消除电容式传感器中的边缘效应

1）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3.30所示。

图3.30　边缘效应的影响

边缘效应的存在，将使电容式传感器的灵敏度降低，非线性增加。为消除边缘效应的影响，可采用带保护环的结构，同时减小极板厚度。

为减小极板厚度，往往不用整块金属板作极板，而是将石英、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。

带保护环结构的电容式传感器如图3.31所示，保护环与定极板同心，电气上绝缘，同时始终保持等电位。保护环与定极板的间隙越小越好，这样能保证中间工作区得到均匀的场强分布，将极板间的边缘效应移到保护环与动极板的边缘，而保护环边缘的场强不均匀不会影响电容式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。

图3.31　带保护环结构的电容式传感器

2）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，为几个皮法到几十皮法，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，比电容式传感器的电容大几倍至几十倍，且具有随机性，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：(www.xing528.com)

（1）驱动电缆法

如图3.32所示，驱动电缆法实际上是一种等电位屏蔽法。

图3.32　驱动电缆法原理图

电容式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。电容式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，而内、外层屏蔽间的电容转变为驱动放大器的负载。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。

（2）整体屏蔽法

图3.33中，Cx1和Cx2构成差动式电容传感器，与平衡电阻R3、R4组成测量电桥，U为电源电压，C3、C4为寄生电容，K是不平衡电桥的指示放大器，C1则是差动式电容传感器公用极板与屏蔽之间的寄生电容。

图3.33　整体屏蔽法原理图

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R3、R4桥臂中间作为接地点，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。

（3）采用组合式与集成电路技术

组合式结构是将测量电路的前置级或全部装在紧靠传感器处，以缩短电缆，减小寄生电容的影响。采用集成电路技术，将全部测量电路组合在传感器壳体内，可使寄生电容大大减小。更进一步，采用集成工艺，将传感器与测量电路集成在同一芯片上，构成集成电容传感器，可完全消灭寄生电容的影响。