瞬变小电容测量仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开的瞬变小电容测量仪属于电容检测【技术领域】，该测量仪包括壳体与测量电路及软件系统，测量电路由光电源电路、瞬变小电容测量电路、数据采集存储电路组成，光电源电路是个采用光作电源的自发电、自供电、自动控制测量的光电源电路，瞬变小电容测量电路是一个精密比较测量电路，数据采集存储电路是个精密数据采集存储电路，测量仪优点有：采用光电触发控制充电、放电，只需要标准电容和待测电容进行一次充放电，就可完成微小电容的测量，电路设计先进，逻辑关系简单，响应速度快，操作简便，仪器体积�。痉⒚鞯乃脖湫〉缛莶庀攘恳侵档貌捎煤屯乒恪�
【专利说明】瞬变小电容测量仪
【技术领域】
[0001] 本发明公开的瞬变小电容测量仪属电容测试【技术领域】，具体涉及的是一种测量瞬 变小电容的仪器。
【背景技术】
[0002] 在传统的微小电容测试【技术领域】中，大部分测量方法集成化水平低，电路设计复 杂，体积大，精度差。如谐振法动态特性差，工作频率较高，电路杂散电容的影响较为明显。 再如以MS3110为核心的电容检测系统，需要增加ADC�？椋也裳德实停哉鱿低� 的体积比较大。特别是对于瞬变小电容变化的测试精度不高，抗干扰能力差，电路设计复 杂，而且测试系统功耗也比较大。
[0003] 本发明的瞬变小电容测量仪，是为了解决瞬变小电容测量的难题而研制的。瞬变 小电容测量的特点是电容变化微小、瞬态、一次性过程居多。因此，在技术要求很高的情况 下，该瞬变小电容测量仪把光电转换技术和电容放电测容技术有机地结合起来，该仪器具 有响应速度快，充电方便，功耗低，电路体积�。呒刂萍虻ヒ约翱垢扇拍芰η康扔诺悖� 很好的发展前景，特别适合用于低功耗，环境恶劣的测试应用中。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是：向社会提供这种瞬变小电容测量仪，该测量仪采用光电与小电 容测量相结合的新技术，具有功耗低、体积小、控制简单、操作方便、抗干扰能力强等优点。
[0005] 本发明的技术方案是这样的：这种瞬变小电容测量仪，包括有仪器壳体与测量电 路及软件系统，技术特点在于：所述的测量电路由光电源电路、瞬变小电容测量电路、数据 采集存储电路组成。所述的小电容是指电容的微小变化，范围在PF级，所述的瞬变是指电 容的动态变化量。
[0006] 根据以上所述的瞬变小电容测量仪，技术特点还有：a.所述的光电源电路是一个 采用光作电源的电路，该电路构成本瞬变小电容测量仪自身携带的、可接续使用的、靠光自 发电、自供电、并且自动控制测量的光电源电路，所述的光电源电路是一个靠光发电、供 电、并自动控制测量的光电源电路。所述的光选择自然光或人造光源的光，所述的自然光如 太阳光、原子光等，所述的人造光如电光、烛光、燃气光、燃油光等等。b.所述的瞬变小电容 测量电路是一个精密比较测量电路，该精密比较测量电路由光电源电路自动控制测量、并 由精密信号输入端、标准比较电路、被测量比较电路、测量放大电路及输出端组成。所述的 精密比较测量电路是一个高精度的精细比较、精密测量的电路。c.所述的数据采集存储电 路是一个精密数据采集存储电路，该精密数据采集存储电路输入连接测量放大电路输出、 并由精密数据采集电路、精密数据存储电路组成、且由光电源电路自动控制运作。
[0007] 根据以上所述的瞬变小电容测量仪，技术特点还有：所述的光电源电路由光电控 开关电路、光发电电路、供电电路组成，其中光电控开关电路是一个光控、电控双控制自动 切换或转换的开关电路，所述的光电控开关电路是一个光信号、电信号双控制的自动切换 或转换的开关电路。光发电电路由硅光电池及其控制的光触发电路组成，供电电路由带稳 压电路的升压电路及电压输出端组成。
