[發明專利]一種基于靜電自激振動原理的電容測量方法

有效

• 申請號: 202110293338.0
• 申請日: 2021-03-19
• 公開（公告）號: CN113092871B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發明（設計）人: 劉志偉;閆曉軍;劉馨怡;漆明凈;竹陽升
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01R27/26
• 分類號: G01R27/26
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于靜電自激振動原理的電容測量方法，包括高壓直流電源、相對平行布置的正負電極板、導電微梁、絕緣支撐、采樣電阻、待測電容、信號采集器。導電微梁固定于絕緣支撐并置于正負電極板中間，正負電極板分別與高壓直流電源正負極相連，采樣電阻一側與負電極板連接、另一側接地，待測電容連接于導電微梁根部和電源負極之間。當高壓直流電施加于正負電極板時，導電微梁在電極板中間激發自激振動，信號采集器測量電阻兩端產生脈沖電壓，脈沖電壓幅值與待測電容大小成線性關系，通過采集分析脈沖電壓幅值即可計算得到待測電容的大小。本發明提出的電容測試方法原理簡單、測量精度高，適用于pF量級微小電容值的測量。

技術領域

本發明涉及電容測量技術領域，具體是一種基于靜電場中微梁自激振動原理的高精度電容測量方法。

背景技術

電容式傳感器是一種將被測物理量轉化為電容變化的傳感元件，因其結構簡單、動態響應好、溫度穩定性高、精度高等優點，廣泛應用于位移、角度、振動、速度、壓力、成分分析、介質特性等高精度測量場合。

電容變化量的測量是決定電容式傳感器測量精度的關鍵因素。電容式傳感器工作過程中，待測物理量的變化引起傳感元件電容量的變化，并通過測量電路將電容量的變化轉化為電信號輸出，測量電信號的大小，從而判斷待測物理量的大小。因此，電容傳感器對電容量變化的測量越精準，待測物理量的測量精度就越高。實際測量過程中，電容量的變化量往往在皮法量級，這對微小電容測量的精準度提出了很高的要求。因此，設計簡單、精準、可靠的微小電容測量方法對電容式傳感器性能的提升具有重要意義。

目前，常見的微小電容測量方法主要有諧振法、運算法和電橋法等。其中，諧振法是將電容轉化為電路振蕩頻率進行測量的方法，具有便于信號輸出與數字化的優點，但容易受雜散電容的影響，且輸出非線性較大；運算法將電容接入運算放大器電路中，反饋系數可以反映被測電容和參考電容的比值，這種方法的特點是能減小檢測電路的非線性，但對參考電容的特效要求十分嚴格，輸出穩定性受限制；電橋法是將電容接入電橋中，將電容變化量轉化為電壓值變化的方法，其測量的精準度較高，缺點是抗雜散能力差，難以克服溫度漂移的問題。上述測量方法都是通過電子電路元件實現對微小電容量的測量，其輸出的電信號幅值和變換率較低，從而限制了電容測量的精度。

針對現有電容測量方法輸出電信號分辨率低的技術問題，本發明提出了一種機械式、基于靜電自激振動原理的微小電容測量方法，該方法利用微梁在靜電場中的自激振動原理，將電容量的測量轉化為輸出脈沖電壓幅值的變化，脈沖電壓幅值為數百伏量級，相比采用純電子電路元件大大提升了輸出電信號的分辨率。

發明內容

針對現有電容測量技術中電路調試復雜、測量分辨率不高的問題，本發明提供了一種基于靜電自激振動原理的電容測量方法，相比采用純電子電路元件大大提升了輸出電信號的分辨率。

本發明公開的基于靜電自激振動原理的電容測試方法，其特征在于，包括：高壓直流電源、正電極板、負電極板、導電微梁、絕緣支撐、待測電容、采樣電阻、信號采集器。

所述高壓直流電源正極與正電極板連接，負極接地。

所述導電微梁固定在絕緣支撐上，并放置于正電極板和負電極板中間。

所述的待測電容一端與導電微梁連接，另一端接地。

所述的采樣電阻一側與負電極板連接，一側接地。

所述的信號采集器并聯在采樣電阻兩端，用于測量采樣電阻兩端的電壓。

工作時，高壓直流電源對正、負電極板施加高壓直流電，導電微梁在靜電場的作用下激發穩定的自激振動并與正、負電極板交替碰撞，當導電微梁碰撞正電極板時，待測電容充電，當導電微梁碰撞負電極時，待測電容放電，如此周期性的充、放電過程在采樣電阻兩端形成周期性脈沖電壓。待測電容越大，脈沖電壓幅值越大，待測電容大小和脈沖電壓主波峰成線性關系，因此通過測量采樣電阻兩端的脈沖電壓幅值，即可計算得到待測電容的大小。