CN109283398A - 一种基于驱动电缆技术的微弱电容精密测量装置 - Google Patents

一种基于驱动电缆技术的微弱电容精密测量装置 Download PDF

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杨东升
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    • 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
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Abstract

本发明公开了一种基于驱动电缆技术的微弱电容精密测量装置，属于电容测量技术领域，该测量装置包括以驱动电缆单元为核心，配以电容测量电路、数据采集与处理电路和上位机，驱动电缆单元与被测电容电性连接，驱动电缆单元包括双层屏蔽电缆和驱动电缆电路，驱动电缆单元的输出端与电容测量电路的输入端连接，电容测量电路的输出端与数据采集与处理电路的输入端连接，数据采集与处理电路的输出端通过RS‑232串口总线连接到所述上位机，该测量装置消除了杂散电容对测试结果的影响，测试精度比较高。

Description

一种基于驱动电缆技术的微弱电容精密测量装置
技术领域
本发明涉及电容测量技术领域，尤其涉及一种基于驱动电缆技术的微弱电容精密测量装置。
背景技术
飞机油量表是一种非常重要的机载设备，主要用于测量和显示飞机剩余油量，该系统能否正常工作将直接影响飞行安全。现代飞机多采用电容式油量表，利用电容传感器把油箱油面高度转换为电容，通过测量电容来表示相应的油量。实际工作中，需要用油量表试验器对飞机油量表的传感器电容进行测量，从而定位故障，并对油量表进行校准。目前油量表试验器测量电容的基本原理为：设计专用的电容转换电路，将电容信号转换为与之成正比的电压、电流、频率等信号，再进行测量，常见的电容转换电路有谐振电路、充放电电路、电桥电路、震荡电路等。飞机油量表传感器的电容值较小，最小的电容值仅有50PF。常用的方法在理论上可以满足测量要求，但是在实际操作应用过程中，容易受到连接导线、测试电缆等的杂散电容的影响。经试验表明，检测过程中现场作业时，试验器1米长的测试电缆产生的电容值达到200PF，严重干扰被测电容，影响测试精度。
公告号为CN 101359027 B的文献公开了一种大电容漏电测量装置， 由电源， 线性电流表(M1)、第一整流桥 (D1-D4)，晶体管 (TR1)，变压器(T2)，第二整流桥 (D7-D10)、滤波电容 (C5)，误差放大器 (IC1)，电阻衰减网络范围选择开关 (S2)，功率电阻， CMOS振荡电路 (IC2)，正输出电压调整器 (IC3)，推挽晶体管 (TR2、 TR3) 组成 ；电源输出连接整流桥 (D1-D4)，整流桥先连接正输出电压调整器 (IC3) 再连接误差放大器 (IC1) 的正向输入端，第二整流桥的输出还连接电阻衰减网络及选择开关 (S2)连接至误差放大器(IC1)的另一输入端 ；待测电容端的另一个输入端串连线性电流表 (M1) 接地，但该大电容漏电测量装置无法保证测量的精度。
公开号为CN 102636699 A的文献涉及一种电容测量装置，它包括以单片机控制器为核心，配以充电电路和充电检测电路构成，其特征在于，所述的单片机控制器为单片机及其外围电路构成的单片机最小系统 ；所述的充电电路由电压跟随器、定值电阻和双向电子开关依次连接组成 ；其中，所述的双向电子开关的控制端与所述单片机的一 I/O 口链接；所述的充电检测电路由充电电压比较器构成，其中，所述的充电电压比较器的正相输入端与电子开关以及待测电容的一端连接，反相输入端与参考电压源连接，输出端与单片机的一 I/O 口链接 ；所述的单片机调制出 PWM 脉冲控制所述的双向电子开关为待测电容充电，由单片机根据 RC 充放电零状态响应方程算出待测电容的容量，但该测量装置无法保证电容测量的精度,有待进一步提高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于驱动电缆技术的微弱电容精密测量装置，解决上述存在的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于驱动电缆技术的微弱电容精密测量装置，包括以驱动电缆单元为核心，配以电容测量电路、数据采集与处理电路和上位机，所述驱动电缆单元与被测电容电性连接，所述驱动电缆单元包括双层屏蔽电缆和驱动电缆电路，所述驱动电缆单元的输出端与所述电容测量电路的输入端连接，所述电容测量电路的输出端与所述数据采集与处理电路的输入端连接，所述数据采集与处理电路的输出端通过RS-232串口总线连接到所述上位机。
