CN1737595A

CN1737595A - 纯直流高电场介电常数测量电路

Info

Publication number: CN1737595A
Application number: CN 200510029484
Authority: CN
Inventors: 陈乐生; 裘揆; 陈大跃
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2005-09-08
Filing date: 2005-09-08
Publication date: 2006-02-22
Anticipated expiration: 2025-09-08
Also published as: CN100492036C

Abstract

一种测量技术领域的纯直流高电场介电常数测量电路，包括：高电压激励源、高电压电子开关、被测电容、过压保护电路和测量电路，高电压激励源产生两个幅值相差10V的高压电平；高电压电子开关的一端连接高电压激励源，另一端连接被测电容；高电压电子开关的功能类似于一个单刀双掷开关，将被测电容的一只引脚接到高电压激励源中两个直流高电平中的其中一个；被测电容的另一只引脚连接到测量电路的输入端；过压保护电路设置在测量电路的输入端和地线之间。本发明中的电介质材料处在纯直流高电场强度作用下，并且电场强度可以调节，有助于揭示电介质材料的介电常数和电场强度的关系。

Description

纯直流高电场介电常数测量电路

技术领域

本发明涉及的是一种测量技术领域的电路，具体地是一种纯直流高电场电流变液介电常数测量电路。

背景技术

电流变液是一种智能流体材料。在电场作用下，它可以瞬间由液态转变为类固态；电场撤消以后，它又可以迅速地从类固态恢复到液态。到目前为止，电流变液发生显著流变效应所需的电场强度一般都在2000V/mm以上。介电常数是电流变液研究的重要参数之一。一般通过测量充满电流变液的极板电容的电容量，然后计算得到电流变液的介电常数。测量中，受信号处理电子电路器件耐压的限制，两个极板之间的电压一般小于30V。因为极板的间距往往大于0.5mm，所以电流变液通常处在较低的电场强度下，远低于电流变液发生显著效应所需的电场强度(＞2000V/mm)。电流变液的效应取决于电场强度，电场强度对其介电常数的影响仍有待深入研究，而测量纯直流高电场作用下的电流变液的介电常数的仪器及方法是开展该项研究工作的基本和必备的条件。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利号：01112515.2，发明名称：电容层析成像电容测量系统，该专利采用了一个电荷放大器、两个采样保持器和一个仪用放大器组成的电容测量电路。激励电压在两个电平之间切换导致被测电容上的电荷量的变化和转移，电荷放大器在激励电压变化前后的两个稳态输出电压分别被两个采样保持器所采样并保持。两个采样保持器的输出电压分别输入到仪用放大器的正相和反相输入端，然后仪用放大器输出一个与被测电容量成正比的直流电压值。根据激励电压源的两个电平差值、电荷放大器上反馈电容的电容量和仪用放大器的输出电压值即可计算得到被测电容的电容值。该电路在原理上避免了寄生电容对测量结果的影响。如果将电路中激励源的电压升高，那么有可能损坏电路。首先，一旦被测电容被击穿，那么激励源的电压直接加到电荷放大器的反相输入端，从而损坏电荷放大器。其次，激励源开通时，被测电容两端的电压为零，这时加到电荷放大器的反相输入端的电压等于激励源电压，电荷放大器将会被损坏；激励源关断时，它的输出电压为零，电荷放大器的反相输入端的最大电压等于负的激励源电压，同样会导致电荷放大器被损坏。实际上，由于高电压条件下漏电流的存在，由电流变液作为电介质的电容在高电压条件下表现为阻容特性，可以用一个电阻串联一个电容、同时电容两端再并联一个电阻的电路模型来描述。在实际电容的这种特性下，运放电路将同时起到积分放大的作用，测量电路的功能将无法正常实现。综上所述，该电路不能用来测量在高电场强度条件下电流变液的介电常数。

发明内容

本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种高电场强度介电常数测量电路。使其通过对电容层析成像电容测量系统原有电路的改进，提高激励源电压最大至6000V，两个电平的差值为10V，电介质材料始终处在纯直流偏置的强电场中，从而实现在纯直流高电场条件下测量电介质材料的介电常数。

本发明是通过以下技术方案实现的，包括：高电压激励源、高电压电子开关、被测电容、过压保护电路和测量电路。高电压激励源产生两个幅值相差10V的高压电平；高电压电子开关的一端连接高电压激励源，另一端连接被测电容；被测电容的一只引脚接到高电压激励源中两个直流高电平中的其中一个；被测电容的另一只引脚连接到测量电路的输入端；过压保护电路设置在测量电路的输入端和地线之间。

