专利名称：一种电容测量电路的校准方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于测试测量技术领域，尤其涉及一种电容测量电路的校准方法及装置。
背景技术：
电容测试方法一般采用脉宽调制法和容抗法测量。脉宽调制法测量电容的缺点是 电路本身不能自动调零，每次测量之前都需要手动调零，从而延长了测量时间。采用容抗测 量法能够实现电容的自动调零，缩短测量时间。容抗法测量电容的原理是用正弦波信号将被测电容量Cx变成容抗k，然后进行 C/U变换(电容电压变换)，把)(c转换成交流信号电压，再经过AC/DC (交流/直流)转换
器取出平均值电压6，送至A/D转换器(模数转换器)。理想状态下，f/与Cx成正比，A/
D转换器的输出也与被测电容量Cx成正比，这样就能够根据A/D转换器的输出来得到被测 电容量Cx。采用容抗法的电容测量电路如图1所示，将被测电容作为等效电容接入振荡电 路，振荡电路的输出频率f和接入的电容C满足固定的函数关系k = 1/2 π fC，进行C/U变
换，把似转换成交流信号电压，再经过AC/DC转换器取出平均值电压，送至A/D转换器，
即AD采集电路。但是实际情况下，由于电容测量电路本身的内阻的存在，带来了系统误差，导致A/ D转换器的输出与被测电容并不形成严格的正比例关系，因此需要对电容测量电路进行校 准，校准方法通常是采用测量通道输入-输出特性拟合的方法，来得出A/D转换器的输出与 被测电容之间的拟合方程，即电容测量电路的输入输出特性方程，然后将该拟合方程加载 到测量软件中，即能够根据A/D转换器的输出直接读出被测电容值。现有技术中采用的电容测量电路校准方法，实现上述测量通道输入-输出特性拟 合的方法是，将若干个不同的精密基准电容接入电容测量电路，得到各精密电容对应的A/D 转换器的输出，即AD采集值，用数据处理方法进行输入-输出特性拟合，得到外接被测电容 与AD采集值的特性方程，然后将校准拟合方程加到电容测量软件中。相当于采用曲线拟合 的方法，以AD采集值为横坐标，电容为纵坐标(或者以电容为横坐标、AD采集值为纵坐标 也可)在坐标系中绘出各精密电容对应的点，从而得出拟合曲线。通常采用Origin数据处理绘图软件进行电容测量电路的输入输出特性拟合，采 用最小二乘法拟合原理，进行线性和非线性拟合，是Origin提供的常用数据拟合工具。其 中指数衰减函数拟合曲线(或特性方程)是电容测量电路输入输出特性最接近的拟合特性 曲线(或拟合特性方程)。采用上述校准方法，对于测量电路来说，当实际测量环境与构建拟合曲线时的环 境差别较大时，测量误差也就比较大，例如当温度、湿度变化较大时，采用上述校准方法的 电容测量电路的测量误差也就比较大。也就是说，现有技术中的校准方法受环境因素的影 响较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述缺陷，提出一种电容测量 电路的校准方法及装置，能够减小环境因素带来的随机测量误差。本发明的技术方案包括一种电容测量电路的校准方法，适用于对采用容抗法的电容测量电路的校准，包 括以下步骤输入输出特性方程构建步骤，包括将若干个已知电容接入电容测量电路，记录各自对应的AD采集值，并分别计算各 AD采集值与一个基准电容的AD采集值之间的差值；以所述各差值以及所述各已知电容的 容值，采用曲线拟合方法来构建该电容测量电路的输入输出特性方程；电容实际测量步骤，包括分别获取被测电容和所述基准电容在实际测量环境中的AD采集值，将它们的差 值代入所述输入输出特性方程，从而求得被测电容值。