进一步的，所述驱动电缆电路包括隔离放大器A1、驱动屏蔽层放大器A2和主放大器A3，隔离放大器A1的同相输入端与电缆芯线相连；驱动屏蔽层放大器A2的同相输入端与隔离放大器A1的输出端相连，输出端与电缆内屏蔽层连接；主放大器A3的反相输入端与隔离放大器A1的输出端相连。
进一步的，所述隔离放大器A1、所述驱动屏蔽层放大器A2和所述主放大器A3均为浮地电源，所述主放大器A3的输出端V0接实地。
进一步的，所述电容测量电路包括多谐振荡电路、二极管环形测量电路和运算放大电路，所述多谐振荡电路通过电容与二极管环形测量电路连接，所述二极管环形测量电路通过电感线圈与所述运算放大电路连接。
进一步的，所述多谐振荡电路为集成的555时基电路。
进一步的，所述数据采集与处理电路包括单片机、锁存器、A/D转换器和单电源电平转换芯片，所述单片机的输入端与所述运算放大电路的输出端对应连接，所述单片机的输出端分别和所述锁存器、所述A/D转换器、所述单电源电平转换芯片的输入端连接，所述锁存器的输出端与所述A/D转换器的输入端连接，所述数据采集与处理电路通过所述单电源电平转换芯片实现与上位机的串口通信。
进一步的，所述A/D转换器为逐次逼近型转换器，所述逐次逼近型转换器的通道为8通道、位数为12位，所述单片机为FLASH具备编程和擦除的只读存储器，所述单片机的位数为8。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供了一种基于驱动电缆技术的微弱电容精密测量装置，采用“驱动电缆”技术消除测量过程中杂散电容对微小电容的影响，并采用充放电法，将被测电容转换为直流电流信号，完成对微小电容信号的精密测量最后通过数据采集与处理电路，将测量的电容值通过RS-232串口总线传输到上位机进行显示，消除了杂散电容对测试结果的影响，测试精度高。
2、本发明提供了一种基于驱动电缆技术的微弱电容精密测量装置，通过电容测量电路采用充放电法是利用被测电容充放电原理对电容量的测量，这种方法对于测量微小电容很实用，本装置选用μA741集成运算放大器，它是高增益通用型集成运放，其差模输入电压范围和共模输入范围电压范围较宽，不需外加相位补偿，功耗低，负载能力强，具有输出短路保护，电源电压范围较宽，失调可以调零，无阻塞现象。
3、本发明提供了一种基于驱动电缆技术的微弱电容精密测量装置，本装置在驱动电缆单元对被测电容的实地电压计算公式中，电缆对CX的附加并联电容完全可以忽略不计，测试精度比较高，电容测量电路利用被测电容充放电原理对电容量的测量，多谐振荡电路采用由555时基电路构成的占空比可调的多谐振荡电路，用于产生占空比可调的多谐振荡信号。二极管环形测量电路电流信号为0～5mA，便于进行电流、电压变换。
附图说明
图1为本发明所述的微弱电容精密测量装置的装置连接示意图；
图2为本发明所述的微弱电容精密测量装置的驱动电缆单元电路图；
图3为本发明所述的微弱电容精密测量装置的电容测量电路电路图；
图4为本发明所述的微弱电容精密测量装置的数据采集与处理电路；
图5为本发明所述的微弱电容精密测量装置的数据接口电路；
图6为本发明所述的微弱电容精密测量装置的检测电路特性测试图；
图7为本发明所述的微弱电容精密测量装置的CX-V转换理论数据和测量数据曲线图。
具体实施方式