高电压激励源电路的主体由两只串联的电容组成，每只电容各并联一只泄流电阻，上部的电容再并联一只10V的稳压二极管；下部电容的负极引脚接地，它的耐压大于8000V。高压发生器的输出高压输入到高电压激励源电路中上部电容的正极引脚，由于稳压二极管的稳压作用，在两只电容的连接处产生一个比输入电压低10V的直流高压。高电压电子开关的功能类似于一个单刀双掷开关，在测量电路控制脉冲的作用下，相差10V的两个直流高电平中的其中一个经高电压电子开关输入到被测电容与高电压电子开关输出端相连接的引脚。实际电路中，高电压电子开关由两路半导体开关电路组成，两个输入端分别接到两个直流高电平处，两个电路的输出端相连。在开关控制脉冲的作用下，任何时刻只有一路开关闭合。每一路半导体开关电路的主体由四只耐压为1600V的IGBT开关功率管BUP309和一只耐压为55V的MOSFET开关功率管IRFZ44N串接而成，外围元件有稳压二极管、电阻、脉冲隔离变压器和整流开关二极管等。控制信号通过脉冲隔离变压器控制MOSFET功率管IRFZ44N的通断，从而实现整个开关电路的通断。每一路半导体开关电路能够耐受6000V以上的关断电压，同时脉冲隔离变压器的耐压也超过6000V，从而确保高电压电子开关的隔离以及可靠地关断。被测电容为两个平板和被测电介质材料构成的电容器。过压保护电路由两只反向串联的15V稳压二极管组成，连接测量电路，当反相输入端出现异常高电压时起到过压保护的作用。测量电路由电子开关、电容、一个电荷放大器、两个采样保持器和一个仪用放大器组成。

当连接较高的高电平的电子开关关断，而连接低10V的高电平的电子开关开通时，被测电容两端的电荷量减少，电荷的变化量被测量电路所测量。由于10V电平差值对于激励电压源提供的两个高电平而言可以忽略不计，可以认为被测电介质材料处在纯直流高电场下。高电压激励源电路和高电压电子开关是本发明为适应纯直流高电场条件下电介质材料的介电常数测量的特有设计。高电压电子开关的通断控制产生电平变化，测量电路的控制与“电容层析成像电容测量系统”提出的方法完全相同。

与电容层析成像电容测量系统相比，本发明的优点是：1)被测电介质材料处在纯直流高电场强度作用下，电场强度可以调节。2)由一个高电压激励源通过稳压二极管、电容和电阻产生两个高压电平，电平差值稳定，谐波含量少。3)高电压电子开关可使被测电容的输入电压在两个高压电平之间快速切换，有利于提高测量精度；4)过压保护措施提高了电路的可靠性。

附图说明

图1本发明电路原理框图

图2本发明电路图

图3本发明高电压电子开关的半导体开关电路图

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：高电压激励源、高电压电子开关、被测电容、过压保护电路和测量电路。高电压激励源产生两个幅值相差10V的高压电平。高电压电子开关的一端连接高电压激励源，另一端连接被测电容。高电压电子开关的功能类似于一个单刀双掷开关，将被测电容的一只引脚接到高电压激励源中两个直流高电平中的其中一个。被测电容的另一只引脚连接到测量电路的输入端。过压保护电路设置在测量电路的输入端和地线之间。

所述的高电压激励源，包括：稳压二极管W1、电阻R1和R2、电容C1和C2组成。稳压二极管W1、电阻R1和电容C1并联，稳压二极管W1的雪崩击穿电压10V；电阻R2和电容C2并联；电容C1和电容C2串联；电容C1的正极连接高压电源，电容C2的负极连接信号地；高电压激励源电路可以提供两个相差10V的高压电平。实际上，电容C2由多只电容串接、同时每只电容各并接一只均压电阻构成，总的耐压大于8000V。

