4.2电容式传感器的设计要点

4.2 电容式传感器的设计要点4.2.1 电容式传感器的特点1 优点1）温度稳定性好电容传感器的电容值，对电极而言，与电极的材料无关，仅取决于电极的尺寸；对介质而言，如果采用空气介质，其介质的能量损耗很小。

因此，电容自身的发热极小。

选取基板材料时，只需要从基板强度、温度系数和结构尺寸上考虑，而其它因素对电容值影响很小。

而电阻式传感器有电阻元件，故供电后发量热量大；电感式传感器存在铜损耗、磁滞和涡流损耗等，引起电感发热。

这些发热都会使传感器产生温度漂移，也叫温漂或零漂，故温度稳定性不好。

2）结构简单、适应性强从结构上看，电容结构为：两个金属极板，两根电极引线，极板间冲绝缘介质，绝缘介质可以是空气。

故结构非常简单，易于制造。

电容式传感器能够在高温、低温、强辐射及强磁场等恶劣环境中工作，故适应能量很强。

尤其可以在环境温差大、高压力和高冲击力的环境中，都能正常工作。

它能测量高压和低压差，能对带磁工件进行测量。

电容式传感器可以尺寸可以做的很小，以便能在有特殊要求的环境中测量。

3）动态响应好电容式传感器的固有频率很高，故其动态响应时间很短。

其介质损耗小，可以用较高频率给予供电。

因此电容式传感器的系统工作频率高。

电容式传感器可用于测量高速变化的参数，比如测量振动、瞬时压力等。

4）可实现非接触测量，具有平均效应当被测工件不允许接触式测量时，可以采用电容式传感器对其进行测量。

当采用非接触测量时，由于电容极板有一定的面积，是面非接触，故电容式传感器具有平均效应，它的测量是对被测面到极板的平均距离的一个结果。

这样，可以减小工件表面粗糙度对测量的影响。

2 缺点1）输出阻抗高，带负载能力差电容式传感器的容量受到电极几何尺寸等的限制，不易做大，一般为几十F μ到几百F μ。

因此，电容式传感器的输出阻抗高，带负载能量差。

这种电路易受外接干扰，使电路不稳定，甚至无法正常工作。

这里和前面讲的电容不易受环境影响是没有矛盾的，前面将的电容值C 不易受环境影响，而这里讲的是容抗c X 易受环境影响。

故不矛盾。

因此，必须对传感器电路采取屏蔽措施，但这会给设计、制造和使用带来诸多不便。

因为电容器的容抗大，故要求传感器绝缘部分的绝缘电阻值极高，一般在几十兆欧以上，否则，绝缘部分就将作为电容的旁路电阻进行分流，影响仪器性能。

为此，要特别注意传感器周围的温度、湿度和清洁度，这些都会影响传感器的绝缘电阻。

若采用高频供电，可降低传感器的输出阻抗，但是，高频电路的信号放大、传输都远比低频电路复杂，且寄生电容影响对电路影响很大，不易保证电路工作的稳定性。

2）寄生电容影响大电容器上的寄生电容是指，连接电容式传感器和电子线路的引线上存在的引线电容（电缆电容，1-2m 导线就可达800pF ）、电子线路的杂散电容和传感器内极板与其周围导体构成的电容等。

