本發(fā)明涉及電子測量裝置，具體為一種高靈敏度電容測量裝置。

背景技術：

1、在家居裝修和維修過程中，探測墻體內是否存在異物是一個重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)方法往往依賴于人工經驗或者簡單的工具，這些方法不僅效率低下，而且存在一定的誤差和風險。隨著技術的發(fā)展，電容式傳感器因其高靈敏度和非侵入性特點，在探測墻體異物方面顯示出巨大潛力；電容式傳感器的工作原理基于電容器的電容值變化。在電容器的兩極板之間，當有物體移動時，會引起電介質的介電常數或幾何位置的變化，從而導致電容值的改變。通過精確測量這種電容的變化，可以感知物體的位置變化。這種原理被廣泛應用于各種高精度測量場景；

2、盡管電容式傳感器在理論上具有高靈敏度，但實際應用中，如何精確測量微小的電容變化并將其轉換為可靠的信號輸出，是一個技術挑戰(zhàn)。此外，環(huán)境因素如溫度、濕度的變化，以及電磁干擾等，都可能影響測量結果的準確性；

3、為此，本發(fā)明提出一種高靈敏度電容測量裝置，該裝置通過可調基準電壓源將待測電容值調整到最佳測量范圍內，并通過調理電路將電容量轉換為電壓值，利用a/d轉換器采集電壓信號并實時顯示，從而獲取待測電容的值。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種高靈敏度電容測量裝置，解決了背景技術中所提出環(huán)境因素如溫度、濕度的變化，以及電磁干擾影響測量結果的準確性的問題。

2、為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術方案予以實現(xiàn)：一種高靈敏度電容測量裝置，包括振蕩器、可調基準電壓源、調理電路、低通濾波器、a/d轉換器、mcu和顯示器；

3、所述振蕩器用于產生可調節(jié)頻率的方波信號，用于給待測電容器充電，并提供測量過程中的參考信號；

4、所述可調基準電壓源由mcu控制，根據低通濾波器輸出的電壓自動調整輸出電壓，以適應待測電容值的變化，確保測量準確性；

5、所述調理電路用于將待測電容值轉換為電壓值，輸出與電容值相關的方波信號，并將其轉換為受控電壓，以便進行下一步的信號處理；

6、所述低通濾波器用于濾除調理電路輸出的高頻噪聲，提供平滑的低頻直流信號，為a/d轉換器提供準確的采樣信號；

7、所述a/d轉換器用于將低通濾波器輸出的模擬電壓信號轉換為數字信號，供mcu進行進一步處理；

8、所述mcu用于控制整個測量過程，包括可調基準電壓源的輸出電壓調整、a/d轉換器采樣結果的處理，以及顯示器的控制，確保測量結果的準確性和實時性；

9、所述顯示器用于實時顯示a/d轉換器的采樣結果，為用戶提供直觀的電容值讀數。

10、優(yōu)選的，在校準階段，該裝置根據獲取的采樣電壓值調整基準電壓，使測量值處于動態(tài)可測范圍之內，所述基準電壓源的輸出電壓調整范圍為0v～5v，所述a/d轉換器的采樣電壓值精度為±0.1％，所述動態(tài)測量范圍為1pf～1μf。

11、優(yōu)選的，所述振蕩器需要能夠覆蓋從10hz至10mhz的頻率范圍，以適應不同電容值的測量需求，所述振蕩器頻率穩(wěn)定性在±0.001％；所述振蕩器調整方波的占空比范圍為1％～99％；所述方波信號的周期t由公式：

12、

13、定義，其中f是振蕩器的頻率；所述占空比d通過公式：

14、

15、得出，其中ton是方波的高電平時間，t是周期；

16、所述振蕩器為了確保與測量裝置其他部分的同步，所述振蕩器具備相位控制能力，其相位φ與時間t的關系由公式φ＝ωt定義，其中ω＝2πf是角頻率；方波信號的輸出電壓為低電平ov和高電平5v；所述振蕩器包含溫度補償機制，以保持在不同環(huán)境溫度下的頻率穩(wěn)定性；溫度補償公式為：

