电容传感器寄生电容干扰的产生原因及消除方法

消除电容传感器寄生电容干扰的几种方法摘要: 电容传感器结构简单,分辨率高,但寄生电容的存在严重影响了其工作特性,文章分析了寄生电容存在的原因,采用驱动电缆技术、运算放大器驱动技术、整体屏蔽技术、集成组合技术可有效减小寄生电容,提高传感器的性能。

关键词：电容传感器;寄生电容;干扰;驱动电缆技术;整体屏蔽技术1 前言---电容式传感器具有温度稳定性好,结构简单,适应性强,动态响应好等优点,广泛应用于位移、振动、液位、压力等测量中[1],但由于电容式传感器的初始电容量很小,而连接传感器与电子线路的引线电缆电容、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,影响测量精度,甚至使传感器无法工作,必须设法消除寄生电容对传感器的影响。

2 消除电容传感器寄生电容的方法2.1 增加初始电容值---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。

可采用减小极片或极筒间的间距,如平板式间距可减小为0.2mm,圆筒式间距可减小为0.15mm,增加工作面积或工作长度来增加原始电容值,但此种方法要受到加工和装配工艺、精度、示值范围、击穿电压等限制,一般电容变化值在10-3～103pF之间。

2.2 集成法[2]---将传感器与电子线路的前置级装在一个壳体内,省去传感器至前置级的电缆,这样,寄生电容大为减小而且固定不变,使仪器工作稳定。

但这种做法因电子元器件的存在而不能在高温或环境恶劣的地方使用。

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。

2.3 采用“驱动电缆”技术---在压电传感器和放大器之间采用双层屏蔽电缆,并接入增益为1的驱动放大器,这种接法使得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。

模拟传感器在现代化工农业生产，消防应急，国防建设及科学研究中有重非常重要的作用。

作为传感器最重要的指标是测量精度，现实环境又对传感器测量精度产生了很大的干扰，如果降低干扰是各传感器行业的命脉所在。

那么我们就了解一下传感器的干扰及抗干扰措施。

干扰源、干扰种类及干扰现象传感器及仪器仪表在现场运行所受到的干扰多种多样，具体情况具体分析，对不同的干扰采取不同的措施是抗干扰的原则。

这种灵活机动的策略与普适性无疑是矛盾的，解决的办法是采用模块化的方法，除了基本构件外，针对不同的运行场合，仪器可装配不同的选件以有效地抗干扰、提高可靠性。

在进一步讨论电路元件的选择、电路和系统应用之前，有必要分析影响模拟传感器精度的干扰源及干扰种类。

1、主要干扰源(1)静电感应静电感应是由于两条支电路或元件之间存在着寄生电容，使一条支路上的电荷通过寄生电容传送到另一条支路上去，因此又称电容性耦合。

(2)电磁感应当两个电路之间有互感存在时，一个电路中电流的变化就会通过磁场耦合到另一个电路，这一现象称为电磁感应。

例如变压器及线圈的漏磁、通电平行导线等。

(3)漏电流感应由于电子线路内部的元件支架、接线柱、印刷电路板、电容内部介质或外壳等绝缘不良，特别是传感器的应用环境湿度较大，绝缘体的绝缘电阻下降，导致漏电电流增加就会引起干扰。

尤其当漏电流流入测量电路的输入级时，其影响就特别严重。

(4)射频干扰主要是大型动力设备的启动、操作停止的干扰和高次谐波干扰。

如可控硅整流系统的干扰等。

(5)其他干扰现场安全生产监控系统除了易受以上干扰外，由于系统工作环境较差，还容易受到机械干扰、热干扰及化学干扰等。

2、干扰的种类(1)常模干扰常模干扰是指干扰信号的侵入在往返2条线上是一致的。

常模干扰来源一般是周围较强的交变磁场，使仪器受周围交变磁场影响而产生交流电动势形成干扰，这种干扰较难除掉。

(2)共模干扰共模干扰是指干扰信号在2条线上各流过一部分，以地为公共回路，而信号电流只在往返2个线路中流过。

1、为什么电容式传感器易受干扰？如何减小干扰？答： (1)传感器两极板之间的电容很小，仅几十个μμF ，小的甚至只有几个μμF 。

(2)而传感器与电子仪器之间的连接电缆却具有很大的电容，如屏蔽线的电容最小的l 米也有几个μμF ，最大的可达上百个μμF 。

这不仅使传感器的电容相对变化大大降低，灵敏度也降低，更严重的是电缆本身放置的位置和形状不同，或因振动等原因，都会引起电缆本身电容的较大变化，使输出不真实，给测量带来误差。