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的附图，对本发明实施例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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，一种基于驱动电缆技术的微弱电容精密测量装置，以驱动电缆单元1为核心，配以电容测量电路2、数据采集与处理电路3和上位机4，所述驱动电缆单元1与被测电容7电性连接，所述驱动电缆单元包括双层屏蔽电缆5和驱动电缆电路6，所述驱动电缆单元1的输出端与所述电容测量电路2的输入端连接，所述电容测量电路2的输出端与所述数据采集与处理电路3的输入端连接，所述数据采集与处理电路3的输出端通过RS-232串口总线连接到所述上位机4上，将测量的电容值通过RS-232串口总线传输到上位机4上进行显示。
实施例2
如图2所示，所述驱动电缆单元1包括双层屏蔽电缆5和驱动电缆电路6，所述驱动电缆电路包括隔离放大器A1、驱动屏蔽层放大器A2和主放大器A3，隔离放大器A1的同相输入端与电缆芯线相连；驱动屏蔽层放大器A2的同相输入端与隔离放大器A1的输出端相连，输出端与电缆内屏蔽层连接；主放大器A3的反相输入端与隔离放大器A1的输出端相连，其中：所述隔离放大器A1、所述驱动屏蔽层放大器A2和所述主放大器A3均为浮地电源，所述主放大器A3的输出端V0接实地。
其中为了反映驱动电缆单元对被测电容的影响，以图1同相输入端中的图中“Σ”点对实地电压计算公式如下：
式（1）中A1、A3分别表示对应放大器的放大倍数，
电缆内屏蔽层对实地的电压计算公式如下：
为达到完善的驱动应使将式（1）和（2）代入可得：，
即：=1
但只能以一定的精度逼近1,。设=0.999（这在技术上是可以实现的），则内屏蔽层与电缆芯线的电压差为：
所以电缆对CX的附加并联电容为：
若=1000，=100PF，则：
由上式可以看出，值的误差对CX产生的附加并联电容完全可以忽略不计，这种方案甚至在驱动长电缆时（10 米以上），检测电路放大器及校正网络也不必做太大变动，也可以达到较高的精度。
实施例3
如图3所示，所述电容测量电路2包括多谐振荡电路8、二极管环形测量电路9和运算放大电路10，所述多谐振荡电路通过电容11与二极管环形测量电路9连接，所述二极管环形测量电路通过电感线圈12与所述运算放大电路10连接。所述单片机的输入端与所述放大器的输出端对应连接，所述单片机的输出端分别和所述锁存器、所述A/D转换器、所述的A/D转换器的输入端连接，所述锁存器的输出端与所述A/D转换器的输入端连接，所述数据采集与处理电路通过所述单电源电平转换芯片实现与上位机的串口通信。
充放电法是利用被测电容CX充放电原理对电容量进行测量，这种方法对于测量微小电容很实用，本装置采用由555时基电路构成的占空比可调的多谐振荡电路，555振荡器的型号为NE555，由美国Signetics公司生产，用于产生占空比可调的多谐振荡信号，振荡电路作为信号源，不但输出幅度稳定，而且输出频率f稳定。二极管环形测量电路对电容器的充放电原理是通过不断的对被测电容CX进行充、放电，二极管环形测量电路输出的直流电流信号，其平均电流与被测电容CX成正比，此电流信号一般为0～5mA，为了满足调节与控制的需要，要对其进行电流、电压变换，并加以放大，保持良好的线性关系。本装置运算放大电路10选用μA741集成运算放大器，它是高增益通用型集成运放，其差模输入电压范围和共模输入范围电压范围较宽，不需外加相位补偿，功耗低，负载能力强，具有输出短路保护，电源电压范围较宽，失调可以调零，无阻塞现象。
实施例4
如图4-5所示，所述数据采集与处理电路包括单片机13、锁存器14、A/D转换器15和单电源电平转换芯片16，所述单片机13的输入端与所述运算放大电路的输出端对应连接，所述单片机13的输出端分别和所述锁存器14、所述A/D转换器15、所述单电源电平转换芯片16的输入端连接，所述锁存器14的输出端与所述A/D转换器15的输入端连接，所述数据采集与处理电路通过所述单电源电平转换芯片16实现与上位机的串口通信。