[0008] 根据以上所述的瞬变小电容测量仪，技术特点还有：a.所述的光发电电路由硅光 电池与其控制的光触发电路及光触发信号输出端组成，硅光电池有光照射口作光发电输入 和光触发电路的光触发输入，娃光电池的输出联接供电电路的输入，由光触发电路的光触 发输出作光电控开关电路的光控自动切换或转换信号。b.所述的供电电路的升压电路输入 联接硅光电池的输出，升压电路的输出联接供电电容的输入，供电电容的输出联接光电控 开关电路的开关固定端，供电电路的各测量、采集、存储电路供电端是光电控开关电路的另 一个开关切换端。c.所述的光电控开关电路是一个光控、电控双控制自动转换的单刀双切 换或转换的开关电路，即是一个单刀双掷开关电路，该开关电路的单刀双切换固定端是供 电电容的输出电压信号端，单刀双切换的一个切换端是精密信号输入端，该精密信号输入 端联接精密比较测量电路的标准比较电路、被测量比较电路的充电输入端，单刀双切换的 另一个切换端是供电电路的各测量、采集、存储电路的供电端，当供电电路的电压低于稳压 电压时发出电控信号使单刀双切换开关电路的单刀双切换固定端-供电电容的输出电压 信号端与另一个切换端-各测量、采集、存储电路的供电端断开并自动切换或转换到一个 切换端-精密信号输入端，进而联接精密比较测量电路的标准比较电路、被测量比较电路 的充电输入端，当光触发电路的光触发输出发出光控信号使单刀双切换开关电路的单刀双 切换固定端供电电容的输出电压信号端与一个切换端-精密信号输入端，进而与精密比较 测量电路的标准比较电路、被测量比较电路的充电输入端自动切换或转换断开、而与另一 个切换端-各测量、采集、存储电路的供电端通联。
[0009] 根据以上所述的瞬变小电容测量仪，技术特点还有：a.所述的单刀双切换或转换 的开关电路在电控信号控制下使供电电容的输出电压信号端与精密信号输入端联接，进 而与精密比较测量电路的标准比较电路、被测量比较电路的充电输入端联接，对精密比较 测量电路的标准比较电路的标准电容和被测量比较电路的被测电容同时充电。b.所述的单 刀双切换或转换的开关电路在光光控信号控制下使固定端-供电电容的输出电压信号端 与一个切换端-精密信号输入端自动切换或转换断开，即进而与精密比较测量电路的标准 比较电路、被测量比较电路的充电输入端断开，同时所述的单刀双切换或转换的开关电路 在光控信号控制下使固定端-供电电容的输出电压信号端与所述的单刀双切换开关电路 的另一个切换端-各测量、采集、存储电路的供电端自动切换或转换通联，精密比较测量电 路的标准比较电路的标准电容和被测量比较电路的被测电容同时放电并进行测量，同时精 密比较测量电路的测量放大电路供电并运算放大、精密数据采集电路供电并数据采集、精 密数据存储电路供电并数据存储。
[0010] 根据以上所述的瞬变小电容测量仪，技术特点还有：a.所述的精密信号输入端由 稳压模块构成，该模块输出分别联接精密比较测量电路的标准比较电路、被测量比较电 路，这两个比较电路是一个由标准电容和被测电容并联组成的充放电路，充电时标准电容 和被测电容充得精密度相等的电压，放电时标准电容和被测电容根据各自电容值不同放 电，标准电容、被测电容各自放电端电压值同步实时比较并输入测量放大电路运算放大，所 述的测量放大电路由数字运算放大集成模块为主构成。b.所述的被测电容的一次精密测量 只需一次完整放电过程，也即被测电容的一次完整充放电过程，该一次精密测量由本瞬变 小电容测量仪的硬件各测量电路及软件系统共同配合实施。
[0011] 根据以上所述的瞬变小电容测量仪，技术特点还有：所述的同步实时比较并输入 测量放大电路的是标准电容与待测电容一次放电同步实时比较的电容差值，由此实现了瞬 变小电容测量并获得测量结果。
[0012] 本发明的瞬变小电容测量仪优点有：1.本发明的瞬变小电容测量仪只需要标准 电容和待测电容进行一次充电放电，采集一次电容放电信号就可以反映出微小电容的变 化，这样大大降低了对测量仪采样频率要求，也降低了测量仪的功耗。2.本发明的瞬变小电 容测量仪采用光电触发技术瞬态响应快，逻辑控制简单。3.本发明的瞬变小电容测量仪采 用光充电、大电容放电，使该测量仪充电方便，电路简单，体积小。本发明的瞬变小电容测量 仪值得采用和推广。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 本发明的说明书附图共有2幅： 图1是瞬变小电容测量仪结构框图； 图2是瞬变小电容测量仪软件主程序框图。
