電容傳感器寄生電容干擾的產(chǎn)生原因及消除方法

1、電容傳感器寄生電容干擾的產(chǎn)生原因及消除方法 分析了寄生電容存在的主要緣由，以及消退寄生電容干擾的幾種辦法：主要采納驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)、運(yùn)算驅(qū)動(dòng)技術(shù)、整體屏蔽技術(shù)、集成組合技術(shù)來減小寄生電容，以提高傳感器的性能。 引言電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)容易，敏捷度高，溫度穩(wěn)定性好，適應(yīng)性強(qiáng)，動(dòng)態(tài)性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，目前在檢測技術(shù)中不僅廣泛應(yīng)用于位移、振動(dòng)、角度、加速度等機(jī)械量的測量，還可用于液位、壓力、成份含量等熱工方面的測量中。但因?yàn)殡娙菔絺鞲衅鞯某跏茧娙萘亢苄?，普通在皮法級，而銜接傳感器與線路的引電纜電容、電子線路的雜散電容以及傳感器內(nèi)極板與周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等所形成的寄生電容卻較大，不僅降低了傳感器的敏捷度，

2、而且這些電容是隨機(jī)變幻的，使得儀器工作很不穩(wěn)定，從而影響測量精度，甚至使傳感器無法正常工作，所以必需設(shè)法消退寄生電容對電容傳感器的影響。以下對消退電容傳感器寄生電容的幾種辦法舉行分析。增強(qiáng)初始電容值法采納增強(qiáng)初始電容值的辦法可以使寄生電容相對電容傳感器的電容量減小。由公式c0=0ra/d0可知，采納減小極片或極筒間的間距d0，如平板式間距可減小為0.2毫米，圓筒式間距可減小為0.15毫米;或在兩電極之間籠罩一層玻璃介質(zhì)，用以提高相對介電常數(shù)，通過試驗(yàn)發(fā)覺傳感器的初始電容量c0不僅顯著提高了，同時(shí)也防止了過載時(shí)兩電極之間的短路;另外，增強(qiáng)工作面積a或工作長度也可增強(qiáng)初始電容值c0。不過，這種辦法

3、要受到加工工藝和裝配工藝、精度、示值范圍、擊穿等的限制，普通電容的變幻值在10-3103pf之間。采納“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)，減小寄生電容1所示：在壓電傳感器和放大器a之間采納雙層屏蔽電纜，并接入增益為1的驅(qū)動(dòng)放大器，這種接法可使得內(nèi)屏蔽與芯線等電位，進(jìn)而消退了芯線對內(nèi)屏蔽的容性漏電，克服了寄生電容的影響，而內(nèi)外層之間的電容cx變成了驅(qū)動(dòng)放大器的負(fù)載，電容傳感器因?yàn)槭軒缀纬叽绲南拗?，其容量都是很小的，普通僅幾個(gè)pf到幾十pf。因c太小，故容抗xc=1/c很大，為高阻抗元件;所以，驅(qū)動(dòng)放大器可以看成是一個(gè)輸入阻抗很高，且具有容性負(fù)載，放大倍數(shù)為1的同相放大器。圖1驅(qū)動(dòng)法采納“驅(qū)動(dòng)電纜”法消退寄生電容，

4、就是要在很寬的頻帶上嚴(yán)格去實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)放大器的放大倍數(shù)等于1，并且輸入輸出的相移為零，這是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。而采納運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)法就可有效的去解決這一難題。2所示：(-aa)為驅(qū)動(dòng)電纜放大器，其輸入是(-a)放大器的輸出，(-aa)放大器的輸入電容為(-a)放大器的負(fù)載，因此無附加電容和cx并聯(lián)，傳感器電容cx兩端電壓為ucx= uo1- uo2= uo1- ( - auo1) = (1+ a)uo1放大器(-aa)的輸出電壓為uo 3= - aauo2= aaauo1實(shí)現(xiàn)電纜芯線和內(nèi)層屏蔽電位相等，應(yīng)使ucx=uo3，于是可以得到：(1+a)*uo1=a*aa*uo1，即aa= 1+1/a算放大器驅(qū)動(dòng)

5、法無任何附加電容，特殊適用于傳感器電容很小狀況下的檢測。圖2整體屏蔽法屏蔽技術(shù)就是利用金屬材料對于電磁波具有較好的汲取和反射能力來舉行抗干擾的。按照電磁干擾的特點(diǎn)挑選良好的低導(dǎo)電材料或?qū)Т挪牧?，?gòu)成合適的屏蔽體。屏蔽體所起的作用好比是在一個(gè)等效電阻兩端并聯(lián)上一根短路途，當(dāng)無用信號串入時(shí)挺直通過短路途，對等效電阻無影響。現(xiàn)就以差動(dòng)電容式傳感器為例，來解釋整體屏蔽法的應(yīng)用。在圖3中，cx1，cx2作為差動(dòng)電容，u為電源，a為放大器。整體屏蔽法是把圖中囫圇電橋(包含電源電纜等)一起屏蔽起來，這種辦法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)就在于接地點(diǎn)的合理設(shè)置。采納把接地點(diǎn)放在兩個(gè)平衡電阻r1、r2之間，與整體屏蔽體共地。這樣

6、，傳感器公用極板與屏蔽體之間的寄生電容c1與測量放大器的輸入阻抗相并聯(lián)，從而就可把c1視作為放大器的輸入電容。因?yàn)榉糯笃鞯妮斎胱杩箲?yīng)具有極大的值，c1的并聯(lián)也不希翼存在，但它只是影響傳感器的敏捷度，而對其他性能無有影響。另外的兩個(gè)寄生電容c3、c4分離并聯(lián)在兩橋臂r1、r2上，這樣就會影響到電橋的初始平衡和整體的敏捷度，但是并不會影響到電橋的正常工作。因此，寄生參數(shù)對傳感器電容的影響基本上就可以消退掉。整體屏蔽法是解決電容傳感器寄生電容問題的很好的辦法，其缺點(diǎn)就是使得結(jié)構(gòu)變得比較復(fù)雜。圖3另外采納集成法也是消退電容傳感器寄生電容干擾的一種有效辦法。這種辦法就是將傳感器與電子線路的前置級一同封裝在一個(gè)殼體內(nèi)，省去傳感器到前置放大級的電纜，這樣，寄生電容就可大大減小而且保持固定不變，使儀器處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。但是這種做法由于電子元器件的存在而不能在相對高溫或環(huán)境惡劣的地方正常用法。也可利用集成工藝，把傳感器和調(diào)理電路集成于同一芯片，構(gòu)成集成電容傳感器?？傊?，電容式傳感器的電容值都很小，普通在皮法級，銜接線產(chǎn)生的分布電容其數(shù)值也在皮法級