电容式传感器的设计要点

电容式传感器具有电容量小、输出阻抗高的特点，因此，在设计电容式传感器时必须考虑如环境温度、绝缘性能、电场边缘效应、寄生／分布电容等干扰因素的影响，并采取有效的抗干扰和补偿措施，才能发挥电容式传感器高灵敏度和高精度的优点，在进行电容式传感器设计时应注意采取以下措施：

（1）对温度误差进行补偿

电容式传感器内各个部件采用的材料不同，具有不同的热膨胀系数，因此，环境温度的改变将导致电容式传感器各部分零件的几何形状、尺寸和相互间几何位置的变化，从而使电容极板间隙或面积发生变化，导致附加温度误差。此外，环境温度的变化还会造成电容器极板间的某些填充介质的介电常数发生变化，这样也会造成温度误差。

为了减小温度误差，应选择温度系数小、几何尺寸稳定的材料制造电容式传感器，通常电极的支架宜选用陶瓷材料，而极板材料宜选用铁镍合金，采用在陶瓷或石英上喷镀一层金属作为电极的工艺制作电极效果更好。此外，电容器的电介质应尽量选用空气、云母等温度系数很小的材料制成，而少用煤油、硅油、蓖麻油等温度系数较大的介质。最后，在设计电容式传感器时，应尽量采用差动对称结构以通过电桥等测量电路对温度误差进行补偿。

（2）保证绝缘材料的绝缘性能

图7．18为电容式传感器的等效电路。图中，Rs为接线柱电阻、引出线电阻、电容极板电阻构成的串联损耗电阻，L为串联电感，C为电容器的电容，Rp为电容器两个极板间的漏电阻和介质损耗等效电阻构成的并联损耗电阻。

电容器存储的电荷会通过极板间的漏电阻Rp（可认为是电容器的绝缘电阻）泄漏掉，从而影响测量的灵敏度。虽然电容式传感器的漏电阻很高，漏电流很小，但是，电容式传感器的电容量C也非常小，通常在几皮法到几十皮法之间，当电源频率较低时，电容器的容抗可高达数百兆欧，因此，在一般电气设备中绝缘电阻有几兆欧就可以了，但是对电容式传感器来讲，即使上百兆欧的绝缘电阻也不能认为是绝缘的，这样就对绝缘部件（如电极支架）等的绝缘性能提出了更高要求。此外，绝缘电阻会随着环境温度和湿度而变化，致使电容式传感器的输出产生缓慢的零漂。

为了保证电容式传感器的绝缘性能，通常应选择玻璃、陶瓷、石英等绝缘性能好的材料作为绝缘部件，并采用特殊加工工艺（如将传感器密封）来减小温、湿度误差。此外，采用较高的激励电源频率（如数千赫至数兆赫），可以降低电容式传感器的内阻抗，从而相应降低了对绝缘电阻的要求。

图7．18 电容式传感器等效电路

图7．19 加等位环的圆形平板电容器

（3）降低边缘效应的影响

平行板电容器的电场在理想状况下可认为是均匀分布于两极板相互覆盖的空间中的，但实际上，极板边缘附近的电场分布是不均匀的，边缘电场的存在相当于给电容式传感器并联了一个附加电容，将使传感器的灵敏度下降、非线性增加。

为了尽量减少边缘效应，首先应增大电容器的初始电容量，即增大极板面积或减小极板间距。此外，加装等位环可以有效降低边缘效应（图7．19），在极板1的同一平面内加装一个同心环形等位环，极板1和等位环在保持绝缘的状态下应尽量接近，并加入相应的电子线路使两者之间保持等电位，于是使得电容式传感器两极板间的电场接近于均匀分布。

（4）消除和减小寄生电容的影响

电容式传感器除了极板间的电容外，极板还可能与周围物体（包括仪器中各种元件甚至人体）之间产生附加的电容联系，称为寄生电容，此外，传感器的导线之间，导线与仪器外壳之间都存在寄生电容。由于传感器本身的电容量很小，因此，寄生电容的影响是不可忽略的。更为严重的是，寄生电容又是分布不均且飘忽不定的，这就会对传感器产生严重干扰，经常导致测量中包含虚假信号。

消除和减小寄生电容的方法通常有以下4种：

①增加电容式传感器的原始电容值（增大极板面积和减小极板间距）可减小寄生电容的影响。

②采用模块化设计，缩短传感器与后端测量和放大电路的距离，降低各类导线长度，减小寄生参数。

③注意传感器的接地和屏蔽，将电容式传感器放置在金属壳体内，并将壳体与大地相连，传感器与测量／放大电路之间的引出导线必须采用屏蔽线。为了解决单层屏蔽线与引出导线之间存在较大且不稳定的分布电容，导致传感器与测量电路之间存在漏电现象的问题，可采用图7．20的“双层屏蔽等电位传输技术”，或称“驱动电缆技术”，图中，传感器的引出线与双层屏蔽线的内屏蔽层通过一个放大倍数严格为1（输入电压和输出电压的幅值、相位完全相同）的1∶1放大器相连，从而使引出线与内层屏蔽等电位，消除了连接线与内层蔽层的电容联系，而外屏蔽层仍然接地，内、外屏蔽层之间的电容将作为1∶1放大器的负载，不再与传感器的电容相并联，从而消除了寄生电容的影响。实践证明，采用驱动电缆法，即使传感器的引出线长达数米，传感器仍能可靠工作。

需要注意的是，驱动电缆法对1∶1放大器具有无穷大的输入阻抗和接近为零的输入电容，这在实际中是比较困难的。

④采用整体屏蔽法，将差动电容式传感器、后端的测量电路（如电桥电路）、供电电源、传输电缆等用一个统一的金属屏蔽罩保护起来，并选择合适的接地点，如图7．21所示。采用整体屏蔽法之后，公用极板与屏蔽罩之间的寄生电容C1连接在放大器的输入端，只影响放大器的输入阻抗和测量灵敏度，另外两个寄生电容C3及C4只在一定程度上影响电桥的初始平衡及总体灵敏度，但不影响电桥的正常工作。采用整体屏蔽法之后，寄生电容的影响基本上得到消除，并可有效抑制外界的干扰，但是该方法的结构较为复杂，成本较高。

图7．20 驱动电缆法

图7．21 整体屏蔽法