第三節(jié) 電容式傳感器的主要性能、特點和設(shè)計要點

一、主要性能

（一）靜態(tài)靈敏度

電容式傳感器的靜態(tài)靈敏度是被測量緩慢變化時傳感器電容變化量與引起其變化的被測量變化之比。

對于變極距型電容傳感器，由式（3-2）可知，其靜態(tài)靈敏度k為

因為Δd/d₀?1，所以將上式展開成泰勒級數(shù)得

可見，輸出電容的相對變化量ΔC/C₀與輸入位移Δd之間呈非線性關(guān)系，在Δd/d₀?1條件成立時，可略去高次項，得到近似的線性關(guān)系，即

所以電容式傳感器的靈敏度為

可見，當(dāng)Δd/d₀?1時，變極距型電容傳感器的靈敏度與初始極板間距d₀成反比，電容變化量與被測量的變化量成正比。

（二）非線性誤差

對于變極距型電容傳感器，若考慮式（3-28）中的二次項，則

由此得出傳感器的相對非線性誤差δ為

由式（3-30）、式（3-32）可以看出，要提高變極距型電容傳感器的靈敏度，須減小初始間距d₀，但非線性誤差δ卻隨著d₀的減小而增大。

在實際應(yīng)用中，為克服上述矛盾，常采用差動式結(jié)構(gòu)，如圖3-15所示。若中間電極1（動極板）受力向上位移Δd，則兩個電容量一個增加，一個減小，兩電容差值為

將上式展開成泰勒級數(shù)得

略去高次項后，得

可見差動電容式傳感器的靈敏度為

其相對非線性誤差δ為

比較式（3-30）與式（3-33），式（3-32）與式（3-34）可見，電容傳感器做成差動式之后，既使靈敏度提高1倍，又使非線性誤差大大降低，抗干擾能力增強(qiáng)。

二、電容式傳感器的特點

電容式傳感器具有以下優(yōu)點：

1）溫度穩(wěn)定性好。傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，僅取決于電極的幾何尺寸，且空氣等介質(zhì)損耗很小，因此只要從強(qiáng)度、溫度系數(shù)等機(jī)械特性考慮，合理選擇材料和幾何尺寸即可，其他因素影響甚微。而電阻式傳感器有電阻，供電后產(chǎn)生熱量；電感式傳感器存在銅損、渦流損耗等，引起本身發(fā)熱產(chǎn)生零漂。

2）結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)。電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造。能在高、低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場等各種惡劣的環(huán)境條件下工作，適應(yīng)能力強(qiáng)，尤其可以承受很大的溫度變化，在高壓力、高沖擊及過載等情況下都能正常工作，能測超高壓和低壓差，也能對帶磁工件進(jìn)行測量。此外傳感器可以做得體積很小，以便實現(xiàn)某些有特殊要求的測量。

3）動態(tài)響應(yīng)好。電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小，又由于其可動部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動態(tài)響應(yīng)時間短，能在幾MHz的頻率下工作，特別適合動態(tài)測量。又由于其介質(zhì)損耗小，可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數(shù)，如測量振動、瞬時壓力等。

4）可以實現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應(yīng)。在被測件不允許采用接觸測量的情況下，電容傳感器可以完成測量任務(wù)。電容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。

5）靈敏度和分辨力高。電容式傳感器因帶電極板間的靜電引力極小，因此所需輸入能量極小，所以特別適合低能量輸入的測量，例如測量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等。可以做得很靈敏，分辨力非常高，能感受0.001μm甚至更小的位移。

然而，電容式傳感器也存在如下不足之處：

1）輸出阻抗高，負(fù)載能力差。電容式傳感器的容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十pF到幾百pF，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時，輸出阻抗高達(dá)（106～108）Ω。因此傳感器的負(fù)載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至無法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設(shè)計和使用帶來不便。阻抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高（幾十MΩ以上），否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響傳感器的性能（如靈敏度降低），為此還要特別注意周圍環(huán)境如溫度、濕度、清潔度等對絕緣性能的影響。高頻供電雖然可降低傳感器的輸出阻抗，但高頻放大和傳輸遠(yuǎn)比低頻時復(fù)雜，且寄生電容影響加大，難以保證工作穩(wěn)定。

2）寄生電容影響大。傳感器的初始電容量很小，而其引線電纜電容（1～2m的導(dǎo)線可達(dá)800pF）、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大，會降低傳感器的靈敏度。此外，這些電容（如電纜電容）常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測量精度，其變化量有時甚至超過被測量引起的電容變化量，致使傳感器無法工作。因此對電纜選擇、安裝及接法有要求。

