[发明专利]多量程电容测量电路、装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及电容测量技术领域，具体而言，涉及一种多量程电容测量电路、装置及方法。

背景技术

随着超精密制造及精密仪器和现代工业信息技术的发展，在测量领域中，电容效应是一个基本的测量对象。通过极板电容器的电容量测量可以获得极板间电介质材料的介电常数、极板间距等重要参数，在化工、农业、材料、机械、过程控制以及管道检测等领域有着广泛的应用。目前常用的电容测量仪器，大多是模拟电路，如电桥电路等，其测量方法主要是通过电感耦合交流电桥、双T网络等，其能实现较为精密的电容测量，但是交流电桥测量时，待测电容与标准电容间容值相差较大时，会造成一定的非线性，导致电容测量误差增大，因此，其无法满足大量程范围的电容测量需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多量程电容测量电路、装置及方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多量程电容测量电路，包括方波产生电路、波形整形电路、单片机最小系统及显示器，所述方波产生电路包括NE555芯片、电阻网络和参考电容，所述单片机最小系统包括电性连接的单片机、时钟电路、复位电路和扩展按键，所述电阻网络包括电阻矩阵及与所述电阻矩阵连接的第一多路开关，所述电阻矩阵包括多个阻值不同的电阻，所述第一多路开关包括多个与所述电阻一一连接的第一开关及控制多个所述第一开关的第一控制芯片，多个所述电阻并联；

待测电容的一端与所述NE555芯片的2引脚和6引脚连接、另一端接地，所述电阻网络的一端与所述NE555芯片的2引脚和6引脚连接、另一端与电源连接，所述第一多路开关的第一控制芯片与所述单片机连接，所述参考电容的一端与所述NE555芯片的5引脚连接、另一端接地，所述NE555芯片的8引脚和4引脚与所述电源连接，所述NE555芯片的3引脚与所述波形整形电路连接，所述单片机最小系统与所述波形整形电路和所述显示器分别连接；

所述单片机控制所述第一控制芯片选择闭合不同的所述第一开关，继而改变所述电阻矩阵接入的电阻，从而调整所述多量程电容测量电路的量程。

可选地，所述方波产生电路还包括误差补偿模块，所误差补偿模块包括电容矩阵及与所述电容矩阵连接的第二多路开关，所述电容矩阵包括多个电容值不同的标准电容，所述第二多路开关包括多个与所述标准电容一一对应的第二开关及控制多个所述第二开关的第二控制芯片，多个所述标准电容并联；

所误差补偿模块一端与所述NE555芯片的2引脚和6引脚连接、另一端接地，所述第二多路开关的第二控制芯片与所述单片机连接；

所述单片机预存有与多个所述标准电容一一对应的理论脉冲频率，所述单片机控制所述第二控制芯片选择闭合不同的所述第二开关，继而改变所述电容矩阵接入的标准电容，获得多个实际脉冲频率，根据实际脉冲频率与所述理论脉冲频率的函数关系进行误差补偿。

可选地，所述第一多路开关和所述第二多路开关为单8通道数字控制模拟电子开关CD4051。

可选地，所述方波产生电路的输出频率范围为500Hz到50KHz之间。

可选地，所述电阻矩阵包括八个所述电阻，其中，六个所述电阻的阻值分别为14Ω、140Ω、1.4KΩ、14KΩ、140KΩ和1.4MΩ。

可选地，所述电容矩阵包括八个电容值不同的标准电容，八个所述标准电容的电容值分别为20pF、100pF、500pF、5nF、50nF、500nF、5uF和50uF。

一种多量程电容测量方法，应用于上述的多量程电容测量装置，所述单片机预存有各个所述电阻对应的电容测量量程，所述方法包括：

所述单片机控制所述第一控制芯片选择闭合一所述第一开关，将所述第一开关对应的电阻接入所述方波产生电路；

所述方波产生电路产生方波并发送至所述波形整形电路；

所述波形整形电路对所述方波进行整形，并将整形后的方波发送至所述单片机；

所述单片机接收所述波形整形电路发送的方波，进行上升沿捕捉计数，并初步计算所述待测电容的电容值；

所述单片机判断计算的待测电容的电容值是否在接入的电阻对应的电容测量量程内；

若不在电容测量量程内，则所述单片机将另一电阻接入所述方波产生电路，重新测量，直到计算的待测电容的电容值在接入的电阻对应的电容测量量程内，将该计算的待测电容的电容值确定为所述待测电容的电容值；