ΔC。

其中，所述测量充电时间的步骤包括：将电容放电至两端电压为0；利用快速充电器对电容充电并启动计数器开始计数，当电容充电至参考电压时，通过计数器读取充电时间；对电容重复多次测量由快速充电器进行充电时的充电时间；统计获得使用快速充电器充电时的平均充电时间。

其中，所述平均充电时间为多次测量的充电时间的算术平均值与校正参数乘积。

其中，所述校正参数的取值为0.95～0.98。

与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：

本发明的电容变化检测方法是基于先测量被检测电容由快速充电器的平均充电时间T0的基础上，去除环境因素对电容变化的影响；然后，由快速冲电器转换至慢速冲电器来改变被检测电容的充电速率，将原本由单一充电速度所引发的ΔT1放大至ΔT2便于测量，通过测量充电时间变化量ΔT来测量电容的微增加变化量ΔC，因此，本发明不受环境因素的影响，可以精确的测量电容的微增加变化量。

附图说明

图1是本发明的检测电路示意图；

图2是本发明的流程示意图；

图3是多次测量快速充电器为电容的充电时间的示意图；

图4是由快速冲电器转换至慢速冲电器对电容充电的充电时间示意图；

图5是本发明改变冲电速率来放大

具体实施方式

如图1所示，该检测电路包括：被检测的电容C；通过切换开关SW并联在电容C两端的3个并联支路-放电支路、快速充电支路和慢速充电支路；连接在电容C一端的电压比较器U1，其参考输入端的参考电压Vtr，当电容C两端的电压Vc＞＝Vtr时，该电压比较器U1的输出端输出信号Tout为高电平，否则输出信号Tout为低电平。

其中，当切换开关SW连接放电支路时，电容C开始放电；当切换开关SW连接快速充电支路时，该快速充电支路中的快速充电器K1为电容C充电；当切换开关SW连接慢速充电支路时，该慢速充电支路中的慢速充电器K2为电容C充电。

其中，快速充电器K1和慢速冲电器K2可为任何供电原件组成，只要在连接电容C后能提供以下条件充电电流或电压，因被连接之电容C的容量及时间所改变而改变：

快速充电器K1的充电速度是取决于所被测量电容C的容量值，以及实际测量充电时间Tout的分辨率，而分辨率一般要求在小于Tout的1％。例如：假定提供量度Tout的分辨率为10ns，快速充电器k1的速度需调整至：经过下列步骤S13测量到的T0＞1000ns，以满足T0的误差小于1％。

慢速冲电器K2的设定是基于以下因素考虑：慢速冲电器K2之最高输出电压必须高于Vtr；慢速冲电器K2的充电速度与充电时间变化量ΔT(ΔT＝T1-T0)的增益成反比，即慢速冲电器K2的充电速度越快而ΔT增益越低；慢速冲电器K2的充电速度越慢而充电时间变化量ΔT越大。

结合图2所示，本发明的电容检测方法包括如下实现步骤：

步骤S11：将切换开关SW切换至电容C连接放电支路，电容C开始放电直到Vc＝0。

步骤S12：将切换开关SW切换至电容C连接快速充电支路，启动计时器从0开始计时，直到电压比较器U1的输出端输出信号Tout变为高电平的瞬间(即：电容C两端的电压Vc＞＝Vtr，Vtr为电压比较器U1输入端的参考电压)停止计数，并记录充电时间Tout[N]，其中N表示统计次数，为1，2，3，....n+1的自然数，如图3所示(在N次内的每次测量过程中，t1时间段内表示电容C放电，t2时间段内表示电容C由快速充电器K1充电时间，对应于Tout[N])。

重复步骤S11-S12，重复次数为N次，n为大于1的自然数。

步骤S13：统计n+1次使用快速充电支路充电时的平均充电时间，即求Tout[N]的平均值T0：

$T0=\frac{m}{n+1}\underset{N=1}{\overset{n+1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Tout}\left[N\right]$

其中，考虑到测量T0时，系统时钟所引起的误差，以及噪音干扰，故计算T0时加上了校正参数m，m ≈0.95～0.98。

实际上，步骤S11-S13是校正每个电容C在不同环境下的平均充电时间T0，以尽量减少环境因素对电容C的影响。如果需要测量多个电容的使用快速充电支路充电时的平均充电时间T0，则需要分别采用步骤S11-S13计算每个电容C对应的T0值。

步骤S14：将切换开关SW切换至电容C连接放电支路，电容C开始放电直到Vc＝0。

步骤S15：将切换开关SW切换至电容C连接快速充电支路，启动计时器从0开始计时，当计算器计时达到该电容C的平均充电时间T0时，将切换开关SW切换至电容C连接慢速充电支路。

步骤S16：当电压比较器U1的输出端输出信号Tout变为高电平时，停止计数器计时，读出计数器的计时结果T1。

步骤S17：将T1与T0比较，得到因被检测电容C之微增加变化量(简称ΔC)所引起的充电时间变化量ΔT(其中，ΔT＝T1-T0)。

如图4和图5所示，本发明通过改变充电速率(由快速冲电器K1转换至慢速冲电器K2)，把原本由单一充电速度所引发的ΔT1放大至ΔT2；根据电容C的两端电压Vc与充电时间和电容容量的函数关系，通过充电时间变化量ΔT来测量电容的微增加变化量ΔC。

综上，本发明的电容变化检测方法是基于先测量被检测电容由快速充电器的平均充电时间T0的基础上，去除环境因素对电容变化的影响；然后，由快速冲电器转换至慢速冲电器来改变被检测电容的充电速率，将原本由单一充电速度所引发的ΔT1放大至ΔT2便于测量，通过测量充电时间变化量ΔT来测量电容的微增加变化量ΔC，因此，本发明不受环境因素的影响，可以精确的测量电容的微增加变化量。

Claims (5)

1.一种电容变化检测方法，其特征在于，包括步骤：

测量由快速充电器将电容充电至参考电压的充电时间T0；

将电容放电至两端电压为0，由快速充电器对电容充电，充电时长为T0，然后由慢速充电器将电容充电至参考电压，计数获取对电容C充电的总充电时间T1；

比较T1和T0获得因电容的微增加变化量ΔC所引起的充电时间变化量ΔT，利用充电时间变化量ΔT获得电容的微增加变化量ΔC。

2.根据权利要求1所述电容变化检测方法，其特征在于，所述测量充电时间的步骤包括：

将电容放电至两端电压为0；

利用快速充电器对电容充电并启动计数器开始计数，当电容充电至参考电压时，通过计数器读取充电时间。

3.根据权利要求2所述电容变化检测方法，其特征在于，所述测量充电时间T0的步骤还包括：

对电容重复多次测量由快速充电器进行充电时的充电时间；

统计获得使用快速充电器充电时的平均充电时间。

4.根据权利要求3所述电容变化检测方法，其特征在于，所述平均充电时间为多次测量的充电时间的算术平均值与校正参数乘积。

5.根据权利要求4所述电容变化检测方法，其特征在于，所述校正参数的取值为0.95～0.98。

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