寄生电容较大，而传感器的初始电容量较小，故这大大降低了传感器的灵敏度。

寄生电容常常是随机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。

因此，对电线的选择、安装和接法都有严格的要求。

比如，可以选用屏蔽性好而自身分布电容小的高频电缆作为引线，引线尽可能地粗而短。

3）输出特性非线性变极距型电容传感器的输出特性是非线性的，虽然可以采用差分型电容来改善，但非线性依然存在而不能消除。

其它类型的电容传感器只有在忽略掉电场边缘效应（极板边缘电场线呈发散状，不均匀）的情况下，输出特性才呈线性。

否则，边缘效应所产生的附加电容量将与传感器电容量叠加，使输出特性呈现非线性。

4.2.3 保护绝缘材料的绝缘性能环境温度的变化会使电容式传感器内各零部件的几何尺寸变化，从而使它们的相对位置发生改变；同时，温度变化会使介质的介电常数改变。

这样使电容值发生变化，产生温度误差。

湿度也会影响介质的介电常数。

因此，尽量采用空气、云母等介电常数的温度系数接近于零的物质作为绝缘介质。

而且，非常好的是，湿度不会影响它们的介电常数。

温度和湿度还会影响绝缘材料的绝缘性能，使绝缘电阻改变。

金属极板应选用温度系数低的材料。

铁镍合金温度系数小，但较难加工。

可以在陶瓷或石英的表面上喷涂铁镍合金或银，这样的电极可以做得很薄，大大减小边缘效应，而且温度系数很小。

在电容式传感器内，电容极板（简称电极）表面的清洁程度直接影响电容的绝缘电阻，因此应保持其表面的清洁。

但是，其表面不便经常清洗，故应加以密封，用以防潮和防尘。

如果加密封不方便，那么可以在极板表面上镀一层薄的惰性金属，比如铑等，这样去密封极板。

铑惰性层可防潮、防尘、防湿和防腐等作用，但铑是稀有金属，镀铑成本较高。

电极支架的选取主要考虑机械强度和温度性两方面因素。

为固定和支撑电极，则要求支架应具备一定的机械强度。

为提高灵敏度，则要求支架材料的温度系数要低，以及其几何尺寸稳定性要好。

为减小环境对传感器的干扰，则要求支架的绝缘电阻高、吸潮性低和表面电阻小。

能满足这些条件的材料有塑料和有机玻璃，且易于加工；性能更好的材料有石英、云母、人造宝石和陶瓷等，但加工难度大。

在环境温度不太高时，可选用聚四氟乙烯作为支架，易于加工，绝缘性又好。

还可以采用差分式对称结构，来提高灵敏度和减小环境温度变化等带来的误差。

50至几兆赫兹，这样可以降低对传感器绝缘部分的绝缘性能要求。

电源的频率可选用kHz传感器内所有零部件应先清洗，后烘干，再装备。

传感器要密封，以防止外界水分的浸入，而引起电容值的变化或使绝缘性能变差。

传感器外壳的刚性要好，以免安装时变形。

4.2.3 等效电路图4.2.1（b）就是平板电容图4.2.1（a）从输入端A、B两点看进去的高频等效模型。

图4.2.1 电容式传感器的等效电路图4.2.1（b）中，L为传输线的线电感，R为传输线路的损耗等效电阻，根据电动力学知道，交流电频率越高，流过导线的电流就向越靠近导线的外表面，这一现象叫趋肤效应。

当频率升高时，导线的轴心几乎没有电流流过，电流分布在靠近导线外侧的圆环内，故导线的有效横截面积减小，C为寄生电容，它比线电阻增大。

频率越高，圆环面积越小，导线的电阻越大。

C为传感器电容。

P较小。

P R 为极板间的等效漏电阻，非常大。

一般情况下R L ω<<，可以忽略不计。

在实际传感器设计中，尽量使P C 很小，使P R 很大，那么它们也可忽略掉。

在频率较低时，L 也可忽略掉。

在高频时，电容器就等效为L 与C 的串联模型。

设那么它们的等效电容为e C ，由 11e j L j C j C ωωω=+ （4.2.1） 得到21e CC LC ω=- （4.2.2）这表明有效电容e C 比C 增大了。

传感器的灵敏度定义为e e C k d ∆=∆ （4.2.3） 由（4.2.2）得到()221e dCdC LC ω=-，于是得到 ()221e CC LC ω∆∆≈- （4.2.4）代入（4.2.3）得到()()2222111e C k k d LC LC ωω∆=⋅=∆-- （4.2.5） 其中C k d∆=∆。