[0014] 在两图中米用了统一标号，即同一物件在两图中用同一标号。在两图中： 1.娃光电池；2.带稳压电路的升压电路；3.供电电容；4.单刀双掷转换开关；5.稳压�？椋� 6.标准电容；7.被测电容；8.测量放大电路；9.精密数据采集电路；10.精密数据存储电 路；11.数据采集存储电路；12电源管理�？椋�13.光触发电路；14.光电源电路；15.上位 机；16.开始；17.读数；18.读取数据；19.数据读完；20.输入信息存储；21.显示原始曲 线；22.人机对话；23.退出程序；24.结束。
【具体实施方式】
[0015] 本发明的瞬变小电容测量仪非限定实施例如下： 实施例一.瞬变小电容测量仪 该例的这种瞬变小电容测量仪包括有仪器壳体与测量电路及软件系统，所述的小电 容是指电容的微小变化，范围在PF级，所述的瞬变是指电容的动态变化量。该例的测量 电路由光电源电路、瞬变小电容测量电路、数据采集存储电路组成。该测量仪具体结构由 图1?图2联合示出，图1示出瞬变小电容测量仪结构框图，在图1中：1是硅光电池，2 是带稳压电路的升压电路，3是供电电容，4是单刀双掷转换开关，5是稳压�？椋�6是标 准电容，7是被测电容，8是测量放大电路，9是精密数据采集电路，10是精密数据存储电 路，11是数据采集存储电路，12是电源管理�？椋�13是光触发电路，14是光电源电路，15 是上位机。该例的光电源电路14是一个采用光作电源的电路，该电路构成本瞬变小电容测 量仪自身携带的、可接续使用的、靠光自发电、自供电、并且自动控制测量的光电源电路。该 例的光选择自然光或人造光源的光，所述的自然光如太阳光、原子光等，所述的人造光如电 光、烛光、燃气光、燃油光等等。该例的瞬变小电容测量电路是一个精密比较测量电路，该精 密比较测量电路由光电源电路14自动控制测量、并由精密信号输入端、标准比较电路、被 测量比较电路、测量放大电路8及输出端组成。该例的精密比较测量电路是一个高精度的 精细比较、精密测量的电路。该例的数据采集存储电路11是一个精密数据采集存储电路， 该精密数据采集存储电路输入连接测量放大电路8的输出、并由精密数据采集电路9、精密 数据存储电路10组成、且由光电源电路14自动控制运作。该例的光电源电路14由光电控 开关电路、光发电电路、供电电路组成，其中光电控开关电路是一个光控、电控双控制自动 切换或转换的开关电路。该例的光电控开关电路是一个光信号、电信号双控制的自动切换 或转换的开关电路。光发电电路由硅光电池1及其控制的光触发电路13组成，供电电路由 带稳压电路的升压电路2及电压输出端组成。该例的光发电电路由硅光电池1与其控制的 光触发电路13及光触发信号输出端组成，娃光电池1有光照射口作光发电输入和光触发电 路13的光触发输入，娃光电池1的输出联接供电电路的输入，由光触发电路13的光触发输 出作光电控开关电路的光控自动切换或转换信号。该例的供电电路的升压电路输入联接硅 光电池1的输出，升压电路的输出联接供电电容3的输入，供电电容3的输出联接光电控开 关电路的开关固定端，供电电路的各测量、采集、存储电路供电端是光电控开关电路的另一 个开关切换端。该例的光电控开关电路是一个光控、电控双控制自动转换的单刀双切换或 转换的开关电路，即是一个单刀双掷开关电路，该开关电路的单刀双切换固定端是供电电 容3的输出电压信号端，单刀双切换的一个切换端是精密信号输入端，该精密信号输入端 联接精密比较测量电路的标准比较电路、被测量比较电路的充电输入端，单刀双切换的另 一个切换端是供电电路的各测量、采集、存储电路的供电端，当供电电路的电压低于稳压电 压时发出电控信号使单刀双切换开关电路的单刀双切换固定端-供电电容3的输出电压信 号端与另一个切换端-各测量、采集、存储电路的供电端断开并自动切换或转换到一个切 换端-精密信号输入端，进而联接精密比较测量电路的标准比较电路、被测量比较电路的 充电输入端，当光触发电路13的光触发输出发出光控信号使单刀双切换开关电路的单刀 双切换固定端供电电容3的输出电压信号端与一个切换端-精密信号输入端，进而与精密 比较测量电路的标准比较电路、被测量比较电路的充电输入端自动切换或转换断开、而与 另一个切换端-各测量、采集、存储电路的供电端通联。