所述的过压保护电路，由两只反向串联的15V稳压二极管W2和W3组成，设置在测量电路的输入端和地线之间。

如图2、图3所示，所述的高电压电子开关，包括两路半导体开关S1和S2。S1的输入端连接高电压激励源中两个高电平中较高的一个，S2的输入端连接低10V的另一个高电压电平；S1的输出端和S2的输出端相连，并且连接到被测电容C4的一只引脚。S1和S2具有相同的电路结构和元件，两者均由超快恢复二极管D1～D10、IGBT开关功率管Q1～Q4、MOSFET开关功率管Q5、电阻R3～R17、稳压二极管W4～W8、脉冲隔离变压器T1构成。

IGBT开关功率管Q1的C极是整个高电压开关的输入端，超快恢复二极管D1和D2正向串联，每只二极管的反向耐压为1500V，可以选用C618等型号；超快恢复二极管D1的阴极连接IGBT开关功率管Q1的C极；电阻R4的一只引脚连接IGBT开关功率管Q1的E极，另一只引脚连接超快恢复二极管D2的阳极；稳压二极管W4和电阻R5并联，稳压二极管W4的耐压为15V，它的阳极连接到超快恢复二极管D2的阳极，它的阴极连接到IGBT开关功率管Q1的G极；电阻R3的一只引脚连接IGBT开关功率管Q1的C极，另一只引脚连接IGBT开关功率管Q1的G极。

IGBT开关功率管Q2的C极连接超快恢复二极管D2的阳极，超快恢复二极管D3和D4正向串联，每只二极管的反向耐压为1500V，可以选用C618等型号；超快恢复二极管D3的阴极连接IGBT开关功率管Q2的C极；电阻R7的一只引脚连接IGBT开关功率管Q2的E极，另一只引脚连接超快恢复二极管D4的阳极；稳压二极管W5和电阻R8并联，稳压二极管W5的耐压为15V，它的阳极连接到超快恢复二极管D4的阳极，它的阴极连接到IGBT开关功率管Q2的G极；电阻R6的一只引脚连接IGBT开关功率管Q2的C极，另一只引脚连接IGBT开关功率管Q2的G极。

IGBT开关功率管Q3的C极连接超快恢复二极管D4的阳极，超快恢复二极管D5和D6正向串联，每只二极管的反向耐压为1500V，可以选用C618等型号；超快恢复二极管D5的阴极连接IGBT开关功率管Q3的C极；电阻R10的一只引脚连接IGBT开关功率管Q3的E极，另一只引脚连接超快恢复二极管D6的阳极；稳压二极管W6和电阻R11并联，稳压二极管W6的耐压为15V，它的阳极连接到超快恢复二极管D6的阳极，它的阴极连接到IGBT开关功率管Q3的G极；电阻R9的一只引脚连接IGBT开关功率管Q3的C极，另一只引脚连接IGBT开关功率管Q3的G极。

IGBT开关功率管Q4的C极连接超快恢复二极管D6的阳极，超快恢复二极管D7和D8正向串联，每只二极管的反向耐压为1500V，可以选用C618等型号；超快恢复二极管D7的阴极连接IGBT开关功率管Q4的C极；电阻R13的一只引脚连接IGBT开关功率管Q4的E极，另一只引脚连接超快恢复二极管D8的阳极；稳压二极管W7和电阻R14并联，稳压二极管W7的耐压为15V，它的阳极连接到超快恢复二极管D8的阳极，它的阴极连接到IGBT开关功率管Q4的G极；电阻R12的一只引脚连接IGBT开关功率管Q4的C极，另一只引脚连接IGBT开关功率管Q4的G极。

MOSFET开关功率管Q5的D极连接超快恢复二极管D8的阳极，超快恢复二极管D9是MOSFET开关功率管Q5的体内寄生二极管，它的阴极连接MOSFET开关功率管Q5的D极，它的阳极连接MOSFET开关功率管Q5的S极；电阻R15的一只引脚连接MOSFET开关功率管Q5的S极，另一只引脚连接高电压电子开关的输出端；电阻R16的一只引脚连接MOSFET开关功率管Q5的G极，另一只引脚连接高电压电子开关的输出端；稳压二极管W8的阳极连接到高电压电子开关的输出端，稳压二极管W8的阴极连接IGBT开关功率管Q4的G极；电阻R16的一只引脚连接MOSFET开关功率管Q5的G极，另一只引脚连接超快恢复二极管D8的阴极；电阻R17的一只引脚连接MOSFET开关功率管Q5的G极，另一只引脚连接超快恢复二极管D10的阴极；超快恢复二极管D10的阳极连接脉冲隔离变压器T1的副边两个引脚中的其中一个，脉冲隔离变压器T1的副边的另一个引脚连接高电压电子开关的输出端；脉冲隔离变压器T1的原边的两个引脚接开关的通断控制信号。

