專利名稱：電流變液高電場強度介電常數(shù)測量電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種測量技術領域的電路，具體地是一種電流變液高電場強度介電常數(shù)測量電路。
背景技術：
電流變液是一種智能流體材料。在電場作用下，它可以瞬間由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轭惞虘B(tài)；電場撤消以后，它又可以迅速地從類固態(tài)恢復到液態(tài)。到目前為止，電流變液發(fā)生顯著流變效應所需的電場強度一般都在2000V/mm以上。介電常數(shù)是電流變液研究的重要參數(shù)之一。一般通過測量充滿電流變液的極板電容的電容量，然后計算得到電流變液的介電常數(shù)。已有的電容測量方法分為三類振蕩法、阻抗測量法(包括各種電橋測量技術)和充放電法。在實際應用中，電流變液總是受到一個單向電場的開、關式作用，與這個工作模式相類似的測量方法是充放電法。一般的充放電法的測量精度容易受到寄生電容的影響。另一方面，由于受到測量電路電源和器件耐壓的限制，在所有這些測量電路或裝置中，被測電容的充電電壓值都比較低(＜30V)，以電容兩個極板的距離為0.25mm計算，電容極板間的電場強度幅值小于120V/mm，遠低于電流變液發(fā)生顯著效應所需的電場強度(＞2000V/mm)。
經(jīng)對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利號01112515.2，發(fā)明名稱電容層析成像電容測量系統(tǒng)，該專利采用了一個電荷放大器、兩個采樣保持器和一個儀用放大器組成的電容測量電路。激勵電壓在兩個電平之間切換導致被測電容上的電荷量的變化和轉(zhuǎn)移，電荷放大器在激勵電壓變化前后的兩個穩(wěn)態(tài)輸出電壓分別被兩個采樣保持器所采樣并保持。兩個采樣保持器的輸出電壓分別輸入到儀用放大器的正相和反相輸入端，然后儀用放大器輸出一個與被測電容量成正比的直流電壓值。根據(jù)激勵電壓源的兩個電平差值、電荷放大器上反饋電容的電容量和儀用放大器的輸出電壓值即可計算得到被測電容器的電容值。該電路在原理上避免了寄生電容對測量結(jié)果的影響。如果將電路中激勵源的電壓升高至500V左右的高壓，則存在兩個導致電路損壞的可能性。如果被測電容器擊穿，那么激勵源的電壓會直接加到電荷放大器的反相輸入端，從而損壞電荷放大器。另一個可能性發(fā)生在激勵源開通和關斷時刻，激勵源開通時，被測電容兩端的電壓為零，這時將會有+500V的電壓加到電荷放大器的反相輸入端，電荷放大器將會被損壞；激勵源關斷時，它的輸出電壓為零，電荷放大器的反相輸入端的電壓等于-500V，同樣會導致電荷放大器被損壞。因此，該電路不能用來測量在高電場強度條件下電流變液的介電常數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足和缺陷，提供一種電流變液高電場強度介電常數(shù)測量電路，使其基于高電壓電容充放電原理，實現(xiàn)高電場強度條件下電流變液介電常數(shù)的測量。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，包括信號輸入端子、反相器、發(fā)光二極管、電阻、四個開關二極管、兩個自舉電容、高壓隔離驅(qū)動芯片IR2130、四個高壓開關MOSFET管IRFPC50、被測電容、緩沖電容、積分電容、反饋電阻、運算放大器、測量結(jié)果電壓量輸出端子。電路連接關系為信號輸入端子分成兩路，一路直接輸入到IR2130上的HIN2引腳和LIN2引腳；另一路信號接到反相器的輸入端，反相器的輸出端接到IR2130上的HIN1引腳和LIN1引腳；電路的供電電源有兩路，一路為+15V，另一路為+500V，兩路電源共地；+15V電源和地線分別接到反相器、IR2130和運算放大器的電源輸入引腳和地線引腳；發(fā)光二極管的正極接到+15V電源，負極連接一只限流電阻，這只電阻再接到IR2130的Faults引腳；第一只開關二極管的正極連接到+15V電源，負極連接到IR2130的VB1引腳；第二只開關二極管的正極連接到+15V電源，負極連接到IR2130的VB2引腳；第一只自舉電容的一個引腳連接到IR2130的VB1引腳，另一個引腳連接到IR2130的VS1引腳；第二只自舉電容的一個引腳連接到IR2130的VB2引腳，另一個引腳連接到IR2130的VS2引腳；IR2130的引腳HO1連接到第一只IRFPC50 