CN108614161B - 一种电容测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容测量系统，包括待测电容，开关组模块，控制模块，管理模块，开关组模块包括第一开关，第二开关，第三开关，第四开关，本发明不直接测量待测电容两个极板之间的电容值，而是通过控制模块控制开关组模块中的不同开关的断开和闭合，实现对待测电容的多次测量，管理模块利用预设算法，将测量系统中可能存在的内部的寄生电容以及地线对待测电容的两个极板产生的杂散电容都滤除掉，然后得到待测电容的实际电容值，本发明不需要外加定值电容，且不受环境因素限制，得到的待测电容的实际电容值精确度更高。

Description

一种电容测量系统

技术领域

本发明涉及电容测量领域，特别是涉及一种电容测量系统。

背景技术

电容式传感系统的发展在相当长的一段时间里，一直是一个重要的研究领域，现在，许多电容式传感器被用于物理量，如运动、力、加速度、扭矩、位置和压力测量，这些电容式传感器都需要对微小的电容值进行高精度测量，小到PF级别，而在小电容测量方面，测量电路的寄生电容和外界对被测量对象的杂散电容都是误差的来源，因此消除这些寄生电容和杂散电容在小电容测量领域至关重要。

目前，消除测量电路内部的寄生电容一般是通过将处于相同环境下的待测电容与定值电容做差分，以消除测量电路内部寄生电容，如果待测电容和定值电容所处环境不一样时，外部环境对待测电容的干扰(如地线对待测电容两极板产生的杂散电容)是不能消除的，从而导致测量结果仍然存在误差，测量精度较低。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种电容测量系统，本发明不需要外加定值电容，且不受环境因素限制，得到的待测电容的实际电容值精确度更高。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电容测量系统，包括待测电容，开关组模块，控制模块，管理模块，所述开关组模块包括第一开关，第二开关，第三开关，第四开关，其中：

所述开关组模块的第一端与所述管理模块连接，所述开关组模块的控制端与所述控制模块连接；

所述第一开关的第一端和所述第三开关的第一端连接，其公共端作为所述开关组模块的第一端，所述第一开关的第二端分别与所述第二开关的第一端及所述待测电容的第一极板连接，所述第二开关的第二端及所述第四开关的第二端均与地连接，所述第三开关的第二端分别与所述第四开关的第一端及所述待测电容的第二极板连接；

所述控制模块，用于按当前的控制指令控制所述开关组模块中与当前的控制指令对应的开关闭合，并控制其他开关断开；

所述管理模块，用于获取在当前的控制指令下的所述待测电容的测量电容值，并根据获取到的所有控制指令下的测量电容值，得到所述待测电容的实际电容值。

优选的，所述管理模块包括：

第一方波单元，用于输出预设电平的第一方波，以便为所述待测电容充/放电；

第一端与所述第一方波单元的输出端连接、第二端与所述开关组模块的第一端连接的第二方波单元，用于输出第二方波，其中，所述第二方波的占空比与所述待测电容的充电时间/放电时间一一对应；

输入端与所述第二方波单元的输出端连接的转换单元，用于将所述第二方波转换为直流电压值；

与所述转换单元的输出端连接的采样单元，用于获取所述直流电压值，并将所述直流电压值转换为电容值，其中，所述电容值为在当前的控制指令下的所述待测电容的测量电容值。

优选的，所述第一方波单元包括设有施密特触发器的第一与非门，第一电容，第一电阻，第二电阻及二极管，其中：

所述第一电容的第一端分别与所述第一与非门的第一输入端、所述第一与非门的第二输入端及所述第一电阻的第一端连接，所述第一电容的第二端接地，所述第一与非门的输出端分别与所述第一电阻的第二端、所述二极管的阴极、所述第二电阻的第一端连接，其公共端作为所述第一方波单元的输出端，所述二极管的阳极分别与所述第二电阻的第二端及所述开关组模块的第一端连接。