可见，灵敏度是电源频率的函数，因此，当电源高频较高的情况下使用传感器，在改变电源频率或更换传输线路时，都必须对测量系统重新进行定标。

4.2.4 边缘效应对于电容式传感器，当极板厚度h 与极板间距离δ可比时，两极板边缘处电力线出现分布不均匀的现象，即边缘电场的影响就不能忽略了，如图4.2.2所示。

图4.2.2边缘效应的影响 图4.2.3带等位换结构的电容传感器对于变面积型和变介电常数型电容传感器而言，边缘效应不仅使灵敏度降低，而且还增加非线性。

因此应尽量减小或消除边缘效应。

适当减小极距，使极径（极板尺寸）与极距比增大，可以减小边缘效应的影响。

但是，如果这样，电容就更容易被击穿，还可能会限制传感器的测量范围。

可以减小极板厚度，使之与极距比很小。

将石英、陶瓷等非金属材料蒸涂一薄层金属作为极板，使极板的有效厚度减小，以减小边缘效应。

可以在结构上增设等位环，如图4.2.3所示。

把3叫等位环，工作时，使3的电位与极板2的点位相同，但保持电气绝缘，且等位环与极板2间隙越小越好。

那么，将极板间的边缘效应移到等位环与动极板的边缘，而保护环边缘的场强不均匀不会影响电容传感器的电容值计算，从而使定极板边缘处的电力线分布均匀，克服了边缘效应。

4.2.5 寄生电容电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，一般电容量都很小，10-3~103皮法，属于小功率、高阻抗器件，极易受外界干扰，尤其是电缆寄生电容，比电容传感器的电容大几倍至几十倍，且具有随机性，电缆电容又与传感器电容相并联，严重影响传感器的输出特性，甚至会淹没传感器的有用信号，使传感器无法使用。

因此，消灭寄生电容的影响，是电容式传感器实用化的关键。

消灭寄生电容的方法包括：1驱动电缆法如图4.2.4所示，驱动电缆法实际上是一种等电位屏蔽法。

电容传感器与测量电路的前置级之间的引线用双层屏蔽电缆，并接入增益为1的驱动放大器。

电容传感器接在放大器的正输入端，放大器的负输入端接地，放大器的输出接在双层屏蔽电缆的内层屏蔽上，由于放大器的增益为1，保证了内层屏蔽与芯线等电位，消除了芯线与内层屏蔽间寄生电容的影响。

由于电缆的内屏蔽层上有随传感器输出信号变化的电压，因此叫“驱动电缆”。

外屏蔽层接地或接仪器地，来防止外接电场的干扰。

而内、外层屏蔽间的电容转变为1驱动放大器的负载。

这种方法的难处是，要在很宽的频带上严格实现放大倍数等于1，且输出与输入的相移为零。

图4.2.4 驱动电缆法原理图2 整体屏蔽法图4.2.5中，1x C 和2x C 构成差动电容传感器，与平衡电阻3R 、4R 组成测量电桥，U&为电源电压，3C 、4C 为寄生电容，K 是不平衡电桥的指示放大器，1C 则是差动电容传感器公用极板与屏蔽之间的寄生电容。

所谓整体屏蔽法是将整个电桥（包括电源、电缆等）统一屏蔽起来，其关键是正确选取接地点，这里选取两平衡电阻3R 、4R 桥臂中间作为接地点，并与整体屏蔽共地。

1C 同放大器的输入阻抗并联，可归算到放大器的输入电容中去。

寄生电容3C 、4C 并在桥臂3R 、4R 上，只影响电桥的初始平衡及总体灵敏度，并不妨碍电桥的正确使用。

这样，寄生电容对传感器的影响基本上被消除。

整体屏蔽法是一种较好的方法，但总体结构较复杂。

图4.2.5 整体屏蔽法原理图。