CN102096057A - 一种电容测量电路的校准方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容测量电路的校准方法，适用于对采用容抗法的电容测量电路的校准，包括：A、记录若干已知电容对应的AD采集值，分别求各已知电容的AD采集值与基准电容的AD采集值之间的差值；B、以所述各已知电容值和对应的所述差值构建该电容测量电路的输入输出特性方程；C、在实际环境中获取被测电容和基准电容的AD采集值，将它们的差值代入输入输出特性方程，得到被测电容值。采用本发明方法能够有效减小环境温湿度变化带来的随机电容测量误差。本发明还相应公开了一种电容测量电路的校准装置，包括输入输出特性方程构建模块和电容实际测量模块。

Description

一种电容测量电路的校准方法及装置

技术领域

本发明属于测试测量技术领域，尤其涉及一种电容测量电路的校准方法及装置。

背景技术

电容测试方法一般采用脉宽调制法和容抗法测量。脉宽调制法测量电容的缺点是电路本身不能自动调零，每次测量之前都需要手动调零，从而延长了测量时间。采用容抗测量法能够实现电容的自动调零，缩短测量时间。

容抗法测量电容的原理是用正弦波信号将被测电容量Cx变成容抗Xc，然后进行C/U变换(电容电压变换)，把Xc转换成交流信号电压，再经过AC/DC(交流/直流)转换器取出平均值电压

送至A/D转换器(模数转换器)。理想状态下，

与Cx成正比，A/D转换器的输出也与被测电容量Cx成正比，这样就能够根据A/D转换器的输出来得到被测电容量Cx。采用容抗法的电容测量电路如图1所示，将被测电容作为等效电容接入振荡电路，振荡电路的输出频率f和接入的电容C满足固定的函数关系Xc＝1/2πfC，进行C/U变换，把Xc转换成交流信号电压，再经过AC/DC转换器取出平均值电压送至A/D转换器，即AD采集电路。

但是实际情况下，由于电容测量电路本身的内阻的存在，带来了系统误差，导致A/D转换器的输出与被测电容并不形成严格的正比例关系，因此需要对电容测量电路进行校准，校准方法通常是采用测量通道输入-输出特性拟合的方法，来得出A/D转换器的输出与被测电容之间的拟合方程，即电容测量电路的输入输出特性方程，然后将该拟合方程加载到测量软件中，即能够根据A/D转换器的输出直接读出被测电容值。

现有技术中采用的电容测量电路校准方法，实现上述测量通道输入-输出特性拟合的方法是，将若干个不同的精密基准电容接入电容测量电路，得到各精密电容对应的A/D转换器的输出，即AD采集值，用数据处理方法进行输入-输出特性拟合，得到外接被测电容与AD采集值的特性方程，然后将校准拟合方程加到电容测量软件中。相当于采用曲线拟合的方法，以AD采集值为横坐标，电容为纵坐标(或者以电容为横坐标、AD采集值为纵坐标也可)在坐标系中绘出各精密电容对应的点，从而得出拟合曲线。

通常采用Origin数据处理绘图软件进行电容测量电路的输入输出特性拟合，采用最小二乘法拟合原理，进行线性和非线性拟合，是Origin提供的常用数据拟合工具。其中指数衰减函数拟合曲线(或特性方程)是电容测量电路输入输出特性最接近的拟合特性曲线(或拟合特性方程)。

采用上述校准方法，对于测量电路来说，当实际测量环境与构建拟合曲线时的环境差别较大时，测量误差也就比较大，例如当温度、湿度变化较大时，采用上述校准方法的电容测量电路的测量误差也就比较大。也就是说，现有技术中的校准方法受环境因素的影响较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述缺陷，提出一种电容测量电路的校准方法及装置，能够减小环境因素带来的随机测量误差。

本发明的技术方案包括：

一种电容测量电路的校准方法，适用于对采用容抗法的电容测量电路的校准，包括以下步骤：

输入输出特性方程构建步骤，包括：

将若干个已知电容接入电容测量电路，记录各自对应的AD采集值，并分别计算各AD采集值与一个基准电容的AD采集值之间的差值；以所述各差值以及所述各已知电容的容值，采用曲线拟合方法来构建该电容测量电路的输入输出特性方程；

电容实际测量步骤，包括：

分别获取被测电容和所述基准电容在实际测量环境中的AD采集值，将它们的差值代入所述输入输出特性方程，从而求得被测电容值。

进一步地，输入输出特性方程构建步骤中，可以是以所述各差值为自变量，以所述各已知电容的容值为因变量，采用曲线拟合方法来构建所述输入输出特性方程的。

进一步地，输入输出特性方程构建步骤中，还可以是以所述各差值为自变量，以所述各已知电容的容值与所述基准电容的差为因变量，采用曲线拟合方法来构建所述输入输出特性方程的。