MOSFET功率管的門極，引腳VS1連接到第一只IRFPC50 MOSFET功率管的源極；IR2130的引腳LO1連接到第二只IRFPC50MOSFET功率管的門極；IR2130的引腳VSO和VSS連接到地線；IR2130的引腳HO2連接到第三只IRFPC50 MOSFET功率管的門極，引腳VS2連接到第三只IRFPC50 MOSFET功率管的源極；IR2130的引腳LO2連接到第四只IRFPC50 MOSFET功率管的門極；第一只IRFPC50 MOSFET功率管的漏極連接到+500V電源；源極連接到第四只IRFPC50 MOSFET功率管的漏極，第四只IRFPC50 MOSFET功率管的源極連接到地線；第三只開關二極管的正極連接到運算放大器的反相輸入端，負極連接到第三只IRFPC50 MOSFET功率管的漏極；第三只IRFPC50 MOSFET功率管的源極連接到第四只開關二極管的正極，第四只開關二極管的負極連接到第二只IRFPC50 MOSFET功率管的漏極；第二只IRFPC50 MOSFET功率管的源極連接到地線；被測電容的一個極板連接到第一只IRFPC50 MOSFET功率管的源極，另一個極板連接到第三只IRFPC50MOSFET功率管的源極；緩沖電容的一只引腳連接到運算放大器的反相輸入端，另一只引腳連接到地線；運算放大器的正相輸入端連接到地線；積分電容的一只引腳連接到運算放大器的反相輸入端，另一只引腳連接到運算放大器的輸出端；反饋電阻一只引腳連接到運算放大器的反相輸入端，另一只引腳連接到運算放大器的輸出端；運算放大器的輸出端連接到測量結(jié)果電壓量輸出端子。
本發(fā)明由于采用了基于電荷傳輸原理的開關電容測量基本電路，因此從根本上消除了寄生電容對測量精度的影響。采用500V高壓對被測電容充電，相應地，采用耐600V高壓并具有懸浮自舉電源的開關電源專用驅(qū)動芯片IR2130和可以耐600V高壓的MOSFET開關管，以及在其中四只耐700V高壓的超快恢復開關二極管，確保測量電路在500V充電電壓下可靠地工作。本發(fā)明可以有效避免寄生電容對測量結(jié)果的影響。測量不同電容極板距離條件下的電容量并計算出相應的電流變液介電常數(shù)，然后分析介電常數(shù)測量結(jié)果和電場強度之間的關系，可以獲得高電場強度條件下電流變液介電常數(shù)的詳細特性，有助于更加全面和深入地揭示電流變效應和介電常數(shù)之間的關系。


圖1本發(fā)明測量電路圖具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明包括信號輸入端子1、反相器2、發(fā)光二極管3、電阻4、開關二極管5和6、自舉電容7和8、高壓隔離驅(qū)動芯片9、高壓開關MOSFET管10、11、12和15、開關二極管13和14、被測電容16、緩沖電容17、積分電容18、反饋電阻19、運算放大器20，測量結(jié)果電壓量輸出端子21。
信號輸入端子1分成兩路，一路直接輸入到高壓隔離驅(qū)動芯片9上；另一路信號接到反相器2的輸入端，反相器2的輸出端接到高壓隔離驅(qū)動芯片9上；電路的供電電源有兩路，一路為+15V，另一路為+500V，兩路電源共地；+15V電源和地線分別接到反相器2、高壓隔離驅(qū)動芯片9和運算放大器20的電源輸入引腳和地線引腳；發(fā)光二極管3、開關二極管5和6的正極均連接到+15V電源，發(fā)光二極管3的負極連接電阻4，電阻4再接到高壓隔離驅(qū)動芯片9；開關二極管5、6的負極連接到高壓隔離驅(qū)動芯片9；自舉電容7、8連接到高壓隔離驅(qū)動芯片9；高壓隔離驅(qū)動芯片9連接到高壓開關MOSFET管10、15、12、11；高壓開關MOSFET管10的漏極連接到+500V電源，源極連接到高壓開關MOSFET管11的漏極；高壓開關MOSFET管11的源極連接到地線；開關二極管13的正極連接到運算放大器20的反相輸入端，負極