电流变液高电场强度介电常数测量电路

摘要

一种测量系统领域的电流变液高电场强度介电常数测量电路，包括：信号输入端子、反相器、发光二极管、电阻、四个开关二极管、两个自举电容、高压隔离驱动芯片IR2130、四个高压开关MOSFET管IRFPC50、被测电容、缓冲电容、积分电容、反馈电阻、运算放大器、测量结果电压量输出端子，采用500V高压对被测电容充电，采用耐600V高压并具有悬浮自举电源的高压隔离驱动芯片IR2130和耐600V高压的MOSFET开关管，以及在其中四只耐700V高压的超快恢复开关二极管，确保测量电路在500V充电电压下可靠地工作。本发明从根本上消除了寄生电容对测量精度的影响，可以测量在高电场强度条件下的电流变液的介电常数。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种测量技术领域的电路，具体地是一种电流变液高电场强度介电常数测量电路。

背景技术

电流变液是一种智能流体材料。在电场作用下，它可以瞬间由液态转变为类固态；电场撤消以后，它又可以迅速地从类固态恢复到液态。到目前为止，电流变液发生显著流变效应所需的电场强度一般都在2000V/mm以上。介电常数是电流变液研究的重要参数之一。一般通过测量充满电流变液的极板电容的电容量，然后计算得到电流变液的介电常数。已有的电容测量方法分为三类：振荡法、阻抗测量法(包括各种电桥测量技术)和充放电法。在实际应用中，电流变液总是受到一个单向电场的开、关式作用，与这个工作模式相类似的测量方法是充放电法。一般的充放电法的测量精度容易受到寄生电容的影响。另一方面，由于受到测量电路电源和器件耐压的限制，在所有这些测量电路或装置中，被测电容的充电电压值都比较低(＜30V)，以电容两个极板的距离为0.25mm计算，电容极板间的电场强度幅值小于120V/mm，远低于电流变液发生显著效应所需的电场强度(＞2000V/mm)。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利号：01112515.2，发明名称：电容层析成像电容测量系统，该专利采用了一个电荷放大器、两个采样保持器和一个仪用放大器组成的电容测量电路。激励电压在两个电平之间切换导致被测电容上的电荷量的变化和转移，电荷放大器在激励电压变化前后的两个稳态输出电压分别被两个采样保持器所采样并保持。两个采样保持器的输出电压分别输入到仪用放大器的正相和反相输入端，然后仪用放大器输出一个与被测电容量成正比的直流电压值。根据激励电压源的两个电平差值、电荷放大器上反馈电容的电容量和仪用放大器的输出电压值即可计算得到被测电容器的电容值。该电路在原理上避免了寄生电容对测量结果的影响。如果将电路中激励源的电压升高至500V左右的高压，则存在两个导致电路损坏的可能性。如果被测电容器击穿，那么激励源的电压会直接加到电荷放大器的反相输入端，从而损坏电荷放大器。另一个可能性发生在激励源开通和关断时刻，激励源开通时，被测电容两端的电压为零，这时将会有+500V的电压加到电荷放大器的反相输入端，电荷放大器将会被损坏；激励源关断时，它的输出电压为零，电荷放大器的反相输入端的电压等于-500V，同样会导致电荷放大器被损坏。因此，该电路不能用来测量在高电场强度条件下电流变液的介电常数。

发明内容

本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种电流变液高电场强度介电常数测量电路，使其基于高电压电容充放电原理，实现高电场强度条件下电流变液介电常数的测量。

