本发明属于电工电子测量方法及装置。 在进行电容测量时，电容器的两个极板与地之间，电容器与测量电路的两条连线之间以及这些连线与地之间，都存在着杂散电容。用于工业测量的电容传感器，为避免空间电磁场的干扰，其极板和引线往往是被屏蔽的。如图1所示，屏蔽后的系统可等效为一个三端子电容网络，其中电容[6]为两个极板之间的电容，电容[7]、[8]分别为极板[1]及其引线[2]，极板[3]及其引线[4]与屏蔽[5]之间的电容。在实验室测量电容器时，也往往采用同轴电缆作为测量引线，因此实际被测电容也可用图1的等效电路来表示。为了准确地测量电容[6]，必须消除杂散电容[7]和[8]对于测量的影响。
已有的电容测量方法可分为三类：振荡法、阻抗测量法（包括各种电桥技术）和充放电法。一般来说，基于振荡法的电容测量仪有线路简单、价格低、使用方便等优点，但对于杂散电容比较敏感，漂移较大。基于阻抗法的电容测量仪，可以做到高精度，高稳定度及不受杂散电容影响，但线路比较复杂，成本较高，尤其是采用变压器电桥的装置，体积较大，价格较贵。充放电法具有电路简单等优点，其稳定度可做到稍好于振荡法。但目前采用充电法的电路，大都对杂散电容的影响比较敏感。图2为一基于充放电法的典型电路。曾于1984年由西德Endress & Hauser公司申请了专利。（Endress & Hauser patent 84087）。图中电容[6]，[9]分别为被测与参考电容。电路工作原理如下，在一个典型的充放电周期内，前半周期，CMOS开关[11]打开，[10]闭合，电源+Vc经[10]向被测电容[6]充电。充电完毕后，电容[6]中存贮的电荷为
Q＝VcCx
式中Cx为电容[6]的容量。在后半周期内，开关[10]打开，[11]闭合，电容[6]向由运算放大器[13]，电容[12]和[15]以及电阻[14]组成的电荷测量电路放电。由于测量电路地输入端处于虚地电位，电容[6]中的电荷全部流入测量电路，并由此得到一与此电荷量成比例的输出电压[16]。图2的右半部的电路元件及参数，与左半部相同，以形成电容[6]与电容[9]的差动比较电路。
图二所示电路的缺点是，在充电时，杂散电容[7]也被充电至+Vc，放电时电容[7]中的电荷也被测量电路测量。因此此电路对杂散电容敏感。由于杂散电容[7]中包含CMOS开关[10]、[11]的电容，这些电容对温度较敏感，这限制了整个电路的稳定度的改善。
为达上述目的，本发明设计出一种能抑制杂散电容影响的差动电容测量电路，由两个以上半导体开关和被测电容，参考电容一起组成的一个充放电桥路及电荷测量电路构成，其特征在于所说桥路中被测电容的第一极板与参考电容的第一个极板的相接点，通过所说的第一个半导体开关与该电荷测量电路相连，被测电容的第二个极板通过上述第二个半导体开关，与两个互不相同的电源电压相连，参考电容的第二个极板通过第三个半导体开关与上述两个电源电压相连。使上述两个电压中的一个对被测电容充电，另一个对参考电容充电;使被测电容和参考电容分别对所说两个电压中与自身充电电压不同的那一个放电，使被测电容及参考电容与电荷测量线路相连的一端在充电时处于地电位，放电时处于虚地电位，用电荷测量电路测量被测电容与参考电容的放电电流之差。
本发明利用上述电容测量电路设计出一种多量程电容测量仪，由多个半导体开关，被测电容，参考电容构成充放电桥路，由一电荷测量电路测量被测与参考电容放电电流之差;其特征在于所说的电荷测量电路具有多个不同的反馈增益电阻;由一振荡器和多个分频器提供多个不同的充放电频率，采用多路开关选择不同的充放电频率，反馈电阻值和充电电压的组合来改变测量仪的量程。
在本发明所述的电容测量电路的实施中，常取上述两个固定电源电压为大小相等，符号相反的电压。
本发明采用CMOS开关充放电桥路，所需元件很少且便宜;多量程测量靠改变频率和电阻值十分容易实现;对杂散电容影响的抑制能力强，其对杂散电容的敏感度为对被测电容的敏感度的万分之一;零点漂移在1MHZ频率时测试结果为0.002pF/12小时（室温变化不超过±2℃），可以提供的测量频率范围从约500HZ到2MHZ;可以测量差动电容及绝对电容，是一种价格低廉、测量精度高、稳定性好的电容测量仪。
附图简要说明
图1是工业电容传感器的一般结构及等效电路。
图2是现有技术中与本发明较接近的一种电路。
图3为能抑制杂散电容影响的充放电差动电容测量电路的原理图。
图4为图3中CMOS开关的时序图。
图5为多量程电容测量仪的原理电路图。
