CN115575723A - 一种高压多层陶瓷电容在冲击环境下容值的测试系统 - Google Patents

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王亚斌
朱晓宁
刘扬
袁帅
程向群
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • 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
    • G01R27/2605—Measuring capacitance

Abstract

本发明涉及一种高压多层陶瓷电容在冲击环境下容值的测试系统，包括电容充放电模块、逻辑控制模块、冲击测试模块、数据采集模块，本发明设计了适用于动态冲击试验的电容动态测试系统，测试系统可以将电容加到任意可承受的电压，在不同强度的冲击过载下研究电容的放电特性；本发明充放电过程由控制模块下达指令控制，因此可以进行高压试验并且保障人员安全性。

Description

一种高压多层陶瓷电容在冲击环境下容值的测试系统
技术领域
本发明涉及电容测试技术领域，特别是涉及一种高压多层陶瓷电容在冲击环境下容值的测试系统。
背景技术
多层陶瓷电容（MLCC）相比于其它类型的电容，具有比电容高，低ESR（等效串联电阻）、耐压性能好、工作温度低、工作温度范围宽、宽频特性好、稳定性高等特点。因其较高的储能密度，在高压条件下能瞬间释放极大的能量，在电力电子技术中经常作为能量储存装置。
多层陶瓷电容MLCC被广泛地应用于各种军民用电子整机和电子设备，工作环境往往伴随着冲击过载，因此储存能量的高压多层陶瓷电容必须具有较好的抗冲击性能。如果在受到冲击的过程中一旦产生能量不稳定泄露，就会导致系统无法正常工作，甚至产生不可挽回的严重后果，因此探究多层陶瓷电容在冲击环境下的容值特性变化有着重要的意义。
现有多层陶瓷电容器测试装置在安装使用时，效果不佳，安全性不够容易造成安全隐患。本发明提供一种高压多层陶瓷电容在冲击环境下容值的测试方法，利用霍普金森杆模拟冲击环境，通过合适的电路设计对高压陶瓷电容进行充电，并且准确控制电容在受到冲击时进行放电，通过示波器采集数据，合理计算出电容在冲击下的容值。
发明内容
本发明针对高压多层陶瓷电容在工作中会受到冲击环境的情况，提出了一种利用霍普金森杆模拟冲击环境，利用电容的放电特性检测电容容值随冲击过载变化的测试系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种高压多层陶瓷电容在冲击环境下容值的测试系统，包括：
电容充放电模块：用于产生电容电压并进行测量；
逻辑控制模块：用于控制所述电容充放电模块的工作；
冲击测试模块：用于进行电容冲击测试试验；
数据采集模块：用于模拟冲击过程中电容的放电电压和电流。
优选地，所述电容充放电模块包括栅极驱动器、第一MOSFET、第二MOSFET、直流恒压源、泄放电阻、示波器和待测陶瓷电容，其中，所述栅极驱动器用于控制所述MOSFET的打开与关闭，所述第一MOSFET和所述第二MOSFET用于控制电路的开和断，所述直流恒压源用于提供电压，所述泄放电阻用于进行限流，所述示波器用于采集待测陶瓷电容两端的电压以及放电过程中的电流。
优选地，通过驱动信号控制所述第一MOSFET、所述第二MOSFET的通断，其中，所述驱动信号为由FPGA控制产生的PWM波，包括高端驱动信号和低端驱动信号，所述第一MOSFET、所述第二MOSFET不同时开启。
优选地，当所述第一MOSFET开启，所述第二MOSFET关断时，所述直流恒压源向所述待测陶瓷电容充电，通过高压探头测量所述待测陶瓷电容正极电压；当所述第一MOSFET关断，所述第二MOSFET开启时，所述待测陶瓷电容通过所述泄放电阻对地放电，基于所述高压探头测量所述待测陶瓷电容的正极电压，通过电流探头测量放电电流。
优选地，所述逻辑控制模块包括：