优选的，所述第二方波单元包括设有施密特触发器的第二与非门；

所述第二与非门的第一输入端与所述第一方波单元的输出端连接，所述第二与非门的第二输入端与所述开关组模块的第一端连接。

优选的，所述转换单元为低通滤波器。

优选的，所述低通滤波器包括第三电阻和第二电容，其中：

所述第三电阻的第一端作为所述转换单元的输入端，所述第三电阻的第二端与所述第二电容的第一端连接，其公共端作为所述转换单元的输出端，所述第二电容的第二端与地连接。

优选的，所述采样单元为微型控制器。

优选的，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关、所述第四开关均为adg711模拟开关。

优选的，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关、所述第四开关均为继电器。

优选的，所述第二电阻为阻值为1MΩ的电阻。

本发明提供了一种电容测量系统，包括待测电容，开关组模块，控制模块，管理模块，开关组模块包括第一开关，第二开关，第三开关，第四开关，其中：开关组模块的第一端与管理模块连接，开关组模块的控制端与控制模块连接；第一开关的第一端和第三开关的第一端连接，其公共端作为开关组模块的第一端，第一开关的第二端分别与第二开关的第一端及待测电容的第一极板连接，第二开关的第二端及第四开关的第二端均与地连接，第三开关的第二端分别与第四开关的第一端及待测电容的第二极板连接；控制模块，用于按当前的控制指令控制开关组模块中与当前的控制指令对应的开关闭合，并控制其他开关断开；管理模块，用于获取在当前的控制指令下的待测电容的测量电容值，并根据获取到的所有控制指令下的测量电容值，得到待测电容的实际电容值。

可见，在实际应用中，采用本发明的方案，不直接测量待测电容两个极板之间的电容值，而是通过控制模块控制开关组模块中的不同开关的断开和闭合，实现对待测电容的多次测量，管理模块利用预设算法，将测量系统中可能存在的内部的寄生电容以及地线对待测电容的两个极板产生的杂散电容都滤除掉，然后得到待测电容的实际电容值，本发明不需要外加定值电容，且不受环境因素限制，得到的待测电容的实际电容值精确度更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种电容测量系统的结构示意图；

图2为本发明所提供的另一种电容测量系统的结构示意图；

图3为本发明所提供的另一种电容测量系统的结构示意图；

图4为本发明所提供的一种施密特触发器的输入输出波形图；

图5为本发明所提供的一种电容测量系统的实施例的波形图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种电容测量系统，本发明不需要外加定值电容，且不受环境因素限制，得到的待测电容的实际电容值精确度更高。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

请参照图1，图1为本发明所提供的电容测量系统的结构示意图，包括：待测电容C_d，开关组模块1，控制模块2，管理模块3，开关组模块1包括第一开关11，第二开关12，第三开关13，第四开关14，其中：

开关组模块1的第二端与管理模块3连接，开关组模块1的控制端与控制模块2连接；

第一开关11的第一端和第三开关13的第一端连接，其公共端作为开关组模块1的第二端，第一开关11的第二端分别与第二开关12的第一端及待测电容C_d的第一极板连接，第二开关12的第二端及第四开关14的第二端均与地连接，第三开关13的第二端分别与第四开关14的第一端及待测电容C_d的第二极板连接；

作为一种优选的实施例，第一开关11、第二开关12、第三开关13、第四开关14均为adg711模拟开关。

作为一种优选的实施例，第一开关11、第二开关12、第三开关13、第四开关14均为继电器。

控制模块2，用于按当前的控制指令控制开关组模块1中与当前的控制指令对应的开关闭合，并控制其他开关断开；

首先需要说明的是，本发明所提供的方案主要用来测量小值电容，待测电容Cd的电容值一般为0-1500pF。

具体的，本发明不直接测量待测电容C_d的两个极板之间的电容值，而是通过控制开关组模块1中的各个开关的断开和闭合，形成多种电容输出。控制指令的个数为多个，每个控制指令控制不同的开关闭合/断开，假设控制指令的个数为四个，记为第一控制指令，第二控制指令，第三控制指令和第四控制指令。控制模块2在接收到第一控制指令后，控制第一开关11和第四开关14闭合，控制第二开关12和第三开关13断开；控制模块2在接收到第二控制指令后，控制第二开关12和第三开关13闭合，控制第一开关11和第四开关14断开；控制模块2在接收到第三控制指令后，控制第一开关11和第三开关13闭合，控制第二开关12和第四开关14断开；控制模块2在接收到第四控制指令后，控制所有开关均断开，其中，控制指令可以是测试人员发送的，且对于各个控制指令的发送顺序本发明在此不做限定。