其中：[1]、[3]极板;[2]、[4]引线;[5]屏蔽;[6]被测电容;[7]、[8]杂散电容;[9]参考电容;[10]、[11]开关;[12]输入电容;[13]运算放大器;[14]电阻;[15]反馈电容;[16]输出电压;[17]、[18]、[19]CMOS开关;[20]电荷测量电路;[21]电容;[22]、[23]同轴电缆;[24]、[25]二极管;[26]开关;[27][33]电位器;[28]、[31]电压跟随器;[29]、[30]、[32]、[34]电阻;[35]模拟输出电压信号;[36]数字表头;[37]反相器;[38]、[39]电阻;[40]晶振;[41]、[42]电容;[43]分频器;[44]开关;[45]触发器;[46，48，50，52]二极管;[47]、[49]、[51]、[53]电阻;[54，55，56，57]反相器;[58～71]端子;[72，73]电阻;[74，75，76，77]控制开关;
本发明所述的能抑制杂散电容影响的差动电容电路的一种实施方案如图3所示，主要由被测电路[6]，参考电容[9]，CMOS开关[17]、[18]、[19]等所组成的充放电桥路以及电荷测量电路[20]组成。其工作原理叙述如下：电路的一个工作周期可分为正充电和反充电两个部分。按照图4所示的时序，在正充电半周期内，开关[17]掷向b，开关[18]掷向a，开关[19]掷向b，使得被测电容[6]两端的电压被充至+Vc，参考电容[9]两端的电压为+Vc，存贮在[6]和[9]中的电荷分别为
CxVc和CyVc
这里Cx和Cy分别代表被测电路[6]与参考电容[9]的电容量。
在反充电周期内，开关[19]掷向a，接通电荷测量电路，同时开关[17]掷向a，电容[6]被充电至-Vc;开关[18]掷向b，电容[9]被充电至-Vc。在此过程中从[6]流出的电荷为：
2VcCx
从[9]流出的电荷为
2VcCy
通过开关[19]流出电荷测量电路[20]的净电荷量为：
2Vc（Cx-Cy）
图3中的电荷测量电路由一个低漂移运算放大器（如LF355 356等）[13]，一个输入电容[12]，反馈电容[15]，反馈电阻[14]组成。输入电容[12]一般为0.1μF，至1μF，用来吸收放大器输入端的任何电压波动，以保证该点处于稳定的虚地电位。反馈电容[15]，电阻[14]决定低通滤波器频带宽度。电阻[14]还决定电荷测量电路[20]的增益。
在具体实现中，开关[17]、[18]、[19]每个都采用了CMOS 4066蕊片上的两个开关。
上述正反充电的过程以频率f重复进行，测量电路的输出[16]可由下示表示：
V＝2VcfRf（Cx-Cy） （1）
在这里V为输出电压，Rf是反馈电阻[14]的阻值。
在上述测量过程中，开关[17]和[18]始终在+Vc和-Vc间切换，而杂散电容[7]只是通过这两个电源充放电，其放电电流不通过电荷测量电路，因此不影响测量。开关[19]在测量过程中只是在地与由放大器反相输入端形成的虚地之间切换。由于地与虚地间的电位差比起充电电压Vc来说可以忽略不计，因此在开关[19]切换时杂散电容[8]中的电荷变化是微不足道的，从而电容[8]的变化对于测量的影响是微不足道的。实验表明测量电路对被测电容[6]的敏感度为对电容[7]和[8]的敏感度的大约一万倍。
根据式（1），若改变充电频率f，或反馈阻值Rf，则可以改变测量电路的量程。
根据这一原理设计的多量程电容测量仪。
如图5所示，由于是绝对电容测量，因此图3中的参考电容[9]及开关[18]被省去了;图3中的开关[17]由CMOS开关[74]和[75]来实现，开关[19]由[76]和[77]来实现。测量仪的测量引线采用了同轴电缆[22]和[23]。电阻[72]和[73]用来增加充电的阻尼。电容[21]用来吸收在对较大的被测电容[6]充放电时，A点所产生的电压尖峰。二极管[24]和[25]用来保护CMOS开关[74]和[75]。
控制开关[74-77]的时钟信号，由一个晶振方波发生器产生。该振荡器由反相器[37]，电阻[38][39]，晶振[40]和两个电容[41，42]组成。输出的方波经过14级分频器[43]，产生出若干个不同频率的信号，这些信号被分别由端子[65-71]引出。在选择仪表的量程时，用开关[44]选择不同的时钟频率，同时用开关[26]在端子[58-64]之间选择一个相应的反馈电阻值（为保证测量电路的频带不超过要求的范围，不同的反馈电阻一般配有不同的反馈电容）。选择后的时钟频率经一触发器[45]变为两路反相的方波，一路经反相器[54]，[55]驱动开关[76]与[75]，另一路经反相器[56]，[57]驱动开关[77]与[74]。用二极管[46，48，50，52]和电阻[47，49，51，53]组成的4个二极管一电阻并联电路提供下降沿迟延，从而保证当几个开关同时动作时，断开的开关总是稍先于闭合的开关而动作。
电容测量仪的量程可由电位器[27]进行微调。零点可由电位器[33]来调整，[32]、[34]为两个固定电阻，用于降低电位器[33]两端的电压降。[28]和[31]是两个电压跟随器，是调零与量程调整电路所需要的。[29]与[30]为两个阻值相同的电阻。测量电路的输出可以作为一个模拟电压信号[35]供其它仪表使用，也可以在[36]处接一个数字表头，直接读出电容值。