CN110501575A - 超高精度快速微电容测量系统 - Google Patents

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陈新建
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Abstract

本发明涉及一种超高精度快速微电容测量系统，包括控制系统，所述控制系统连接有信号发生器模块，所述信号发生器模块连接有信号检测模块，所述信号检测模块通过数据采集模块与控制系统连接，所述信号检测模块包括信号放大器模块和峰值检波电路模块；所述信号放大器模块与所述信号发生器模块相连，用于检测电容参数；所述峰值检波电路模块与所述信号放大器模块相连，通过差分放大电路模块与数据采集模块连接。本发明提供了一种超高精度快速微电容测量系统，能够对电容式传感器进行快速有效的高精度检测。

Description

超高精度快速微电容测量系统
技术领域
本发明涉及数据通信领域，尤其涉及以太网数据通信领域，具体涉及超高精度快速微电容测量系统。
背景技术
电容传感器在工业和学术领域都受到了广泛的应用和研究。电容传感器被用于测量位移、角度、振动、速度、压力、成分分析和介电性能。电容传感器的原理是将被测物理量的变化转化为电容的变化量。最常用的是平行板电容器、圆柱形电容器和梳状驱动电容器。然而，在嵌入式系统中，传感器的尺寸通常限制在亚毫米级，因此电容传感器的输出电容通常在几个pf或更低的阶数上，这就要求测量电路具有较高的精度。阻抗分析仪设计用于高精度电容测量，但不能用于高采样率的实时测量和事后数据分析。
一般来说，电容测量有五种方法：共振法（谐振法）、交流电（AC）电桥法、电容频率（C-F）转换法、充放电电流法和电容电压（C-V）转换法。
其中，共振法（谐振法）将电容器转换成谐振频率信号。这种方法需要寻找电路的谐振频率点，因此不适用于需要高瞬变的场合。
交流电（AC）电桥法用于小电容的测量。该方法测量精度高，分辨率小于1 fF，但通常是通过手动调节电路参数来平衡电路。因此，它不适用于连续、快速的测量。
电容频率（C-F）转换法将电容转换为频率信号。该系统结构简单，但精度低，频率不稳定，温度漂移等问题。充放电流法可以在一个简单的结构中测量高达pF级的电容，但它直接使用直流（DC）来放大信号，导致很大的直流漂移。C-V转换法具有抗噪声、响应时间快等特点，分辨率可达0.4 fF。
因此，为进一步满足电容传感器的检测性能的有效性和便捷性，需要研发一种超高精度快速微电容测量系统。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，针对电容式传感器变化微小的问题，本发明提出了一种超高精度快速微电容测量系统，能够对电容式传感器进行快速有效的高精度检测。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种超高精度快速微电容测量系统，包括控制系统，所述控制系统连接有信号发生器模块，所述信号发生器模块连接有信号检测模块，所述信号检测模块通过数据采集模块与控制系统连接，所述信号检测模块包括信号放大器模块和峰值检波电路模块；
所述信号放大器模块与所述信号发生器模块相连，用于检测电容参数；
所述峰值检波电路模块与所述信号放大器模块相连，通过差分放大电路模块与数据采集模块连接。
本发明一个较佳实施例中，信号发生器模块包括用于产生高精度正弦波信号的数字频率合成器，以及与数字频率合成器连接的椭圆低通滤波器，所述椭圆低通滤波器通过运算放大器与所述信号放大器模块连接。
本发明一个较佳实施例中，所述信号放大器模块中设置有两路放大电路，一路中设置有与所述信号发生器模块连接的标准参考电容Cr；另一路中设置有与所述信号发生器模块连接的传感器电容Cx；所述信号放大器模块输出的两路信号分别与峰值检波电路模块连接。