本发明是通过以下技术方案实现的，包括：信号输入端子、反相器、发光二极管、电阻、四个开关二极管、两个自举电容、高压隔离驱动芯片IR2130、四个高压开关MOSFET管IRFPC50、被测电容、缓冲电容、积分电容、反馈电阻、运算放大器、测量结果电压量输出端子。电路连接关系为：信号输入端子分成两路，一路直接输入到IR2130上的HIN2引脚和LIN2引脚；另一路信号接到反相器的输入端，反相器的输出端接到IR2130上的HIN1引脚和LIN1引脚；电路的供电电源有两路，一路为+15V，另一路为+500V，两路电源共地；+15V电源和地线分别接到反相器、IR2130和运算放大器的电源输入引脚和地线引脚；发光二极管的正极接到+15V电源，负极连接一只限流电阻，这只电阻再接到IR2130的Faults引脚；第一只开关二极管的正极连接到+15V电源，负极连接到IR2130的VB1引脚；第二只开关二极管的正极连接到+15V电源，负极连接到IR2130的VB2引脚；第一只自举电容的一个引脚连接到IR2130的VB1引脚，另一个引脚连接到IR2130的VS1引脚；第二只自举电容的一个引脚连接到IR2130的VB2引脚，另一个引脚连接到IR2130的VS2引脚；IR2130的引脚HO1连接到第一只IRFPC50 MOSFET功率管的门极，引脚VS1连接到第一只IRFPC50 MOSFET功率管的源极；IR2130的引脚LO1连接到第二只IRFPC50MOSFET功率管的门极；IR2130的引脚VSO和VSS连接到地线；IR2130的引脚HO2连接到第三只IRFPC50 MOSFET功率管的门极，引脚VS2连接到第三只IRFPC50 MOSFET功率管的源极；IR2130的引脚LO2连接到第四只IRFPC50 MOSFET功率管的门极；第一只IRFPC50 MOSFET功率管的漏极连接到+500V电源；源极连接到第四只IRFPC50 MOSFET功率管的漏极，第四只IRFPC50 MOSFET功率管的源极连接到地线；第三只开关二极管的正极连接到运算放大器的反相输入端，负极连接到第三只IRFPC50 MOSFET功率管的漏极；第三只IRFPC50 MOSFET功率管的源极连接到第四只开关二极管的正极，第四只开关二极管的负极连接到第二只IRFPC50 MOSFET功率管的漏极；第二只IRFPC50 MOSFET功率管的源极连接到地线；被测电容的一个极板连接到第一只IRFPC50 MOSFET功率管的源极，另一个极板连接到第三只IRFPC50MOSFET功率管的源极；缓冲电容的一只引脚连接到运算放大器的反相输入端，另一只引脚连接到地线；运算放大器的正相输入端连接到地线；积分电容的一只引脚连接到运算放大器的反相输入端，另一只引脚连接到运算放大器的输出端；反馈电阻一只引脚连接到运算放大器的反相输入端，另一只引脚连接到运算放大器的输出端；运算放大器的输出端连接到测量结果电压量输出端子。

本发明由于采用了基于电荷传输原理的开关电容测量基本电路，因此从根本上消除了寄生电容对测量精度的影响。采用500V高压对被测电容充电，相应地，采用耐600V高压并具有悬浮自举电源的开关电源专用驱动芯片IR2130和可以耐600V高压的MOSFET开关管，以及在其中四只耐700V高压的超快恢复开关二极管，确保测量电路在500V充电电压下可靠地工作。本发明可以有效避免寄生电容对测量结果的影响。测量不同电容极板距离条件下的电容量并计算出相应的电流变液介电常数，然后分析介电常数测量结果和电场强度之间的关系，可以获得高电场强度条件下电流变液介电常数的详细特性，有助于更加全面和深入地揭示电流变效应和介电常数之间的关系。

附图说明

图1本发明测量电路图

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：信号输入端子1、反相器2、发光二极管3、电阻4、开关二极管5和6、自举电容7和8、高压隔离驱动芯片9、高压开关MOSFET管10、11、12和15、开关二极管13和14、被测电容16、缓冲电容17、积分电容18、反馈电阻19、运算放大器20，测量结果电压量输出端子21。

信号输入端子1分成两路，一路直接输入到高压隔离驱动芯片9上；另一路信号接到反相器2的输入端，反相器2的输出端接到高压隔离驱动芯片9上；电路的供电电源有两路，一路为+15V，另一路为+500V，两路电源共地；+15V电源和地线分别接到反相器2、高压隔离驱动芯片9和运算放大器20的电源输入引脚和地线引脚；发光二极管3、开关二极管5和6的正极均连接到+15V电源，发光二极管3的负极连接电阻4，电阻4再接到高压隔离驱动芯片9；开关二极管5、6的负极连接到高压隔离驱动芯片9；自举电容7、8连接到高压隔离驱动芯片9；高压隔离驱动芯片9连接到高压开关MOSFET管10、15、12、11；高压开关MOSFET管10的漏极连接到+500V电源，源极连接到高压开关MOSFET管11的漏极；高压开关MOSFET管11的源极连接到地线；开关二极管13的正极连接到运算放大器20的反相输入端，负极连接到高压开关MOSFET管12的漏极；高压开关MOSFET管12的源极连接到开关二极管14的正极，开关二极管14的负极连接到高压开关MOSFET管15的漏极，高压开关MOSFET管15的源极连接到地线；被测电容16的一个极板连接到高压开关MOSFET管10的源极，另一个极板连接到高压开关MOSFET管12的源极；缓冲电容17的一只引脚连接到运算放大器20的反相输入端，缓冲电容17的另一只引脚连接到地线；运算放大器20的正相输入端连接到地线；积分电容18的一只引脚连接到运算放大器20的反相输入端，另一只引脚连接到运算放大器20的输出端；反馈电阻19一只引脚连接到运算放大器20的反相输入端，另一只引脚连接到运算放大器20的输出端；运算放大器20的输出端连接到测量结果电压量输出端子21。