具体的，本发明中的第一开关11、第二开关12、第三开关13、第四开关14均可以为adg711模拟开关或继电器或其他开关器件，本发明在此不做限定。

管理模块3，用于获取在当前的控制指令下的待测电容C_d的测量电容值，并根据获取到的所有控制指令下的测量电容值，得到待测电容C_d的实际电容值。

具体的，参照本发明所提供的开关组模块1的连接关系，在第一控制指令下，也即第一开关11和第四开关14闭合，第二开关12和第三开关13断开，管理模块3获取的测量电容值包括待测电容C_d的实际电容值C_X、内部寄生电容值C_in和第一极板对地的电容值C₁，第二极板对地电容被第四开关14短路，第二极板对地电容容值为0；在第二控制指令下，也即第二开关12和第三开关13闭合，第一开关11和第四开关14断开，管理模块3获取的测量电容值包括待测电容C_d的实际电容值C_X、内部寄生电容值C_in和第二极板对地的电容值C₂，第一极板对地电容被第二开关12短路，第一极板对地电容容值为0；在第三控制指令下，也即第一开关11和第三开关13闭合，第四开关14及第二开关12断开，管理模块3获取的测量电容值包括第一极板对地的电容值C₁、第二极板对地的电容值C₂及内部寄生电容值C_in，待测电容C_d的第一极板与第二极板被第一开关11和第三开关13短路，待测电容容值值为0；在第四控制指令下，所有开关均断开，管理模块3获取的测量电容值为内部寄生电容值C_in，按照预设算法进行换算，即可得到待测电容C_d的实际电容值。

具体的，假设在上述4种控制指令下的测量电容值分别记为C₀₁、C₀₂、C₀₃和C₀₄，C₀₁＝C_X+C_in+C₁，C₀₂＝C_X+C_in+C₂，C₀₃＝C₂+C_in+C₁，C₀₄＝C_in，因此，不难推算出，C_X＝(C₀₁+C₀₂-C₀₃-C₀₄)/2，这样就消除了地线对两个极板的杂散电容以及测量系统内部的内部寄生电容对待测电容C_d的测量结果的影响。

当然，本实施例所提出的对待测电容C_d进行四次测量，以及各个控制指令控制相应的开关闭合/断开，只是选取了最便于实现的一种方案，除了可以采用上述方案，还可以采用其他方案，如包括其他控制指令，控制不同的开关断开或闭合，对待测电容C_d进行多次测量等，只要能实现消除内部寄生电容及两个极板对地的杂散电容即可，本发明对此不做限定。

本发明提供了一种电容测量系统，包括待测电容，开关组模块，控制模块，管理模块，开关组模块包括第一开关，第二开关，第三开关，第四开关，其中：开关组模块的第一端与管理模块连接，开关组模块的控制端与控制模块连接；第一开关的第一端和第三开关的第一端连接，其公共端作为开关组模块的第一端，第一开关的第二端分别与第二开关的第一端及待测电容的第一极板连接，第二开关的第二端及第四开关的第二端均与地连接，第三开关的第二端分别与第四开关的第一端及待测电容的第二极板连接；控制模块，用于按当前的控制指令控制开关组模块中与当前的控制指令对应的开关闭合，并控制其他开关断开；管理模块，用于获取在当前的控制指令下的待测电容的测量电容值，并根据获取到的所有控制指令下的测量电容值，得到待测电容的实际电容值。

可见，在实际应用中，采用本发明的方案，不直接测量待测电容两个极板之间的电容值，而是通过控制模块控制开关组模块中的不同开关的断开和闭合，实现对待测电容的多次测量，管理模块利用预设算法，将测量系统中可能存在的内部的寄生电容以及地线对待测电容的两个极板产生的杂散电容都滤除掉，然后得到待测电容的实际电容值，本发明不需要外加定值电容，且不受环境因素限制，得到的待测电容的实际电容值精确度更高。

请参照图2，图2为本发明所提供的另一种电容测量系统的结构示意图，该电容测量系统在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，管理模块3包括：

第一方波单元31，用于输出预设电平的第一方波，以便为待测电容Cd充/放电；

第一端与第一方波单元31的输出端连接、第二端与开关组模块1的第二端连接的第二方波单元32，用于输出第二方波，其中，第二方波的占空比与待测电容C_d的充电时间/放电时间一一对应；

输入端与第二方波单元32的输出端连接的转换单元33，用于将第二方波转换为直流电压值；

与转换单元33的输出端连接的采样单元34，用于获取直流电压值，并将直流电压值转换为电容值，其中，电容值为在当前的控制指令下的待测电容C_d的测量电容值。

作为一种优选的实施例，采样单元34为微型控制器。

具体的，通过第一方波单元31产生一个基本固定频率(1.7KHz左右)的幅值为预设电平的方波，这里的预设电平可以设为0-5V，0V即为低电平，5V即为高电平，也即电源电压，然后通过待测电容C_d的充/放电特性，根据不同待测电容C_d值充/放电时间的不同，可以得到不同占空比的第二方波，进而将不同占空比的第二方波通过转换单元33转换为直流电压值，通过采样单元34采样，可以理解的是，采样单元34中包括直流电压值和电容值的转换对应关系，根据得到的直流电压值以及转换对应关系，就可以获得和直流电压值对应的电容值的大小，该电容值即为在当前的控制指令下待测电容C_d的测量电容值。相应的，在不同的控制指令下，得到的测量电容值也不都相同，其中，采样单元34可以为微型控制器。

