CN113741582B - 一种电容温度补偿方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电容温度补偿方法及装置，所述补偿方法包括有：在温度变化的环境中，测量出该环境的测量温度以及被测电容的测量电容值；根据测量温度和测量电容值，计算测量温度与标准温度之间的温差，以及测量电容值与标准电容值之间的电容差；根据温差以及电容差，得到补偿公式。所述装置包括有：高低温实验箱，用于提供温度变化的环境；测量电路，用于测量环境中的测量温度以及被测电容的测量电容值；计算机，用于根据测量温度和测量电容值，计算测量温度与标准温度之间的温差，以及测量电容值与标准电容值之间的电容差，并根据温差以及电容差，得到补偿公式。本发明提供的一种电容温度补偿方法，有效地实现对电容进行温度补偿。

Description

一种电容温度补偿方法及装置
技术领域
本发明属于温度补偿技术领域，特别涉及一种电容温度补偿方法及装置。
背景技术
在传统的电容测量电路设计中，通常先将电容量转换成电压或电流等模拟量，再利用一个高位数的模数转换器(analog to digital converter，ADC)将该模拟量转换成数字信号，电路设计起来复杂，测量难以获得很高的精度，并容易受到外界的干扰。而数字化电容测微技术已经成熟，一些高精度的电容测量芯片早已问世，如ADI公司的高分辨率电容数字转换器(Capacitance digital converter，CDC)AD7747，其采用24位采样方式，采样线性度可达0.01％，具有一个双线式I2C兼容的串行接口，通信方式简单。
AD7747的有效电容检测范围为±8.192pF，内部功能框图如图1所示，(MUX)上有五个接口，分别为输入电压+(VIN+)、输入电压-(VIN-)、电容输入+(CIN1+)、电容输入-(CIN1-)以及容性输入屏蔽(SHLD)；(MUX)连接有温度传感器(TEMP SENSOR)以及24位转换器(24-BITΣ-ΔGENERATOR)，(MUX)接收电容数模转换器1以及电容数模转换器2与传输的信号，24位转换器接收时钟发生器的信号，24位转换器可传输信号给数字滤波器(DIGITALFILTER)，24位转换器可接收参考电压(VOLTAGE REFERENCE)的信号，数字滤波器可传输信号给I2C串行接口(I2C SERIAL INTERFACE)；I2C串行接口连接有三个接口，分别为串行数据线(SDA)以及串行数据线时钟线(SCL)，其中该I2C串行接口是双线式I2C兼容的串行接口；AD7747上还有控制逻辑校准(CONTROL LOGIC)，控制逻辑校准与逻辑输出
Figure BDA0003233574910000011
接口连接，AD7747上还有基准电压+(REFIN+)以及基准电压-(REFIN-)、激励源(EXCITATION)以及电源(VDD)，基准电压+(REFIN+)以及基准电压-(REFIN-)传输信号给24位转换器，激励源传输信号给电容输入+、电容输入-以及容性输入屏蔽这三个接口。
AD7747是利用开关电容技术构建电荷平衡电路来测量电容的，被测电容连接在电容输入+接口和地之间，在一个转换周期内，当通过激励源施加一个方波激励信号于被测电容上，24位转换器连续采样经过被测电容的电荷，后经数字滤波器处理和校正，最后处理器通过I2C串行接口将数据读出。
但在针对小电容高精度的测量场景中，被测电容由于受环境温度影响，会有一定变化，因此，只用AD7747测量被测电容时，难以测出被测电容的真实值。
因此，需要设计一种电容温度补偿方法及装置。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种电容温度补偿方法，所述补偿方法包括有：
在温度变化的环境中，测量出该环境的测量温度以及被测电容的测量电容值；
根据测量温度和测量电容值，计算测量温度与标准温度之间的温差，以及测量电容值与标准电容值之间的电容差；
根据温差以及电容差，得到补偿公式。
进一步的，所述被测电容的测量电容值的测量方法包括有：
通过测量电路，测量出被测电容的测量电容值。
进一步的，在温度变化的环境中，测量出该环境中的测量温度，具体的执行步骤如下：
将测量电路置于温度变化的环境中，通过测量电路中的温度传感器，测量该环境的测量温度。
进一步的，计算补偿公式，具体步骤如下：
根据温差以及电容差，得到拟合公式；
根据拟合公式，得到补偿公式。
另一方面，本发明还提供一种温度补偿装置，所述装置包括有：
高低温实验箱，用于提供温度变化的环境；
测量电路，用于测量环境中的测量温度以及被测电容的测量电容值；
计算机，用于根据测量温度和测量电容值，计算测量温度与标准温度之间的温差，以及测量电容值与标准电容值之间的电容差，并根据温差以及电容差，得到补偿公式。
进一步的，根据温差以及电容差，得到补偿公式的具体执行步骤如下：
根据温差以及电容差，得到拟合公式；
处理器根据拟合公式，得到补偿公式。
进一步的，所述标准电容值是在标准温度下，被测电容的标准值。
进一步的，所述测量电路包括有AD7747，所述被测电容连接在AD7747的电容输入+接口和地之间。