进一步地，输入输出特性方程构建步骤中，可以是以所述各差值为自变量，以所述 各已知电容的容值为因变量，采用曲线拟合方法来构建所述输入输出特性方程的。进一步地，输入输出特性方程构建步骤中，还可以是以所述各差值为自变量，以所 述各已知电容的容值与所述基准电容的差为因变量，采用曲线拟合方法来构建所述输入输 出特性方程的。进一步地，所述曲线拟合方法采用最小二乘拟合法，具体可以采用指数衰减函数 曲线拟合法。更进一步地，构建所述输入输出特性方程时，采用了分段拟合的方式。一种电容测量电路的校准装置，适用于对采用容抗法的电容测量电路的校准，包 括输入输出特性方程构建�？椋糜诮舾筛鲆阎缛萁尤氲缛莶饬康缏罚锹几髯远杂Φ腁D采集值，并分别计算各 AD采集值与一个基准电容的AD采集值之间的差值；以所述各差值以及所述各已知电容的 容值，采用曲线拟合方法来构建该电容测量电路的输入输出特性方程；电容实际测量�？椋糜诜直鸹袢”徊獾缛莺退龌嫉缛菰谑导什饬炕肪持械腁D采集值，将它们的差 值代入所述输入输出特性方程，从而求得被测电容值。进一步地，所述基准电容接入所述电容测量电路的校准装置的硬件电路中。一种电容测量系统，包括电容测量电路和所述电容测量电路的校准装置，所述电 容测量电路为采用容抗法的电容测量电路，所述电容测量电路的校准装置包括输入输出特性方程构建�？椋糜诮舾筛鲆阎缛萁尤氲缛莶饬康缏罚锹几髯远杂Φ腁D采集值，并分别计算各 AD采集值与一个基准电容的AD采集值之间的差值；以所述各差值以及所述各已知电容的 容值，采用曲线拟合方法来构建该电容测量电路的输入输出特性方程；电容实际测量�？椋糜诜直鸹袢”徊獾缛莺退龌嫉缛菰谑导什饬炕肪持械腁D采集值，将它们的差值代入所述输入输出特性方程，从而求得被测电容值。进一步地，所述基准电容接入所述电容测量电路的校准装置的硬件电路中。本发明的有益效果为本发明通过采用在每次测量前均外接基准电容对电容测量电路进行动态校准和 修正的方案，利用曲线拟合算法分段拟合电容测量电路的输入-输出特性方程，消除了温 湿度等环境条件变化引起的电容测量随机误差，提高了电容测量精度。尤其对于小容量电 容的测量能够显著提高测量精度。
图1为采用容抗法的电容测量电路示意图；图2为本发明电容测量电路的校准方法流程示意图；图3为数据差值拟合曲线图；图4为本发明电容测量系统结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。下面以采用容抗法测试电缆的分布电容为例进行具体说明。在对电缆的电容进行IOOpF IOOOPFUnF 20nF小量程挡位电容测量时发现， 已经校准好的小量程电容档位，事后再次进行电容测量时，随机测量误差比较大。分析其原 因，主要是由于受温度、湿度等环境参数的影响，随机测量误差比较大，已经校准好的小量 程电容档位，被测电容测量值变化较大，无法保证测量精度。因此采取一种动态校准测量方 法，可极大提高微小电容测量的精度，其测量方法如下当实际工作环境与基准环境ΨΜ不一致时，此时因温度、湿度等环境条件变化， 导致测量过程引入随机误差，测量结果ΓΤη与真值￥ 之间误差关系为^n，对于小 电容来说，测量结果^n与真值Yn之间误差很大。