电容式传感器的设计要点

4.2.1 电容式传感器的特点 1 优势

1）温度稳固性好

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，若是采纳空气介质，其介质的能量损耗很小。因此，电容自身的发烧极小。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阻碍很小。

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，引发电感发烧。这些发烧都会使传感器产生温度漂移，也叫温漂或零漂，故温度稳固性不行。 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，绝缘介质能够是空气。故结构超级简单，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。尤其能够在环境温差大、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。电容式传感器能够尺寸能够做的很小，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，故其动态响应时刻很短。其介质损耗小，能够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转变的参数，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

当被测工件不许诺接触式测量时，能够采纳电容式传感器对其进行测量。

当采纳非接触测量时，由于电容极板有必然的面积，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。如此，能够减小工件表面粗糙度对测量的阻碍。

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，不易做大，一样为几十F到几百F。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，使电路不稳固，乃至无法正常工作。那个地址和前面讲的电容不易受环境阻碍是没有矛盾的，前面将的电容值C不易受环境阻碍，而那个地址讲的是容抗Xc易受环境阻碍。故不矛盾。

因此，必需对传感器电路采取屏蔽方法，但这会给设计、制造和利用带来诸多不便。

因为电容器的容抗大，故要求传感器绝缘部份的绝缘电阻值极高，一样在几十兆欧以上，不然，绝缘部份就将作为电容的旁路电阻进行分流，阻碍仪器性能。为此，要专门注意传感器周围的温度、湿度和清洁度，这些都会阻碍传感器的绝缘电阻。

假设采纳高频供电，可降低传感器的输出阻抗，可是，高频电路的信号放大、传输都远比低频电路复杂，且寄生电容阻碍对电路阻碍专门大，不易保证电路工作的稳固性。

2）寄生电容阻碍大

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组成的电容等。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转变的，将使仪器工作很不稳固，阻碍测量精度。

因此，对电线的选择、安装和接法都有严格的要求。比如，能够选用屏蔽性好而自身散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，尽管能够采纳差分型电容来改善，但非线性仍然存在而不能排除。

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）的情形下，输出特性才呈线性。不然，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 爱惜绝缘材料的绝缘性能

环境温度的转变会使电容式传感器内各零部件的几何尺寸转变，从而使它们的相对位置发生改变；同时，温度转变会使介质的介电常数改变。如此使电容值发生转变，产生温度误差。湿度也会阻碍介质的介电常数。因此，尽可能采纳空气、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，超级好的是，湿度可不能阻碍它们的介电常数。温度和湿度还会阻碍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。能够在陶瓷或石英的表面上喷涂铁镍合金或银，如此的电极能够做得很薄，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阻碍电容的绝缘电阻，因此应维持其表面的清洁。可是，其表面不便常常清洗，故应加以密封，用以防潮和防尘。若是加密封不方便，那么能够在极板表面上镀一层薄的惰性金属，比如铑等，如此去密封极板。铑惰性层可防潮、防尘、防湿和防腐等作用，但铑是稀有金属，镀铑本钱较高。

电极支架的选取要紧考虑机械强度和温度性两方面因素。为固定和支撑电极，那么要求支架应具有必然的机械强度。为提高灵敏度，那么要求支架材料的温度系数要低，和其几何尺寸稳固性要好。

为减小环境对传感器的干扰，那么要求支架的绝缘电阻高、吸潮性低和表面电阻小。能知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。

还能够采纳差分式对称结构，来提高灵敏度和减小环境温度转变等带来的误差。

电源的频率可选用50kHz至几兆赫兹，如此能够降低对传感器绝缘部份的绝缘性能要求。 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，以避免外界水分的浸入，而引发电容值的转变或使绝缘性能变差。 传感器外壳的刚性要好，以避免安装时变形。 4.2.3 等效电路

图4.2.1（b）确实是平板电容图（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，依照电动力学明白，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，电流散布在靠近导线外侧的圆环内，故导线的有效横截面积减小，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。CP为寄生电容，它比较小。RP为极板间的等效漏电阻，超级大。

一样情形下RL，能够忽略不计。在实际传感器设计中，尽可能使CP很小，使RP专门大，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Ce，由

11jL （4.2.1） jCejC取得

CeC12LC （4.2.2）

这说明有效电容Ce比C增大了。传感器的灵敏度概念为

ke由（4.2.2）取得dCeCe （4.2.3） ddC221LCCe，于是取得

C1LC22 （4.2.4）

代入（4.2.3）取得

ke其中kC1k （4.2.5） 2222d1LC1LCC。可见，灵敏度是电源频率的函数，因此，当电源高频较高的情形下利用传感器，在d改变电源频率或改换传输线路时，都必需对测量系统从头进行定标。

4.2.4 边缘效应

关于电容式传感器，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显现散布不均匀的现象，即边缘电场的阻碍就不能忽略了，如图4.2.2所示。

图4.2.2边缘效应的阻碍 图带等位换结构的电容传感器

关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。因此应尽可能减小或排除边缘效应。

适当减小极距，使极径（极板尺寸）与极距比增大，能够减小边缘效应的阻碍。可是，若是如此，电容就更易被击穿，还可能会传感器的测量范围。

能够减小极板厚度，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。

能够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，但维持电断气缘，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，而爱惜环边缘的场强不均匀可不能阻碍电容传感器的电容值计算，从而使定极板边缘处的电力线散布均匀，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，一样电容量都很小，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，严峻阻碍传感器的输出特性，乃至会淹没传感器的有效信号，使传感器无法利用。因此，消灭寄生电容的阻碍，是电容式传感器有效化的关键。

消灭寄生电容的方式包括： 1驱动电缆法

如图4.2.4所示，驱动电缆法事实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，排除芯线与内层屏蔽间寄生电容的阻碍。

由于电缆的内屏蔽层上有随传感器输出信号转变的电压，因此叫“驱动电缆”。外屏蔽层接地或接仪器地，来避免外接电场的干扰。

而内、外层屏蔽间的电容转变成1驱动放大器的负载。这种方式的难处是，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，Cx1和Cx2组成差动电容传感器，与平稳电阻R3、R4组成测量电桥，U为电源电压，C3、C4为寄生电容，K是不平稳电桥的指示放大器，C1那么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址，那个地址选取两平稳电阻R3、R4桥臂中间作为接地址，并与整体屏蔽共地。C1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C3、C4并在桥臂R3、R4上，只阻碍电桥的初始平稳及整体灵敏度，并非妨碍电桥的正确利用。如此，寄生电容对传感器的阻碍大体上被排除。整体屏蔽法是一种较好的方式，但整体结构较复杂。

图4.2.5 整体屏蔽法原理图