A/D转换器15是数据采集系统的核心，它将采样获得的连续电压转换成数字量。A/D转换器芯片种类繁多，但大量投放市场的单片集成或模块A/D按其变换原理主要分为逐次比较式、双积分式、量化反馈式和并行式A/D转换器。双积分式A/D转换器转换精度高，抗干扰能力强、价格低，但转换速度较慢；并行式转换器速度快，但价格高；逐次逼近式A/D转换器转换精度高、速度快，大约在几微秒到几百微秒之间，但抗干扰能力弱。但总的来讲逐次逼近式A/D转换器性能价格比最优，应用最广泛。经过分析比较，本装置选择逐次逼近型A/D转换器MAX197芯片。MAX197是美国MAXIM公司的产品，是8通道、12位逐次逼近式A/D转换器，本装置的单片机采用美国ATMEL公司89系列型号为AT89C51标准型单片机，T89C51是一种低功耗、高性能的8位单片机，片内带有一个4K字节的FLASH可编程可擦除只读存储器（EPROM）。本装置的单电源电平转换芯片选用美国 MAXIM 公司型号为 MAX232 型，实现串口的通信。
电容式传感器按上述实施例中的检测电路接好线，进行了模拟测试，通过模拟改变被测电容CX，对两种设计电路分别测出它们的输出的电压V，数据如表1所示，
表1: CX-V转换电路测试数据
<i>电容C</i><sub><i>X</i></sub><i>（pF）</i> <i>输出电压V（mV）</i>
31 260
62 412
96 630
127 802
163 944
190 1110
221 1268
254 1469
284 1610
316 1768
358 1976
390 2121
426 2295
456 2430
463 2500
如图6-7所示，将表1的数据进行作图，将数据进行曲线拟合，可得曲线方程为：V=5.2165CX +174.8389，而理论公式为：V=5×CX，由图6的数据可得知，CX -V实际测量值与理论值一致的。
绘制CX -V转换理论数据和测量数据曲线如图7所示，从图7可以看出，该电路输入、输出线性度良好，灵敏度高，稳定性好，抗寄生电容干扰能力强，容易实现，成本低廉。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于驱动电缆技术的微弱电容精密测量装置，其特征在于：以驱动电缆单元为核心，配以电容测量电路、数据采集与处理电路和上位机，所述驱动电缆单元与被测电容电性连接，所述驱动电缆单元包括双层屏蔽电缆和驱动电缆电路，所述驱动电缆单元的输出端与所述电容测量电路的输入端连接，所述电容测量电路的输出端与所述数据采集与处理电路的输入端连接，所述数据采集与处理电路的输出端通过RS-232串口总线连接到所述上位机。
2.根据权利要求1所述的一种基于驱动电缆技术的微弱电容精密测量装置，其特征在于：所述驱动电缆电路包括隔离放大器A1、驱动屏蔽层放大器A2和主放大器A3，隔离放大器A1的同相输入端与电缆芯线相连；驱动屏蔽层放大器A2的同相输入端与隔离放大器A1的输出端相连，输出端与电缆内屏蔽层连接；主放大器A3的反相输入端与隔离放大器A1的输出端相连。
3.根据权利要求2所述的一种基于驱动电缆技术的微弱电容精密测量装置，其特征在于：所述隔离放大器A1、所述驱动屏蔽层放大器A2和所述主放大器A3均为浮地电源，所述主放大器A3的输出端V0接实地。
4.根据权利要求1所述的一种基于驱动电缆技术的微弱电容精密测量装置，其特征在于：所述电容测量电路包括多谐振荡电路、二极管环形测量电路和运算放大电路，所述多谐振荡电路通过电容与二极管环形测量电路连接，所述二极管环形测量电路通过电感线圈与所述运算放大电路连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于驱动电缆技术的微弱电容精密测量装置，其特征在于：所述多谐振荡电路为集成的555时基电路。
6.根据权利要求3所述的一种基于驱动电缆技术的微弱电容精密测量装置，其特征在于：所述数据采集与处理电路包括单片机、锁存器、A/D转换器和单电源电平转换芯片，所述单片机的输入端与所述运算放大电路的输出端对应连接，所述单片机的输出端分别和所述锁存器、所述A/D转换器、所述单电源电平转换芯片的输入端连接，所述锁存器的输出端与所述A/D转换器的输入端连接，所述数据采集与处理电路通过所述单电源电平转换芯片实现与上位机的串口通信。
7.根据权利要求6所述的一种基于驱动电缆技术的微弱电容精密测量装置，其特征在于：所述A/D转换器为逐次逼近型转换器，所述逐次逼近型转换器的通道为8通道、位数为12位，所述单片机为FLASH具备编程和擦除的只读存储器，所述单片机的位数为8。
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