[发明专利]一种微小电容信号的测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种微小电容信号的测量装置及方法，装置包括电容传感器、双芯屏蔽线、电容‑数字转换电路和采集电路。方法包括：电容‑数字转换电路通过双芯屏蔽线的第一线芯测量出电容传感器的第一电容信号；电容‑数字转换电路通过双芯屏蔽线的第二线芯测量出第二电容信号，所述第二线芯悬空；采集电路根据测量出的第一电容信号和第二电容信号得到电容传感器的电容值。本发明增设了双芯屏蔽线来进行电容测量，通过第一线芯与电容传感器相连以及第二线芯悬空的方式，使得本发明在对有一极接地的电容传感器进行测量时，能消除连接电缆以及PCB寄生电容所带来的测量误差，保证了测量的精度和稳定性。本发明可广泛应用于测量技术领域。

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其是一种微小电容信号的测量装置及方法。

背景技术

现代工业的发展，对工况参数的实时监测已显得越来越重要了。在各类用于工况参数监测的传感器系统中，电容传感器测量系统是用得最普遍的一种，在工业现场它作为流量、压力、位移、液位、速度、加速度等物理量的测量元件，应用已非常广泛。

电容传感器测量系统，一般包括电容传感器和电容值测量单元。其中，电容传感器的测量结构主要包括2种：一种是传感器两电极间构成电容器(模式1)，如图1所示；另一种是传感器电极与接地的电极板之间构成电容器(模式2)。图1和图2中，1为传感器电极，2为测量目标，3为接地电极，当测量目标2置于两电极之间时，测量目标2作为介质取代空气介质引起电容值升高，而测量目标2的材料状态、厚度、温度等因素将会影响电容值的变化，这样就可通过电容值的变化来得到实时的工况参数。因此，将图1或图2的结构应用在模具中则可以通过实时监测电容值而监测实时的过程信息。

电容值测量单元的作用是测量电容传感器的电容值。电容值测量单元的一种具体实现结构如图3所示。图3中，电容测量单元主要由电容-数字转换器和采集电路这两部分组成，其中电容-数字转换器可以分别测量待测电容传感器和基准电容器的放电参数，进而分别得出待测电容传感器和基准电容器的比值。以德国acam公司的8通道电容-数字转换测量芯片PCap01为例，其测量结构如图4所示，C_REF为基准电容器通道的电容，C₁～C₇为7个待测电容传感器通道的电容。

采用电容-数字转换器分别对待测电容传感器以及基准电容器进行测量，并计算输出其放电时间的比值(其中τ_N为待测电容传感器的放电参数、τ_ref为基准电容器的放电参数)，这个放电时间的比值和待测电容传感器电容值C_N与基准电容器电容值C_ref的比值成比例关系，具体关系如下：

基准电容器为高精度和高温度稳定性的陶瓷电容，所以在基准电容器电容值已知的前提下，可以通过数值换算直接计算出待测电容传感器的电容值。

而采集电路单元则对上述电容-数字转换电路输出的放电时间的比值进行采集，进而计算出待测电容传感器对应的电容值并反馈给控制系统。

电容传感器系统在测量过程中的电容变化包括三个方面：电容传感器本身的变化、连接电容传感器的线材引入的误差、电路内部寄生电容引入的误差。电容传感器本身的变化是测量所需要的，而线材以及电路内部寄生电容所引起的变化是测量应该避免的。