CN108196129A - 一种电容测量装置 - Google Patents

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李世彬
张文豪
陈皓
顾丁
顾一丁
高椿明
王亚非
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    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2605—Measuring capacitance

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Abstract

本发明实施例公开了一种电容测量装置，其利用电压比较器构成的LC振荡器，利用电压比较器LM393393芯片的应用特点，把电容的大小转变成LM393输出频率的大小，进而可以通过测量LC震荡回路的频率而获得被测电容的电容值。本方案的精度较高，硬件设计和软件设计也相对简单。

Description

一种电容测量装置
技术领域
本发明涉及传感器领域，尤其是涉及一种电容测量装置。
背景技术
当今电子测试领域，电容的测量已经在测量技术和产品研发中应用的十分广泛。电容通常以传感器形式出现，因此，电容测量技术的发展归根结底就是电容传感器的发展。
柔性传感器近年来获得了飞速发展。相较于传统传感器，柔性传感器有较大的灵活性，能更大限度地满足实际应用环境中传感器设备的形变需求，同时可以依附于人体皮肤表面或者其他复杂结构的物体表面。柔性电容式传感器具有灵敏度高、温度稳定性好、动态特性好等优点，因而被广泛研究。
电容式传感器是把被测的机械量转换为电容量的传感器。例如电容式压力传感器最常见的形式是由两个平行电极以及介电层组成，在压力作用下，两个电极间的距离、介电常数以及两个电极之间的有效面积发生改变从而使电容值改变。柔性电容式传感器在传统电容式传感器的基础上，结合了柔性材料技术，具有灵敏度高、温度稳定性好、动态特性好、抗过载能力强等特点，但其电容的信号输出也相对复杂。精确测量柔性电容式传感器中关键器件的电容值有重要意义。
最初，用交流不平衡电桥就能测量基本的电容传感器。最初的电容传感器有变面积型、变介质介电常数型和变极板间型。现在的电容式传感器越做越先进，目前用的比较多的有容栅式电容传感器、陶瓷电容压力传感器等。电容测量技术发展也很快，现在的电容测量技术也由单一化发展为多元化。
电容定义为:电容器所带的电荷量Q与电容器两极板间的电势差U的比值，C=Q/U。原始的测量方法必须通过测量两个物理量来计算电容的大小，而其中的Q是比较难以测量的量。日前常用的测量电容的方法有两种：一是利用多谐震荡产生脉冲宽度与电容值成正比信号，通过低通滤波后测量输出电压；二是利用单稳态触发装置产生与电容值成正比门脉冲来控制通过计数器的标准计数脉冲的通断，即直接根据充放电时间判断电容值。
利用多谐震荡原理测量电容的方案硬件设计比较简单，但是软件实现相对比较复杂，而直接根据充放电时间判断电容值的方案虽然基本上没有用到软件部分，但是硬件却又十分复杂。而且他们都无法直观的把测量的电容值大小显示出来。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种精度较高，硬件设计和软件设计也相对简单的电容测量装置。
本发明的一个实施例中，提供了一种电容测量装置。该电容测量装置包括：电压比较器振荡电路，所述电压比较器振荡电路的输入端连接到所述被测电容；控制器，所述电压比较器振荡电路的输出端连接到所述控制器，所述控制器能够根据所述电压比较器振荡电路的频率计算所述被测电容的所述电容值；晶振电路，所述晶振电路的输出端连接到所述控制器，为所述控制器提供时钟信号；复位电路，所述复位电路连接到所述控制器，为所述控制器提供所述复位信号；按键，所述按键连接到所述控制器，为所述控制器提供输入信号；显示装置，所述控制器的输出端连接到所述显示装置，所述显示装置显示所述控制器输出的所述电容值；其中所述电压比较器振荡电路包括电压比较器，其中：所述电压比较器的第一输入端通过第一电阻连接到电源，通过第二电阻接地，通过第一电容连接到第二开关的第一端，并通过第四电阻连接到所述电压比较器的输出端；所述电压比较器的第二输入端通过第二电容接地，并通过第三电阻连接到所述电压比较器的输出端；所述电压比较器的电源端连接到所述电源；所述电压比较器的接地端接地；所述电压比较器的输出端连接到所述控制器，并通过第五电阻连接到所述电源；当所述第二开关位于第一状态时，所述第二开关的第二端连接到第一接头的第二端，连接到电感的第一端，以及通过参考电容接地；当所述第二开关位于第二状态时，所述第二开关的第二端通过第十九电阻和第六电容连接到第二接头的第二端，并通过第十八电阻接地；所述第二接头的第一端接地；所述电感的第二端连接到第一开关的第一端；当所述第一开关位于第一状态时，所述第一开关的第二端接地；当所述第一开关位于第二状态时，所述第一开关的第二端连接到所述第一接头的第一端。
本发明的一个实施例中，述电压比较器为LM393双电压比较器。
本发明的一个实施例中，所述控制器为5TC89C52单片机。
本发明的一个实施例中，所述显示装置为LCD显示装置。
本发明的一个实施例中，所述被测电容连接到所述第一接头。
本发明的一个实施例中，所述参考电容的电容值为2200皮法。
本发明的一个实施例中，所述电感的电感值为100豪亨。
本发明的实施例中，电压比较器构成的LC振荡器，利用电压比较器LM393393芯片的应用特点，把电容的大小转变成LM393输出频率的大小，进而可以通过测量LC震荡回路的频率而获得被测电容的电容值。本方案的精度较高，硬件设计和软件设计也相对简单。
附图说明
图1是本发明一个实施例的电容测量装置的结构框图。
图2是本发明一个实施例的电压比较器振荡电路的结构示意图。
图3是本发明一个实施例的控制器、晶振电路和复位电路的结构示意图。
图4是本发明一个实施例的按键电路的结构示意图。
图5是本发明一个实施例的显示装置的电路结构的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图详细说明本发明的实施例的电容测量装置的具体结构。
如图1所示，本发明的一个实施例中，提供了一种电容测量装置。该电容测量装置包括控制器100、显示装置200、按键300、复位电路400、电压比较器振荡电路500和晶振电路600。
电压比较器振荡电路500的输入端连接到被测电容700。电压比较器振荡电路500的输出端连接到控制器100。控制器100能够根据电压比较器振荡电路500的频率计算出被测电容700的电容值。控制器可以是单片机或者其他适合的控制器件。例如，一个实施例中，控制器可以是5TC89C52单片机。
晶振电路600的输出端连接到控制器100，为控制器100提供时钟信号。复位电路400连接到控制器100，为控制器100提供复位信号。按键300连接到控制器100，为控制器100提供输入信号。控制器100的输出端连接到显示装置200。显示装置200可以为LED显示装置，其能够显示控制器100所获得的被测电容的电容值。
如图2所示，电压比较器振荡电路100可以包括电压比较器501。例如，一个实施例中，电压比较器501可以是LM393双电压比较器。
电压比较器501的第一输入端5011通过第一电阻R1连接到电源，通过第二电阻R2接地，通过第一电容E1连接到第二开关S2的第一端，并通过第四电阻R4连接到电压比较器501的输出端1。
电压比较器501的第二输入端5012通过第二电容E2接地，并通过第三电阻R3连接到电压比较器501的输出端1。
电压比较器501的电源端8连接到电源，接地端4接地。
电压比较器501的输出端1连接到控制器100，并通过第五电阻R5连接到电源。
第二开关S2具有第一状态和第二状态。当第二开关S2位于第一状态时，第二开关S2的第二端连接到第一接头502的第二端，连接到电感L2的第一端，以及通过参考电容Cref接地；当第二开关S2位于第二状态时，第二开关S2的第二端通过第十九电阻R19和第六电容C6连接到第二接头503的第二端，并通过第十八电阻R18接地。第二接头503的第一端接地。
电感L2的第二端连接到第一开关S1的第一端。第一开关S1具有第一状态和第二状态。当第一开关S1位于第一状态时，第一开关S1的第二端接地；当第一开关S1位于第二状态时，第一开关S1的第二端连接到第一接头502的第一端。
本发明的一个实施例中，被测电容可以连接到第一接头502。
本发明的一个实施例中，前述的参考电容的电容值可以为2200皮法（pF），电容的电感值可以为100豪亨（mH）。其他的器件的相应参数值（电容值或者电阻值等等）可以根据实际情况设置。
本发明的实施例中，控制器100、晶振电路600和复位电路400的具体结构可以参见图3，按键300的电路结构可以参见图4，显示装置200的具体电路结构可以参见图5。这些电路在此不再一一详述。
本发明的实施例中，电压比较器构成的LC振荡器，利用电压比较器LM393393芯片的应用特点，把电容的大小转变成LM393输出频率的大小，进而可以通过测量LC震荡回路的频率而获得被测电容的电容值。本方案的精度较高，硬件设计和软件设计也相对简单。
以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。

