專利名稱：純直流高電場介電常數(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，具體地是一種純直流高電場電流變液介電常數(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)。測量中，受信號處理電子電路器件耐壓的限制，兩個極板之間的電壓一般小于30V。因為極板的間距往往大于0.5mm，所以電流變液通常處在較低的電場強度下，遠低于電流變液發(fā)生顯著效應所需的電場強度(＞2000V/mm)。電流變液的效應取決于電場強度，電場強度對其介電常數(shù)的影響仍有待深入研究，而測量純直流高電場作用下的電流變液的介電常數(shù)的儀器及方法是開展該項研究工作的基本和必備的條件。
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的電容值。該電路在原理上避免了寄生電容對測量結果的影響。如果將電路中激勵源的電壓升高，那么有可能損壞電路。首先，一旦被測電容被擊穿，那么激勵源的電壓直接加到電荷放大器的反相輸入端，從而損壞電荷放大器。其次，激勵源開通時，被測電容兩端的電壓為零，這時加到電荷放大器的反相輸入端的電壓等于激勵源電壓，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最大電壓等于負的激勵源電壓，同樣會導致電荷放大器被損壞。實際上，由于高電壓條件下漏電流的存在，由電流變液作為電介質的電容在高電壓條件下表現(xiàn)為阻容特性，可以用一個電阻串聯(lián)一個電容、同時電容兩端再并聯(lián)一個電阻的電路模型來描述。在實際電容的這種特性下，運放電路將同時起到積分放大的作用，測量電路的功能將無法正常實現(xiàn)。綜上所述，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)明內容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足和缺陷，提供一種高電場強度介電常數(shù)測量電路。使其通過對電容層析成像電容測量系統(tǒng)原有電路的改進，提高激勵源電壓最大至6000V，兩個電平的差值為10V，電介質材料始終處在純直流偏置的強電場中，從而實現(xiàn)在純直流高電場條件下測量電介質材料的介電常數(shù)。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，包括高電壓激勵源、高電壓電子開關、被測電容、過壓保護電路和測量電路。高電壓激勵源產(chǎn)生兩個幅值相差10V的高壓電平；高電壓電子開關的一端連接高電壓激勵源，另一端連接被測電容；被測電容的一只引腳接到高電壓激勵源中兩個直流高電平中的其中一個；被測電容的另一只引腳連接到測量電路的輸入端；過壓保護電路設置在測量電路的輸入端和地線之間。
高電壓激勵源電路的主體由兩只串聯(lián)的電容組成，每只電容各并聯(lián)一只泄流電阻，上部的電容再并聯(lián)一只10V的穩(wěn)壓二極管；下部電容的負極引腳接地，它的耐壓大于8000V。高壓發(fā)生器的輸出高壓輸入到高電壓激勵源電路中上部電容的正極引腳，由于穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓作用，在兩只電容的連接處產(chǎn)生一個比輸入電壓低10V的直流高壓。高電壓電子開關的功能類似于一個單刀雙擲開關，在測量電路控制脈沖的作用下，相差10V的兩個直流高電平中的其中一個經(jīng)高電壓電子開關輸入到被測電容與高電壓電子開關輸出端相連接的引腳。實際電路中，高電壓電子開關由兩路半導體開關電路組成，兩個輸入端分別接到兩個直流高電平處，兩個電路的輸出端相連。在開關控制脈沖的作用下，任何時刻只有一路開關閉合。每一路半導體開關電路的主體由四只耐壓為1600V的IGBT開關功率管BUP309和一只耐壓為55V的MOSFET開關功率管IRFZ44N串接而成，外圍元件有穩(wěn)壓二極管、電阻、脈沖隔離變壓器和整流開關二極管等?？