该例的单刀双切换或转换的开关电 路在电控信号控制下使供电电容3的输出电压信号端与精密信号输入端联接，进而与精密 比较测量电路的标准比较电路、被测量比较电路的充电输入端联接，对精密比较测量电路 的标准比较电路的标准电容6和被测量比较电路的被测电容7同时充电。该例的单刀双切 换或转换的开关电路在光光控信号控制下使固定端-供电电容3的输出电压信号端与一个 切换端-精密信号输入端自动切换或转换断开，即进而与精密比较测量电路的标准比较电 路、被测量比较电路的充电输入端断开，同时所述的单刀双切换或转换的开关电路在光控 信号控制下使固定端-供电电容3的输出电压信号端与所述的单刀双切换开关电路的另一 个切换端-各测量、采集、存储电路的供电端自动切换或转换通联。精密比较测量电路的标 准比较电路的标准电容6和被测量比较电路的被测电容7同时放电并进行测量，同时精密 比较测量电路的测量放大电路8供电并运算放大、精密数据采集电路9供电并数据采集、精 密数据存储电路10供电并数据存储。该例的精密信号输入端由稳压模块5构成，该�？� 输出分别联接精密比较测量电路的标准比较电路、被测量比较电路，这两个比较电路是一 个由标准电容6和被测电容7并联组成的充放电路，充电时标准电容和被测电容充得精密 度相等的电压，放电时标准电容和被测电容根据各自电容值不同放电，标准电容6、被测电 容7各自放电端电压值同步实时比较并输入测量放大电路8运算放大，该例的测量放大电 路8由数字运算放大集成模块为主构成。该例的被测电容7的一次精密测量只需一次完整 放电过程，也即被测电容7的一次完整充放电过程，该一次精密测量由本瞬变小电容测量 仪的硬件各测量电路及软件系统共同配合实施。图2示出瞬变小电容测量仪软件主程序框 图，在图2中：16是开始，17是读数，18是读取数据，19是数据读完，20是输入信息存储，21 是显示原始曲线，22是人机对话，23是退出程序，24是结束。该例的同步实时比较并输入测 量放大电路8的是标准电容6与待测电容7 -次放电同步实时比较的电容差值，由此实现 了瞬变小电容测量并获得测量结果。该例的瞬变小电容测量仪的各电子电路均可采用公知 和商售的电子元器件组装制作，只要能实现各电子电路之功能的均可使用。
[0016] 实施例二.瞬变小电容测量仪 该例的这种瞬变小电容测量仪具体结构由图1?图2联合示出，该例的瞬变小电容 测量仪与实施例一的瞬变小电容测量仪不同点有：该例的测量放大电路选用仪表放大芯片 AD8231等。该例的瞬变小电容测量仪其余未述的，全同于实施例一中所述的，不再重述。
【权利要求】
1. 一种瞬变小电容测量仪，包括有仪器壳体与测量电路及软件系统，特征在于：所述 的测量电路由光电源电路、瞬变小电容测量电路、数据采集存储电路组成。
2. 根据权利要求1所述的瞬变小电容测量仪，特征在于： a. 所述的光电源电路是一个采用光作电源的电路，该电路构成本瞬变小电容测量仪自 身携带的、可接续使用的、靠光自发电、自供电、并且自动控制测量的光电源电路，所述的 光选择自然光或人造光源的光； b. 所述的瞬变小电容测量电路是一个精密比较测量电路，该精密比较测量电路由光电 源电路自动控制测量、并由精密信号输入端、标准比较电路、被测量比较电路、测量放大电 路及输出端组成； c. 所述的数据采集存储电路是一个精密数据采集存储电路，该精密数据采集存储电路 输入连接测量放大电路输出、并由精密数据采集电路、精密数据存储电路组成、且由光电源 电路自动控制运作。
3. 根据权利要求2所述的瞬变小电容测量仪，特征在于：所述的光电源电路由光电控 开关电路、光发电电路、供电电路组成，其中光电控开关电路是一个光控、电控双控制自动 切换或转换的开关电路，光发电电路由硅光电池及其控制的光触发电路组成，供电电路由 带稳压电路的升压电路及电压输出端组成。
