消除電容傳感器寄生電容干擾的幾種方法

摘 要: 電容傳感器結(jié)構(gòu)簡單,分辨率高,但寄生電容的存在嚴(yán)重影響了其工作特性,文章分析了寄生電容存在的原因,采用驅(qū)動電纜技術(shù)、運(yùn)算放大器驅(qū)動技術(shù)、整體屏蔽技術(shù)、集成組合技術(shù)可有效減小寄生電容,提高傳感器的性能。
關(guān)鍵詞：電容傳感器;寄生電容;干擾;驅(qū)動電纜技術(shù);整體屏蔽技術(shù)
1 前言
---電容式傳感器具有溫度穩(wěn)定性好,結(jié)構(gòu)簡單,適應(yīng)性強(qiáng),動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于位移、振動、液位、壓力等測量中[1],但由于電容式傳感器的初始電容量很小,而連接傳感器與電子線路的引線電纜電容、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,影響測量精度,甚至使傳感器無法工作,必須設(shè)法消除寄生電容對傳感器的影響。
2 消除電容傳感器寄生電容的方法
2.1 增加初始電容值
---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?？刹捎脺p小極片或極筒間的間距,如平板式間距可減小為0.2mm,圓筒式間距可減小為0.15mm,增加工作面積或工作長度來增加原始電容值,但此種方法要受到加工和裝配工藝、精度、示值范圍、擊穿電壓等限制,一般電容變化值在10-3～103pF之間。

2.2 集成法[2]
---將傳感器與電子線路的前置級裝在一個殼體內(nèi),省去傳感器至前置級的電纜,這樣,寄生電容大為減小而且固定不變,使儀器工作穩(wěn)定。但這種做法因電子元器件的存在而不能在高溫或環(huán)境惡劣的地方使用。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。
2.3 采用“驅(qū)動電纜”技術(shù)
---在壓電傳感器和放大器之間采用雙層屏蔽電纜,并接入增益為1的驅(qū)動放大器,這種接法使得內(nèi)屏蔽與芯線等電位,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)外層之間的電容變成了驅(qū)動放大器的負(fù)載,因此,驅(qū)動放大器是一個輸入阻抗很高,具有容性負(fù)載,放大倍數(shù)為1的同相放大器。該方法的難點(diǎn)在于要在很寬的頻帶上實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)等于1,且輸入輸出的相移為零。為此,可采用運(yùn)算放大器法取代上述方法。
2.4 運(yùn)算放大器驅(qū)動法
---采用驅(qū)動電纜法消除寄生電容,要在很寬的頻帶上嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)等于1,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)動法可有效的解決這一難題。

---圖2中,（-Aa）為驅(qū)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(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
---UCX=U01-U02=U01-（-A U01）=（1+A）U01 （1）
---放大器（-Aa）的輸出電壓為
---U03= -AaU02 = AAaU01 （2）
---為實(shí)現(xiàn)電纜芯線和內(nèi)層屏蔽等電位,應(yīng)使
---UCX=U03
---于是可以得到
---（1+A）U01 = A Aa U01
---即Aa =1+(1/A) （3）
---運(yùn)算放大器驅(qū)動法無任何附加電容,特別適用于傳感器電容很小情況下的檢測電路。
2.5 整體屏蔽法
---以差動電容傳感器為例,說明整體屏蔽法。在圖3中,CXI,CX2為差動電容,U為電源,A為放大器。整體屏蔽法是把整個電橋（包含電源電纜等）一起屏蔽起來,設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)在于接地點(diǎn)的合理設(shè)置。采用把接地點(diǎn)放在兩個平衡電阻R1、R2之間,與整體屏蔽共地。這樣,傳感器公用極板與屏蔽之間的寄生電容C1與測量放大器的輸入阻抗并聯(lián),從而可把C1視作放大器的輸入電容。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,但它只是影響靈敏度而已。另外的兩個寄生電容C3、C4并聯(lián)在橋臂R1、R2上,會影響電橋的初始平衡和整體靈敏度,并不影響電橋的正常工作。因此寄生參數(shù)對傳感器電容的影響基本消除,整體屏蔽法是解決電容傳感器寄生電容問題的很好的方法,缺點(diǎn)是使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜。