|
分析了電容傳感器寄生電容存在的主要原因，以及消除寄生電容干擾的幾種方法：主要采用驅(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)來減小寄生電容，以提高傳感器的性能。 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=ε0·εr·A/d0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 Ucx= Uo1- Uo2= Uo1- ( - A·Uo1) = (1+ A)·Uo1 放大器(-Aa)的輸出電壓為 Uo 3= - Aa·Uo2= A·Aa·Uo1 實(shí)現(xiàn)電纜芯線和內(nèi)層屏蔽電位相等，應(yīng)使UCX=Uo3，于是可以得到：(1+A)*Uo1=A*Aa*Uo1， 即Aa= 1+1/A 算放大器驅(qū)動(dòng)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(cè)電路。 圖2 整體屏蔽法 屏蔽技術(shù)就是利用金屬材料對(duì)于電磁波具有較好的吸收和反射能力來進(jìn)行抗干擾的。根據(jù)電磁干擾的特點(diǎn)選擇良好的低電阻導(dǎo)電材料或?qū)Т挪牧希瑯?gòu)成合適的屏蔽體。屏蔽體所起的作用好比是在一個(gè)等效電阻兩端并聯(lián)上一根短路線，當(dāng)無用信號(hào)串入時(shí)直接通過短路線，對(duì)等效電阻無影響。現(xiàn)就以差動(dòng)電容式傳感器為例，來說明整體屏蔽法的應(yīng)用。在圖3中，CX1，CX2作為差動(dòng)電容，U為電源，A為放大器。整體屏蔽法是把圖中整個(gè)電橋(包含電源電纜等)一起屏蔽起來，這種方法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)就在于接地點(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，與整體屏蔽體共地。這樣，傳感器公用極板與屏蔽體之間的寄生電容C1與測(cè)量放大器的輸入阻抗相并聯(lián)，從而就可把C1視作為放大器的輸入電容。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，但它只是影響傳感器的靈敏度，而對(duì)其他性能無有影響。另外的兩個(gè)寄生電容C3、C4分別并聯(lián)在兩橋臂R1、R2上，這樣就會(huì)影響到電橋的初始平衡和整體的靈敏度，但是并不會(huì)影響到電橋的正常工作。因此，寄生參數(shù)對(duì)傳感器電容的影響基本上就可以消除掉。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，其缺點(diǎn)就是使得結(jié)構(gòu)變得比較復(fù)雜。 圖3 另外采用集成法也是消除電容傳感器寄生電容干擾的一種有效方法。這種方法就是將傳感器與電子線路的前置級(jí)一同封裝在一個(gè)殼體內(nèi)，省去傳感器到前置放大級(jí)的電纜，這樣，寄生電容就可大大減小而且保持固定不變，使儀器處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。但是這種做法因?yàn)殡娮釉骷拇嬖诙荒茉谙鄬?duì)高溫或環(huán)境惡劣的地方正常使用。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。 總之，電容式傳感器的電容值都很小，一般在皮法級(jí)，連接線產(chǎn)生的分布電容其數(shù)值也在皮法級(jí)，從而會(huì)影響到測(cè)量精度，所以我們要求傳感器與轉(zhuǎn)換電路之間的連接線選用自身分布電容極小的高頻電纜，并盡量縮短傳感器到轉(zhuǎn)換電路之間的距離，在有條件時(shí)可以將傳感器、連接線、轉(zhuǎn)換電路整體屏蔽。 |