連接到高壓開關MOSFET管12的漏極；高壓開關MOSFET管12的源極連接到開關二極管14的正極，開關二極管14的負極連接到高壓開關MOSFET管15的漏極，高壓開關MOSFET管15的源極連接到地線；被測電容16的一個極板連接到高壓開關MOSFET管10的源極，另一個極板連接到高壓開關MOSFET管12的源極；緩沖電容17的一只引腳連接到運算放大器20的反相輸入端，緩沖電容17的另一只引腳連接到地線；運算放大器20的正相輸入端連接到地線；積分電容18的一只引腳連接到運算放大器20的反相輸入端，另一只引腳連接到運算放大器20的輸出端；反饋電阻19一只引腳連接到運算放大器20的反相輸入端，另一只引腳連接到運算放大器20的輸出端；運算放大器20的輸出端連接到測量結(jié)果電壓量輸出端子21。
信號輸入端子1一路直接輸入到高壓隔離驅(qū)動芯片9上的HIN2引腳和LIN2引腳；另一路信號接到反相器2的輸入端，反相器2的輸出端接到高壓隔離驅(qū)動芯片9上的HIN1引腳和LIN1引腳。
電阻4接到高壓隔離驅(qū)動芯片9的Faults引腳，開關二極管5、6的負極分別連接到高壓隔離驅(qū)動芯片9的VB1引腳、VB2引腳；自舉電容7的一個引腳連接到高壓隔離驅(qū)動芯片9的VB1引腳，另一個引腳連接到高壓隔離驅(qū)動芯片9的VS1引腳；自舉電容8的一個引腳連接到高壓隔離驅(qū)動芯片9的VB2引腳，另一個引腳連接到高壓隔離驅(qū)動芯片9的VS2引腳。
高壓隔離驅(qū)動芯片9的引腳HO1連接到高壓開關MOSFET管10的門極，引腳VS1連接到高壓開關MOSFET管10的源極；高壓隔離驅(qū)動芯片9的引腳LO1連接到高壓開關MOSFET管15的門極；高壓隔離驅(qū)動芯片9的引腳VSO和VSS連接到地線；高壓隔離驅(qū)動芯片9的引腳HO2連接到高壓開關MOSFET管12的門極，引腳VS2連接到高壓開關MOSFET管12的源極；高壓隔離驅(qū)動芯片9的引腳LO2連接到高壓開關MOSFET管11的門極。
本發(fā)明工作時，方波信號經(jīng)信號輸入端子1接入電路后分成兩路，一路直接輸入到高壓隔離驅(qū)動芯片9上的HIN2和LIN2引腳，芯片9將該信號調(diào)理后控制高壓開關MOSFET管11和12的通斷；另一路信號經(jīng)反相器2反相后輸入到高壓隔離驅(qū)動芯片9上的HIN1和LIN1引腳，芯片9將該信號調(diào)理后控制高壓開關MOSFET管10和15的通斷。當芯片發(fā)生故障，發(fā)光二極管3點亮，電阻4起到限制發(fā)光二極管3中電流的作用。開關二極管5和自舉電容7構(gòu)成懸浮自舉電源，為芯片9中驅(qū)動高壓開關MOSFET管10的有關電路供電；同樣地，開關二極管6和自舉電容8也構(gòu)成懸浮自舉電源，為芯片9中驅(qū)動高壓開關MOSFET管12的有關電路供電。兩個測量極板和其間的電流變液構(gòu)成的電容器即為被測電容16(Cx)。開關二極管13和14分別起到阻斷高壓開關MOSFET管12和15各自的體內(nèi)寄生二極管功能的作用。緩沖電容17的電容量遠大于被測電容的電容量，起到轉(zhuǎn)移和儲存被測電容16上電荷的作用，同時也抑制了運算放大器20的反相輸入端的電壓沖擊。高壓開關MOSFET管10和15的方波驅(qū)動信號在相位上與高壓開關MOSFET管12和11的驅(qū)動信號反相。高壓開關MOSFET管10和15開通時，被測電容充電到500V電壓。高壓開關MOSFET管12和11開通時，被測電容上的電荷轉(zhuǎn)移到緩沖電容17上。單位時間內(nèi)充電的總電荷流經(jīng)積分電容18、反饋電阻19和運算放大器20構(gòu)成的電荷放大器。由于電荷放大器的反饋作用，單位時間內(nèi)的充電總電荷產(chǎn)生流經(jīng)反饋電阻19上的電流。積分電容18起到積分作用，平滑反饋電阻19兩端的電壓。測量電路在測量結(jié)果電壓量輸出端子21輸出一個與充電電壓、充放電頻率、反饋電阻值和被測電容量成正比的直流電壓。充電電壓、充放電頻率和反饋電阻值是已知的，因此由測量端21輸出電壓可以計算得到被測電容的電容量。