电源单元：用于为所述逻辑控制模块供电；
主控芯片单元：用于控制待测陶瓷电容的充放电，以及与上位机进行通信；
扩展接口单元：用于实现转串口协议，通过串口发送指令控制所述电容充放电模块的工作。
优选地，所述主控芯片单元包括：
串口接收子单元：用于接收串口指令，生成标志信号，并将指令发送给报文解析子单元；
帧结束判断子单元：用于设置帧结束判定时间；
报文解析子单元：用于将接收的数据中参数设置、放电延时时间和充电使能信号发送给充放电控制子单元，并向回发参数控制子单元发送回发使能信号和回发数据；
回发参数控制子单元：用于接收所述报文解析子单元的回发使能信号，并将数据回发给串口发送子单元；
串口发送子单元：用于将所述回发参数控制子单元发来的数据进行累加和校验后发送给上位机；
按键消抖子单元：用于通过边沿检测对所述系统进行消抖。
优选地，所述冲击测试模块包括分离式霍普金森杆、测量单元和数据采集与处理单元，其中，所述分离式霍普金森杆用于分析待测陶瓷电容在受到不同冲击荷载下的力学行为特征，所述测量单元用于测量杆件的速度，所述数据采集与处理单元用于采集所述霍普金森杆实验过程中各个杆的速度、应变片的应变，冲击过程中电容的放电电压和电流，并且对采集的数据进行处理得到加速度过载和容值的关系。
优选地，所述分离式霍普金森杆包括撞击杆、入射杆、透射杆和吸收杆，所述测量单元包括子弹速度测量子单元和动态应变测量子单元，所述数据采集与处理单元包括动态应变仪和数字示波器。
优选地，所述数据采集模块包括第一示波器和第二示波器，其中，所述第一示波器用于记录待测陶瓷电容的放电电压、放电电流和来自撞击杆的脉冲触发信号，并评估电容容值的动态变化，所述第二示波器用于记录入射杆和透射杆上安装的电阻应变片的应力波信号。
本发明的有益效果为：
本发明设计了适用于动态冲击试验的电容动态测试系统，测试系统可以将电容加到任意可承受的电压，在不同强度的冲击过载下研究电容的放电特性；
本发明充放电过程由控制模块下达指令控制，因此可以进行高压试验并且保障人员安全性。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的电容充放电电路原理图；
图2为本发明实施例的串口指令格式示意图；
图3为本发明实施例的整体系统工作时间线示意图；
图4为本发明实施例的系统中各模块连接关系示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例提供一种高压多层陶瓷电容在冲击环境下容值的测试系统如图4，整个测试系统分为电容充放电模块、逻辑控制模块、冲击测试模块、数据采集模块四个部分组成。
电容充放电模块如图1所示，图中U1、U2为带隔离功能的栅极驱动器，Q1、Q2为大功率MOSFET，VCC为直流恒压源，R1为大功率泄放电阻，C1为待测陶瓷电容。高端驱动信号和低端驱动信号是由FPGA控制产生的频率、占空比可调节的PWM波，控制Q1、Q2的通断，且Q1和Q2不同时开启。当Q1开启，Q2关断时，直流恒压源向电容C1充电，高压探头测量电容正极电压，由示波器记录电压数据；当Q1关断，Q2开启时，电容C1通过大功率泄放电阻对地放电，高压探头测量电容正极电压，电流探头测量放电电流，并通过示波器记录电容的放电电压、放电电流的曲线数据。
逻辑控制模块主要用来控制电容充放电部分电路的工作，主要包括电源单元、主控芯片单元和扩展接口单元。逻辑控制单元中的配置电路采用了JTAG配置方式，对于IntelFPGA，使用Quartus Prime软件可以将配置数据下载到FPGA上，自动生成用于使用JTAG下载器配置的.sof文件。因为Cyclone IV E FPGA是基于SRAM结构的，所以SRAM中的数据掉电就会丢失，为了避免每次上电都要重新配置，采用了串行FLASH芯片M25P64，拥有64MB存储空间，使用SPI接口作为FPGA的上电配置器件。接口部分采用了RS422串口通信，采用了USB转串口芯片CH340，可实现USB转串口协议，使FPGA能使用一根USB数据线与PC之间进行通信，通过串口发送指令来控制电容充放电电路部分的工作。