本发明一个较佳实施例中，峰值检波电路模块包括与所述信号放大器模块连接的稳压二极管、与所述信号放大器模块连接的具有共集电极放大功能的三极管。
本发明一个较佳实施例中，控制系统通过无线模块与计算机控制终端连接。
本发明一个较佳实施例中，信号放大器模块输出电压公式为，
（1）；
（2）；
Cr为标准参考电容，Cx为传感器电容，j为虚数单位，ω为输入正弦波信号的角频率，Uo2+(t)和Uo2-(t)分别是信号放大器模块的两路输出电压，Uo1(t)是信号发生器模块的输出电压。
本发明一个较佳实施例中，当ωCf1Rf1>>1 and ωCf2Rf2>>1时，和式分别变为,，
（3）；
（4）；
其中，Uo2+(t)和Uo2-(t)分别是信号放大器模块的两路输出电压，Uo1(t)是信号发生器模块的输出电压。
本发明一个较佳实施例中，差分放大电路模块，通过设置R20=R21，R22=R24，R23=R25，输出电压的公式为：
（5）；
其中，Uo3+(t)和Uo3-(t)分别是两路峰值检波电路的输出电压；
通过结合式，，以及峰值检波中的分压可得最终输出电压的公式为：
（6）；
其中，Uo1(t)min是输入正弦波的最小值，Uo(t)是差分放大电路模块的输出电压。
本发明一个较佳实施例中，所述数据采集模块包括电压采集芯片,以及与所述电压采集芯片连接的插件接口；所述差分放大电路模块的输出电压Uo通过模拟输入端V1进入采集芯片，由采集芯片的输出端引脚把转换好的数字信号传送给所述控制系统。
本发明一个较佳实施例中，超高精度快速微电容测量系统的检测方法：将待测电容Ca接入微电容测量系统的传感器电容Cx处，所述差分放大电路模块的输出电压Uo(t)通过模拟输入端V1进入采集芯片，数据采集模块采集输出电压通过模拟输入端V1进入采集芯片，利用控制系统读取电压值，通过最小二乘曲线拟合得到输出电压与实际电容的关系，利用无线模块将电容值传送到计算机控制终端进行显示。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明的有益效果：
本发明提供一种超高精度快速微电容测量系统，能够对电容式传感器进行快速有效的高精度检测。
本发明通过引入一种电流增强型的峰值检波电路，从而大大提高了整个系统的测量速度；通过采用差分放大的方法，提高了系统的灵敏度；通过最小二乘法拟合曲线，提高了系统的测量精确度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是信号发生器模块的电路示意图；
图3是信号放大器模块的电路示意图；
图4是峰值检波电路模块中的其中一路峰值检波电路的电路示意图；
图5是差分放大电路模块的电路示意图；
图6是数据采集模块的电路示意图；
图7是STM32F103控制系统的电路示意图；
图8是单次测量电容的输出电压Uo波形；
图9是多次测量电容的输出电压Uo波形；
图10是被测电容实际数据与测量数据的比较以及测量误差率；
图11是被测电容实际数据与测量数据的比较，以及ΔC-V理论和测量数据的线性图；
图12是6.104pF电容和6.107 pF电容的100次测量结果图表。
具体实施方式
现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1~图12所示，本实施例公开了一种超高精度快速微电容测量系统，包括控制系统8,控制系统8通过无线模块7与计算机控制终端6连接，控制系统8连接有信号发生器模块1，信号发生器模块1连接有信号放大器模块2，信号放大器模块2连接有峰值检波电路模块3，峰值检波电路模块3通过差分放大电路模块4与数据采集模块5连接。
