電容傳感器寄生電容產生原因及消除方法

2021-01-10 電子產品世界

引 言

　　電容式傳感器具有結構簡單，靈敏度高，溫度穩定性好，適應性強，動態性能好等一系列優點，目前在檢測技術中不僅廣泛應用於位移、振動、角度、加速度等機械量的測量，還可用於液位、壓力、成份含量等熱工方面的測量中。但由於電容式傳感器的初始電容量很小，一般在皮法級，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極板與周圍導體構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變化的，使得儀器工作很不穩定，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行分析。

　　增加初始電容值法

　　採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，採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，用以提高相對介電常數，通過實驗發現傳感器的初始電容量C0不僅顯著提高了，同時也防止了過載時兩電極之間的短路； 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、示值範圍、擊穿電壓等的限制， 一般電容的變化值在10-3～103pF之間。

　　採用「驅動電纜」技術，減小寄生電容

　　如圖1所示：在壓電傳感器和放大器A 之間採用雙層屏蔽電纜，並接入增益為1 的驅動放大器，這種接法可使得內屏蔽與芯線等電位，進而消除了芯線對內屏蔽的容性漏電，克服了寄生電容的影響，而內外層之間的電容Cx 變成了驅動放大器的負載，電容傳感器由於受幾何尺寸的限制，其容量都是很小的，一般僅幾個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，驅動放大器可以看成是一個輸入阻抗很高，且具有容性負載，放大倍數為1 的同相放大器。

　　

　　圖1

　　運算放大器驅動法

　　採用「驅動電纜」法消除寄生電容，就是要在很寬的頻帶上嚴格去實現驅動放大器的放大倍數等於1 ，並且輸入輸出的相移為零，這是設計的難點。而採用運算放大器驅動法就可有效的去解決這一難題。如圖2 所示：（-Aa）為驅動電纜放大器，其輸入是（-A）放大器的輸出，（-Aa）放大器的輸入電容為（-A）放大器的負載，因此無附加電容和Cx並聯，傳感器電容Cx 兩端電壓為

　　

　　放大器（-Aa）的輸出電壓為

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