刂菩盘柾ㄟ^脈沖隔離變壓器控制MOSFET功率管IRFZ44N的通斷，從而實現(xiàn)整個開關電路的通斷。每一路半導體開關電路能夠耐受6000V以上的關斷電壓，同時脈沖隔離變壓器的耐壓也超過6000V，從而確保高電壓電子開關的隔離以及可靠地關斷。被測電容為兩個平板和被測電介質材料構成的電容器。過壓保護電路由兩只反向串聯(lián)的15V穩(wěn)壓二極管組成，連接測量電路，當反相輸入端出現(xiàn)異常高電壓時起到過壓保護的作用。測量電路由電子開關、電容、一個電荷放大器、兩個采樣保持器和一個儀用放大器組成。
當連接較高的高電平的電子開關關斷，而連接低10V的高電平的電子開關開通時，被測電容兩端的電荷量減少，電荷的變化量被測量電路所測量。由于10V電平差值對于激勵電壓源提供的兩個高電平而言可以忽略不計，可以認為被測電介質材料處在純直流高電場下。高電壓激勵源電路和高電壓電子開關是本發(fā)明為適應純直流高電場條件下電介質材料的介電常數(shù)測量的特有設計。高電壓電子開關的通斷控制產(chǎn)生電平變化，測量電路的控制與“電容層析成像電容測量系統(tǒng)”提出的方法完全相同。
與電容層析成像電容測量系統(tǒng)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是1)被測電介質材料處在純直流高電場強度作用下，電場強度可以調節(jié)。2)由一個高電壓激勵源通過穩(wěn)壓二極管、電容和電阻產(chǎn)生兩個高壓電平，電平差值穩(wěn)定，諧波含量少。3)高電壓電子開關可使被測電容的輸入電壓在兩個高壓電平之間快速切換，有利于提高測量精度；4)過壓保護措施提高了電路的可靠性。


圖1本發(fā)明電路原理框2本發(fā)明電路3本發(fā)明高電壓電子開關的半導體開關電路圖具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明包括高電壓激勵源、高電壓電子開關、被測電容、過壓保護電路和測量電路。高電壓激勵源產(chǎn)生兩個幅值相差10V的高壓電平。高電壓電子開關的一端連接高電壓激勵源，另一端連接被測電容。高電壓電子開關的功能類似于一個單刀雙擲開關，將被測電容的一只引腳接到高電壓激勵源中兩個直流高電平中的其中一個。被測電容的另一只引腳連接到測量電路的輸入端。過壓保護電路設置在測量電路的輸入端和地線之間。
所述的高電壓激勵源，包括穩(wěn)壓二極管W1、電阻R1和R2、電容C1和C2組成。穩(wěn)壓二極管W1、電阻R1和電容C1并聯(lián)，穩(wěn)壓二極管W1的雪崩擊穿電壓10V；電阻R2和電容C2并聯(lián)；電容C1和電容C2串聯(lián)；電容C1的正極連接高壓電源，電容C2的負極連接信號地；高電壓激勵源電路可以提供兩個相差10V的高壓電平。實際上，電容C2由多只電容串接、同時每只電容各并接一只均壓電阻構成，總的耐壓大于8000V。
所述的過壓保護電路，由兩只反向串聯(lián)的15V穩(wěn)壓二極管W2和W3組成，設置在測量電路的輸入端和地線之間。
如圖2、圖3所示，所述的高電壓電子開關，包括兩路半導體開關S1和S2。S1的輸入端連接高電壓激勵源中兩個高電平中較高的一個，S2的輸入端連接低10V的另一個高電壓電平；S1的輸出端和S2的輸出端相連，并且連接到被測電容C4的一只引腳。S1和S2具有相同的電路結構和元件，兩者均由超快恢復二極管D1～D10、IGBT開關功率管Q1～Q4、MOSFET開關功率管Q5、電阻R3～R17、穩(wěn)壓二極管W4～W8、脈沖隔離變壓器T1構成。
IGBT開關功率管Q1的C極是整個高電壓開關的輸入端，超快恢復二極管D1和D2正向串聯(lián)，每只二極管的反向耐壓為1500V，可以選用C618等型號；超快恢復二極管D1的陰極連接IGBT開關功率管Q1的C極；電阻R4的一只引腳連接IGBT開關功率管Q1的E極，另一只引腳連接超快恢復二極管D2的陽極；穩(wěn)壓二極管W4和電阻R5并聯(lián)，穩(wěn)壓二極管W4的耐壓為15V，它的陽極連接到超快恢復二極管D2的陽極，它的陰極連接到IGBT開關功率管Q1的G極；電阻R3的一只引腳連接IGBT開關功率管Q1的C極，另一只引腳連接IGBT開關功率管Q1的G極。
