倍加福传感器寄生电容的几种方法

　　倍加福传感器寄生电容的几种方法

　　倍加福传感器具有结构简单，灵敏度高，温度稳定性好，适应性强，动态性能好等一系列优点，目前在检测技术中不仅广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的测量，还可用于液位、压力、成份含量等热工方面的测量中。但由于电容式传感器的初始电容量很小，一般在皮法级，而连接传感器与电子线路的引电缆电容、电子线路的杂散电容以及传感器内极板与周围导体构成的电容等所形成的寄生电容却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容是随机变化的，使得仪器工作很不稳定，从而影响测量精度，甚至使传感器无法正常工作，所以必须设法消除寄生电容对电容传感器的影响。以下对消除电容传感器寄生电容的几种方法进行分析。

　　倍加福传感器时间常数和滞后与温度传感器的热容量和热阻有关，除选用时间常数、滞后小的温度传感器外，还应保证合理插入深度和正确安装方法，才能保证温度测量准确性、温度控制系统的稳定性和控制质量。

　　倍加福传感器时间常数和滞后

　　倍加福传感器、热电阻、双金属温度计当被测温度突然发生变化时，其输出会延迟一段时间，这段延迟时间△τ一般叫做纯滞后或纯时延。在延迟△τ后，会以近似于指数曲线的规律变化，如忽略△τ，并以介质温度变化做计时起点，则上述曲线符合T=△T（1-e-t/τ），此式中T为温度；△T为温度变化；t为时间；τ为时间常数。时间常数及时反应曲线起点的切线与平衡温度交点A所对应的时间，也就是输出变化63.2%△T所需要的时间。

　　正确认识和对倍加福传感器的时间常数和滞后，是一个很重要的问题。其关系到能否正确测量温度，及时反映被测量温度的变化。其对温度控制系统的稳定性及控制质量好坏，具有举足轻重的作用，所以是一个不容忽视的问题。

　　如何改善倍加福传感器的时间常数和滞后

　　温度传感器时间常数和滞后的大小，取决于元件的热容量和热阻。因为温度传感器升温需要吸收一定的热量，其变化1℃所需要的热量就是温度传感器的热容量，热容量越小越好。温度传感器传热又需要克服热阻，这和元件的结构、大小都有直接的关系。金属是热的良导体，热阻的大小常受温度传感器的气隙、绝缘物、保护套管的影响。

　　温度传感器的时间常数和滞后较大，通常可到几十秒到几分钟，因此对测量和控制温度的影响是很大的，尤其是对温度控制系统的稳定性有很大的影响。所以在现场应用中，除应该选择时间常数和滞后较小的温度传感器外，还应该注意温度传感器的安装方式。即安装时要有一定的插入深度，尤其是热电阻，插入深度不够往往会造成较大的误差；再就是工艺管道较细时，一定要局部加粗管道，或者尽量吧温度传感器安装管道的弯头上，要使温度传感器对着流体的流动方向；测量气液相介质的温度时，好测量液相温度，因为液相温度的动态特性及稳定性优于气相温度；必要时还可以采取在保护管与热元件间填充金属屑或其它导热材料（铠装热电偶或铠装铂电阻就是在保护管和元件之间填充高纯度氧化铝粉），对于热电偶还可以采用露端式或接壳式热电偶。

　　采用增加初始电容值的方法可以使寄生电容相对电容传感器的电容量减小。由公式C0=ε0·εr·A/d0可知，采用减小极片或极筒间的间距d0，如平板式间距可减小为0.2毫米，圆筒式间距可减小为0.15毫米;或在两电极之间覆盖一层玻璃介质，用以提高相对介电常数，通过实验发现传感器的初始电容量C0不仅显著提高了，同时也防止了过载时两电极之间的短路;另外，增加工作面积A或工作长度也可增加初始电容值C0。不过，这种方法要受到加工工艺和装配工艺、精度、示值范围、击穿电压等的限制，一般电容的变化值在10-3～103pF之间。

　　采用“驱动电缆"技术，减小寄生电容

　　倍加福传感器和放大器A之间采用双层屏蔽电缆，并接入增益为1的驱动放大器，这种接法可使得内屏蔽与芯线等电位，进而消除了芯线对内屏蔽的容性漏电，克服了寄生电容的影响，而内外层之间的电容Cx变成了驱动放大器的负载，电容传感器由于受几何尺寸的限制，其容量都是很小的，一般仅几个pF到几十pF。因C太小，故容抗XC=1/ωc很大，为高阻抗元件;所以，驱动放大器可以看成是一个输入阻抗很高，且具有容性负载，放大倍数为1的同相放大器。

　　倍加福传感器采用“驱动电缆"法消除寄生电容，就是要在很宽的频带上严格去实现驱动放大器的放大倍数等于1，并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就可有效的去解决这一难题。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

　　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。

　　屏蔽技术就是利用金属材料对于电磁波具有较好的吸收和反射能力来进行抗干扰的。根据电磁干扰的特点选择良好的低电阻导电材料或导磁材料，构成合适的屏蔽体。屏蔽体所起的作用好比是在一个等效电阻两端并联上一根短路线，当无用信号串入时直接通过短路线，对等效电阻无影响。现就以差动电容式传感器为例，来说明整体屏蔽法的应用。在作为差动电容，U为电源，A为放大器。整体屏蔽法是把图中整个电桥(包含电源电缆等)一起屏蔽起来，这种方法设计的关键点就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，与整体屏蔽体共地。这样，传感器公用极板与屏蔽体之间的寄生电容C1与测量放大器的输入阻抗相并联，从而就可把C1视作为放大器的输入电容。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，但它只是影响传感器的灵敏度，而对其他性能无有影响。另外的两个寄生电容C3、C4分别并联在两桥臂R1、R2上，这样就会影响到电桥的初始平衡和整体的灵敏度，但是并不会影响到电桥的正常工作。因此，寄生参数对传感器电容的影响基本上就可以消除掉。整体屏蔽法是解决电容传感器寄生电容问题的很好的方法，其缺点就是使得结构变得比较复杂。

　　另外采用集成法也是消除电容传感器寄生电容干扰的一种有效方法。这种方法就是将传感器与电子线路的前置级一同封装在一个壳体内，省去传感器到前置放大级的电缆，这样，寄生电容就可大大减小而且保持固定不变，使仪器处于稳定工作状态。但是这种做法因为电子元器件的存在而不能在相对高温或环境恶劣的地方正常使用。也可利用集成工艺，把传感器和调理电路集成于同一芯片，构成集成电容传感器。

　　总之，电容式传感器的电容值都很小，一般在皮法级，连接线产生的分布电容其数值也在皮法级，从而会影响到测量精度，所以我们要求传感器与转换电路之间的连接线选用自身分布电容极小的高频电缆，并尽量缩短传感器到转换电路之间的距离，在有条件时可以将传感器、连接线、转换电路整体屏蔽。