进一步地，所述曲线拟合方法采用最小二乘拟合法，具体可以采用指数衰减函数曲线拟合法。

更进一步地，构建所述输入输出特性方程时，采用了分段拟合的方式。

一种电容测量电路的校准装置，适用于对采用容抗法的电容测量电路的校准，包括：

输入输出特性方程构建模块，用于：

将若干个已知电容接入电容测量电路，记录各自对应的AD采集值，并分别计算各AD采集值与一个基准电容的AD采集值之间的差值；以所述各差值以及所述各已知电容的容值，采用曲线拟合方法来构建该电容测量电路的输入输出特性方程；

电容实际测量模块，用于：

分别获取被测电容和所述基准电容在实际测量环境中的AD采集值，将它们的差值代入所述输入输出特性方程，从而求得被测电容值。

进一步地，所述基准电容接入所述电容测量电路的校准装置的硬件电路中。

一种电容测量系统，包括电容测量电路和所述电容测量电路的校准装置，所述电容测量电路为采用容抗法的电容测量电路，所述电容测量电路的校准装置包括：

输入输出特性方程构建模块，用于：

将若干个已知电容接入电容测量电路，记录各自对应的AD采集值，并分别计算各AD采集值与一个基准电容的AD采集值之间的差值；以所述各差值以及所述各已知电容的容值，采用曲线拟合方法来构建该电容测量电路的输入输出特性方程；

电容实际测量模块，用于：

分别获取被测电容和所述基准电容在实际测量环境中的AD采集值，将它们的差值代入所述输入输出特性方程，从而求得被测电容值。

进一步地，所述基准电容接入所述电容测量电路的校准装置的硬件电路中。

本发明的有益效果为：

本发明通过采用在每次测量前均外接基准电容对电容测量电路进行动态校准和修正的方案，利用曲线拟合算法分段拟合电容测量电路的输入-输出特性方程，消除了温湿度等环境条件变化引起的电容测量随机误差，提高了电容测量精度。尤其对于小容量电容的测量能够显著提高测量精度。

附图说明

图1为采用容抗法的电容测量电路示意图；

图2为本发明电容测量电路的校准方法流程示意图；

图3为数据差值拟合曲线图；

图4为本发明电容测量系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

下面以采用容抗法测试电缆的分布电容为例进行具体说明。

在对电缆的电容进行100pF～1000PF、1nF～20nF小量程挡位电容测量时发现，已经校准好的小量程电容档位，事后再次进行电容测量时，随机测量误差比较大。分析其原因，主要是由于受温度、湿度等环境参数的影响，随机测量误差比较大，已经校准好的小量程电容档位，被测电容测量值变化较大，无法保证测量精度。因此采取一种动态校准测量方法，可极大提高微小电容测量的精度，其测量方法如下：

当实际工作环境ψ_N与基准环境ψ_M不一致时，此时因温度、湿度等环境条件变化，导致测量过程引入随机误差，测量结果

与真值Y_n之间误差关系为

对于小电容来说，测量结果

与真值Y_n之间误差很大。

为此，本发明在电容测量电路中专门设置小量程电容测量基准电容电路，每次开始进行小量程电容测量时，首先对电路中设定的基准电容(容值为C_0Z)进行测量，结果为Y_T0Z，根据以上分析：

Y_T0Z＝Y_0Z+ΔY_T0Z，其中Y_0Z是真值；         (1)

对待测电容(容值为C_N)进行测量，结果为Y_TN，同样得到：

Y_TN＝Y_N+ΔY_TN，其中T_N为真值；             (2)

将(2)式减去(1)式，得到：

Y_TN′＝Y_TN-Y_T0Z＝Y_N-Y_0Z+ΔY_TN-ΔY_T0Z      (3)

由于外界温湿度环境条件参数一致(均为ψ_N)，环境条件变化引起的电容测量随机误差也基本一致，即ΔY_TN≈ΔY_T0Z，因此可以得到：

Y_TN′＝Y_N-Y_0Z                             (4)

由(3)式可知，采用本发明提供的动态校准测量方法，其测量误差ΔY_TN-ΔY_T0Z＜＜ΔY_Tn，因此，(4)式的计算结果Y_TN′几乎不随环境的变化而变化，将其作为数据差值拟合曲线的输入，能够大幅降低因测量环境条件参数改变导致的测量误差，提高微小电容的测量精度。