请参照图3，图3为本发明所提供的另一种电容测量系统的结构示意图，该电容测量系统在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，第一方波单元31包括设有施密特触发器的第一与非门UD₁，第一电容C₃₁，第一电阻R₁，第二电阻R₂及二极管D₁，其中：

第一电容C₃₁的第一端分别与第一与非门UD₁的第一输入端、第一与非门UD₁的第二输入端及第一电阻R₁的第一端连接，第一电容C₃₁的第二端接地，第一与非门UD₁的输出端分别与第一电阻R₁的第二端、二极管D₁的阴极、第二电阻R₂的第一端连接，其公共端作为第一方波单元31的输出端，二极管D₁的阳极分别与第二电阻R₂的第二端及开关组模块1的第二端连接。

作为一种优选的实施例，第二电阻R₂为阻值为1MΩ的电阻。

具体的，首先对设有施密特触发器的与非门进行说明，施密特触发器有两个值，一个是上限电压阈值V_h+和下限电压阈值V_h-，当施密特触发器的输入端的电压从低于V_h+的电压向上升，大于等于V_h+后，施密特触发器输出高电平，其输入端的电压从高向低下降的时候，且小于等于V_h-后，施密特触发器输出低电平，因此施密特触发器从高电平转到低电平或者从低电平转到高电平，输入端都会经历从V_h+到V_h-的压差，参照图4所示。

具体的，第一方波单元31包括一路带有斯密特触发器的第一与非门UD₁。上电初始，第一与非门UD₁的输出端的电压V_c为高电平，第一电容C₃₁通过第一电阻R₁充电，当第一电容C₃₁的电压通过充电达到施密特触发器的上限电压阈值V_h+后，V_c为低电平，第一电容C₃₁又通过第一电阻R₁放电，当第一电容C₃₁的电压放电放到施密特触发器的下限电压阈值V_h-后，V_c变为高电平，于是，V_c处的电压就会周而复始的出现高低电平转换，而转换的周期就是第一电容C₃₁充放电从V_h+到V_h-之间的充放电时间之和。这样在V_c处就得到了一个基本固定频率的幅值为0-5v的方波，方波频率为1.7KHz左右。

其中，第一电阻R₁可以选择阻值为100KΩ的电阻，第一电容C₃₁可以选择容值为10nF的电容，第二电容C₃₂可以选择容值为100nF的电容，二极管D1可以选择型号为1N4148的二极管。

在V_c为高电平期间，待测电容C_d通过第二电阻R₂充电，充到其上限阈值电压V_h+的时间为T₁，在V_c为低电平期间，待测电容C_d通过二极管D₁放电，二极管D₁可以选择肖特基二极管，其导通速度和导通电阻都很小，相对于阻值为1MΩ的第二电阻R₂可以忽略不计，因此待测电容C_d放电到其下限阈值电压V_h-的时间T₂可以忽略不计。所以，可以只考虑待测电容C_d充电时间的情况。

作为一种优选的实施例，第二方波单元32包括设有施密特触发器的第二与非门UD₂；

第二与非门UD₂的第一输入端与第一方波单元31的输出端连接，第二与非门UD₂的第二输入端与开关组模块1的第二端连接。

具体的，第二方波单元32包括设有施密特触发器的第二与非门UD₂。第二与非门UD₂的第二输入端接开关组模块1，可以理解的是，通过开关组模块1接的是待测电容C_d某一极板对地的电容，可以理解为第二与非门UD₂的第二输入端上的V₄点就是接的待测电容C_d的一个电极，而待测电容C_d的另一个电极是接地的。

根据上述原理，只分析V_c为一个方波周期的高电平期间的逻辑关系，第二与非门UD₂的输出电压V₅和第一与非门UD₁的输出电压V_c相比，第二与非门UD₂的输出电压会受到待测电容C_d的大小的影响，因为只有当V₄处的电压大于UD₂第二输入端内部所连接的施密特触发器的上限阈值电压V_h+后，UD₂与非门的两个输入引脚才都为高电平，此时V₅输出才为低电平，V₅相对于V_c高电平持续时间比V_c低电平持续时间长了T₁的时间，待测电容C_d通过第二电阻R₂充电，可以理解的是，V₄处的电压达到第二与非门UD₂的上限阈值电压V_h+的时间T₁与待测电容C_d的大小成正比，即待测电容C_d越大T₁越大，因此，待测电容C_d的大小会影响第二与非门UD₂输出的第二方波的占空比，具体的波形图参照图5所示。

