电容传感器寄生电容产生原因及消除方法

来源:本站整理 作者:秩名2012年05月28日 17:07
  引 言   电容式传感器具有结构简单,灵敏度高,温度稳定性好,适应性强,动态性能好等一系列优点,目前在检测技术中不仅广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的测量,还可用于液位、压力、成份含量等热工方面的测量中。但由于电容式传感器的初始电容量很小,一般在皮法级,而连接传感器与电子线路的引电缆电容、电子线路的杂散电容以及传感器内极板与周围导体构成的电容等所形成的寄生电容却较大,不仅降低了传感器的灵敏度,而且这些电容是随机变化的,使得仪器工作很不稳定,从而影响测量精度,甚至使传感器无法正常工作,所以必须设法消除寄生电容对电容传感器的影响。以下对消除电容传感器寄生电容的几种方法进行分析。   增加初始电容值法   采用增加初始电容值的方法可以使寄生电容相对电容传感器的电容量减小。由公式C0 =      可知,采用减小极片或极筒间的间距d0 ,如平板式间距可减小为0.2 毫米,圆筒式间距可减小为0.15毫米;或在两电极之间覆盖一层玻璃介质,用以提高相对介电常数,通过实验发现传感器的初始电容量C0不仅显著提高了,同时也防止了过载时两电极之间的短路; 另外,增加工作面积A或工作长度也可增加初始电容值C0。不过,这种方法要受到加工工艺和装配工艺、精度、示值范围、击穿电压等的限制, 一般电容的变化值在10-3~103pF之间。   采用“驱动电缆”技术,减小寄生电容   如图1所示:在压电传感器和放大器A 之间采用双层屏蔽电缆,并接入增益为1 的驱动放大器,这种接法可使得内屏蔽与芯线等电位,进而消除了芯线对内屏蔽的容性漏电,克服了寄生电容的影响,而内外层之间的电容Cx 变成了驱动放大器的负载,电容传感器由于受几何尺寸的限制,其容量都是很小的,一般仅几个pF到几十pF。因C太小,故容抗XC=1/ωc很大,为高阻抗元件;所以,驱动放大器可以看成是一个输入阻抗很高,且具有容性负载,放大倍数为1 的同相放大器。      图1   运算放大器驱动法   采用“驱动电缆”法消除寄生电容,就是要在很宽的频带上严格去实现驱动放大器的放大倍数等于1 ,并且输入输出的相移为零,这是设计的难点。而采用运算放大器驱动法就可有效的去解决这一难题。如图2 所示:(-Aa)为驱动电缆放大器,其输入是(-A)放大器的输出,(-Aa)放大器的输入电容为(-A)放大器的负载,因此无附加电容和Cx并联,传感器电容Cx 两端电压为      放大器(-Aa)的输出电压为      实现电缆芯线和内层屏蔽电位相等,应使UCX =Uo3 ,于是可以得到: (1 + A) *Uo1 = A*Aa*Uo1 ,   即      算放大器驱动法无任何附加电容,特别适用于传感器电容很小情况下的检测电路。      图2
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