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(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 =

　　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(zhǎng)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(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。

　　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