本发明一个较佳实施例中，控制系统8采用的STM32F103控制系统，信号发生器模块1包括用于产生高精度正弦波信号的数字频率合成器，数字频率合成器包括芯片AD9850，以及与芯片AD9850连接的椭圆低通滤波器，椭圆低通滤波器通过运算放大器OP37与信号放大器模块2连接。具体的，信号发生器模块1通过125M Crystal oscillator 芯片引入直流源与芯片AD9850的SLK引脚连接，芯片AD9850的IOUT引脚与椭圆低通滤波器的Sine输出端连接，椭圆低通滤波器通过运算放大器OP37与信号放大器模块2的UO1输入端连接。
本发明一个较佳实施例中，信号放大器模块2包括两组积分放大器电路，信号放大器模块2的UO1输入端引出两路，其中一路积分放大器电路通过连接电容Cr与OP37GP三极管放大器U1负极输入端连接，OP37GP三极管放大器U1的正极输入端通过电阻R10接地；OP37GP三极管放大器U1负极输入端与OP37GP三极管放大器U1负极输出端之间串接一组并联的电容Cf1和电阻Rf1，然后OP37GP三极管放大器U1的Uo2-输出端与峰值检波电路模块3的一路输入端连接。
UO1输入端引的另一路积分放大器电路通过连接电容Cx与OP37GP三极管放大器U2负极输入端连接，OP37GP三极管放大器U2的正极输入端通过电阻R11接地；OP37GP三极管放大器U2负极输入端与OP37GP三极管放大器U2负极输出端之间串接一组并联的电容Cf2和电阻Rf2，然后OP37GP三极管放大器U2的Uo2+输出端与峰值检波电路模块3的另一路输入端连接。
本发明一个较佳实施例中，信号放大器模块2与峰值检波电路模块3连接的具有共集电极放大功能的三极管。峰值检波电路模块3包括分别与信号放大器模块2包括两组积分放大器电路连接的两路相同的峰值检波电路，峰值检波电路包括与信号放大器模块2输出端连接电阻R12、电阻R14，后与OP27GP三极管放大器U3的正极输入端连接，且电阻R12和电阻R14连接节点支接一路串接稳压二极管D1后接地，稳压二极管D1两端并联电阻R13，OP27GP三极管放大器U3的负极输入端串接电阻R15后与-6V的VEE连接，OP27GP三极管放大器U3的负极输入端通过三极管Q1与OP27GP三极管放大器U3的输出端连接，且三极管Q1的集电极串接电阻R16后接电源VCC，三极管Q1的基极与OP27GP三极管放大器U3的输出端连接，OP27GP三极管放大器U3的输出端连接三极管Q2的基极，三极管Q2的集电机串接电阻R17后接电源VCC, 三极管Q2的发射极与OP27GP三极管放大器U4的正极输入端连接，OP27GP三极管放大器U4的正极输入端支接两路，一路通过并联的电容和电阻R18接地，另一路通过串接电阻R19和三极管Q3后接地，三极管Q3的输出端分别与差分放大电路模块4的输入端连接。
本发明一个较佳实施例中，差分放大电路模块4通过OP27GP三极管放大器U5的输出端串接电阻R22和电阻R23后接OP27GP三极管放大器U7的输出端，OP27GP三极管放大器U5的输出端与OP27GP三极管放大器U5的负极输入端串接有电阻R20，电阻R22和电阻R23连接节点与OP27GP三极管放大器U7的负极输入端连接；通过OP27GP三极管放大器U6的输出端串接电阻R24和电阻R25后接地，OP27GP三极管放大器U6的输出端与OP27GP三极管放大器U6的负极输入端串接有电阻R21，电阻R24和电阻R25连接节点与OP27GP三极管放大器U7的正极输入端连接。且OP27GP三极管放大器U5的负极输入端与OP27GP三极管放大器U6的负极输入端通过电阻Rg连接。OP27GP三极管放大器U7的输出端UO与数据采集模块5连接。
本发明一个较佳实施例中，数据采集模块5包括芯片AD7606，芯片AD7606的V1~V8号引脚分别与Herder 8X2的接口的一侧引脚连接，Herder 8X2的接口的另一侧引脚共点接地。芯片AD7606的REF2.5引脚与ADR421基准电压源的输出端连接。