所述的被测电容，是以电介质材料为电介质的电容C4，被测电容C4的一只引脚连接高电压电子开关的输出端，而被测电容C4的另外一只引脚连接测量电路的输入端；电容C3是被测电容C4通往高电压开关的引线的对地电容，C5是被测电容C4通往测量电路中运算放大器A1反相输入端引线的对地电容。

所述的测量电路，由电子开关S3、S4和S5，电容C6、C7和C8，运算放大器A1和A2，采样保持器B1和B2组成。运算放大器A1是高输入阻抗的运算放大器，如TL081等；稳压二极管W2和W3反向串联，雪崩击穿电压为15V，稳压二极管W2的另一只引脚连接到运算放大器A1的反相输入端，稳压二极管W3的另一只引脚接地；电容C6和电子开关S3并联，电容C6的一只引脚连接到运算放大器A1的反相输入端，电容C6的另一只引脚连接到运算放大器A1的输出端；电子开关S4的一只引脚连接运算放大器A1的输出端，电子开关S4的另一只引脚连接到采样保持器B1的输入端；电子开关S5的一只引脚连接运算放大器A1的输出端，电子开关S5的另一只引脚连接到采样保持器B2的输入端；缓冲电容C7的一只引脚连接到采样保持器B1的输入端，电容C7的另一只引脚接地，电容C8的一只引脚连接到采样保持器B2的输入端，电容C8的另一只引脚接地；采样保持器B1的输出端连接仪用运算放大器A2的反相输入端，采样保持器B2的输出端连接仪用运算放大器A2的正相输入端，A2可以选用AD620仪用运算放大器。

Claims

1、一种纯直流高电场介电常数测量电路，包括：测量电路，其特征在于，还包括：高电压激励源、高电压电子开关、被测电容、过压保护电路，高电压激励源产生两个幅值相差10V的高压电平；高电压电子开关的一端连接高电压激励源，另一端连接被测电容；高电压电子开关的功能类似于一个单刀双掷开关，将被测电容的一只引脚接到高电压激励源中两个直流高电平中的其中一个；被测电容的另一只引脚连接到测量电路的输入端；过压保护电路设置在测量电路的输入端和地线之间。

2、根据权利要求1所述的纯直流高电场介电常数测量电路，其特征是，所述的高电压激励源，包括：稳压二极管W1、电阻R1和R2、电容C1和C2组成，稳压二极管W1、电阻R1和电容C1并联，稳压二极管W1的雪崩击穿电压10V；电阻R2和电容C2并联，电容C1和电容C2串联；电容C1的正极连接高压电源，电容C2的负极连接信号地；电容C2由多只电容串接、同时每只电容并接一只均压电阻构成，总的耐压大于8000V。

3、根据权利要求1所述的纯直流高电场介电常数测量电路，其特征是，所述的被测电容，是以两个极板和被测电介质材料构成的电容C4，电容C3是被测电容C4通往高电压开关的引线的对地电容，C5是被测电容C4通往测量电路中的对地电容。

4、根据权利要求1所述的纯直流高电场介电常数测量电路，其特征是，所述的过压保护电路，由两只反向串联的15V稳压二极管W2和W3组成，设置在测量电路的输入端和地线之间。

5、根据权利要求1所述的纯直流高电场介电常数测量电路，其特征是，所述的高电压电子开关，包括两路半导体开关S1和S2，S1的输入端连接高电压激励源中两个高电平中较高的一个，S2的输入端连接低10V的另一个高电压电平；S1的输出端和S2的输出端相连，并且连接到被测电容C4的一只引脚。S1和S2具有相同的电路结构和元件，两者均由超快恢复二极管D1～D10、IGBT开关功率管Q1～Q4、MOSFET开关功率管Q5、电阻R3～R17、稳压二极管W4～W8、脉冲隔离变压器T1构成。