为此，本发明在电容测量电路中专门设置小量程电容测量基准电容电路，每次开 始进行小量程电容测量时，首先对电路中设定的基准电容(容值为Cciz)进行测量，结果为 Ytoz，根据以上分析Ytoz = Yoz+ Δ Ytoz，其中 Yciz 是真值；(1)对待测电容(容值为Cn)进行测量，结果为、，同样得到Ytn = Yn+ Δ ^，其中 Tn 为真值；(2)将⑵式减去(1)式，得到Ytn — Ytn-Ytoz — ΥΝ_Υ0Ζ+ Δ ΥΤΝ_ Δ Ytoz(3)由于外界温湿度环境条件参数一致(均为ΨΝ)，环境条件变化引起的电容测量随 机误差也基本一致，即Δ ΥΤΝ ΔΥΤ(1Ζ，因此可以得到Ytn ‘ = Yn-Yoz(4)由(3)式可知，采用本发明提供的动态校准测量方法，其测量误差Δ^-ΔΥΤ(ιζ << ΔΥΤη，因此，(4)式的计算结果Yt/几乎不随环境的变化而变化，将其作为数据差值拟 合曲线的输入，能够大幅降低因测量环境条件参数改变导致的测量误差，提高微小电容的测量精度。数据差值拟合曲线的获取方式设计如下在基准环境ΨΜ条件下，对电容测量电 路中设定的基准电容(容值为Cciz)进行测量，结果为Yciz;对外接精密电容(容值为Cp C2……Cn)进行测量，结果为Yi、Y2……\，做如下计算=K-Fqz Y^ = Y2-Yoz，......，
Yn 二 ζ ，以;^’、Y2......Fi；为自变量，以测量内部基准电容值与外接精密电容测量值的差值
C1-CozX2-Coz……(；-0 作为因变量，获得数据差值拟合曲线C(Y')。由于测量过程中，测量 结果Yn与输入Cn之间为线性关系，因此测量真值6=(+(^=(^(1 + (^其中C(Y')
为拟合曲线的转换结果。本发明实施例中，还可以<、Y2......^为自变量，以外接精密电容测
量值为因变量，获得数据差值拟合曲线C(Y')，则被测电容的测量真值Cn = C(Y')。基于以上原理，如图2所示，本发明电容测量电路的校准方法具体包括两个过程 利用数据拟合绘图软件获取基准环境下的数据差值拟合曲线(相当于电容测量电路的输 入输出特性方程)；实际测量获取被测电容真值。1、利用数据拟合绘图软件获取基准环境下的数据差值拟合曲线。利用数据拟合绘图软件，采用最小二乘法数据拟合算法，进行曲线拟合，具体采用 指数衰减函数拟合方法获取电缆测量仪测量电容的特性曲线，此曲线参数仅与电缆测量仪 的硬件电路、固化软件有关，与被测环境无关，满足各种环境下(主要为不同温度、湿度环 境下)的电容测量；在设定的基准环境条件(温度25oC，湿度60% )下，在IOOpF 2000PF、lnF 20nF两个小量程电容挡位测量，电容测量硬件电路中设置有基准电容Ctll = IOOpF0进行 IOOpF IOOOpF小量程电容挡位校准时，软硬件设置先进行基准电容Ctll = IOOpF的测量， 此时C01的测量值(AD采集值)为基准值Ycoi，再次对C01测量得到C01的AD采集值Ycoi ’， 求其差值Δ Ycoi = Ycoi ‘ -Ycoi,依次改变输入电容值Q、C03> Ccin,依次得到AD采集 it Yco2' > Yco3' > Yco4' -Ycon'，依次得到 AD 测量的差值为Δ Yai2 = Ycq2 ‘ "Ycol> AYc03 = γ ‘ -γ Λ γ =V ‘ -N ... Λ Y =V ‘ -N Λ Y Λ Y Λ Y ΔΥ·..ΔΥ
χ0031COIa χ004 χ0041COlΛ1CON 1CON1COl0 1COIa 1C02> 1COSa χ0041CON
作为自变量Χ,Ο^Ο^Ο^ ν··^作为因变量Y，或者以Cc^C.Cc^CvCcin分别与Ctll的差 值作为因变量Y，再利用指数衰减函数进行分段拟合，获取数据差值拟合曲线如图3所示。2、实际测量获取被测电容真值，即根据当前环境参数的变化，遵循动态校准测量 方法、求得实际被测电容真值的过程。1)首先获取基准电容在当前环境下的AD采集值Ytoz，并将其存储；2)测量被测电容在当前环境下的测量值(AD采集值)ΥΤΝ，然后计算被测电容在当 前环境下的AD采集值与基准电容在当前环境下的AD采集值的差值，Ytn' = Ytn-Ytoz
