[发明专利]一种基于静电自激振动原理的电容测量方法

说明书

本发明公开了一种基于静电自激振动原理的电容测量方法，包括高压直流电源、相对平行布置的正负电极板、导电微梁、绝缘支撑、采样电阻、待测电容、信号采集器。导电微梁固定于绝缘支撑并置于正负电极板中间，正负电极板分别与高压直流电源正负极相连，采样电阻一侧与负电极板连接、另一侧接地，待测电容连接于导电微梁根部和电源负极之间。当高压直流电施加于正负电极板时，导电微梁在电极板中间激发自激振动，信号采集器测量电阻两端产生脉冲电压，脉冲电压幅值与待测电容大小成线性关系，通过采集分析脉冲电压幅值即可计算得到待测电容的大小。本发明提出的电容测试方法原理简单、测量精度高，适用于pF量级微小电容值的测量。

技术领域

本发明涉及电容测量技术领域，具体是一种基于静电场中微梁自激振动原理的高精度电容测量方法。

背景技术

电容式传感器是一种将被测物理量转化为电容变化的传感元件，因其结构简单、动态响应好、温度稳定性高、精度高等优点，广泛应用于位移、角度、振动、速度、压力、成分分析、介质特性等高精度测量场合。

电容变化量的测量是决定电容式传感器测量精度的关键因素。电容式传感器工作过程中，待测物理量的变化引起传感元件电容量的变化，并通过测量电路将电容量的变化转化为电信号输出，测量电信号的大小，从而判断待测物理量的大小。因此，电容传感器对电容量变化的测量越精准，待测物理量的测量精度就越高。实际测量过程中，电容量的变化量往往在皮法量级，这对微小电容测量的精准度提出了很高的要求。因此，设计简单、精准、可靠的微小电容测量方法对电容式传感器性能的提升具有重要意义。

目前，常见的微小电容测量方法主要有谐振法、运算法和电桥法等。其中，谐振法是将电容转化为电路振荡频率进行测量的方法，具有便于信号输出与数字化的优点，但容易受杂散电容的影响，且输出非线性较大；运算法将电容接入运算放大器电路中，反馈系数可以反映被测电容和参考电容的比值，这种方法的特点是能减小检测电路的非线性，但对参考电容的特效要求十分严格，输出稳定性受限制；电桥法是将电容接入电桥中，将电容变化量转化为电压值变化的方法，其测量的精准度较高，缺点是抗杂散能力差，难以克服温度漂移的问题。上述测量方法都是通过电子电路元件实现对微小电容量的测量，其输出的电信号幅值和变换率较低，从而限制了电容测量的精度。

针对现有电容测量方法输出电信号分辨率低的技术问题，本发明提出了一种机械式、基于静电自激振动原理的微小电容测量方法，该方法利用微梁在静电场中的自激振动原理，将电容量的测量转化为输出脉冲电压幅值的变化，脉冲电压幅值为数百伏量级，相比采用纯电子电路元件大大提升了输出电信号的分辨率。

发明内容

针对现有电容测量技术中电路调试复杂、测量分辨率不高的问题，本发明提供了一种基于静电自激振动原理的电容测量方法，相比采用纯电子电路元件大大提升了输出电信号的分辨率。

本发明公开的基于静电自激振动原理的电容测试方法，其特征在于，包括：高压直流电源、正电极板、负电极板、导电微梁、绝缘支撑、待测电容、采样电阻、信号采集器。

所述高压直流电源正极与正电极板连接，负极接地。

所述导电微梁固定在绝缘支撑上，并放置于正电极板和负电极板中间。

所述的待测电容一端与导电微梁连接，另一端接地。

所述的采样电阻一侧与负电极板连接，一侧接地。

所述的信号采集器并联在采样电阻两端，用于测量采样电阻两端的电压。

工作时，高压直流电源对正、负电极板施加高压直流电，导电微梁在静电场的作用下激发稳定的自激振动并与正、负电极板交替碰撞，当导电微梁碰撞正电极板时，待测电容充电，当导电微梁碰撞负电极时，待测电容放电，如此周期性的充、放电过程在采样电阻两端形成周期性脉冲电压。待测电容越大，脉冲电压幅值越大，待测电容大小和脉冲电压主波峰成线性关系，因此通过测量采样电阻两端的脉冲电压幅值，即可计算得到待测电容的大小。