作为一种优选的实施例，转换单元33为低通滤波器。

作为一种优选的实施例，低通滤波器包括第三电阻R₃和第二电容C₃₂，其中：

第三电阻R₃的第一端作为转换单元33的输入端，第三电阻R₃的第二端与第二电容C₃₂的第一端连接，其公共端作为转换单元33的输出端，第二电容C₃₂的第二端与地连接。

具体的，转换单元33可以为一个由第三电阻R₃和第二电容C₃₂组成低通滤波器，将第二方波单元32输出的第二方波通过第三电阻R₃和第二电容C₃₂低通滤波为直流电压值，以便采样单元34进行采样。

综上所述，本发明通过控制模块2控制四个adg711模拟开关中不同开关的断开和闭合，不直接测量被测电容的两极板间的电容值，而是通过四次测量，利用算法，将可能存在的测量系统中地线对待测电容C_d的杂散电容和外界空间对待测电容C_d的杂散电容及测量系统内部的内部寄生电容都滤除掉，来精确地测量待测电容C_d的大小。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种电容测量系统，其特征在于，包括待测电容，开关组模块，控制模块，管理模块，所述开关组模块包括第一开关，第二开关，第三开关，第四开关，其中：

所述开关组模块的第一端与所述管理模块连接，所述开关组模块的控制端与所述控制模块连接；

所述第一开关的第一端和所述第三开关的第一端连接，其公共端作为所述开关组模块的第一端，所述第一开关的第二端分别与所述第二开关的第一端及所述待测电容的第一极板连接，所述第二开关的第二端及所述第四开关的第二端均与地连接，所述第三开关的第二端分别与所述第四开关的第一端及所述待测电容的第二极板连接；

所述控制模块，用于按当前的控制指令控制所述开关组模块中与当前的控制指令对应的开关闭合，并控制其他开关断开；

所述管理模块，用于获取在当前的控制指令下的所述待测电容的测量电容值，并根据获取到的所有控制指令下的测量电容值，得到所述待测电容的实际电容值；

所述管理模块包括：

第一方波单元，用于输出预设电平的第一方波，以便为所述待测电容充/放电；

第一端与所述第一方波单元的输出端连接、第二端与所述开关组模块的第一端连接的第二方波单元，用于输出第二方波，其中，所述第二方波的占空比与所述待测电容的充电时间/放电时间一一对应；

输入端与所述第二方波单元的输出端连接的转换单元，用于将所述第二方波转换为直流电压值；

与所述转换单元的输出端连接的采样单元，用于获取所述直流电压值，并将所述直流电压值转换为电容值，其中，所述电容值为在当前的控制指令下的所述待测电容的测量电容值；

所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关、所述第四开关均为adg711模拟开关。

2.根据权利要求1所述的电容测量系统，其特征在于，所述第一方波单元包括设有施密特触发器的第一与非门，第一电容，第一电阻，第二电阻及二极管，其中：

所述第一电容的第一端分别与所述第一与非门的第一输入端、所述第一与非门的第二输入端及所述第一电阻的第一端连接，所述第一电容的第二端接地，所述第一与非门的输出端分别与所述第一电阻的第二端、所述二极管的阴极、所述第二电阻的第一端连接，其公共端作为所述第一方波单元的输出端，所述二极管的阳极分别与所述第二电阻的第二端及所述开关组模块的第一端连接。

3.根据权利要求2所述的电容测量系统，其特征在于，所述第二方波单元包括设有施密特触发器的第二与非门；

所述第二与非门的第一输入端与所述第一方波单元的输出端连接，所述第二与非门的第二输入端与所述开关组模块的第一端连接。

4.根据权利要求3所述的电容测量系统，其特征在于，所述转换单元为低通滤波器。

5.根据权利要求4所述的电容测量系统，其特征在于，所述低通滤波器包括第三电阻和第二电容，其中：

所述第三电阻的第一端作为所述转换单元的输入端，所述第三电阻的第二端与所述第二电容的第一端连接，其公共端作为所述转换单元的输出端，所述第二电容的第二端与地连接。

6.根据权利要求5所述的电容测量系统，其特征在于，所述采样单元为微型控制器。