IGBT開關功率管Q2的C極連接超快恢復二極管D2的陽極，超快恢復二極管D3和D4正向串聯(lián)，每只二極管的反向耐壓為1500V，可以選用C618等型號；超快恢復二極管D3的陰極連接IGBT開關功率管Q2的C極；電阻R7的一只引腳連接IGBT開關功率管Q2的E極，另一只引腳連接超快恢復二極管D4的陽極；穩(wěn)壓二極管W5和電阻R8并聯(lián)，穩(wěn)壓二極管W5的耐壓為15V，它的陽極連接到超快恢復二極管D4的陽極，它的陰極連接到IGBT開關功率管Q2的G極；電阻R6的一只引腳連接IGBT開關功率管Q2的C極，另一只引腳連接IGBT開關功率管Q2的G極。
IGBT開關功率管Q3的C極連接超快恢復二極管D4的陽極，超快恢復二極管D5和D6正向串聯(lián)，每只二極管的反向耐壓為1500V，可以選用C618等型號；超快恢復二極管D5的陰極連接IGBT開關功率管Q3的C極；電阻R10的一只引腳連接IGBT開關功率管Q3的E極，另一只引腳連接超快恢復二極管D6的陽極；穩(wěn)壓二極管W6和電阻R11并聯(lián)，穩(wěn)壓二極管W6的耐壓為15V，它的陽極連接到超快恢復二極管D6的陽極，它的陰極連接到IGBT開關功率管Q3的G極；電阻R9的一只引腳連接IGBT開關功率管Q3的C極，另一只引腳連接IGBT開關功率管Q3的G極。
IGBT開關功率管Q4的C極連接超快恢復二極管D6的陽極，超快恢復二極管D7和D8正向串聯(lián)，每只二極管的反向耐壓為1500V，可以選用C618等型號；超快恢復二極管D7的陰極連接IGBT開關功率管Q4的C極；電阻R13的一只引腳連接IGBT開關功率管Q4的E極，另一只引腳連接超快恢復二極管D8的陽極；穩(wěn)壓二極管W7和電阻R14并聯(lián)，穩(wěn)壓二極管W7的耐壓為15V，它的陽極連接到超快恢復二極管D8的陽極，它的陰極連接到IGBT開關功率管Q4的G極；電阻R12的一只引腳連接IGBT開關功率管Q4的C極，另一只引腳連接IGBT開關功率管Q4的G極。
MOSFET開關功率管Q5的D極連接超快恢復二極管D8的陽極，超快恢復二極管D9是MOSFET開關功率管Q5的體內寄生二極管，它的陰極連接MOSFET開關功率管Q5的D極，它的陽極連接MOSFET開關功率管Q5的S極；電阻R15的一只引腳連接MOSFET開關功率管Q5的S極，另一只引腳連接高電壓電子開關的輸出端；電阻R16的一只引腳連接MOSFET開關功率管Q5的G極，另一只引腳連接高電壓電子開關的輸出端；穩(wěn)壓二極管W8的陽極連接到高電壓電子開關的輸出端，穩(wěn)壓二極管W8的陰極連接IGBT開關功率管Q4的G極；電阻R16的一只引腳連接MOSFET開關功率管Q5的G極，另一只引腳連接超快恢復二極管D8的陰極；電阻R17的一只引腳連接MOSFET開關功率管Q5的G極，另一只引腳連接超快恢復二極管D10的陰極；超快恢復二極管D10的陽極連接脈沖隔離變壓器T1的副邊兩個引腳中的其中一個，脈沖隔離變壓器T1的副邊的另一個引腳連接高電壓電子開關的輸出端；脈沖隔離變壓器T1的原邊的兩個引腳接開關的通斷控制信號。
所述的被測電容，是以電介質材料為電介質的電容C4，被測電容C4的一只引腳連接高電壓電子開關的輸出端，而被測電容C4的另外一只引腳連接測量電路的輸入端；電容C3是被測電容C4通往高電壓開關的引線的對地電容，C5是被測電容C4通往測量電路中運算放大器A1反相輸入端引線的對地電容。
