[其他]电容测量电路

说明书

本发明涉及一种由转接装置组成的电容测量电路。该转接装置以预定的转接频率交替地周期性地把被测量电容连接到一恒定电压上以充电，再连接到存储电容器上以放电。存储电容器的容量比被测电容器的容量大，通过控制放电电流使它的端电压大体保持在一恒定的参考电压上，放电电流的大小与被测量的电容成正比并代表了电容的测量值。

大家都知道，这类电容测量电路来自于DE-OS3，143，114，是利用“开关电容器”的原理工作的。电容量的测量是以被测电容器的平均放电电流的测量为基础的，它是利用周期性地交替地给被测电容器充电到恒定电压，并且再放电来实现。一般说来，平均放电电流通过电流电压转换器转换成与被测量电容量成正比例的电压。通过使用以同样的原理工作的两个电路支路，非常有可能以很高的灵敏度和准确性去测量两个被测电容的容量差，即使当电容容量差与被测量电容相比是很小的时候也是如此。

另一方面，在电容测量电路或电容性传感器中，例如在美国专利第3，781，672号和德国专利（Auslegeschrift）^＊2，744，785号中所述的“有源屏蔽”的原理是众所周知的，即与被测量电容或者传感器电容相关的屏蔽罩的电位连续不断地跟随着被屏蔽电极的电位而变化。这就有可能消除杂散电容和干扰电场对被测电容或传感器电容的影响。例如，屏蔽可以是围绕着测量或传感器电极的屏蔽电极，也可以是被测或传感器电容到电容测量电路间连接的电缆的屏蔽。按照现有技术，通过对被屏蔽电极的电位的采样，并经过一阻抗转换器加到屏蔽罩上的方法，有源屏蔽是有效的。这种解决办法是很复杂的，因为需要一个运算放大器作为阻抗转换器，在速度和输入电容方面它必须满足很高的要求。

本发明要解决的问题是要在开头所述的这类电容测量电路中，用很简单和有效的方法得到有源屏蔽。

为了解决这个问题，本发明相应的电容测量电路包含有另一个转接装置，该装置以同样的转接频率周期性地、交替地把与被测电容相关的屏蔽罩连接到两种电位上，它们大体上分别对应于恒定电压和参考电位。

本发明相应的电容测量电路利用这样一个事实：被屏蔽电极的电位假设只有两个可能的值，即或者是参考电位，或者是被测电容所充到的恒定电压的电位。由于这个原因，被屏蔽电位的采样和反馈可以省去。因此取而代之的是把两种电位的值以同样的转接频率简单地交替地加到屏蔽罩上。为了实现这一点，所需要的一切就是一个简单类型的另一个转接装置。这里发现一个特别的优点，就是对于另一个转接装置的激励和响应速率而言，没有很窄的时间容限。因为由于开关电容器的原理，在被屏蔽的电极为一方，屏蔽罩为另一方之间的电位变化，既使有相当可观的时间移动，如果注意到某些容易满足的条件，也不会导致测量误差。

本发明的更多的特点和优点也是很明显的，从如下附图所示的实施方案实例说明中可以看出。其中：

图1    给出了本发明相应的电容测量电路实施方案的基本电路图，

图2    给出了解释图1的电容测量电路工作方式的时间图，

图3    给出了本发明相应的另一个电容测量电路实施方案的基本电路图，和

图4    给出了解释图3的电容测量电路工作方式的时间图。

图1所示的电容测量电路10，利用已知的DE-OS3，143，114中，“开关电容”的原理。提供一个与测试电容器11的容量CM成正比的输出信号。测试电容器11可以被放置于与电容测量电路10相对远的距离，并且通过屏蔽电缆12连接到电容测量电路上。屏蔽电缆12包含有被屏蔽的内部导体13和电缆屏蔽网14。如果在测试电容11的地方存在屏蔽电极15的话，那么该电极就与电缆屏蔽网14相连。

电容测量电路10包含有转接开关16，它处于如图1所示的一个位置上，该开关通过电缆12的内部导体13把测试电容11连接到端点17上，该点相对于大地带有正的直流电压+V，该直流电压是（比方说）电路的工作电压。开关16在另一个位置上，连接测试电容器11到存储电容器18上，存储电容C_O比被测电容C_M大得多。运算放大器20的反相输入端也连到开关16和存储电容18的互连端子上。运算放大器的同相输入端连接到地，输出端和反相输入端之间的反馈电路包含有电阻21。

转接开关16由控制信号A驱动，该信号是由控制电路22的输出端送来的。控制电路22在第二个输出端还提供了控制信号B，该信号驱动转接开关23，此开关在一个位置上把电缆12的电缆屏蔽网14连接到端点17的电压+U上，而在另一个位置上连接到地。