数据差值拟合曲线的获取方式设计如下：在基准环境ψ_M条件下，对电容测量电路中设定的基准电容(容值为C_0Z)进行测量，结果为Y_0Z；对外接精密电容(容值为C₁、C₂……C_n)进行测量，结果为Y₁、Y₂……Y_n，做如下计算：

以

为自变量，以测量内部基准电容值与外接精密电容测量值的差值C₁-C_0Z、C₂-C_0Z……C_n-C_0Z作为因变量，获得数据差值拟合曲线C(Y′)。由于测量过程中，测量结果Y_n与输入C_n之间为线性关系，因此测量真值

其中C(Y′)为拟合曲线的转换结果。本发明实施例中，还可以为自变量，以外接精密电容测量值为因变量，获得数据差值拟合曲线C(Y′)，则被测电容的测量真值C_n＝C(Y′)。

基于以上原理，如图2所示，本发明电容测量电路的校准方法具体包括两个过程：利用数据拟合绘图软件获取基准环境下的数据差值拟合曲线(相当于电容测量电路的输入输出特性方程)；实际测量获取被测电容真值。

1、利用数据拟合绘图软件获取基准环境下的数据差值拟合曲线。

利用数据拟合绘图软件，采用最小二乘法数据拟合算法，进行曲线拟合，具体采用指数衰减函数拟合方法获取电缆测量仪测量电容的特性曲线，此曲线参数仅与电缆测量仪的硬件电路、固化软件有关，与被测环境无关，满足各种环境下(主要为不同温度、湿度环境下)的电容测量；

在设定的基准环境条件(温度：25oC，湿度60％)下，在100pF～2000PF、1nF～20nF两个小量程电容挡位测量，电容测量硬件电路中设置有基准电容C₀₁＝100pF。进行100pF～1000pF小量程电容挡位校准时，软硬件设置先进行基准电容C₀₁＝100pF的测量，此时C₀₁的测量值(AD采集值)为基准值Y_C01，再次对C₀₁测量得到C₀₁的AD采集值Y_C01′，求其差值：ΔY_C01＝Y_C01′-Y_C01，依次改变输入电容值C₀₂、C₀₃、C₀₄…C_0N，依次得到AD采集值Y_C02′、Y_C03′、Y_C04′…Y_C0N′，依次得到AD测量的差值为：ΔY_C02＝Y_C02′-Y_C01、ΔY_C03＝Y_C03′-Y_C01、ΔY_C04＝Y_C04′-Y_C01、…ΔY_C0N＝Y_C0N′-Y_C01。ΔY_C01、ΔY_C02、ΔY_C03、ΔY_C04…ΔY_C0N作为自变量X，C₀₁、C₀₂、C₀₃、C₀₄…C_0N作为因变量Y，或者以C₀₁、C₀₂、C₀₃、C₀₄…C_0N分别与C₀₁的差值作为因变量Y，再利用指数衰减函数进行分段拟合，获取数据差值拟合曲线如图3所示。

2、实际测量获取被测电容真值，即根据当前环境参数的变化，遵循动态校准测量方法、求得实际被测电容真值的过程。

1)首先获取基准电容在当前环境下的AD采集值Y_T0Z，并将其存储；

2)测量被测电容在当前环境下的测量值(AD采集值)Y_TN，然后计算被测电容在当前环境下的AD采集值与基准电容在当前环境下的AD采集值的差值Y_TN′，Y_TN′＝Y_TN-Y_T0Z然后将该差值Y_TN′代入到基准环境下的数据差值拟合曲线中，得到结果

3)求得被测电容真值：如果曲线拟合时，是以各输入电容值C₀₁、C₀₂、C₀₃、C₀₄…C_0N与C₀₁的差值作为因变量Y的，则被测电容真值为

加上基准电容值C₀₁；而如果曲线拟合时，是以各输入电容值C₀₁、C₀₂、C₀₃、C₀₄…C_0N为因变量的(即图3所示方式)，则

即为被测电容真值。

图4为本发明电容测量系统结构示意图，本发明电容测量电路的校准装置适用于采用容抗法的电容测量电路的校准过程，如图所示，本发明电容测量电路的校准装置具体包括输入输出特性方程构建模块和电容实际测量模块。

其中输入输出特性方程构建模块用于，将若干个(要求至少是三个以上)已知电容(本实施例中采用已知精密电容)接入电容测量电路，记录各自对应的AD采集值，并分别计算各AD采集值与一个基准电容的AD采集值之间的差值；以各差值以及各已知电容的容值，采用曲线拟合方法来构建该电容测量电路的输入输出特性方程。曲线拟合方法采用最小二乘拟合算法，具体曲线拟合形式为指数衰减函数拟合形式。