逻辑控制模块中，主控芯片单元主要包括串口接收子单元、帧结束判断子单元、报文解析子单元、回发参数控制子单元、串口发送子单元、按键消抖子单元和充放电控制子单元。各模块的功能如下：
串口接收子单元：接收通过上位机发送的串口指令，生成rx_done标志信号，将指令发送给报文解析子单元。指令格式如图2所示。
帧结束判断子单元：设置一定的帧结束判定时间，若在时间内收到rx_done信号则重新计时，否则输出帧超时信号。帧超时信号意味着一帧数据接收完毕。
报文解析子单元：当一帧数据接收完毕且检验数据有效时，将数据中的参数设置、放电延时时间和充电使能信号发送给充放电控制子单元，并向回发参数控制子单元发送回发使能信号和回发数据。
回发参数控制子单元：接收到报文解析子单元的回发使能信号后将数据回发给串口发送子单元。
串口发送子单元：将回发参数控制子单元发来的数据进行累加和校验后发送给上位机，若上位机收到的回发数据与发送的数据相同，说明电路各模块正常运行，没有出错。
按键消抖子单元：整个电路系统由一个开关作为最高级别的控制，当用户按下开关按键，产生的物理抖动会导致电平抖动，通过边沿检测进行消抖以产生稳定的开关信号。
充放电控制子单元：当用户打开开关，通过上位机发送串口指令，指令通过报文解析子单元后接收到充电使能信号，控制电容开始充至设定电压，当收到激光脉冲触发信号时，延时一定时间后控制电容开始放电。
冲击测试模块主要由分离式霍普金森杆组成，基于霍普金森杆可以研究分析材料在受到不同冲击荷载下的力学行为特征。整个冲击测试模块由3个分系统组成，压杆由4部分组成：①撞击杆；②入射杆；③透射杆；④吸收杆。测量单元有：①子弹速度测量子单元；②动态应变测量子单元。数据采集与处理单元有：①动态应变仪；②数字示波器。
数据采集与处理单元主要由两台示波器完成，其中一号示波器记录MLCC的放电电压、放电电流和来自撞击杆的脉冲触发信号，电信号用于评估电容容值的动态变化；二号示波器记录入射杆和透射杆上安装的电阻应变片的应力波信号。
将MLCC的两个端面焊接在易于安装在霍普金森杆的圆形PCB上，打开电路开关后通过PC串口调试助手发送串口指令，FPGA受到指令后控制电容开始充电至规定电压。
实验开始时让撞击杆以一定的初速度撞击入射杆，当撞击杆经过激光测速装置时，逻辑控制模块收到脉冲触发信号；收到脉冲触发信号后，由逻辑控制模块控制电容延迟一定时间后放电。
撞击杆撞击入射杆后，应力波由撞击杆与入射杆的接触面传播到入射杆与试件的 接触面所经历的时间T为入射杆长度除以杆中的波速。由于使用一号示波器记录的数据是 以电容放电时刻为时间零点的，而使用二号示波器记录的数据是以应变片采集到第一道应 力波的时刻为时间零点的，为了使MLCC在冲击开始后放电，即设计电容动态测试系统的延 时时间，分析了整个系统工作的时间线，整理为如图3所示。其中t1为脉冲触发信号，t2为第 一道应力波传播到应变片，t3为应力波作用到MLCC上，t4为MLCC开始放电，t5为MLCC中应力 波结束的时间。由图3可知，若以脉冲触发信号为绝对时间零点，即t1=0，则t2=T/2，t3=T，t5= T+
Figure 285137DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 733436DEST_PATH_IMAGE001
为应力波在MLCC中的持续时间。t4为电容动态测试系统应设置的延时时间， 需使
Figure 700124DEST_PATH_IMAGE002
，即
Figure 226544DEST_PATH_IMAGE003
。
由示波器采集得到电容放电的电压波形图经过数据处理拟合后可以求解得到电容在冲击环境下的容值。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高压多层陶瓷电容在冲击环境下容值的测试系统，其特征在于，包括：