本发明一个较佳实施例中，控制系统8采用的STM32F103控制系统，STM32F103控制系统采用的STM32F103芯片，STM32F103芯片的PC6引脚与峰值检波电路模块3的三极管Q3的基极连接。STM32F103芯片的PD0~PD15引脚与芯片AD7606的DB0~ DB16引脚连接，STM32F103芯片的PC10~PC12引脚与芯片AD7606的OS0~OS2引脚连接，STM32F103芯片的PB5~PB9引脚与芯片AD7606的RANGE、CONVST-A/ CONVST-B、RESET、RD\SCLK、CS引脚连接，STM32F103芯片的PB12~PB15引脚分别与芯片AD7606的W-CLK、FQ UD、RESET、DATA引脚连接。
具体的，本发明一个较佳实施例中，信号放大器输出电压公式为，
（1）；
（2）；
Cr为标准参考电容，Cx为传感器电容。
当ωCf1Rf1>>1 and ωCf2Rf2>>1时，和式分别变为,
（3）；
（4）。
本发明一个较佳实施例中，差分放大电路模块包括三个三极管放大器，三极管放大器采用OP27GP信号放大器；差分放大电路模块，能提高电路的共模抑制比，从而提高电路的抗干扰能力；通过设置R20=R21，R22=R24，R23=R25，输出电压的公式为：
（5）；
通过结合式，，以及峰值检波中的分压可得最终输出电压的公式为：
（6）；
其中，Uo1(t)min是输入正弦波的最小值。
本发明一个较佳实施例中，数据采集模块包括电压采集芯片,以及与电压采集芯片连接的插件接口；电压采集芯片采用AD7606芯片，AD7606芯片连接有ADR421芯片电路；差分放大电路模块的输出电压Uo通过模拟输入端V1进入采集芯片，然后由DB0~DB15引脚把转换好的数字信号传送给STM32F103控制系统。
本发明的一种超高精度快速微电容测量系统能够对电容式传感器进行快速有效的高精度检测。通过引入一种电流增强型的峰值检波电路，从而大大提高了整个系统的测量速度；通过采用差分放大的方法，提高了系统的灵敏度；通过最小二乘法拟合曲线，提高了系统的测量精确度。
a．速度试验：实验中选用标称值为8 pF的电容器，用阻抗分析仪测量其实际电容值为8.063 pF。把该电容作为被测电容接入到测量系统中进行了速度测试，图8给出了微电容测量系统的输出电压波形。从图8中可见，微电容测量系统的输出电压到达稳定状态仅需6.8 us，远小于100 us。图9显示了多次测量电容的输出电压波形，示波器上显示测量频率达到了10 kHz。
b．精度测试：在10 kHz测量速度下，首先选择7个不同的待测电容Ca接入微电容测量系统的Cx位置，并使用数据采集模块采集差分放大电路模块的输出电压Uo，利用STM32F103控制系统读取电压值，通过最小二乘曲线拟合得到输出电压与实际电容的关系，计算电容Cm值。利用蓝牙模块将电容值传送到计算机控制终端进行显示，同时记录电脑显示的测量结果Cm。系统相对误差按公式计算，所得数据见图10。
（7）；
从图10中的表中可以看出，测量误差保持在0.1%以内。较低的测量误差证明了该测量系统具有极高的精度。
c．灵敏度测试：实际电容差ΔC =（Cx－Cr）由精密阻抗分析仪（65120B，WK）测量，输出电压由示波器（Keysight Infinition DSOX2002A）测得。ΔC-V理论和测量数据的线性图如图11所示。从图12可以看出，随着电容差的变化，测量值和理论值的变化非常相似。输出电压和电容差之间的关系也显示出良好的线性相关性（R2 = 0.9994），表明它们非常接近线性关系。由ΔC-V的测量数据关系线的斜率可得，该系统的灵敏度为1 V/pF。
d．最小分辨率测试：在测试中，选择两个电容器，其实际电容值分别为6.104和6.107 pF。然后利用微电容测量系统对每个电容器进行100次测量。测量结果如图12所示。从图12中可以看出，微电容测量系统的稳定性较好，整个微电容测量系统的最小分辨率可以达到3fF甚至更低。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。

Claims (10)

1.一种超高精度快速微电容测量系统，包括控制系统（8），所述控制系统（8）连接有信号发生器模块（1），所述信号发生器模块（1）连接有信号检测模块，所述信号检测模块通过数据采集模块（5）与控制系统（8）连接，其特征在于，所述信号检测模块包括信号放大器模块（2）和峰值检波电路模块（3）；
所述信号放大器模块（2）与所述信号发生器模块（1）相连，用于检测电容参数；
所述峰值检波电路模块（3）与所述信号放大器模块（2）相连，通过差分放大电路模块（4）与数据采集模块（5）连接。
2.根据权利要求1所述的超高精度快速微电容测量系统，其特征在于：所述信号发生器模块（1）包括用于产生高精度正弦波信号的数字频率合成器，以及与数字频率合成器连接的椭圆低通滤波器，所述椭圆低通滤波器通过运算放大器与所述信号放大器模块（2）连接。
3.根据权利要求1所述的超高精度快速微电容测量系统，其特征在于：所述信号放大器模块（2）中设置有两路放大电路，一路中设置有与所述信号发生器模块（1）连接的标准参考电容Cr；另一路中设置有与所述信号发生器模块（1）连接的传感器电容Cx，所述信号放大器模块（2）输出的两路信号分别与峰值检波电路模块（3）连接。
4.根据权利要求1所述的超高精度快速微电容测量系统，其特征在于：所述峰值检波电路模块（3）包括与所述信号放大器模块（2）连接的稳压二极管、与所述信号放大器模块（2）连接的具有共集电极放大功能的三极管。
5.根据权利要求1所述的超高精度快速微电容测量系统，其特征在于：所述控制系统（8）通过无线模块（7）与计算机控制终端（6）连接。
6.根据权利要求1所述的超高精度快速微电容测量系统，其特征在于：所述信号放大器模块（2）输出电压公式为，
（1）；
（2）；
Cr为标准参考电容，Cx为传感器电容，j为虚数单位，ω为输入正弦波信号的角频率，Uo2+(t)和Uo2-(t)分别是信号放大器模块（2）的两路输出电压，Uo1(t)是信号发生器模块（1）的输出电压。
7.根据权利要求6所述的超高精度快速微电容测量系统，其特征在于：当ωCf1Rf1>>1and ωCf2Rf2>>1时，（1）和（2）式分别变为,，
（3）；
（4）；
其中，Uo2+(t)和Uo2-(t)分别是信号放大器模块（2）的两路输出电压，Uo1(t)是信号发生器模块（1）的输出电压。
8.根据权利要求7所述的超高精度快速微电容测量系统，其特征在于：所述差分放大电路模块，通过设置R20=R21，R22=R24，R23=R25，输出电压的公式为：
（5）；
其中，Uo3+(t)和Uo3-(t)分别是两路峰值检波电路的输出电压；
通过结合式（3），（4），（5）以及峰值检波中的分压可得最终输出电压的公式为：
（6）；
其中，Uo1(t)min是输入正弦波的最小值，Uo(t)是差分放大电路模块的输出电压。
9.根据权利要求1所述的超高精度快速微电容测量系统，其特征在于：所述数据采集模块包括电压采集芯片,以及与所述电压采集芯片连接的插件接口；所述差分放大电路模块的输出电压Uo通过模拟输入端V1进入采集芯片，由采集芯片的输出端引脚把转换好的数字信号传送给所述控制系统（8）。
10.根据权利要求1~9中任一权利要求所述的超高精度快速微电容测量系统的检测方法，其特征在于：将待测电容Ca接入微电容测量系统的传感器电容Cx处，差分放大电路模块的输出电压Uo(t)通过模拟输入端V1进入采集芯片，数据采集模块采集输出电压通过模拟输入端V1进入采集芯片，利用控制系统（8）读取电压值，通过最小二乘曲线拟合得到输出电压与实际电容的关系，利用无线模块（7）将电容值传送到计算机控制终端（6）进行显示。
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