電容傳感器的誤差分析

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1、電容傳感器的誤差分析摘要：電容傳感器具有高靈敏度、高阻抗、小功率、動態(tài)范圍大、動態(tài)響應(yīng)較快、幾乎沒有零漂、結(jié)構(gòu)簡單和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點，在測量荷重、位移、振動、角度、加速度的工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,隨著新材料、新材料的應(yīng)用，電容式傳感器在我們?nèi)粘Ｉ钪袕V泛的使用，如現(xiàn)在手機(jī)的電容式觸摸屏，憑借其多點觸控、不易誤觸等優(yōu)點取代了電阻觸摸屏；最近Apple公司推出的最新款手機(jī)Iphone5s的HOME鍵的指紋識別功能，也是使用電容傳感器實現(xiàn)指紋采集的。電容傳感器的高靈敏度、高精度的優(yōu)點離不開精細(xì)的加工技術(shù)、正確的選材以及正確的設(shè)計。本文從不同方面考慮以發(fā)揚優(yōu)點、克服缺點。1、減小環(huán)境溫度、濕度變化所產(chǎn)生

2、的誤差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，從而改變電容傳感器的電容量,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、材料加工工藝等方面來減小溫度等誤差以保證絕緣材料具有高的絕緣性能。電容傳感器的金厲電極材料以選用溫度系數(shù)低的鐵鎳合金為好，但較難加工也可釆用在陶瓷或石英上噴鍍金或銀的工藝，這樣電極可以做得極薄，對減小邊緣效應(yīng)極為有利。傳感器內(nèi)電極表面不便經(jīng)常淸洗，應(yīng)加以密封，用以防塵、防潮。若在電極表面鍍以極薄的惰性金屬（如銠等)層，則可代替密封件而起保護(hù)作用，可防塵、防濕、防腐蝕，并且可以在高溫下減少表面損耗，降低溫度系數(shù)，但成本

3、較高。傳感器內(nèi)電極的支架除要有一定的機(jī)械強(qiáng)度外還要有穩(wěn)定的性能。因此選用溫度系敷小和幾何尺寸長期穩(wěn)定性好，并具有髙的絕緣電阻、低的吸潮性和高的表面電阻的材料作為支架。例如，可以采用石英、云母、入造寶石及各種陶瓷，雖然它們較難加工，但性能遠(yuǎn)高于塑料、有機(jī)玻璃等材料。在溫度不太高的環(huán)境下，聚四氟乙烯具有良好的絕緣性能，選用時也可予以考慮。盡量采用空氣或云母等介電常數(shù)的溫度系數(shù)近似為零的電介質(zhì)作為電容傳感器的電介質(zhì)。若用某些液體如硅油、煤油等作為電介質(zhì)，當(dāng)環(huán)境溫度、濕度變化時，它們的介電常數(shù)隨之改變，產(chǎn)生誤^這種誤差雖可用后接的電子電路加以補(bǔ)償(如采用與測量電橋相并聯(lián)補(bǔ)償電橋)，但不易完全消除。在可

4、能的情況下，傳感器盡量采用差動對稱結(jié)構(gòu)，這樣可以通過某些類型的電子電路(如電橋)來減小溫度等誤差?？梢杂脭?shù)學(xué)關(guān)系式來表達(dá)溫度等變化所產(chǎn)生的誤差，并作為設(shè)計依據(jù)，但這種方法比較繁瑣。選用50kHz至幾兆赫作為電容傳感器的電源頻率，可以降低對傳感器絕緣部分的絕緣要求傳感器內(nèi)所有的零件應(yīng)先進(jìn)行清洗、烘干后再裝配。傳感器要密封以防止，分浸入內(nèi)部而引起電容值變化和絕緣性能變壞。傳感器的殼體剛性要好，以免安裝時變形。1、消除和減小邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且會產(chǎn)生非線性，因此應(yīng)盡量消除和減小邊緣效應(yīng):適當(dāng)減小極間距，使極徑與間距比很大，可減小邊緣效應(yīng)減小的影響，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限

5、制測量范圍。也可以采用上述電極做得極薄使其極間距相比很小的辦法來減小邊緣電場的影響。除此之外，還可在結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)來消除邊緣效應(yīng)，如圖所示。其中圖為帶有等位環(huán)的電容傳感器原理圖。圖中2為傳感器內(nèi)電極(圓形)，1為另一電極(可以在傳感器內(nèi)也可以是被測物),3為等位環(huán)。等位環(huán)3安放在電極2外,且與電極2電絕緣。等位環(huán)3與電極2等電位，這樣就能使電極2的邊緣電力線平直，兩電極間的電場基本均勻，而發(fā)散的邊緣電場發(fā)生在等位環(huán)3的外周不影響工作。等位環(huán)的外面還加有套筒，供測量時夾持用，可接大地以防止外界電場的干擾，且與等位環(huán)3電絕緣。2、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

6、度。它的變化為虛假信每，影響儀器的精度，必須消除和減小它?？刹捎萌缦路椒ā?1)增加原始電容值可減小寄生電容的影響可采用減小極板或極筒間的間距(平板式間距為mm，圓筒式為0.15mm)、增加工作面積或工作長度的方法來增加原始電容值，但會受加工及裝配工藝、精度、示値范圍、擊穿電壓、結(jié)構(gòu)等限制。一般電容值變化在10-3?103pF范圍內(nèi)，相対值ΔC/C則變化在10-6?1范圍內(nèi)。(2)注意傳感器的接地和屏蔽右圖所示釆用接地屏蔽的圓筒形電容傳感器。圖中可動極筒與連桿固定在一起隨被測對象移動。可動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。電纜引線也必須屏蔽至傳感器屏蔽殼內(nèi)。為了

7、減小電纜電容的影響，應(yīng)盡量使用短而粗的電纜線，縮短傳感器至測量電路前置級的距離。(3)將傳感器和測量電路前置級裝在一個殼體內(nèi)(整體屏蔽法)將傳感器與測量電路的前置級(集成化)裝在一體內(nèi)，省去傳感器至前置級的電纜。圖中，CXI，CX2為差動電容，U為電源，A為放大器。整體屏蔽法是把整個電橋（包含電源電纜等）一起屏蔽起來，設(shè)計的關(guān)鍵點在于接地點的合理設(shè)置。采用把接地點放在兩個平衡電阻R1、R2之間，與