电容充放电模块：用于产生电容电压并进行测量；
逻辑控制模块：用于控制所述电容充放电模块的工作；
冲击测试模块：用于进行电容冲击测试试验；
数据采集模块：用于模拟冲击过程中电容的放电电压和电流。
2.根据权利要求1所述的高压多层陶瓷电容在冲击环境下容值的测试系统，其特征在于，所述电容充放电模块包括栅极驱动器、第一MOSFET、第二MOSFET、直流恒压源、泄放电阻、示波器和待测陶瓷电容，其中，所述栅极驱动器用于控制所述MOSFET的打开与关闭，所述第一MOSFET和所述第二MOSFET用于控制电路的开和断，所述直流恒压源用于提供电压，所述泄放电阻用于进行限流，所述示波器用于采集待测陶瓷电容两端的电压以及放电过程中的电流。
3.根据权利要求2所述的高压多层陶瓷电容在冲击环境下容值的测试系统，其特征在于，通过驱动信号控制所述第一MOSFET、所述第二MOSFET的通断，其中，所述驱动信号为由FPGA控制产生的PWM波，包括高端驱动信号和低端驱动信号，所述第一MOSFET、所述第二MOSFET不同时开启。
4.根据权利要求3所述的高压多层陶瓷电容在冲击环境下容值的测试系统，其特征在于，当所述第一MOSFET开启，所述第二MOSFET关断时，所述直流恒压源向所述待测陶瓷电容充电，通过高压探头测量所述待测陶瓷电容正极电压；当所述第一MOSFET关断，所述第二MOSFET开启时，所述待测陶瓷电容通过所述泄放电阻对地放电，基于所述高压探头测量所述待测陶瓷电容的正极电压，通过电流探头测量放电电流。
5.根据权利要求1所述的高压多层陶瓷电容在冲击环境下容值的测试系统，其特征在于，所述逻辑控制模块包括：
电源单元：用于为所述逻辑控制模块供电；
主控芯片单元：用于控制待测陶瓷电容的充放电，以及与上位机进行通信；
扩展接口单元：用于实现转串口协议，通过串口发送指令控制所述电容充放电模块的工作。
6.根据权利要求5所述的高压多层陶瓷电容在冲击环境下容值的测试系统，其特征在于，所述主控芯片单元包括：
串口接收子单元：用于接收串口指令，生成标志信号，并将指令发送给报文解析子单元；
帧结束判断子单元：用于设置帧结束判定时间；
报文解析子单元：用于将接收的数据中参数设置、放电延时时间和充电使能信号发送给充放电控制子单元，并向回发参数控制子单元发送回发使能信号和回发数据；
回发参数控制子单元：用于接收所述报文解析子单元的回发使能信号，并将数据回发给串口发送子单元；
串口发送子单元：用于将所述回发参数控制子单元发来的数据进行累加和校验后发送给上位机；
按键消抖子单元：用于通过边沿检测对所述系统进行消抖。
7.根据权利要求1所述的高压多层陶瓷电容在冲击环境下容值的测试系统，其特征在于，所述冲击测试模块包括分离式霍普金森杆、测量单元和数据采集与处理单元，其中，所述分离式霍普金森杆用于分析待测陶瓷电容在受到不同冲击荷载下的力学行为特征，所述测量单元用于测量杆件的速度，所述数据采集与处理单元用于采集所述霍普金森杆实验过程中各个杆的速度、应变片的应变，冲击过程中电容的放电电压和电流，并且对采集的数据进行处理得到加速度过载和容值的关系。
8.根据权利要求7所述的高压多层陶瓷电容在冲击环境下容值的测试系统，其特征在于，所述分离式霍普金森杆包括撞击杆、入射杆、透射杆和吸收杆，所述测量单元包括子弹速度测量子单元和动态应变测量子单元，所述数据采集与处理单元包括动态应变仪和数字示波器。
9.根据权利要求1所述的高压多层陶瓷电容在冲击环境下容值的测试系统，其特征在于，所述数据采集模块包括第一示波器和第二示波器，其中，所述第一示波器用于记录待测陶瓷电容的放电电压、放电电流和来自撞击杆的脉冲触发信号，并评估电容容值的动态变化，所述第二示波器用于记录入射杆和透射杆上安装的电阻应变片的应力波信号。
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