信号输入端子1一路直接输入到高压隔离驱动芯片9上的HIN2引脚和LIN2引脚；另一路信号接到反相器2的输入端，反相器2的输出端接到高压隔离驱动芯片9上的HIN1引脚和LIN1引脚。

电阻4接到高压隔离驱动芯片9的Faults引脚，开关二极管5、6的负极分别连接到高压隔离驱动芯片9的VB1引脚、VB2引脚；自举电容7的一个引脚连接到高压隔离驱动芯片9的VB1引脚，另一个引脚连接到高压隔离驱动芯片9的VS1引脚；自举电容8的一个引脚连接到高压隔离驱动芯片9的VB2引脚，另一个引脚连接到高压隔离驱动芯片9的VS2引脚。

高压隔离驱动芯片9的引脚HO1连接到高压开关MOSFET管10的门极，引脚VS1连接到高压开关MOSFET管10的源极；高压隔离驱动芯片9的引脚LO1连接到高压开关MOSFET管15的门极；高压隔离驱动芯片9的引脚VSO和VSS连接到地线；高压隔离驱动芯片9的引脚HO2连接到高压开关MOSFET管12的门极，引脚VS2连接到高压开关MOSFET管12的源极；高压隔离驱动芯片9的引脚LO2连接到高压开关MOSFET管11的门极。

本发明工作时，方波信号经信号输入端子1接入电路后分成两路，一路直接输入到高压隔离驱动芯片9上的HIN2和LIN2引脚，芯片9将该信号调理后控制高压开关MOSFET管11和12的通断；另一路信号经反相器2反相后输入到高压隔离驱动芯片9上的HIN1和LIN1引脚，芯片9将该信号调理后控制高压开关MOSFET管10和15的通断。当芯片发生故障，发光二极管3点亮，电阻4起到限制发光二极管3中电流的作用。开关二极管5和自举电容7构成悬浮自举电源，为芯片9中驱动高压开关MOSFET管10的有关电路供电；同样地，开关二极管6和自举电容8也构成悬浮自举电源，为芯片9中驱动高压开关MOSFET管12的有关电路供电。两个测量极板和其间的电流变液构成的电容器即为被测电容16(Cx)。开关二极管13和14分别起到阻断高压开关MOSFET管12和15各自的体内寄生二极管功能的作用。缓冲电容17的电容量远大于被测电容的电容量，起到转移和储存被测电容16上电荷的作用，同时也抑制了运算放大器20的反相输入端的电压冲击。高压开关MOSFET管10和15的方波驱动信号在相位上与高压开关MOSFET管12和11的驱动信号反相。高压开关MOSFET管10和15开通时，被测电容充电到500V电压。高压开关MOSFET管12和11开通时，被测电容上的电荷转移到缓冲电容17上。单位时间内充电的总电荷流经积分电容18、反馈电阻19和运算放大器20构成的电荷放大器。由于电荷放大器的反馈作用，单位时间内的充电总电荷产生流经反馈电阻19上的电流。积分电容18起到积分作用，平滑反馈电阻19两端的电压。测量电路在测量结果电压量输出端子21输出一个与充电电压、充放电频率、反馈电阻值和被测电容量成正比的直流电压。充电电压、充放电频率和反馈电阻值是已知的，因此由测量端21输出电压可以计算得到被测电容的电容量。

在高压开关MOSFET管12和15的漏极前分别串接开关二极管13和14，使高压开关MOSFET管12和15各自体内的寄生二极管失效，从而高压开关MOSFET管12、开关二极管13以及高压开关MOSFET管15、开关二极管14构成两个高压电子开关。

本发明开关二极管5、6、13和14采用反向耐压为700V的超快恢复二极管；高压隔离驱动芯片9采用国际整流器公司(International Rectifier Co.Ltd.)生产的专用驱动芯片IR2130，最高耐压达到600V；高压开关MOSFET管10、11、12和15采用IR公司生产IRFPC50 MOSFET功率管，耐压为600V；使得电路在500V充电电压作用下仍能可靠地工作。设定电容的充电电压为500V，如果电容极板的间距为0.5mm，那么电场强度为1000V/mm；如果电容极板的间距为0.25mm，那么电场强度为2000V/mm，依次类推。因此保持电容的充电电压为500V，通过调节电容极板之间的距离就可以调节极板之间的电场强度。本发明可以有效避免寄生电容对测量结果的影响，获得高电场强度条件下电流变液介电常数的详细特性。