所述的測量電路，由電子開關S3、S4和S5，電容C6、C7和C8，運算放大器A1和A2，采樣保持器B1和B2組成。運算放大器A1是高輸入阻抗的運算放大器，如TL081等；穩(wěn)壓二極管W2和W3反向串聯(lián)，雪崩擊穿電壓為15V，穩(wěn)壓二極管W2的另一只引腳連接到運算放大器A1的反相輸入端，穩(wěn)壓二極管W3的另一只引腳接地；電容C6和電子開關S3并聯(lián)，電容C6的一只引腳連接到運算放大器A1的反相輸入端，電容C6的另一只引腳連接到運算放大器A1的輸出端；電子開關S4的一只引腳連接運算放大器A1的輸出端，電子開關S4的另一只引腳連接到采樣保持器B1的輸入端；電子開關S5的一只引腳連接運算放大器A1的輸出端，電子開關S5的另一只引腳連接到采樣保持器B2的輸入端；緩沖電容C7的一只引腳連接到采樣保持器B1的輸入端，電容C7的另一只引腳接地，電容C8的一只引腳連接到采樣保持器B2的輸入端，電容C8的另一只引腳接地；采樣保持器B1的輸出端連接儀用運算放大器A2的反相輸入端，采樣保持器B2的輸出端連接儀用運算放大器A2的正相輸入端，A2可以選用AD620儀用運算放大器。
權利要求
1.一種純直流高電場介電常數(shù)測量電路，包括測量電路，其特征在于，還包括高電壓激勵源、高電壓電子開關、被測電容、過壓保護電路，高電壓激勵源產(chǎn)生兩個幅值相差10V的高壓電平；高電壓電子開關的一端連接高電壓激勵源，另一端連接被測電容；高電壓電子開關的功能類似于一個單刀雙擲開關，將被測電容的一只引腳接到高電壓激勵源中兩個直流高電平中的其中一個；被測電容的另一只引腳連接到測量電路的輸入端；過壓保護電路設置在測量電路的輸入端和地線之間。
2.根據(jù)權利要求1所述的純直流高電場介電常數(shù)測量電路，其特征是，所述的高電壓激勵源，包括穩(wěn)壓二極管W1、電阻R1和R2、電容C1和C2組成，穩(wěn)壓二極管W1、電阻R1和電容C1并聯(lián)，穩(wěn)壓二極管W1的雪崩擊穿電壓10V；電阻R2和電容C2并聯(lián)，電容C1和電容C2串聯(lián)；電容C1的正極連接高壓電源，電容C2的負極連接信號地；電容C2由多只電容串接、同時每只電容并接一只均壓電阻構成，總的耐壓大于8000V。
3.根據(jù)權利要求1所述的純直流高電場介電常數(shù)測量電路，其特征是，所述的被測電容，是以兩個極板和被測電介質材料構成的電容C4，電容C3是被測電容C4通往高電壓開關的引線的對地電容，C5是被測電容C4通往測量電路中的對地電容。
4.根據(jù)權利要求1所述的純直流高電場介電常數(shù)測量電路，其特征是，所述的過壓保護電路，由兩只反向串聯(lián)的15V穩(wěn)壓二極管W2和W3組成，設置在測量電路的輸入端和地線之間。
5.根據(jù)權利要求1所述的純直流高電場介電常數(shù)測量電路，其特征是，所述的高電壓電子開關，包括兩路半導體開關S1和S2，S1的輸入端連接高電壓激勵源中兩個高電平中較高的一個，S2的輸入端連接低10V的另一個高電壓電平；S1的輸出端和S2的輸出端相連，并且連接到被測電容C4的一只引腳。S1和S2具有相同的電路結構和元件，兩者均由超快恢復二極管D1～D10、IGBT開關功率管Q1～Q4、MOSFET開關功率管Q5、電阻R3～R17、穩(wěn)壓二極管W4～W8、脈沖隔離變壓器T1構成。
6.根據(jù)權利要求1或者5所述的純直流高電場介電常數(shù)測量電路，其特征是，所述的半導體開關S1和S2中，IGBT開關功率管Q1的C極是整個高電壓開關的輸入端，超快恢復二極管D1和D2正向串聯(lián)，每只二極管的反向耐壓為1500V；超快恢復二極管D1的陰極連接IGBT開關功率管Q1的C極；電阻R4的一只引腳連接IGBT開關功率管Q1的E極，另一只引腳連接超快恢復二極管D2的陽極；穩(wěn)壓二極管W4和電阻R5并聯(lián)，穩(wěn)壓二極管W4的耐壓為15V，它的陽極連接到超快恢復二極管D2的陽極，它的陰極連接到IGBT開關功率管Q1的G極；電阻R3的一只引腳連接IGBT開關功率管Q1的C極，另一只引腳連接IGBT開關功率管Q1的G極。
7.根據(jù)權利要求1或者5所述的純直流高電場介電常數(shù)測量電路，其特征是，所述的半導體開關S1和S2中，IGBT開關功率管Q2的C極連接超快恢復二極管D2的陽極，超快恢復二極管D3和D4正向串聯(lián)，每只二極管的反向耐壓為1500V；超快恢復二極管D3的陰極連接IGBT開關功率管Q2的C極；電阻R7的一只引腳連接IGBT開關功率管Q2的E極，另一只引腳連接超快恢復二極管D4的陽極；穩(wěn)壓二極管W5和電阻R8并聯(lián)，穩(wěn)壓二極管W5的耐壓為15V，它的陽極連接到超快恢復二極管D4的陽極，它的陰極連接到IGBT開關功率管Q2的G極；電阻R6的一只引腳連接IGBT開關功率管Q2的C極，另一只引腳連接IGBT開關功率管Q2的G極。