然后将该差值Ytn'代入到基准环境下的数据差值拟合曲线中，得到结果；3)求得被测电容真值如果曲线拟合时，是以各输入电容值Ctll、(；2、(^、(^…(^与 C01的差值作为因变量Y的，则被测电容真值Scw加上基准电容值Ctll ；而如果曲线拟合时， 是以各输入电容值C01, C02, C03、C04…Con为因变量的(即图3所示方式)，则Cw即为被测电
容真值。图4为本发明电容测量系统结构示意图，本发明电容测量电路的校准装置适用于采用容抗法的电容测量电路的校准过程，如图所示，本发明电容测量电路的校准装置具体 包括输入输出特性方程构建�？楹偷缛菔导什饬磕？�。其中输入输出特性方程构建模块用于，将若干个(要求至少是三个以上)已知电 容(本实施例中采用已知精密电容)接入电容测量电路，记录各自对应的AD采集值，并分 别计算各AD采集值与一个基准电容的AD采集值之间的差值；以各差值以及各已知电容的 容值，采用曲线拟合方法来构建该电容测量电路的输入输出特性方程。曲线拟合方法采用 最小二乘拟合算法，具体曲线拟合形式为指数衰减函数拟合形式。电容实际测量�？橛糜冢直鸹袢”徊獾缛莺突嫉缛菰谑导什饬炕肪持械腁D 采集值，将它们的差值代入输入输出特性方程，从而求得被测电容值。如图4所示，本发明电容测量系统包括电容测量电路和电容测量电路的校准电 路，该电容测量电路为采用容抗法的电容测量电路，该电容测量电路的校准电路中还包括 基准电容。基准电容可以为一个，也可以为一个以上，以用于对不同的量程档位进行测量时 的校准。其中电容测量电路的校准装置包括输入输出特性方程构建�？楹偷缛菔导什饬� �？�。其中输入输出特性方程构建�？橛糜冢舾筛�(要求至少是三个以上)已知精 密电容接入电容测量电路，记录各自对应的AD采集值，并分别计算各AD采集值与基准电容 的AD采集值之间的差值；以各差值以及各已知电容的容值，采用曲线拟合方法来构建该电 容测量电路的输入输出特性方程。曲线拟合方法采用最小二乘拟合法，具体采用的曲线拟 合特性为指数衰减函数拟合特性。电容实际测量�？橛糜冢直鸹袢”徊獾缛莺突嫉缛菰谑导什饬炕肪持械腁D 采集值，将它们的差值代入输入输出特性方程，从而求得被测电容值。本发明通过采用每次测量前外接基准电容进行系统动态校准、动态修正的方法， 利用最小二乘法数据拟合算法分段拟合电容测量电路的输入-输出特性方程，消除了温 湿度环境条件变化引起的小电容测量时产生的随机测量误差，提高了小电容测量的测量精 度。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应注意的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，本领域的技术人员可以对 本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改 和变型属于本发明权利要求记载的技术方案及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包 含这些改动和变型在内。
权利要求
1.一种电容测量电路的校准方法，适用于对采用容抗法的电容测量电路的校准，其特 征在于，包括下列步骤输入输出特性方程构建步骤，包括将若干个已知电容接入电容测量电路，记录各自对应的AD采集值，并分别计算各AD采 集值与一个基准电容的AD采集值之间的差值；以所述各差值以及所述各已知电容的容值， 采用曲线拟合方法来构建该电容测量电路的输入输出特性方程；电容实际测量步骤，包括分别获取被测电容和所述基准电容在实际测量环境中的AD采集值，将它们的差值代 入所述输入输出特性方程，从而求得被测电容值。
