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(jiǎn)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(dòng)電纜技術(shù)、運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)單,適應(yīng)性強(qiáng),動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于位移、振動(dòng)、液位、壓力等測(cè)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(cè)量精度,甚至使傳感器無(wú)法工作,必須設(shè)法消除寄生電容對(duì)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(duì)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(zhǎng)度來(lái)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(jí)裝在一個(gè)殼體內(nèi),省去傳感器至前置級(jí)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(dòng)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(dòng)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(duì)內(nèi)屏蔽的容性漏電,克服了寄生電容的影響,而內(nèi)外層之間的電容變成了驅(qū)動(dòng)放大器的負(fù)載,因此,驅(qū)動(dòng)放大器是一個(gè)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(dòng)法
---采用驅(qū)動(dòng)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(dòng)法可有效的解決這一難題。

---圖2中,（-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(wú)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(dòng)法無(wú)任何附加電容,特別適用于傳感器電容很小情況下的檢測(cè)電路。
2.5 整體屏蔽法
 ---以差動(dòng)電容傳感器為例,說(shuō)明整體屏蔽法。在圖3中,CXI,CX2為差動(dòng)電容,U為電源,A為放大器。整體屏蔽法是把整個(gè)電橋（包含電源電纜等）一起屏蔽起來(lái),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(gè)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(cè)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(gè)寄生電容C3、C4并聯(lián)在橋臂R1、R2上,會(huì)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(duì)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(wèn)題的很好的方法,缺點(diǎn)是使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜。