CN113092871B - 一种基于静电自激振动原理的电容测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于静电自激振动原理的电容测量方法，包括高压直流电源、相对平行布置的正负电极板、导电微梁、绝缘支撑、采样电阻、待测电容、信号采集器。导电微梁固定于绝缘支撑并置于正负电极板中间，正负电极板分别与高压直流电源正负极相连，采样电阻一侧与负电极板连接、另一侧接地，待测电容连接于导电微梁根部和电源负极之间。当高压直流电施加于正负电极板时，导电微梁在电极板中间激发自激振动，信号采集器测量电阻两端产生脉冲电压，脉冲电压幅值与待测电容大小成线性关系，通过采集分析脉冲电压幅值即可计算得到待测电容的大小。本发明提出的电容测试方法原理简单、测量精度高，适用于pF量级微小电容值的测量。

Description

一种基于静电自激振动原理的电容测量方法
技术领域
本发明涉及电容测量技术领域，具体是一种基于静电场中微梁自激振动原理的高精度电容测量方法。
背景技术
电容式传感器是一种将被测物理量转化为电容变化的传感元件，因其结构简单、动态响应好、温度稳定性高、精度高等优点，广泛应用于位移、角度、振动、速度、压力、成分分析、介质特性等高精度测量场合。
电容变化量的测量是决定电容式传感器测量精度的关键因素。电容式传感器工作过程中，待测物理量的变化引起传感元件电容量的变化，并通过测量电路将电容量的变化转化为电信号输出，测量电信号的大小，从而判断待测物理量的大小。因此，电容传感器对电容量变化的测量越精准，待测物理量的测量精度就越高。实际测量过程中，电容量的变化量往往在皮法量级，这对微小电容测量的精准度提出了很高的要求。因此，设计简单、精准、可靠的微小电容测量方法对电容式传感器性能的提升具有重要意义。
目前，常见的微小电容测量方法主要有谐振法、运算法和电桥法等。其中，谐振法是将电容转化为电路振荡频率进行测量的方法，具有便于信号输出与数字化的优点，但容易受杂散电容的影响，且输出非线性较大；运算法将电容接入运算放大器电路中，反馈系数可以反映被测电容和参考电容的比值，这种方法的特点是能减小检测电路的非线性，但对参考电容的特效要求十分严格，输出稳定性受限制；电桥法是将电容接入电桥中，将电容变化量转化为电压值变化的方法，其测量的精准度较高，缺点是抗杂散能力差，难以克服温度漂移的问题。上述测量方法都是通过电子电路元件实现对微小电容量的测量，其输出的电信号幅值和变换率较低，从而限制了电容测量的精度。
针对现有电容测量方法输出电信号分辨率低的技术问题，本发明提出了一种机械式、基于静电自激振动原理的微小电容测量方法，该方法利用微梁在静电场中的自激振动原理，将电容量的测量转化为输出脉冲电压幅值的变化，脉冲电压幅值为数百伏量级，相比采用纯电子电路元件大大提升了输出电信号的分辨率。
发明内容
针对现有电容测量技术中电路调试复杂、测量分辨率不高的问题，本发明提供了一种基于静电自激振动原理的电容测量方法，相比采用纯电子电路元件大大提升了输出电信号的分辨率。
本发明公开的基于静电自激振动原理的电容测试方法，其特征在于，包括：高压直流电源、正电极板、负电极板、导电微梁、绝缘支撑、待测电容、采样电阻、信号采集器。
所述高压直流电源正极与正电极板连接，负极接地。
所述导电微梁固定在绝缘支撑上，并放置于正电极板和负电极板中间。
所述的待测电容一端与导电微梁连接，另一端接地。
所述的采样电阻一侧与负电极板连接，一侧接地。
所述的信号采集器并联在采样电阻两端，用于测量采样电阻两端的电压。
工作时，高压直流电源对正、负电极板施加高压直流电，导电微梁在静电场的作用下激发稳定的自激振动并与正、负电极板交替碰撞，当导电微梁碰撞正电极板时，待测电容充电，当导电微梁碰撞负电极时，待测电容放电，如此周期性的充、放电过程在采样电阻两端形成周期性脉冲电压。待测电容越大，脉冲电压幅值越大，待测电容大小和脉冲电压主波峰成线性关系，因此通过测量采样电阻两端的脉冲电压幅值，即可计算得到待测电容的大小。
进一步地，所述导电微梁的振动属于自激振动，导电微梁与正、负电极板构成的振动系统无需设置频率调节装置，在稳定的能量(直流电压)输入条件下通过振动系统自身的调节激发并维持稳定的振动。
进一步地，所述导电微梁碰撞正电极板时形成脉冲电压的次波峰，导电微梁碰撞负电极板时形成脉冲电压的主波峰，计算待测电容值时应采用主波峰。
进一步地，所述导电微梁的材料为导电性良好并具备一定弹性的导电材料，如Ti-Ni记忆合金丝、碳纤维、铜片，但不限于上述列举的三种材料。
进一步地，所述导电微梁，为丝状结构或片状结构，也可以是由多个丝状或片状结构组成的梳齿结构，其支撑形式为一端固支的悬臂形式或两端简支的简支形式。
进一步地，所述采样电阻可为单个电阻或多个电阻串并联构成的组合电阻。
进一步地，所述正、负电极板为平板电极且两者相对平行放置，电极板间距离为0.1mm～10mm。
进一步的，所述测量方法采用直流供电，所需直流电压的幅值由导电微梁和电极板的几何尺寸决定。
本发明的测量方法与现有技术相比的优势在于：
(1)电子电路元件少。本发明通过导电微梁自激振动与电极板的碰撞实现电容值向电压信号的转换，无需运算放大电路、振荡电路等电子电路元件，测量方法稳定性高。
(2)输出电压信号分辨率高。本发明中，采样电阻两端输出的脉冲电压幅值为数百伏量级，待测电容所对应的脉冲电压分辨率可达10-2pF/V量级。
(3)测试原理简单。本发明中，待测电容的大小与采样电阻两端的脉冲电压幅值直接相关，无需中间运算电路，可有效避免信号转换过程中的测量误差。
附图说明
图1为本发明的电路图；
图2为导电微梁振动过程中采样电阻两端的脉冲电压波形图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
实施例一：如图1所示，本发明提供的基于静电自激振动原理的电容测量方法，包括高压直流电源1、正电极板2、负电极板3、导电微梁4、绝缘支撑5、待测电容6、采样电阻7、信号采集器8。其中，高压直流电源1正极与正电极板2连接，负极接地。导电微梁4固定于绝缘支撑5上，并放置于正电极板2和负电极板3之间。待测电容6一端与导电微梁4连接，一端与高压直流电源1负极连接(接地)。采样电阻7一端与负电极板3连接，另一端接地。信号采集器8并联在采样电阻7两端，用于测量采样电阻7两端的电压。
本发明中，导电微梁4的材料为导电性良好并具备一定弹性的导电材料(本实例中导电微梁4采用碳纤维板材质，长度15mm，宽度1.5mm，厚度50μm)；导电微梁4的外形为丝状、片状或由丝状和片状构成的梳齿结构，其支撑形式为一端固支的悬臂形式(本实例导电微梁4选用片状设计)；正电极板2、负电极板3为相对放置的平板电极，本实例电极板间距2mm，电极板材质为铜；采样电阻7的阻值范围为单个电阻或多个电阻串并联构成的组合电阻(本实例采样电阻采用单个电阻，阻值为5.1MΩ)；根据本发明提出的测量方法采用高压直流电源供电，所需直流电压幅值由导电微梁4和正、负电极板的几何尺寸决定(本实例直流电压为2500V)。
实施例二：图1中导电微粱4的支撑方式采用两端简支的形式，其他技术特征与具体实施方式一相同。
本发明提出的电容测量方法所测得脉冲电压信号如图2所示，当导电微梁4碰撞负电极板3时，采样电阻7两端产生脉冲电压主波峰；当导电微梁4碰撞正电极板2时，采样电阻7两端产生脉冲电压次波峰。其中，待测电容6的大小与脉冲电压主波峰成线性关系，在本实例中，脉冲电压主波峰幅值均值为484.0V，计算得到的待测电容大小为7.47pF。
本发明未详细阐述的属于本领域公知技术。
以上所述，仅是本发明的实施例子，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明原理和技术实质对以上实施例子所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围之内，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。

