应用中存在的问题及其改进措施

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【摘要】：可见，在实际应用中，特别在高频激励时，尤需考虑L的存在，会使传感器有效电容以上分析各种电容式传感器时还忽略了边缘效应的影响。电容式传感器两极板间因存在静电场，而作用有静电引力或力矩。消灭寄生电容影响，是电容式传感器实用的关键。环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系，从而引入温度干扰误差。

4.2　应用中存在的问题及其改进措施

4.2.1　等效电路

图4-9　电容传感器的等效电路

上节对各种电容传感器的特性分析，都是在纯电容的条件下进行的。这在可忽略传感器附加损耗的一般情况下也是可行的。若考虑电容传感器在高温、高湿及高频激励的条件下工作而不可忽视其附加损耗和电效应影响时，其等效电路如图4-9所示。

图中C为传感器电容，R_p为低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗；R_s为高湿、高温、高频激励工作时的串联损耗电阻，它包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻；L为电容器及引线电感；C_p为寄生电容，克服其影响，是提高电容传感器实用性能的关键之一，下面专门讨论。可见，在实际应用中，特别在高频激励时，尤需考虑L的存在，会使传感器有效电容

变化，从而引起传感器有效灵敏度的改变:

在这种情况下，每当改变激励频率或者更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定。

4.2.2　边缘效应

以上分析各种电容式传感器时还忽略了边缘效应的影响。实际上当极板厚度h与极距δ之比相对较大时，边缘效应的影响就不能忽略。这时，对极板半径为r的变极距型电容传感器，其电容值应按下式计算^［3］:

函数的数值列于表4-1。

表4-1　电容式传感器的边缘效应因子

边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。为了消除边缘效应的影响，可以采用带有保护环的结构，如图4-10所示。保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等电位，以保证中间工作区得到均匀的场强分布，从而克服边缘效应的影响。为减小极板厚度，往往不用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一薄层金属作为极板。

图4-10　带有保护环的电容传感器原理结构

图4-11　带保护环的电容传感器

图4-11所示为一带保护环的微位移电容传感器，可用来测量偏心、不平行度、振动振幅等。只要被测对象在所用频率下是导电的，气隙中介质的介电常数不随时间、温度和机械应力而变化，均可获得较高的测量精度。设计上如作些改变，还能作介电材料的测厚传感器。

4.2.3　静电引力

电容式传感器两极板间因存在静电场，而作用有静电引力或力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、极间距离有关。通常这种静电引力很小，但在采用推动力很小的弹性敏感元件情况下，须考虑因静电引力造成的测量误差。有关静电引力的计算请参阅文献［3］。

4.2.4　寄生电容

电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小（几皮法到几十皮法），属于小功率、高阻抗器件，因此极易受外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰，它与传感器电容相并联（见图4-9），严重影响传感器的输出特性，甚至会淹没有用信号而不能使用。消灭寄生电容影响，是电容式传感器实用的关键。下面介绍几种常用方法。

1.驱动电缆法

它实际上是一种等电位屏蔽法。如图4-12所示，在电容传感器与测量电路的前置级之间采用双层屏蔽电缆，并接入增益为1的驱动放大器，（接线如图示）。这种接线法使内屏蔽与芯线等电位，消除了芯线对内屏蔽的容性漏电，克服了寄生电容的影响；而内外层屏蔽之间的电容变成了驱动放大器的负载。因此驱动放大器是一个输入阻抗很高、具有容性负载、放大倍数为1的同相放大器。该方法的难处是，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。为此有人提出，用运算放大器驱动法取代上述方法。

图4-12　驱动电缆法原理图

图4-13　整体屏蔽法原理图

2.整体屏蔽法

以差动电容传感器C_x₁、C_x₂配用电桥测量电路为例，如图4-13所示；U为电源电压，K为不平衡电桥的指示放大器。所谓整体屏蔽是将整个电桥（包括电源、电缆等）统一屏蔽起来；其关键在于正确选取接地点。本例中接地点选在两平衡电阻R₃、R₄桥臂中间，与整体屏蔽共地。这样传感器公用极板与屏蔽之间的寄生电容C₁同测量放大器的输入阻抗相并联，从而可将C₁归算到放大器的输入电容中去。由于测量放大器的输入阻抗应具有极大的值，C₁的并联也是不希望的，但它只是影响灵敏度而已。另两个寄生电容C₃及C₄是并在桥臂R₃及R₄上，这会影响电桥的初始平衡及总体灵敏度，但并不妨碍电桥的正确工作。因此寄生参数对传感器电容的影响基本上被消除。整体屏蔽法是一种较好的方法；但将使总体结构复杂化。