3）輸出特性非線性。變極距型電容傳感器的輸出特性是非線性的，雖可采用差動結(jié)構(gòu)來改善，但不可能完全消除。其他類型的電容傳感器只有忽略了電場的邊緣效應(yīng)時，輸出特性才呈線性，否則邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的附加電容量將與傳感器電容量直接疊加，使輸出特性呈現(xiàn)非線性。

隨著材料、工藝、電子技術(shù)，特別是集成電路的高速發(fā)展，使電容式傳感器的優(yōu)點得到發(fā)揚(yáng)，而缺點不斷得到克服。電容傳感器正逐漸成為一種高靈敏度、高精度，在動態(tài)、低壓及一些特殊測量方面大有發(fā)展前途的傳感器。

三、設(shè)計要點

電容式傳感器所具有的高靈敏度、高精度等獨特的優(yōu)點是與其正確設(shè)計、選材以及精細(xì)的加工工藝分不開的。在設(shè)計傳感器的過程中，在所要求的量程、溫度和壓力等范圍內(nèi)，應(yīng)盡量使它具有低成本、高精度、高分辨力、好的可靠性和高的頻率響應(yīng)等。

1.保證絕緣材料的絕緣性能

溫度變化使傳感器內(nèi)各零件的幾何尺寸和相互位置及某些介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生改變，從而改變傳感器的電容量，產(chǎn)生溫度誤差。濕度也影響某些介質(zhì)的介電常數(shù)和絕緣電阻值。因此，必須從選材、結(jié)構(gòu)及加工工藝等方面來減小環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的誤差，保證絕緣材料具有高的絕緣性能。

在可能的情況下，傳感器應(yīng)盡量采用差動對稱結(jié)構(gòu)，這樣可以通過某些類型的測量電路（如電橋）來減小溫度等引起的誤差。

2.消除和減小邊緣效應(yīng)

變面積型和變介電常數(shù)型電容傳感器具有很好的線性，但這是以忽略邊緣效應(yīng)為條件的，實際上非線性問題仍然存在。

適當(dāng)減小極間距，使電極直徑或邊長與間距之比增大，可減小邊緣效應(yīng)的影響，但易產(chǎn)生擊穿，并有可能限制測量范圍。電極應(yīng)做得極薄，使之與極間距相比很小，這樣也可減小邊緣電場的影響。此外，可在結(jié)構(gòu)上增設(shè)如圖3-16所示的保護(hù)環(huán)（也稱等位環(huán)）來消除邊緣效應(yīng)。保護(hù)環(huán)與極板具有同一電位，這就把電極板間的邊緣效應(yīng)移到了保護(hù)環(huán)與極板2的邊緣，極板1與極板2之間的電場分布就變得均勻了。

邊緣效應(yīng)所引起的非線性與變極距型電容傳感器原理上的非線性恰好相反，在一定程度上起到了補(bǔ)償作用，但傳感器靈敏度同時有所下降。

3.消除和減小寄生電容的影響

寄生電容與傳感器電容相并聯(lián)，影響傳感器靈敏度，而它的變化則會作為虛假信號影響儀器的精度，必須將其消除或減小。可采用如下方法來實現(xiàn)。

（1）增加傳感器原始電容值

采用減小極片或極筒間的距離（平板式的間距為0.2～0.5mm）、增加工作面積或工作長度來增加原始電容值，可在一定程度上減少寄生電容的影響，但這要受加工及裝配工藝、精度、示值范圍、擊穿電壓及結(jié)構(gòu)等的限制。

（2）注意傳感器的接地和屏蔽

圖3-17所示為采用接地屏蔽的圓筒形電容式傳感器，其中可動極筒與連桿固定在一起隨被測量移動。可動極筒與傳感器的屏蔽殼（良導(dǎo)體）同為地，因此當(dāng)可動極筒移動時，固定極筒與屏蔽殼之間的電容值將保持不變，從而消除了由此產(chǎn)生的虛假信號。

引線電纜也必須屏蔽在傳感器的屏蔽殼內(nèi)。為減小電纜電容的影響，應(yīng)盡可能使用短而粗的電纜線，縮短傳感器至電路前置級的距離。

（3）集成化

將傳感器與測量電路本身或其前置級裝在一個殼體內(nèi)，省去傳感器的電纜引線。這樣，寄生電容將大為減小而且固定不變，使儀器工作穩(wěn)定。但這種傳感器因電子元件的特點而不能在高、低溫或環(huán)境差的場合使用。

