消除电容传感器寄生电容干扰的几种方法

摘 要: 电容传感器结构简单,分辨率高,但寄生电容的存在严重影响了其工作特性,文章分析了寄生电容存在的原因,采用驱动电缆技术、运算放大器驱动技术、整体屏蔽技术、集成组合技术可有效减小寄生电容,提高传感器的性能。
关键词：电容传感器;寄生电容;干扰;驱动电缆技术;整体屏蔽技术 
1 前言
---电容式传感器具有温度稳定性好,结构简单,适应性强,动态响应好等优点,广泛应用于位移、振动、液位、压力等测量中[1],但由于电容式传感器的初始电容量很小,而连接传感器与电子线路的引线电缆电容、电子线路的杂散电容以及传感器内极板与周围导体构成的电容等所形成的寄生电容却较大,不仅降低了传感器的灵敏度,而且这些电容是随机变化的,使得仪器工作很不稳定,影响测量精度,甚至使传感器无法工作,必须设法消除寄生电容对传感器的影响。
2 消除电容传感器寄生电容的方法
2.1 增加初始电容值
---采用增加初始电容值的方法可以使寄生电容相对电容传感器的电容量减小。可采用减小极片或极筒间的间距,如平板式间距可减小为0.2mm,圆筒式间距可减小为0.15mm,增加工作面积或工作长度来增加原始电容值,但此种方法要受到加工和装配工艺、精度、示值范围、击穿电压等限制,一般电容变化值在10-3～103pF之间。

2.2 集成法[2]
 ---将传感器与电子线路的前置级装在一个壳体内,省去传感器至前置级的电缆,这样,寄生电容大为减小而且固定不变,使仪器工作稳定。但这种做法因电子元器件的存在而不能在高温或环境恶劣的地方使用。也可利用集成工艺,把传感器和调理电路集成于同一芯片,构成集成电容传感器。
2.3 采用“驱动电缆”技术
---在压电传感器和放大器之间采用双层屏蔽电缆,并接入增益为1的驱动放大器,这种接法使得内屏蔽与芯线等电位,消除了芯线对内屏蔽的容性漏电,克服了寄生电容的影响,而内外层之间的电容变成了驱动放大器的负载,因此,驱动放大器是一个输入阻抗很高,具有容性负载,放大倍数为1的同相放大器。该方法的难点在于要在很宽的频带上实现放大倍数等于1,且输入输出的相移为零。为此,可采用运算放大器法取代上述方法。
2.4 运算放大器驱动法
---采用驱动电缆法消除寄生电容,要在很宽的频带上严格实现放大倍数等于1,且输入输出的相移为零,这是设计的难点。而采用运算放大器驱动法可有效的解决这一难题。

---图2中,（-Aa）为驱动电缆放大器,其输入是（-A）放大器的输出,（-Aa）放大器的输入电容为(-A)放大器的负载,因此无附加电容和CX并联,传感器电容CX两端电压为
---UCX=U01-U02=U01-（-A U01）=（1+A）U01 （1）
---放大器（-Aa）的输出电压为
---U03= -AaU02 = AAaU01 （2）
---为实现电缆芯线和内层屏蔽等电位,应使
---UCX=U03
---于是可以得到
---（1+A）U01 = A Aa U01
---即Aa =1+(1/A) （3）
---运算放大器驱动法无任何附加电容,特别适用于传感器电容很小情况下的检测电路。
2.5 整体屏蔽法
 ---以差动电容传感器为例,说明整体屏蔽法。在图3中,CXI,CX2为差动电容,U为电源,A为放大器。整体屏蔽法是把整个电桥（包含电源电缆等）一起屏蔽起来,设计的关键点在于接地点的合理设置。采用把接地点放在两个平衡电阻R1、R2之间,与整体屏蔽共地。这样,传感器公用极板与屏蔽之间的寄生电容C1与测量放大器的输入阻抗并联,从而可把C1视作放大器的输入电容。由于放大器的输入阻抗应具有极大的值,C1的并联也不希望存在,但它只是影响灵敏度而已。另外的两个寄生电容C3、C4并联在桥臂R1、R2上,会影响电桥的初始平衡和整体灵敏度,并不影响电桥的正常工作。因此寄生参数对传感器电容的影响基本消除,整体屏蔽法是解决电容传感器寄生电容问题的很好的方法,缺点是使得结构复杂。