電容傳感器在使用中存在的幾個問題及處理方法

一、引言

電容傳感器是將被測的非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器，它不僅能測量荷重、位移、振動、角度、加速度等機(jī)械量，還能測量液面、料面、成分含量等熱工參量。這

種傳感器具有高阻抗、小功率、動態(tài)范圍大、動態(tài)響應(yīng)較快、幾乎沒有零漂、結(jié)構(gòu)簡單和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，電容傳感器在自動檢測技術(shù)中占有很重要的地位，并得到廣泛的應(yīng)用。但它在使用過程中也存在一些問題：

二、靈敏度的問題

由兩平行板組成的一個電容器，若忽略其邊緣效應(yīng)，其電容量可用下式表示：

式中，S為極板相互遮蓋面積，單位為m2;d為兩平行板間的距離，單位為m;ε為極板間介質(zhì)的介電常數(shù);εr極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù);ε0真空的介電常數(shù)。從上式可以看出，當(dāng)d小時可使電容量增大，而使靈敏度增加，但d過小容易引起電容器擊穿，一般我們可以采取在極板間放置云母來改善，此時電容C為兩電容串聯(lián)，可寫成：

式中，ε1云母片的介電常數(shù);ε2空氣的介電常數(shù);d0為氣隙寬度;d為兩極板間的距離。云母的介電常數(shù)為空氣的7倍，云母的擊穿電壓不少于103kv/mm，空氣的擊穿電壓僅為3kv/mm。厚度僅為0.01mm的云母片，它的擊穿電壓也不小于10kv/mm，因此有了云母片，極板之間的距離可大大減小，還能使電容傳感器輸出特性的線性得到改善。提高靈敏度除了采用加云母片的方法外，還可以采取以下措施：

1.提高電源頻率。

2.減小極板厚度可削弱邊緣效應(yīng)。

三、電容傳感器中一些量的變化范圍

在變極間距離的電容傳感器中，由于減小極間距離可以提高靈敏度，多用來測量微米級的位移，一般極板間距離不超過1mm，最大位移量應(yīng)限制在間距的1/10范圍內(nèi);在變極板工作面積的傳感器中，可以測量厘米級的位移。在電容傳感器中，正確選擇電容的大小是很重要的。合理的設(shè)計(jì)既可以使傳感器滿足測量范圍的要求，又可以提高靈敏度，減小非線性誤差。一般其電容的變化在103PF～104PF范圍內(nèi)，相對值ΔC/C的變化則在10-6～1范圍內(nèi)。電容元件輸出阻抗一般在108Ω～106Ω，該數(shù)值還與所采用的交流電源頻率有關(guān)。為了減小絕緣電阻的影響和提高靈敏度，電源頻率一般采用在50kHz以上，但是采用高頻電源使信號放大、傳輸?shù)葐栴}比低頻時復(fù)雜的多。

四、分布電容的影響問題

電容傳感器一個很關(guān)鍵的問題是分布電容電容量與傳感器電容量相比不僅不能忽略，而且影響還極其嚴(yán)重，其后果是造成傳輸效率降低、靈敏度下降、測量誤差增加及穩(wěn)定性變差。近幾年來，對此問題有了新的解決途徑。其中“整體屏蔽法”就是一例，以差動電容傳感器為例，說明整體屏蔽法，在下圖中，CX1、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分布電容C1與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有極大值，C1的并聯(lián)也不希望存在，但它只影響靈敏度而已，另外兩個分布電容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，分布參數(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分布電容問題的很好方法，缺點(diǎn)是使結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

圖1 消除分布電容的工作電路圖

五、非線性問題

變間隙式電容傳感器相對輸出表達(dá)式為：

由上式可知變間隙式電容傳感器相對輸出與輸入為非線性關(guān)系。由于Δd/d<<1，工程上常采用以下兩種近似處理方法的辦法：

1.近似線性處理：即取上式右邊第一項(xiàng)近似，有：

2，近似非線性處理：即取相對輸出表達(dá)式的前兩項(xiàng)近似，有：

上述兩種近似產(chǎn)生的相對非線性誤差為：

以上分析說明，相對非線性誤差r0與間隙d0也成反比例關(guān)系，因此提高傳感器的靈敏度和減小非線性誤差是相矛盾的。在實(shí)際應(yīng)用中，為解決這一矛盾，大都采用差動式電容傳感器。

擴(kuò)展閱讀：對電容稱呼的理解