2.根据权利要求1所述的电容测量电路的校准方法，其特征在于，输入输出特性方程 构建步骤中，是以所述各差值为自变量，以所述各已知电容的容值为因变量，采用曲线拟合 方法来构建所述输入输出特性方程的。
3.根据权利要求1所述的电容测量电路的校准方法，其特征在于，输入输出特性方程 构建步骤中，是以所述各差值为自变量，以所述各已知电容的容值与所述基准电容的差为 因变量，采用曲线拟合方法来构建所述输入输出特性方程的。
4.根据权利要求1所述的电容测量电路的校准方法，其特征在于，所述曲线拟合方法 为最小二乘拟合法。
5.根据权利要求4所述的电容测量电路的校准方法，其特征在于，所述曲线拟合方法 为指数衰减函数曲线拟合方法。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电容测量电路的校准方法，其特征在于，构建所 述输入输出特性方程时，采用了分段拟合的方式。
7.一种电容测量电路的校准装置，适用于对采用容抗法的电容测量电路的校准，其特 征在于包括输入输出特性方程构建�？椋糜诮舾筛鲆阎缛萁尤氲缛莶饬康缏罚锹几髯远杂Φ腁D采集值，并分别计算各AD采 集值与一个基准电容的AD采集值之间的差值；以所述各差值以及所述各已知电容的容值， 采用曲线拟合方法来构建该电容测量电路的输入输出特性方程；电容实际测量�？椋糜诜直鸹袢”徊獾缛莺退龌嫉缛菰谑导什饬炕肪持械腁D采集值，将它们的差值代 入所述输入输出特性方程，从而求得被测电容值。
8.根据权利要求7所述的电容测量电路的校准装置，其特征在于，所述基准电容接入 所述电容测量电路的校准装置的硬件电路中。
9.一种电容测量系统，包括电容测量电路和所述电容测量电路的校准装置，所述电 容测量电路为采用容抗法的电容测量电路，其特征在于，所述电容测量电路的校准装置包 括输入输出特性方程构建�？椋糜诮舾筛鲆阎缛萁尤氲缛莶饬康缏罚锹几髯远杂Φ腁D采集值，并分别计算各AD采 集值与一个基准电容的AD采集值之间的差值；以所述各差值以及所述各已知电容的容值， 采用曲线拟合方法来构建该电容测量电路的输入输出特性方程；电容实际测量�？椋糜诜直鸹袢”徊獾缛莺退龌嫉缛菰谑导什饬炕肪持械腁D采集值，将它们的差值代 入所述输入输出特性方程，从而求得被测电容值。
10.根据权利要求9所述的电容测量系统，其特征在于，所述基准电容接入所述电容测 量电路的校准装置的硬件电路中。
全文摘要
本发明公开了一种电容测量电路的校准方法，适用于对采用容抗法的电容测量电路的校准，包括A、记录若干已知电容对应的AD采集值，分别求各已知电容的AD采集值与基准电容的AD采集值之间的差值；B、以所述各已知电容值和对应的所述差值构建该电容测量电路的输入输出特性方程；C、在实际环境中获取被测电容和基准电容的AD采集值，将它们的差值代入输入输出特性方程，得到被测电容值。采用本发明方法能够有效减小环境温湿度变化带来的随机电容测量误差。本发明还相应公开了一种电容测量电路的校准装置，包括输入输出特性方程构建�？楹偷缛菔导什饬磕？�。
文档编号G01R27/26GK102096057SQ201010546870
公开日2011年6月15日 申请日期2010年11月16日 优先权日2010年11月16日
发明者朱红, 苏建军, 蔄元臣, 郇黎明, 陈斐 申请人:北京航天测控技术开发公司
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