电容实际测量模块用于，分别获取被测电容和基准电容在实际测量环境中的AD采集值，将它们的差值代入输入输出特性方程，从而求得被测电容值。

如图4所示，本发明电容测量系统包括电容测量电路和电容测量电路的校准电路，该电容测量电路为采用容抗法的电容测量电路，该电容测量电路的校准电路中还包括基准电容。基准电容可以为一个，也可以为一个以上，以用于对不同的量程档位进行测量时的校准。

其中电容测量电路的校准装置包括输入输出特性方程构建模块和电容实际测量模块。

其中输入输出特性方程构建模块用于，将若干个(要求至少是三个以上)已知精密电容接入电容测量电路，记录各自对应的AD采集值，并分别计算各AD采集值与基准电容的AD采集值之间的差值；以各差值以及各已知电容的容值，采用曲线拟合方法来构建该电容测量电路的输入输出特性方程。曲线拟合方法采用最小二乘拟合法，具体采用的曲线拟合特性为指数衰减函数拟合特性。

电容实际测量模块用于，分别获取被测电容和基准电容在实际测量环境中的AD采集值，将它们的差值代入输入输出特性方程，从而求得被测电容值。

本发明通过采用每次测量前外接基准电容进行系统动态校准、动态修正的方法，利用最小二乘法数据拟合算法分段拟合电容测量电路的输入-输出特性方程，消除了温湿度环境条件变化引起的小电容测量时产生的随机测量误差，提高了小电容测量的测量精度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应注意的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求记载的技术方案及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种电容测量电路的校准方法，适用于对采用容抗法的电容测量电路的校准，其特征在于，包括下列步骤：

输入输出特性方程构建步骤，包括：

将若干个已知电容接入电容测量电路，记录各自对应的AD采集值，并分别计算各AD采集值与一个基准电容的AD采集值之间的差值；以所述各差值以及所述各已知电容的容值，采用曲线拟合方法来构建该电容测量电路的输入输出特性方程；

电容实际测量步骤，包括：

分别获取被测电容和所述基准电容在实际测量环境中的AD采集值，将它们的差值代入所述输入输出特性方程，从而求得被测电容值。

2.根据权利要求1所述的电容测量电路的校准方法，其特征在于，输入输出特性方程构建步骤中，是以所述各差值为自变量，以所述各已知电容的容值为因变量，采用曲线拟合方法来构建所述输入输出特性方程的。

3.根据权利要求1所述的电容测量电路的校准方法，其特征在于，输入输出特性方程构建步骤中，是以所述各差值为自变量，以所述各已知电容的容值与所述基准电容的差为因变量，采用曲线拟合方法来构建所述输入输出特性方程的。

4.根据权利要求1所述的电容测量电路的校准方法，其特征在于，所述曲线拟合方法为最小二乘拟合法。

5.根据权利要求4所述的电容测量电路的校准方法，其特征在于，所述曲线拟合方法为指数衰减函数曲线拟合方法。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的电容测量电路的校准方法，其特征在于，构建所述输入输出特性方程时，采用了分段拟合的方式。

7.一种电容测量电路的校准装置，适用于对采用容抗法的电容测量电路的校准，其特征在于包括：

输入输出特性方程构建模块，用于：

将若干个已知电容接入电容测量电路，记录各自对应的AD采集值，并分别计算各AD采集值与一个基准电容的AD采集值之间的差值；以所述各差值以及所述各已知电容的容值，采用曲线拟合方法来构建该电容测量电路的输入输出特性方程；

电容实际测量模块，用于：

分别获取被测电容和所述基准电容在实际测量环境中的AD采集值，将它们的差值代入所述输入输出特性方程，从而求得被测电容值。

8.根据权利要求7所述的电容测量电路的校准装置，其特征在于，所述基准电容接入所述电容测量电路的校准装置的硬件电路中。

9.一种电容测量系统，包括电容测量电路和所述电容测量电路的校准装置，所述电容测量电路为采用容抗法的电容测量电路，其特征在于，所述电容测量电路的校准装置包括：

输入输出特性方程构建模块，用于：

将若干个已知电容接入电容测量电路，记录各自对应的AD采集值，并分别计算各AD采集值与一个基准电容的AD采集值之间的差值；以所述各差值以及所述各已知电容的容值，采用曲线拟合方法来构建该电容测量电路的输入输出特性方程；

电容实际测量模块，用于：

分别获取被测电容和所述基准电容在实际测量环境中的AD采集值，将它们的差值代入所述输入输出特性方程，从而求得被测电容值。

10.根据权利要求9所述的电容测量系统，其特征在于，所述基准电容接入所述电容测量电路的校准装置的硬件电路中。

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