进一步的，所述AD7747内置有温度传感器，所述用于测量环境中的测量温度。
本发明提供的一种电容温度补偿方法及装置，实现了对电容的温度补偿，为了消除环境温度差异而产生的电容测量误差，可应用于小电容测量等场景，对测量精度和环境适应性提升有重大意义。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一个简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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示出了现有技术AD7747的内部结构示意图。
图2示出了现有技术中AD7747手册中电容输入失调漂移与温度的关系图。
图3示出了根据本发明实施例的补偿方法的原理图。
图4示出了根据本发明实施例的补偿装置的结构示意图。
图5示出了根据本发明实施例的电容差与温差的线性拟合曲线图。
图6示出了根据本发明实施例的被测电容的比值图。
图7示出了根据本发明实施例的被测电容的测量值随时间漂移图。
图8示出了根据本发明实施例的温度传感器测出的温度随时间变化图。
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中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，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。
本发明提供了一种电容温度补偿方法，如图3所示，所述补偿方法包括有：
S1在温度变化的环境中，测量出该环境的测量温度以及被测电容的测量电容值；
S2根据测量温度和测量电容值，计算测量温度与标准温度之间的温差，以及测量电容值与标准电容值之间的电容差；
S3根据温差以及电容差，得到补偿公式。
具体的，在本实施例中，先要将被测电容的一端连接在AD7747的电容输入+接口上，被测电容的另一端接地，AD7747与被测电容之间形成测量电路，AD7747还内置有温度传感器。将整个的测量电路放入温度变化的环境中，可以测量出该环境的测量温度以及被测电容的测量电容值。其中，温度变化的环境中指的是高低温实验箱，该高低温实验箱内的温度可调。
由ADD747数据手册可知，电容的输入失调漂移与温度关系如图2所示，当温度大于25℃时，被测电容的输入值随温度增大而减小。当设计AD7747单通道转换电路(即将被测电容的一端连接在AD7747的电容输入+接口上，被测电容的另一端接地)形成测量电路，将测量电路置于高低温实验箱中，调节高低温实验箱的温度在20℃至50℃重复变化，对1.2pf的定值被测电容进行长时间观测，同时利用AD7747内部的温度传感器对高低温实验箱内的温度进行采集，测量结果如图7和图8所示，其中，图7是被测电容的测量值随时间漂移图，图8是温度传感器测出的温度随时间变化图。由图7和图8可明显看出，被测电容的测量值随温度的上升而下降，符合数据手册中电容输入失调漂移与温度的关系。
对于上述所说的，温度变化的环境中，测量出该环境中的测量温度，具体的执行步骤如下：
将测量电路置于温度变化的环境中，通过测量电路中的温度传感器，测量该环境的测量温度。具体的，是将测量电路放入高低温实验箱内，然后调节高低温实验箱内的温度，可设定高低温实验箱内的温度变化范围为20～50℃。在调节高低温实验箱内的温度由20℃升至50℃这个期间，可通过测量电路中的温度传感器(即AD7747内置的温度传感器)测量出高低温实验箱内的测量温度，该测量温度与高低温实验箱调节的温度可能会有所出入，例如，在调节到高低温实验箱内的温度为30℃，高低温实验箱内的当前的实际温度为可能不会是30℃。因此，在调节高低温实验箱内的温度由20℃升至50℃这个期间，温度传感器检测到的测量温度需要被记录。
对于上述所说的，在温度变化的环境中，测量被测电容的测量电容值，其测量的方法包括有：
通过测量电路，测量出被测电容的测量电容值，具体的，在调节高低温实验箱内的温度由20℃升至50℃这个期间，AD7747可测量被测电容的测量电容值，需要注意的是，该测量电容值是随着测量温度同时进行测量的，且该测量电容值的大小是需要被记录的。
在调节高低温实验箱内的温度由20℃升至50℃期间，被测电容的所在的高低温实验箱内的测量温度(测量温度是变化的，随着高低温实验箱内的温度调节而变化)，以及被测电容的电容值在被记录后，需要计算测量温度与标准温度之间的温差，以及测量电容值与标准电容值之间的电容差，其中，标准温度是25℃，标准电容值是指在25℃的标准温度下，被测电容的标准值。
其中，测量温度与标准温度之间的温差由以下温差公式计算：
ΔT＝T-T0
ΔT是测量温度与标准温度之间的温差，T是测量温度，T0是标准温度。测量电容值与标准电容值之间的电容差由以下电容差公式计算：
ΔC＝C-C0
ΔC是测量电容值与标准电容值之间的电容差，C是测量温度，C0是标准温度。
如图5所示的，根据温差以及电容差，将温差以及电容差做线性拟合，可得到如下的拟合公式：
ΔC＝-1.83914E-5×ΔT+2.45425E-5
