[發明專利]基于弱耦合微機械諧振器的高靈敏度電壓測量裝置及測量方法

有效

• 申請號: 201910144732.0
• 申請日: 2019-02-27
• 公開（公告）號: CN109828141B
• 公開（公告）日: 2021-02-02
• 發明（設計）人: 常洪龍;梁家駒;嚴子木;康昊;郝永存
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01R19/00
• 分類號: G01R19/00
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 呂湘連

本發明公開了一種高靈敏度電壓測量方法及裝置，屬于電子測量儀器領域。包括了電壓測量芯片及信號處理電路，電壓測量芯片包括了不低于兩個，通過機械耦合梁或者靜電耦合連接在一起的弱耦合諧振器、電壓輸入電極、檢測電極和驅動電極。電壓信號的輸入將改變電壓輸入電極與諧振器形成的靜電負剛度，從而改變弱耦合諧振器系統的總剛度，諧振器系統剛度的變化會使得諧振器能量分布出現急劇失衡，作為輸出的兩個諧振器的幅值比會劇烈變化，因此，以兩諧振器幅值比作為輸出可實現超高靈敏的電壓測量；輸出的兩個諧振器都設計有兩組檢測電極，可實現對于單諧振器的振幅實現差分檢測，不僅可以增強信號的強度還消除由驅動電極與檢測電極之間存在的電勢差引起的饋通電容信號干擾，可以大幅提升測量信號的穩定性與準確度。基于諧振式電壓計的測量方法可實時對待測電壓信號進行連續測量并且具有較強的抗干擾能力，彌補了數字電壓表顯示不連續、抗干擾能力差的缺點。

所屬領域：

本發明涉及了一種高靈敏度電壓測量方法及裝置，屬于電子測量儀器領域。

背景技術：

電壓的測試在工業生產、科學研究等眾多領域都有廣泛的應用，并且人們對電壓測量的精度要求也越來越高，作為常用的電壓測量儀器，電壓表的測量精度、響應速度以及穩定性等參數也影響著其實際使用效果。

傳統的指針式電壓表是根據電流的磁效應測量電壓大小，流過導線線圈的電流越大，產生的磁力也就使得指針的偏轉越大。但是電壓表的表頭可以通過的電流很小，允許在兩端加載的電壓也很小，需要給表頭并聯一個大電阻，做成電壓表。理想情況下電壓表在電路中被視為斷路，但是實際上的測量精確與內阻大小有直接關系。

數字電壓表通過模/數轉換將測量電壓值轉換成數字，避免讀數時的視覺誤差，取得了比傳統指針式電壓表更為廣泛的應用。但目前的數字電壓需要專用的A/D轉換器進行模擬信號的采樣，轉換器本身的精度也在很大程度上限制了數字電壓表的精度，且精度和速度在一定程度上呈反比。同時，需要搭配專門的譯碼以及鎖存電路將模擬信號轉換成數字信號，使得系統的外部設置和電路設計較為復雜。綜上，數字電壓表存在抗干擾能力差、顯示不連續、轉換和控制部分難以控制、精度受限等缺點。

本發明提出基于多個串聯的弱耦合諧振器，其基于電荷量的計量，來測量電壓。基于弱耦合諧振器的電荷分辨率與電壓分辨率有如下關系

其中，R_v為電壓分辨率，R_e為電荷分辨率，C電壓測量芯片的敏感電容。基于弱耦合諧振器的電荷分辨率可達到單個電子級別，因此，基于弱耦合諧振器的電壓分辨率可達到高靈敏度。與數字電壓表相比，該發法可實時對待測電壓信號進行連續測量并且具有較強的抗干擾能力。

發明內容：

本發明的目的是：基于電荷計量，提供一種高靈敏度電壓測量裝置和測量方法，可實現高靈敏度微弱電壓信號的測量。