17、fcomp＝fnom×(1+α×(t-tref))

18、其中fcomp是補償后的頻率，fnom是標稱頻率，α是溫度系數，t是當前溫度，tref是參考溫度；通過頻率調整公式：

19、fnew＝fold×(1+δf)

20、其中fnew是調整后的頻率，fold是原始頻率，δf是頻率調整的比率，振蕩器能夠調整其輸出信號，以適應不同的測量條件，提高電容測量裝置的靈敏度和準確性，其中，原始頻率是振蕩器的基本工作頻率，補償后的頻率是對原始頻率進行溫度補償后的頻率，用于消除溫度變化的影響，調整后的頻率是在補償后的頻率基礎上，根據測量需求進一步調整后的頻率，用于優(yōu)化測量性能。

21、優(yōu)選的，所述可調基準電壓源的輸出電壓受mcu控制，能根據低通濾波器的輸出電壓自動調整相應的輸出電壓，所述電壓調整公式：

22、vout＝vtarget+g×(vfiltered-vtarget)

23、其中，vout是調整后的輸出電壓，vtarget是目標電壓，vfiltered是低通濾波器的輸出電壓，g是增益系數，用于調整電壓變化的靈敏度；所述可調基準電壓源響應mcu的控制信號時間為0～1毫秒(ms)，所述輸出電壓的調整范圍覆蓋0–5v，所述mcu控制的電壓調整步長大于0.1毫伏(mv)，所述調基準電壓源包含反饋機制，確保實際輸出電壓與目標電壓之間的偏差小于0.1％，反饋控制公式：

24、vtarget＝vset+kp×(vdesired-vmeasured)

25、其中，vtarget是更新后的目標電壓，vset是設定的初始電壓，vdesired是期望電壓，vmeasured是實際測量的電壓，kp是比例控制系數。

26、優(yōu)選的，振蕩器和可調基準電壓源同時向待測電容器充電；所述基準電壓源提供0～5伏特的充電電壓，步長0.01伏特，周期范圍為0.0001s～0.1s，匹配10hz～10mhz的振蕩器頻率；所述基準電壓源占空比可調范圍1％～99％，充電時間精度達到周期的1％，電源電壓波動適應±5％。

27、優(yōu)選的，所述調理電路能輸出一個占空比與待測電容值相關的方波信號，所述調理電路維持輸出方波信號的占空比與電容值之間的線性相關性大于99％，所述占空比變化率與電容值變化率的比例常數(斜率)穩(wěn)定，最大偏差為±0.5％，所述調理電路在溫度變化±5℃條件下自動進行零點漂移校正，校正后的測量誤差控制在±0.2％以內；

28、所述調理電路采用2.5kvrms的信號隔離抑制噪聲，所述調理電路隔離后的信號衰減為-60db，所述輸出信號的占空比變化均勻連續(xù)，保持占空比與電容值的比例關系一致。

29、優(yōu)選的，調理電路可將輸出的方波信號轉換為與占空比相關的受控電壓；轉換公式為：

30、vcontrollcd(t)＝vmax×(1+α×(t-tref))×(k×c(t))×(1+β×(k×c(t)-0.5)2)

31、其中，vcontrolled(t)：時間t時調理電路輸出的受控電壓值；vmax：方波信號的最大電壓幅度，α：溫度系數，表示受控電壓隨溫度變化的調整因子，t：當前溫度，tref：參考溫度，k：電路設計中的比例常數，c(t)：時間t時的待測電容值，考慮電容可能隨時間變化，β：非線性校正系數，用于校正占空比與電容值之間的非線性關系。

32、上述公式中，溫度補償因子(1+α×(t-tref))考慮了環(huán)境溫度變化對電路性能的影響；非線性校正項(1+β×(k×c(t)-0.5％)2)用于校正當占空比偏離50％時可能出現(xiàn)的非線性行為，確保在整個測量范圍內都能獲得準確的測量結果。