其中，-1.83914E-5是线性拟合得到温差与电容差关系的斜率，2.45425E-5是线性拟合得到温差与电容差关系的截距，该线性拟合中，ΔC的误差最大为9.71196E-5。
根据拟合公式，可得到如下补偿公式：
C实际＝C测量+ΔC
其中，C实际是被测电容实际的电容值(即被测电容在温度补偿后的值)，C测量是被测电容在自然环境下测量出的电容值。
另一方，本实施例还提供一种温度补偿装置，如图4所示的，装置包括有：
高低温实验箱，用于提供温度变化的环境，其中，高低温实验箱可调的环境的温度变化范围为20～50℃；
测量电路，用于测量环境中的测量温度以及被测电容的测量电容值，其中，测量电路包括有AD7747，被测电容连接在AD7747的电容输入+接口和地之间，AD7747内置有温度传感器，用于测量环境中的测量温度。
处理器，用于将测量的温度及电容值通过以太网通信传输至计算机；
计算机用于根据测量温度和测量电容值，计算测量温度与标准温度之间的温差，以及测量电容值与标准电容值之间的电容差，并根据温差以及电容差，得到补偿公式。其中，标准电容值是在标准温度下，被测电容的标准值。
其中，在本实施中，在调节高低温实验箱内的温度由20℃升至50℃期间，温度传感器将检测到的测量温度数据，以及AD7747检测到被测电容的测量电容值，均通过AD7747的I2C串行接口传输给处理器。在得到测量温度和测量电容值后，由处理器通过以太网通信传输至计算机，计算测量温度与标准温度之间的温差，以及测量电容值与标准电容值之间的电容差。
其中，根据温差以及电容差，得到补偿公式的具体执行步骤如下：
根据温差以及电容差，得到拟合公式；
处理器根据拟合公式，得到补偿公式，具体的，在计算出温差以及电容差后，计算机中的线性拟合软件(origin函数绘图软件)将通过计算机计算出的温差以及电容差进行线性拟合，从而得出拟合公式，需要注意的是，在线性拟合中，误差最大为9.71196E-6。
在得到拟合公式后，线性拟合软件将拟合公式写入处理器中，该处理器根据拟合公式，从而可以得出被测电容的补偿公式。
综上，本实施例中，校准前(温度补偿之前)的和校准后(温度补偿之后)的被测电容的定值电容为1.2pf，在测量过程中，被测电容的对比如图4所示。
同时测量被测电容(其电容值为1.2pf)在自然环境温度下的校准前电容值，以及被测电容的校准后电容值，如图6所示，被测电容的校准前电容值随温度上升，呈下降趋势极差(被测电容最大值与被测电容最小值之差)为6.7E-4pf；而校准后的被测电容的电容测量值在自然环境温度下随着温度的上升，波动明显减小，极差为1.7E-4pf。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种电容温度补偿方法，其特征在于，所述补偿方法包括有：
在温度变化的环境中，测量出该环境的测量温度以及被测电容的测量电容值；
根据测量温度和测量电容值，计算测量温度与标准温度之间的温差，以及测量电容值与标准电容值之间的电容差；
将温差以及电容差做线性拟合，得到拟合公式：ΔC＝-1.83914E-5×ΔT+2.45425E-5，其中，-1.83914E-5是线性拟合得到温差与电容差关系的斜率，2.45425E-5是线性拟合得到温差与电容差关系的截距，ΔC为电容差，ΔT为温差；根据拟合公式，得到补偿公式：C实际＝C测量+ΔC，其中，C实际是被测电容实际的电容值，C测量是被测电容在自然环境下测量出的电容值。
2.根据权利要求1所述的一种电容温度补偿方法，其特征在于，所述被测电容的测量电容值的测量方法包括有：
通过测量电路，测量出被测电容的测量电容值。
3.根据权利要求1所述的一种电容温度补偿方法，其特征在于，在温度变化的环境中，测量出该环境中的测量温度，具体的执行步骤如下：
将测量电路置于温度变化的环境中，通过测量电路中的温度传感器，测量该环境的测量温度。
4.一种温度补偿装置，其特征在于，所述装置包括有：
高低温实验箱，用于提供温度变化的环境；
测量电路，用于测量环境中的测量温度以及被测电容的测量电容值；
计算机，用于根据测量温度和测量电容值，计算测量温度与标准温度之间的温差，以及测量电容值与标准电容值之间的电容差；还用于将温差以及电容差做线性拟合，得到拟合公式：ΔC＝-1.83914E-5×ΔT+2.45425E-5，其中，-1.83914E-5是线性拟合得到温差与电容差关系的斜率，2.45425E-5是线性拟合得到温差与电容差关系的截距，ΔC为电容差，ΔT为温差；根据拟合公式，得到补偿公式：C实际＝C测量+ΔC，其中，C实际是被测电容实际的电容值，C测量是被测电容在自然环境下测量出的电容值。
5.根据权利要求4所述的一种温度补偿装置，其特征在于，所述标准电容值是在标准温度下，被测电容的标准值。
6.根据权利要求4所述的一种温度补偿装置，其特征在于，所述测量电路包括有AD7747，所述被测电容连接在AD7747的电容输入+接口和地之间。
7.根据权利要求6所述的一种温度补偿装置，其特征在于，所述AD7747内置有温度传感器，所述用于测量环境中的测量温度。
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