在高壓開關MOSFET管12和15的漏極前分別串接開關二極管13和14，使高壓開關MOSFET管12和15各自體內(nèi)的寄生二極管失效，從而高壓開關MOSFET管12、開關二極管13以及高壓開關MOSFET管15、開關二極管14構(gòu)成兩個高壓電子開關。
本發(fā)明開關二極管5、6、13和14采用反向耐壓為700V的超快恢復二極管；高壓隔離驅(qū)動芯片9采用國際整流器公司(International Rectifier Co.Ltd.)生產(chǎn)的專用驅(qū)動芯片IR2130，最高耐壓達到600V；高壓開關MOSFET管10、11、12和15采用IR公司生產(chǎn)IRFPC50 MOSFET功率管，耐壓為600V；使得電路在500V充電電壓作用下仍能可靠地工作。設定電容的充電電壓為500V，如果電容極板的間距為0.5mm，那么電場強度為1000V/mm；如果電容極板的間距為0.25mm，那么電場強度為2000V/mm，依次類推。因此保持電容的充電電壓為500V，通過調(diào)節(jié)電容極板之間的距離就可以調(diào)節(jié)極板之間的電場強度。本發(fā)明可以有效避免寄生電容對測量結(jié)果的影響，獲得高電場強度條件下電流變液介電常數(shù)的詳細特性。
權(quán)利要求
1.一種電流變液高電場強度介電常數(shù)測量電路，包括信號輸入端子(1)、反相器(2)、發(fā)光二極管(3)、電阻(4)、自舉電容(7、8)、被測電容(16)、緩沖電容(17)、積分電容(18)、反饋電阻(19)、運算放大器(20)，測量結(jié)果電壓量輸出端子(21)，其特征在于，還包括開關二極管(5、6)、高壓隔離驅(qū)動芯片(9)、高壓開關MOSFET管(10、11、12、15)、開關二極管(13、14)，信號輸入端子(1)分成兩路，一路直接輸入到高壓隔離驅(qū)動芯片(9)上，另一路信號接到反相器(2)的輸入端，反相器(2)的輸出端接到高壓隔離驅(qū)動芯片(9)上；電路的供電電源有兩路，一路為+15V，另一路為+500V，兩路電源共地，+15V電源和地線分別接到反相器(2)、高壓隔離驅(qū)動芯片(9)和運算放大器(20)的電源輸入引腳和地線引腳，發(fā)光二極管(3)、開關二極管(5、6)的正極均連接到+15V電源，發(fā)光二極管(3)的負極連接電阻(4)，電阻(4)再接到高壓隔離驅(qū)動芯片(9)，開關二極管(5、6)的負極連接到高壓隔離驅(qū)動芯片(9)，自舉電容(7、8)連接到高壓隔離驅(qū)動芯片(9)，高壓隔離驅(qū)動芯片(9)連接到高壓開關MOSFET管(10、15、12、11)，高壓開關MOSFET管(10)的漏極連接到+500V電源，源極連接到高壓開關MOSFET管(11)的漏極，高壓開關MOSFET管(11)的源極連接到地線，開關二極管(13)的正極連接到運算放大器(20)的反相輸入端，負極連接到高壓開關MOSFET管(12)的漏極，高壓開關MOSFET管(12)的源極連接到開關二極管(14)的正極，開關二極管(14)的負極連接到高壓開關MOSFET管(15)的漏極，高壓開關MOSFET管(15)的源極連接到地線，被測電容(16)的一個極板連接到高壓開關MOSFET管(10)的源極，另一個極板連接到高壓開關MOSFET管(12)的源極，緩沖電容(17)的一只引腳連接到運算放大器(20)的反相輸入端，緩沖電容(17)的另一只引腳連接到地線，運算放大器(20)的正相輸入端連接到地線，積分電容(18)的一只引腳連接到運算放大器(20)的反相輸入端，另一只引腳連接到運算放大器(20)的輸出端，反饋電阻(19)一只引腳連接到運算放大器(20)的反相輸入端，另一只引腳連接到運算放大器(20)的輸出端，運算放大器(20)的輸出端連接到測量結(jié)果電壓量輸出端子(21)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流變液高電場強度介電常數(shù)測量電路，其特征是，所述的信號輸入端子(1)，其一路直接輸入到高壓隔離驅(qū)動芯片(9)上的HIN2引腳和LIN2引腳，另一路信號接到反相器(2)的輸入端，反相器(2)的輸出端接到高壓隔離驅(qū)動芯片(9)上的HIN1引腳和LIN1引腳。