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(lái)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(cè)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(cè)量，還可用于液位、壓力、成份含量等熱工方面的測(cè)量中。但因?yàn)殡娙菔絺鞲衅鞯某跏茧娙萘亢苄?，普通在皮法?jí)，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(cè)量精度，甚至使傳感器無(wú)法正常工作，所以必需設(shè)法消退寄生電容對(duì)電容傳感器的影響。以下對(duì)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(duì)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(duì)介電常數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)覺(jué)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(guò)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(zhǎng)度也可增強(qiáng)初始電容值c0。不過(guò)，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(duì)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)槭軒缀纬叽绲南拗疲淙萘慷际呛苄〉?，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(wú)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(wú)任何附加電容，特殊適用于傳感器電容很小狀況下的檢測(cè)。圖2整體屏蔽法屏蔽技術(shù)就是利用金屬材料對(duì)于電磁波具有較好的汲取和反射能力來(lái)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(wú)用信號(hào)串入時(shí)挺直通過(guò)短路途，對(duì)等效電阻無(wú)影響。現(xiàn)就以差動(dòng)電容式傳感器為例，來(lái)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(lái)，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(cè)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(duì)其他性能無(wú)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(huì)影響到電橋的初始平衡和整體的敏捷度，但是并不會(huì)影響到電橋的正常工作。因此，寄生參數(shù)對(duì)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(wèn)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(jí)一同封裝在一個(gè)殼體內(nèi)，省去傳感器到前置放大級(jí)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(duì)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(jí)，銜接線產(chǎn)生的分布電容其數(shù)值也在皮法級(jí)