電容傳感器寄生電容產(chǎn)生原因及消除方法

引 言

　　電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，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，從而影響測量精度，甚至使傳感器無法正常工作，所以必須設(shè)法消除寄生電容對電容傳感器的影響。以下對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電容傳感器的電容量減小。由公式C0 =

　　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)，用以提高相對介電常數(shù)，通過實(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)也防止了過載時(shí)兩電極之間的短路； 另外，增加工作面積A或工作長度也可增加初始電容值C0。不過，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。

　　圖1

　　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，因此無附加電容和Cx并聯(lián)，傳感器電容Cx 兩端電壓為

　　放大器（-Aa）的輸出電壓為