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消除電容傳感器寄生電容的幾種方法

發(fā)布時(shí)間：2022-02-15人氣：855

　　電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

，靈敏度高，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。但由于電容式傳感器的初始電容量很小

，一般在皮法級(jí)

，而連接傳感器與電子線路的引電纜電容、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靈敏度

，而且這些電容是隨機(jī)變化的，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，所以必須設(shè)法消除寄生電容對(duì)電容傳感器的影響

。以下對(duì)消除電容傳感器寄生電容的幾種方法進(jìn)行分析

。

　　增加初始電容值法

　　采用增加初始電容值的方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=ε0·εr·A/d0可知

，采用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;或在兩電極之間覆蓋一層玻璃介質(zhì)

，用以提高相對(duì)介電常數(shù)

，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)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

，增加工作面積A或工作長(zhǎng)度也可增加初始電容值C0

。不過(guò)，這種方法要受到加工工藝和裝配工藝

、精度

、示值范圍、擊穿電壓等的限制

，一般電容的變化值在10-3～103pF之間

。

　　采用“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)，減小寄生電容

　　如圖1所示：在壓電傳感器和放大器A之間采用雙層屏蔽電纜

，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)而消除了芯線對(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

，電容傳感器由于受幾何尺寸的限制，其容量都是很小的

，一般僅幾個(gè)pF到幾十pF

。因C太小，故容抗XC=1/ωc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

。

　　運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)法

　　采用“驅(qū)動(dòng)電纜”法消除寄生電容，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)。而采用運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)法就可有效的去解決這一難題

。如圖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- ( - A·Uo1) = (1+ A)·Uo1

　　放大器(-Aa)的輸出電壓為

　　Uo 3= - Aa·Uo2= A·Aa·Uo1

　　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)法無(wú)任何附加電容

，特別適用于傳感器電容很小情況下的檢測(cè)電路

。

　　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吸收和反射能力來(lái)進(jìn)行抗干擾的。根據(jù)電磁干擾的特點(diǎn)選擇良好的低電阻導(dǎo)電材料或?qū)Т挪牧?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">，?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)上一根短路線，當(dāng)無(wú)用信號(hào)串入時(shí)直接通過(guò)短路線

，對(duì)等效電阻無(wú)影響?div id="4qifd00" class="flower right">

，F(xiàn)就以差動(dòng)電容式傳感器為例，來(lái)說(shuō)明整體屏蔽法的應(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整個(gè)電橋(包含電源電纜等)一起屏蔽起來(lái)

，這種方法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)就在于接地點(diǎn)的合理設(shè)置

。采用把接地點(diǎn)放在兩個(gè)平衡電阻R1

、R2之間，與整體屏蔽體共地

。這樣

，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

。由于放大器的輸入阻抗應(yīng)具有極大的值

，C1的并聯(lián)也不希望存在，但它只是影響傳感器的靈敏度

，而對(duì)其他性能無(wú)有影響

。另外的兩個(gè)寄生電容C3、C4分別并聯(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靈敏度，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除掉。整體屏蔽法是解決電容傳感器寄生電容問(wèn)題的很好的方法

，其缺點(diǎn)就是使得結(jié)構(gòu)變得比較復(fù)雜

。

　　另外采用集成法也是消除電容傳感器寄生電容干擾的一種有效方法。這種方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)

。但是這種做法因?yàn)殡娮釉骷拇嬖诙荒茉谙鄬?duì)高溫或環(huán)境惡劣的地方正常使用。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。

　　總之

，電容式傳感器的電容值都很小

，一般在皮法級(jí)，連接線產(chǎn)生的分布電容其數(shù)值也在皮法級(jí)

，從而會(huì)影響到測(cè)量精度

，所以我們要求傳感器與轉(zhuǎn)換電路之間的連接線選用自身分布電容極小的高頻電纜，并盡量縮短傳感器到轉(zhuǎn)換電路之間的距離

，在有條件時(shí)可以將傳感器

、連接線、轉(zhuǎn)換電路整體屏蔽。

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