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流變液高電場強度介電常數(shù)測量電路，其特征是，所述的高壓隔離驅(qū)動芯片(9)，最大耐壓為600V，并有懸浮電源自舉功能。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或者3所述的電流變液高電場強度介電常數(shù)測量電路，其特征是，所述的高壓隔離驅(qū)動芯片(9)，其Faults引腳連接電阻(4)，VB1引腳、VB2引腳分別連接開關二極管(5、6)的負極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或者3所述的電流變液高電場強度介電常數(shù)測量電路，其特征是，所述的高壓隔離驅(qū)動芯片(9)，其引腳HO1連接到高壓開關MOSFET管(10)的門極，引腳VS1連接到高壓開關MOSFET管(10)的源極，引腳LO1連接到高壓開關MOSFET管(15)的門極，引腳VSO和VSS連接到地線，引腳HO2連接到高壓開關MOSFET管(12)的門極，引腳VS2連接到高壓開關MOSFET管(12)的源極，引腳LO2連接到高壓開關MOSFET管(11)的門極。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流變液高電場強度介電常數(shù)測量電路，其特征是，所述的自舉電容(7、8)，自舉電容(7)的一個引腳連接到高壓隔離驅(qū)動芯片(9)的VB1引腳，另一個引腳連接到高壓隔離驅(qū)動芯片(9)的VS1引腳；自舉電容(8)的一個引腳連接到高壓隔離驅(qū)動芯片(9)的VB2引腳，另一個引腳連接到高壓隔離驅(qū)動芯片(9)的VS2引腳。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流變液高電場強度介電常數(shù)測量電路，其特征是，所述的被測電容(16)的充電電壓為500V高壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流變液高電場強度介電常數(shù)測量電路，其特征是，所述的高壓開關MOSFET管(10、11、12、15)，最大耐壓為600V，控制被測電容(16)的充電和放電。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或者8所述的電流變液高電場強度介電常數(shù)測量電路，其特征是，所述的高壓開關MOSFET管(12、15)，在其漏極前分別串接開關二極管(13、14)，使高壓開關MOSFET管(12、15)各自體內(nèi)的寄生二極管失效，從而高壓開關MOSFET管(12)、開關二極管(13)以及高壓開關MOSFET管(15)、開關二極管(14)構(gòu)成兩個高壓電子開關。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流變液高電場強度介電常數(shù)測量電路，其特征是，所述的開關二極管(5、6、13、14)，最大耐壓為700V。
全文摘要
一種測量系統(tǒng)領域的電流變液高電場強度介電常數(shù)測量電路，包括信號輸入端子、反相器、發(fā)光二極管、電阻、四個開關二極管、兩個自舉電容、高壓隔離驅(qū)動芯片IR2130、四個高壓開關MOSFET管IRFPC50、被測電容、緩沖電容、積分電容、反饋電阻、運算放大器、測量結(jié)果電壓量輸出端子，采用500V高壓對被測電容充電，采用耐600V高壓并具有懸浮自舉電源的高壓隔離驅(qū)動芯片IR2130和耐600V高壓的MOSFET開關管，以及在其中四只耐700V高壓的超快恢復開關二極管，確保測量電路在500V充電電壓下可靠地工作。本發(fā)明從根本上消除了寄生電容對測量精度的影響，可以測量在高電場強度條件下的電流變液的介電常數(shù)。
文檔編號G01R31/12GK1719265SQ200510028460
公開日2006年1月11日 申請日期2005年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月4日
發(fā)明者陳樂生, 裘揆, 陳大躍 申請人:上海交通大學