4. 根据权利要求3所述的瞬变小电容测量仪，特征在于： a. 所述的光发电电路由硅光电池与其控制的光触发电路及光触发信号输出端组成，硅 光电池有光照射口作光发电输入和光触发电路的光触发输入，硅光电池的输出联接供电电 路的输入，由光触发电路的光触发输出作光电控开关电路的光控自动切换或转换信号； b. 所述的供电电路的升压电路输入联接娃光电池的输出，升压电路的输出联接供电电 容的输入，供电电容的输出联接光电控开关电路的开关固定端，供电电路的各测量、采集、 存储电路供电端是光电控开关电路的另一个开关切换端； c. 所述的光电控开关电路是一个光控、电控双控制自动转换的单刀双切换或转换的开 关电路，该开关电路的单刀双切换固定端是供电电容的输出电压信号端，单刀双切换的一 个切换端是精密信号输入端，该精密信号输入端联接精密比较测量电路的标准比较电路、 被测量比较电路的充电输入端，单刀双切换的另一个切换端是供电电路的各测量、采集、存 储电路的供电端，当供电电路的电压低于稳压电压时发出电控信号使单刀双切换开关电路 的单刀双切换固定端-供电电容的输出电压信号端与另一个切换端-各测量、采集、存储电 路的供电端断开并自动切换或转换到一个切换端-精密信号输入端，进而联接精密比较测 量电路的标准比较电路、被测量比较电路的充电输入端，当光触发电路的光触发输出发出 光控信号使单刀双切换开关电路的单刀双切换固定端供电电容的输出电压信号端与一个 切换端-精密信号输入端，进而与精密比较测量电路的标准比较电路、被测量比较电路的 充电输入端自动切换或转换断开、而与另一个切换端-各测量、采集、存储电路的供电端通 联。
5. 根据权利要求4所述的瞬变小电容测量仪，特征在于： a.所述的单刀双切换或转换的开关电路在电控信号控制下使供电电容的输出电压信 号端与精密信号输入端联接，进而与精密比较测量电路的标准比较电路、被测量比较电路 的充电输入端联接，对精密比较测量电路的标准比较电路的标准电容和被测量比较电路 的被测电容同时充电； b.所述的单刀双切换或转换的开关电路在光光控信号控制下使固定端-供电电容的 输出电压信号端与一个切换端-精密信号输入端自动切换或转换断开，即进而与精密比较 测量电路的标准比较电路、被测量比较电路的充电输入端断开，同时所述的单刀双切换或 转换的开关电路在光控信号控制下使固定端-供电电容的输出电压信号端与所述的单刀 双切换开关电路的另一个切换端-各测量、采集、存储电路的供电端自动切换或转换通联， 精密比较测量电路的标准比较电路的标准电容和被测量比较电路的被测电容同时放电并 进行测量，同时精密比较测量电路的测量放大电路供电并运算放大、精密数据采集电路供 电并数据采集、精密数据存储电路供电并数据存储。
6. 根据权利要求5所述的瞬变小电容测量仪，特征在于： a. 所述的精密信号输入端由稳压�？楣钩桑媚？槭涑龇直鹆泳鼙冉喜饬康缏� 的标准比较电路、被测量比较电路，这两个比较电路是一个由标准电容和被测电容并联组 成的充放电路，充电时标准电容和被测电容充得精密度相等的电压，放电时标准电容和被 测电容根据各自电容值不同放电，标准电容、被测电容各自放电端电压值同步实时比较并 输入测量放大电路运算放大，所述的测量放大电路由数字运算放大集成�？槲鞴钩桑� b. 所述的被测电容的一次精密测量只需一次完整放电过程，也即被测电容的一次完整 充放电过程，该一次精密测量由本瞬变小电容测量仪的硬件各测量电路及软件系统共同配 合实施。
7. 根据权利要求6所述的瞬变小电容测量仪，特征在于：所述的同步实时比较并输入 测量放大电路的是标准电容与待测电容一次放电同步实时比较的电容差值。
【文档编号】G01R27/26GK104155529SQ201410410503
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月20日 优先权日:2014年8月20日
【发明者】马铁华, 李新娥, 裴东兴, 张瑜, 沈大伟, 张红艳, 王美林, 温星曦 申请人:中北大学
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