8.根據(jù)權利要求1或者5所述的純直流高電場介電常數(shù)測量電路，其特征是，所述的半導體開關S1和S2中，IGBT開關功率管Q3的C極連接超快恢復二極管D4的陽極，超快恢復二極管D5和D6正向串聯(lián)，每只二極管的反向耐壓為1500V；超快恢復二極管D5的陰極連接IGBT開關功率管Q3的C極；電阻R10的一只引腳連接IGBT開關功率管Q3的E極，另一只引腳連接超快恢復二極管D6的陽極；穩(wěn)壓二極管W6和電阻R11并聯(lián)，穩(wěn)壓二極管W6的耐壓為15V，它的陽極連接到超快恢復二極管D6的陽極，它的陰極連接到IGBT開關功率管Q3的G極；電阻R9的一只引腳連接IGBT開關功率管Q3的C極，另一只引腳連接IGBT開關功率管Q3的G極。
9.根據(jù)權利要求1或者5所述的純直流高電場介電常數(shù)測量電路，其特征是，所述的半導體開關S1和S2中，IGBT開關功率管Q4的C極連接超快恢復二極管D6的陽極，超快恢復二極管D7和D8正向串聯(lián)，每只二極管的反向耐壓為1500V；超快恢復二極管D7的陰極連接IGBT開關功率管Q4的C極；電阻R13的一只引腳連接IGBT開關功率管Q4的E極，另一只引腳連接超快恢復二極管D8的陽極；穩(wěn)壓二極管W7和電阻R14并聯(lián)，穩(wěn)壓二極管W7的耐壓為15V，它的陽極連接到超快恢復二極管D8的陽極，它的陰極連接到IGBT開關功率管Q4的G極；電阻R12的一只引腳連接IGBT開關功率管Q4的C極，另一只引腳連接IGBT開關功率管Q4的G極。
10.根據(jù)權利要求1或者5所述的純直流高電場介電常數(shù)測量電路，其特征是，所述的半導體開關S1和S2中，MOSFET開關功率管Q5的D極連接超快恢復二極管D8的陽極，超快恢復二極管D9是MOSFET開關功率管Q5的體內寄生二極管，它的陰極連接MOSFET開關功率管Q5的D極，它的陽極連接MOSFET開關功率管Q5的S極；電阻R15的一只引腳連接MOSFET開關功率管Q5的S極，另一只引腳連接高電壓電子開關的輸出端；電阻R16的一只引腳連接MOSFET開關功率管Q5的G極，另一只引腳連接高電壓電子開關的輸出端；穩(wěn)壓二極管W8的陽極連接到高電壓電子開關的輸出端，穩(wěn)壓二極管W8的陰極連接IGBT開關功率管Q4的G極；電阻R16的一只引腳連接MOSFET開關功率管Q5的G極，另一只引腳連接超快恢復二極管D8的陰極；電阻R17的一只引腳連接MOSFET開關功率管Q5的G極，另一只引腳連接超快恢復二極管D10的陰極；超快恢復二極管D10的陽極連接脈沖隔離變壓器T1的副邊兩個引腳中的其中一個，脈沖隔離變壓器T1的副邊的另一個引腳連接高電壓電子開關的輸出端；脈沖隔離變壓器T1的原邊的兩個引腳接開關的通斷控制信號。
全文摘要
一種測量技術領域的純直流高電場介電常數(shù)測量電路，包括高電壓激勵源、高電壓電子開關、被測電容、過壓保護電路和測量電路，高電壓激勵源產(chǎn)生兩個幅值相差10V的高壓電平；高電壓電子開關的一端連接高電壓激勵源，另一端連接被測電容；高電壓電子開關的功能類似于一個單刀雙擲開關，將被測電容的一只引腳接到高電壓激勵源中兩個直流高電平中的其中一個；被測電容的另一只引腳連接到測量電路的輸入端；過壓保護電路設置在測量電路的輸入端和地線之間。本發(fā)明中的電介質材料處在純直流高電場強度作用下，并且電場強度可以調節(jié)，有助于揭示電介質材料的介電常數(shù)和電場強度的關系。
文檔編號G01R31/12GK1737595SQ20051002948
公開日2006年2月22日 申請日期2005年9月8日 優(yōu)先權日2005年9月8日
發(fā)明者陳樂生, 裘揆, 陳大躍 申請人:上海交通大學