6、根据权利要求1或者5所述的纯直流高电场介电常数测量电路，其特征是，所述的半导体开关S1和S2中，IGBT开关功率管Q1的C极是整个高电压开关的输入端，超快恢复二极管D1和D2正向串联，每只二极管的反向耐压为1500V；超快恢复二极管D1的阴极连接IGBT开关功率管Q1的C极；电阻R4的一只引脚连接IGBT开关功率管Q1的E极，另一只引脚连接超快恢复二极管D2的阳极；稳压二极管W4和电阻R5并联，稳压二极管W4的耐压为15V，它的阳极连接到超快恢复二极管D2的阳极，它的阴极连接到IGBT开关功率管Q1的G极；电阻R3的一只引脚连接IGBT开关功率管Q1的C极，另一只引脚连接IGBT开关功率管Q1的G极。

7、根据权利要求1或者5所述的纯直流高电场介电常数测量电路，其特征是，所述的半导体开关S1和S2中，IGBT开关功率管Q2的C极连接超快恢复二极管D2的阳极，超快恢复二极管D3和D4正向串联，每只二极管的反向耐压为1500V；超快恢复二极管D3的阴极连接IGBT开关功率管Q2的C极；电阻R7的一只引脚连接IGBT开关功率管Q2的E极，另一只引脚连接超快恢复二极管D4的阳极；稳压二极管W5和电阻R8并联，稳压二极管W5的耐压为15V，它的阳极连接到超快恢复二极管D4的阳极，它的阴极连接到IGBT开关功率管Q2的G极；电阻R6的一只引脚连接IGBT开关功率管Q2的C极，另一只引脚连接IGBT开关功率管Q2的G极。

8、根据权利要求1或者5所述的纯直流高电场介电常数测量电路，其特征是，所述的半导体开关S1和S2中，IGBT开关功率管Q3的C极连接超快恢复二极管D4的阳极，超快恢复二极管D5和D6正向串联，每只二极管的反向耐压为1500V；超快恢复二极管D5的阴极连接IGBT开关功率管Q3的C极；电阻R10的一只引脚连接IGBT开关功率管Q3的E极，另一只引脚连接超快恢复二极管D6的阳极；稳压二极管W6和电阻R11并联，稳压二极管W6的耐压为15V，它的阳极连接到超快恢复二极管D6的阳极，它的阴极连接到IGBT开关功率管Q3的G极；电阻R9的一只引脚连接IGBT开关功率管Q3的C极，另一只引脚连接IGBT开关功率管Q3的G极。

9、根据权利要求1或者5所述的纯直流高电场介电常数测量电路，其特征是，所述的半导体开关S1和S2中，IGBT开关功率管Q4的C极连接超快恢复二极管D6的阳极，超快恢复二极管D7和D8正向串联，每只二极管的反向耐压为1500V；超快恢复二极管D7的阴极连接IGBT开关功率管Q4的C极；电阻R13的一只引脚连接IGBT开关功率管Q4的E极，另一只引脚连接超快恢复二极管D8的阳极；稳压二极管W7和电阻R14并联，稳压二极管W7的耐压为15V，它的阳极连接到超快恢复二极管D8的阳极，它的阴极连接到IGBT开关功率管Q4的G极；电阻R12的一只引脚连接IGBT开关功率管Q4的C极，另一只引脚连接IGBT开关功率管Q4的G极。

10、根据权利要求1或者5所述的纯直流高电场介电常数测量电路，其特征是，所述的半导体开关S1和S2中，MOSFET开关功率管Q5的D极连接超快恢复二极管D8的阳极，超快恢复二极管D9是MOSFET开关功率管Q5的体内寄生二极管，它的阴极连接MOSFET开关功率管Q5的D极，它的阳极连接MOSFET开关功率管Q5的S极；电阻R15的一只引脚连接MOSFET开关功率管Q5的S极，另一只引脚连接高电压电子开关的输出端；电阻R16的一只引脚连接MOSFET开关功率管Q5的G极，另一只引脚连接高电压电子开关的输出端；稳压二极管W8的阳极连接到高电压电子开关的输出端，稳压二极管W8的阴极连接IGBT开关功率管Q4的G极；电阻R16的一只引脚连接MOSFET开关功率管Q5的G极，另一只引脚连接超快恢复二极管D8的阴极；电阻R17的一只引脚连接MOSFET开关功率管Q5的G极，另一只引脚连接超快恢复二极管D10的阴极；超快恢复二极管D10的阳极连接脉冲隔离变压器T1的副边两个引脚中的其中一个，脉冲隔离变压器T1的副边的另一个引脚连接高电压电子开关的输出端；脉冲隔离变压器T1的原边的两个引脚接开关的通断控制信号。