（4）采用“驅(qū)動電纜”技術(shù)

當(dāng)電容式傳感器的電容值很小，而因某些原因（如環(huán)境溫度較高）測量電路只能與傳感器分開時，可采用如圖3-18所示的“驅(qū)動電纜”（雙層屏蔽等位傳輸）技術(shù)。傳感器與測量電路前置級間的引線為雙屏蔽層電纜，其內(nèi)屏蔽層與信號傳輸線（即電纜芯線）通過1∶1放大器成為等電位，從而消除了芯線與內(nèi)屏蔽層之間的電容。由于屏蔽線上有隨傳感器輸出信號變化而變化的電壓，因此稱為“驅(qū)動電纜”。采用這種技術(shù)可使電纜線長達(dá)10m之遠(yuǎn)也不影響儀器的性能。

外屏蔽層接大地或接儀器地，用來防止外界電場的干擾。內(nèi)、外屏蔽層之間的電容是1∶1放大器的負(fù)載。1∶1放大器是一個輸入阻抗要求很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)為1（準(zhǔn)確度要求達(dá)1/10000）的同相（要求相移為零）放大器。因此，“驅(qū)動電纜”技術(shù)對1∶1放大器的要求很高，電路復(fù)雜，但能保證電容式傳感器的電容值小于1pF時也能正常工作。

（5）采用運(yùn)算放大器

圖3-19是利用運(yùn)算放大器的虛地來減小引線電纜寄生電容C_P的原理圖。其中，電容傳感器的一個電極經(jīng)電纜芯線接運(yùn)算放大器的虛地Σ點，電纜的屏蔽層接儀器地，這時與傳感器電容相并聯(lián)的為等效電纜電容C_P/（1+A），因而大大地減小了電纜電容的影響。外界干擾因屏蔽層接儀器地，對芯線不起作用。

傳感器的另一電極接大地，用來防止外電場的干擾。若采用雙屏蔽層電纜，其外屏蔽層接大地，干擾影響就更小。實際上，這是一種不完全的“驅(qū)動電纜技術(shù)”，結(jié)構(gòu)較簡單。開環(huán)放大倍數(shù)A越大，精度越高。選擇足夠大的A值可保證所需的測量精度。

（6）整體屏蔽法

將電容式傳感器和所采用的轉(zhuǎn)換電路、傳輸電纜等用同一個屏蔽殼屏蔽起來，正確選取接地點，可減小寄生電容的影響和防止外界的干擾。圖3-20是差動電容式傳感器交流電橋所采用的整體屏蔽系統(tǒng)，屏蔽層接地點選擇在兩固定輔助阻抗臂Z₃和Z₄的中間，使電纜芯線與其屏蔽層之間的寄生電容C_P1和C_P2分別與Z₃和Z₄相并聯(lián)。如果Z₃和Z₄比C_P1和C_P2的容抗小得多，則寄生電容C_P1和C_P2對電橋平衡狀態(tài)的影響就很小。

4.防止和減小外界干擾

當(dāng)外界干擾（如電磁場）在傳感器上和導(dǎo)線之間感應(yīng)出電壓并與信號一起輸送至測量電路時就會產(chǎn)生誤差。當(dāng)干擾信號足夠大時，儀器甚至?xí)o法正常工作。此外，接地點不同所產(chǎn)生的接地電壓差也是一種干擾信號，也會給儀器帶來誤差和故障。

防止和減小干擾的措施如下：

1）屏蔽和接地。用良導(dǎo)體做傳感器殼體，將傳感元件包圍起來，并可靠接地；用金屬網(wǎng)套住導(dǎo)線，使其彼此絕緣（即屏蔽電纜），金屬網(wǎng)可靠接地；用雙層屏蔽線或屏蔽罩可靠接地；傳感器與測量電路前置級一起裝在良好屏蔽的殼體內(nèi)并可靠接地等。

2）增加原始電容量，降低容抗。

3）導(dǎo)線間的分布電容有靜電感應(yīng)，因此導(dǎo)線和導(dǎo)線之間要離得遠(yuǎn)，線要盡可能短，最好成直角排列，若必須平行排列時，可采用同軸屏蔽電纜線。

4）盡可能一點接地，避免多點接地，地線要用粗的良導(dǎo)體或?qū)捰≈凭€。

5）采用差動式電容傳感器以減小非線性誤差，提高傳感器靈敏度，減小寄生電容的影響和溫度、濕度等因素導(dǎo)致的誤差。