33、優(yōu)選的，輸出的所述受控電壓經過兩級低通濾波器濾波，包括第一級低通濾波和第二級低通濾波；濾除掉高頻噪聲，得到低頻直流信號，所述第一級低通濾波邏輯公式為：

34、

35、其中：vlp1：第一級低通濾波器輸出的電壓；vcontrolled(t)：調理電路輸出的受控電壓；r：濾波器的電阻值；c：濾波器的電容值；τ：積分變量，表示過去的時間；

36、所述第二級低通濾波邏輯公式為：

37、

38、其中，vlp2：第二級低通濾波器輸出的低頻直流信號；vlp1(t)：第一級低通濾波器輸出的電壓；r′：第二級濾波器的電阻值；c′：第二級濾波器的電容值；τ：積分變量，表示過去的時間。

39、通過兩級低通濾波，可以得到一個較為穩(wěn)定的低頻直流信號，該信號代表了原始受控電壓的低頻成分，并且去除了大部分高頻噪聲；這個低頻直流信號后續(xù)可以被送到a/d轉換器進行采樣和處理。

40、優(yōu)選的，所述低通濾波器濾波后的電壓信號會被a/d轉換器采樣，其結果會被顯示屏實時顯示；所述顯示屏的更新與a/d轉換器的采樣同步；所述系統(tǒng)包含數據緩沖區(qū)，用于存儲連續(xù)的采樣結果，以便在需要時進行進一步分析；所述低通濾波器的截止頻率設定為1000赫茲，以濾除高于該頻率的噪聲；

41、所述a/d轉換器分辨率為12位，以確保采樣結果的精確性；所述a/d轉換器的采樣率設定為至少每秒1000次(1khz)，所述a/d轉換過程中的量化誤差不超過±0.5位，所述a/d轉換后的數字信號通過數字濾波算法進一步處理，以減少任何剩余的噪聲，所述數字濾波算法為：

42、

43、其中：vfiltercd[n]：在時間點n的濾波后的電壓值；vsamplcd[n-i]：在時間點n-i的原始采樣電壓值；n：濾波器的階數，即考慮的相鄰采樣點的數目。

44、優(yōu)選的，a/d轉換的結果會被作為調整電源占空比的依據；mcu采用pid控制算法，其中比例增益(kp)、積分時間(ti)、微分時間(td)分別設定為0.1秒、0.01秒、0.001秒，以實現(xiàn)快速且穩(wěn)定的系統(tǒng)響應。

45、本發(fā)明提供了一種高靈敏度電容測量裝置。具備以下有益效果：

46、(1)、裝置通過集成高穩(wěn)定性振蕩器和可調基準電壓源，結合調理電路和低通濾波器，實現(xiàn)了對微小電容變化的高靈敏度檢測，避免了測量結果易受環(huán)境因素如溫度、濕度變化或電磁干擾的影響，通過實時反饋控制機制，如pid控制算法，裝置能夠快速響應電容值的變化，實現(xiàn)動態(tài)調整和優(yōu)化，從而確保測量結果的準確性。同時，溫度補償機制的引入減少了溫度波動對測量結果的影響，使得裝置在不同環(huán)境條件下均能保持高精度和高穩(wěn)定性的測量性能。

47、(2)、裝置配備了高分辨率a/d轉換器和實時數據顯示功能，用戶界面直觀易操作，大大降低了使用門檻，裝置的實時數據顯示和用戶友好的操作界面使用戶能夠直觀地讀取測量結果并輕松進行操作，顯著提升了用戶體驗。這種設計使得非專業(yè)人士也能方便地進行墻體異物探測，提高了測量過程的便捷性和效率。

48、(3)、裝置的高靈敏度和穩(wěn)定性不僅適用于家居裝修和維修中的墻體異物探測，還可以擴展到建筑結構健康監(jiān)測、工業(yè)無損檢測、安防監(jiān)控等多個領域。這種廣泛的適用性使得裝置具有較高的市場潛力和實用價值。通過精確監(jiān)測墻體內部電容的變化，裝置能夠及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，提高安全防范能力，使該裝置在不同行業(yè)中的實際應用中具有較好潛力。