Claims (7)

1.一种电容测量装置，其特征在于，包括：
电压比较器振荡电路，所述电压比较器振荡电路的输入端连接到所述被测电容；
控制器，所述电压比较器振荡电路的输出端连接到所述控制器，所述控制器能够根据所述电压比较器振荡电路的频率计算所述被测电容的所述电容值；
晶振电路，所述晶振电路的输出端连接到所述控制器，为所述控制器提供时钟信号；
复位电路，所述复位电路连接到所述控制器，为所述控制器提供所述复位信号；
按键，所述按键连接到所述控制器，为所述控制器提供输入信号；
显示装置，所述控制器的输出端连接到所述显示装置，所述显示装置显示所述控制器输出的所述电容值；
其中所述电压比较器振荡电路包括电压比较器，其中：
所述电压比较器的第一输入端通过第一电阻连接到电源，通过第二电阻接地，通过第一电容连接到第二开关的第一端，并通过第四电阻连接到所述电压比较器的输出端；
所述电压比较器的第二输入端通过第二电容接地，并通过第三电阻连接到所述电压比较器的输出端；
所述电压比较器的电源端连接到所述电源；
所述电压比较器的接地端接地；
所述电压比较器的输出端连接到所述控制器，并通过第五电阻连接到所述电源；
当所述第二开关位于第一状态时，所述第二开关的第二端连接到第一接头的第二端，连接到电感的第一端，以及通过参考电容接地；当所述第二开关位于第二状态时，所述第二开关的第二端通过第十九电阻和第六电容连接到第二接头的第二端，并通过第十八电阻接地；
所述第二接头的第一端接地；
所述电感的第二端连接到第一开关的第一端；
当所述第一开关位于第一状态时，所述第一开关的第二端接地；当所述第一开关位于第二状态时，所述第一开关的第二端连接到所述第一接头的第一端。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述电压比较器为LM393双电压比较器。
3.如权利要求1或者2所述的装置，其特征在于：所述控制器为5TC89C52单片机。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的装置，其特征在于：所述显示装置为LCD显示装置。
5.如权利要求1至3中任意一项所述的装置，其特征在于：所述被测电容连接到所述第一接头。
6.如权利要求1至3中任意一项所述的装置，其特征在于：所述参考电容的电容值为2200皮法。
7.如权利要求1至3中任意一项所述的装置，其特征在于：所述电感的电感值为100豪亨。
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