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 C
C 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 dC
dC LC ω=-，于是得到 ()221e C
C 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。