电容传感器的误差分析
电容传感器的误差分析
摘要：
电容传感器具有高灵敏度、高阻抗、小功率、动态范围大、动态响应较快、几乎没有零漂、结构简单和适应性强等优点，在测量荷重、位移、振动、角度、加速度的工业领域有着广泛的应用,随着新材料、新材料的应用，电容式传感器在我们日常生活中广泛的使用，如现在手机的电容式触摸屏，凭借其多点触控、不易误触等优点取代了电阻触摸屏；最近Apple公司推出的最新款手机Iphone5s的HOME键的指纹识别功能，也是使用电容传感器实现指纹采集的。电容传感器的高灵敏度、高精度的优点离不开精细的加工技术、正确的选材以及正确的设计。本文从不同方面考虑以发扬优点、克服缺点。
1、减小环境温度、湿度变化所产生的误差
温度变化使传感器内各零件的几何尺寸和相互位置及某些介质的介电常数发生改变，从而改变电容传感器的电容量,产生温度误差。湿度也影响某些介质的介电常数和绝缘电阻值。因此必须从选材、材料加工工艺等方面来减小温度等误差以保证绝缘材料具有高的绝缘性能。
电容传感器的金厲电极材料以选用温度系数低的铁镍合金为好，但较难加工也可釆用在陶瓷或石英上喷镀金或银的工艺，这样电极可以做得极薄，对减小边缘效应极为有利。
传感器内电极表面不便经常淸洗，应加以密封，用以防尘、防潮。若在电极表面镀以极薄的惰性金属（如铑等)层，则可代替密封件而起保护作用，可防尘、防湿、防腐蚀，并且可以在高温下减少表面损耗，降低温度系数，但成本较高。
传感器内电极的支架除要有一定的机械强度外还要有稳定的性能。因此选用温度系敷小和几何尺寸长期稳定性好，并具有髙的绝缘电阻、低的吸潮性和高的表面电阻的材料作为支架。例如，可以采用石英、云母、入造宝石及各种陶瓷，虽然它们较难加工，但性能远高于塑料、有机玻璃等材料。在温度不太高的环境下，聚四氟乙烯具有良好的绝缘性能，选用时也可予以考虑。
尽量采用空气或云母等介电常数的温度系数近似为零的电介质作为电容传
感器的电介质。若用某些液体如硅油、煤油等作为电介质，当环境温度、湿度变化时，它们的介电常数随之改变，产生误^这种误差虽可用后接的电子电路加以补偿(如采用与测量电桥相并联补偿电桥)，但不易完全消除。
在可能的情况下，传感器尽量采用差动对称结构，这样可以通过某些类型的电子电路(如电桥)来减小温度等误差。
可以用数学关系式来表达温度等变化所产生的误差，并作为设计依据，但这种方法比较繁琐。
选用50 kHz至几兆赫作为电容传感器的电源频率，可以降低对传感器绝缘部分的绝缘要求
传感器内所有的零件应先进行清洗、烘干后再装配。传感器要密封以防止，分浸入内部而引起电容值变化和绝缘性能变坏。传感器的壳体刚性要好，以免安装时变形。
2、消除和减小边缘效应
边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且会产生非线性，因此应尽量消除和减小边缘效应:
适当减小极间距，使极径与间
距比很大，可减小边缘效应减小的
影响，但易产生击穿并有可能限制
测量范围。也可以采用上述电极做
得极薄使其极间距相比很小的办法
来减小边缘电场的影响。除此之
外，还可在结构上增设等位环来消
除边缘效应，如图所示。其中图为带有等位环的电容传感器原理图。图中2为传感器内电极(圆形)，1为另一电极(可以在传感器内也可以是被测物),3为等位环。等位环3安放在电极2外,且与电极2电绝缘。等位环3与电极2等电位，这样就能使电极2的边缘电力线平直，两电极间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位环3的外周不影响工作。等位环的外面还加有套筒，供测量时夹持用，可接大地以防止外界电场的干扰，且与等位环3电绝缘。
3、消除和减小寄生电容的影响
寄生电容与传感器电容相并联，影响传感器灵敏度。它的变化为虚假信每，影响仪器的精度，必须消除和减小它。可采用如下方法。
(1)增加原始电容值可减小寄生电容的影响
可采用减小极板或极筒间的间距(平板式间距为mm，圆筒式为0.15 mm)、增加工作面积或工作长度的方法来增加原始电容值，但会受加工及装配工艺、精度、示値范围、击穿电压、结构等限制。一般电容值变化在10?3?103pF范围内，相対值ΔC/C则变化在10?6?1范围内。
(2)注意传感器的接地和屏蔽
右图所示釆用接地屏蔽的圆筒形电容传感器。图中可动极筒与连杆固定在一起随被测对象移动。可动极筒与
屏蔽壳之间的电容值将保持不
变，从而消除了由此产生的虚假
信号。
电缆引线也必须屏蔽至传感
器屏蔽壳内。为了减小电缆电容
的影响，应尽量使用短而粗的电
缆线，缩短传感器至测量电路前置级的距离。
(3)将传感器和测量电路前置级装在一个壳体内(整体屏蔽法)
将传感器与测量电路的前置级(集
成化)装在一体内，省去传感器至前置
级的电缆。图中，CXI，CX2为差动电
容，U为电源，A为放大器。整体屏蔽
法是把整个电桥（包含电源电缆等）
一起屏蔽起来，设计的关键点在于接