Claims (8)

1.一种基于静电自激振动原理的电容测量方法，其特征在于，包括：高压直流电源(1)、正电极板(2)、负电极板(3)、导电微梁(4)、绝缘支撑(5)、待测电容(6)、采样电阻(7)、信号采集器(8)；
所述高压直流电源(1)正极与正电极板(2)连接，负极接地；
所述导电微梁(4)固定于绝缘支撑(5)上，并放置于正电极板(2)和负电极板(3)中间；
所述待测电容(6)一端与导电微梁(4)连接，另一端接地；
所述采样电阻(7)一侧与负电极板(3)连接，一侧接地；
所述信号采集器(8)并联在采样电阻(7)两端，用于测量采样电阻(7)两端电压；
工作时，高压直流电源(1)对正电极板(2)、负电极板(3)施加高压直流电，导电微梁(4)在静电场的作用下激发稳定的自激振动并与正电极板(2)、负电极板(3)交替碰撞，待测电容(6)周期性充放电并在采样电阻(7)两端形成周期性的脉冲电压，待测电容(6)大小与导电微梁(4)碰撞负电极板(3)时形成脉冲电压的主波峰成线性关系，通过采集分析脉冲电压幅值即可计算得到待测电容(6)的大小。
2.根据权利要求1所述的基于静电自激振动原理的电容测量方法，其特征在于：导电微梁(4)的振动属于自激振动，其与正电极板(2)、负电极板(3)构成的振动系统不存在频率调节装置。
3.根据权利要求1所述的基于静电自激振动原理的电容测量方法，其特征在于：导电微梁(4)碰撞负电极板(3)时形成脉冲电压主波峰，导电微梁(4)碰撞正电极板(2)时形成脉冲电压次波峰，计算待测电容值时采用脉冲电压主波峰。
4.根据权利要求1所述的基于静电自激振动原理的电容测量方法，其特征在于：所述的导电微梁(4)的材料为具备弹性的导电材料，包括Ti-Ni记忆合金丝、碳纤维、铜片。
5.根据权利要求1所述的基于静电自激振动原理的电容测量方法，其特征在于：所述的导电微梁(4)的外形为丝状、片状或由丝状和片状构成的梳齿结构，其支撑形式为悬臂形式或简支形式。
6.根据权利要求1所述的基于静电自激振动原理的电容测量方法，其特征在于：所述的采样电阻(7)为单个电阻或多个电阻串并联构成的组合电阻。
7.根据权利要求1所述的基于静电自激振动原理的电容测量方法，其特征在于：所述正电极板(2)、负电极板(3)为平板电极，两者相对平行放置。
8.根据权利要求1所述的基于静电自激振动原理的电容测量方法，其特征在于所述高压直流电源(1)的电压幅值由导电微梁(4)和正电极板(2)、负电极板(3)的几何尺寸决定。
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