地点的合理设置。采用把接地点放在两个平衡电阻R1、R2之间，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与测量放大器的输入阻抗并联，从而可把C1视作放大器的输入电容。由于放大器的输入阻抗应具有极大的值，C1的并联也不希望存在，但它只是影响灵敏度而已。另外的两个寄生电容C3、C4并联在桥臂R1、R2上，会影响电桥的初始平衡和整体灵敏度，并不
影响电桥的正常工作。因此寄生参数对传感器电容的影响基本消除这样，寄生电容大为减小而且易固定不变，使仪器工作稳定。但这种传感器因电子元器件的温度漂移而不能在高温或环境差的地方使用。
(4)采用“驱动电缆”技术(也称“双层屏蔽等位传输”技术）
当电容传感器的电容值很小，且使用环境湿度又可能很高(如500℃)，电子元器件不能承受高温而只能与传感器分开时，必须考虑消除电缆电容的影响。这时可采用“驱动电缆”技术，右图所示。传感器与测量电路前置级的引线为双屏蔽层电缆，其内屏蔽层与
信号传输导线(即电缆芯线)通过
1 : 1放大器变为等电位，从而消
除芯线与内屏蔽层之间的电容。由
于屏蔽线上有随传感器输出信号变
化而变化的电压，因此称为“驱动
电缆”。采用这种技术可使电缆线长达10 m之远也不影响仪器的性能。外屏蔽层接大地(或接仪器地)用来防止外界电场的干扰。内外屏蔽层之间的电容是1：1放大器的负载。1 : 1放大器是一个输入阻抗要求很高，具有容性负载、放大倍数为1 (准确度要求达1/10 000)的同相(要求相移为零)放大器。因此“驱动电缆”技术对1:1放大器要求很高，电路复杂，但却能保证电容传感器的电容值小于1 pF时，仪器仍可正常工作。
(5)运算放大器驱动法
采用驱动电缆法消除寄生电容，要在很宽的频带上严格实现放大倍数等于1，且输入输出的相移为零，这是设计的难点。而采用运算放大器驱动法可有效的解决这一难题。
图中，（-Aa）为驱动电缆放大器，其
输入是（-A）放大器的输出，（-Aa）放大
器的输入电容为(-A)放大器的负载，因此
无附加电容和CX并联，传感器电容CX两
端电压为
UCX=U01-U02=U01-（-A U01）=（1+A）U01 （1）
放大器（-Aa）的输出电压为
U03= -AaU02 = AAaU01 （2）
为实现电缆芯线和内层屏蔽等电位，应使UCX=U03,于是可以得到(1+A)U01 = A Aa U01
即Aa =1+(1/A) （3）
运算放大器驱动法无任何附加电容，特别适用于传感器电容很小情况下的检测电路。
4、漏电阻的影响
电容式传感器的电容量一般都很小,仅几十皮法,甚至几个皮法,大的也仅几百皮法。如果电源频率低，则电容式传感器本身的容抗就可达几兆欧至几百兆欧。由于它的内阻抗很高,所以绝缘问题显得十分突出。在一般电器设备中绝缘电阻有几兆欧就足够了,但对于电容式传感器来说却不能看做是绝缘,一般绝缘电阻将被看做是对电容式传感器一个旁路,称为漏电阻。漏电阻将与传感器电容构成一复阻抗而加入测量线路影响输出，更严重的是当绝缘材料性能不好时,绝缘电阻会随着环境温度和湿度而变化,致使电容式传感器的输出产生緩慢的零位漂移。所以绝缘材料成选用玻璃、石英、陶瓷、尼龙等, 而不能用夹布胶木等绝缘材料。
5、防止和减小外界干扰
电容传感器是高阻抗传感元件，很易受外界干扰的影响。当外界干扰(如电磁场)在传感器上和导线之间感应出电压并与信号一起传输至测量电路时就会产生误差。干扰信号足够大时，仪器无法正常工作，甚至会被损坏。此外，接地点不同所产生的接地电压差也是一种干扰信号，会给仪器带来误差和故障。防止和减小干扰的某些措施已在上面有所讨论，现归纳如下。
(1)屏蔽和接地。用良导体做传感器壳体，将传感元件包围起来，并可靠接地;用金属网把导线套起来，金属网可靠接地;双层屏蔽线可靠接地;传感器与测量电路前置级一起装在良好屏蔽壳体内，壳体可靠接地等。
(2)增加原始电容值，降低容抗。
(3)导线间的分布电容有静电感应，因此导线和导线要离得远，线要尽可能短，
最好成直角排列，若必须平行排列时，可采用同轴屏蔽线。
(4)尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导体和宽印刷线。
6、采用差动结构
尽量采用差动式电容传感器，如差动变极距型、差动变面积型，其测量电路采用自动平衡电桥电路、差动脉冲宽度调制等，可减小非线性误差、提高灵敏度、减小寄生电容的影响及减小干扰。
结束语
本文所介绍的减小误差方法都属于硬件补偿，通过硬件的设计来提高灵敏度、减小干扰和非线性误差。随着计算机控制技术的广泛应用，也可以用软件的方法进行电容式传感器的非线性补偿，软件补偿可以弥补有时硬件无法做到的方面，而且更具灵活性，物质成本低，但软件线性化的实时性不及硬件法。
（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）