(3)解决的办法，一种方法是利用集成电路，使放大测量电路小型化，把它放在传感器内部，这样传输导线输出是直流电压信号，不受分布电容的影响;(4)另一种方法是采用双屏蔽传输电缆，适当降低分布电容的影响。

由于电缆分布电容对传感器的影响，使电容式传感器的应用受到一定的限制。

2、说明单线圈和差动变隙式电感传感器的主要组成、工作原理和基本特性。

答：单线圈变隙式电感传感器主要由线圈、衔铁和铁芯组成。

差动变隙式电感传感器主要由两个相同的电感线圈、铁芯、衔铁和导杆组成。

两种传感器工作原理的共同点是：它们的衔铁都随被测体同步移动，引起磁路中气隙的磁阻发生相应的变化，从而导致线圈电感的变化，只要能测出线圈电感变化的大小和极性，就能确定被测体位移的大小和方向。

两种传感器工作原理的不同点是：差动式两线圈的电感产生大小相等、极性相反的变化，配用差动电桥测量电路。

单线圈生隙式只有一个线圈，测量电路配用单臂电桥。

3、为什么螺线管式电感传感器比变隙式电感传感器有更大的测位移范围？ 答：以差动变隙式电感传感器为例，δ20=K ，非线性项为δδ∆的高次项，式中的∆δ为被测位移范围，δ0为初始气隙。

因此，为提高灵敏度，需减小δ0；而为提高线性度，又需使δ∆»δ0，也就是说，为使传感器具有较高的灵敏度与较好的线性度，必须限制位移范围。

而差动螺线管式电感传感器的灵敏度为()l r W K c r 22011-=μπμ，当每个线圈匝数、μr 、活动铁心半径r c 和线圈长度确定后，灵敏度K 1为与被测位移范围无关的常数，因此，理论上可做到相当大的测位移范围。

消除寄生电容的方法寄生电容是在电路中常见的一种电容，它会对电路的性能和稳定性产生不利影响，所以在电路设计与实施过程中需要采取相应的方法来消除或减小它的影响。

首先，要了解什么是寄生电容。

寄生电容指的是在电路中存在的一种非预期的电容，它是由于电路元器件之间的绝缘介质、电线之间的电容耦合等因素导致的。

寄生电容会产生不良的电流和信号传输效果，降低电路的工作效率和信号质量。

为了消除或减小寄生电容的影响，可以采取以下方法：1. 尽量缩短电路路径长度：寄生电容是由于电线之间的电容耦合导致的，因此缩短电路路径长度可以减小电容的大小。

在设计电路时，应尽量将电路布线紧凑，减少电线之间的距离，尤其是高频电路中更要注意。

2. 使用屏蔽或隔离材料：在电路布局中，可以使用屏蔽或隔离材料来隔离不同信号之间的干扰，减少电容耦合的产生。

例如，可以使用金属壳体对电路进行屏蔽，或使用绝缘材料将电路分隔开来。

3. 优化地线设计：地线是电路中最常见的导线，也是最容易受到寄生电容影响的部分。

为了消除或减小寄生电容，可以采用良好的地线设计方法，例如使用大面积的地线铺设、采用多层地线等，以提高地线的导电性能和减小电容耦合效应。

4. 使用绝缘层或堵塞介质：在电路设计中，可以使用绝缘层将电路元器件隔离开，从而减少元器件之间的电容耦合。

另外，也可以使用堵塞介质来填充元器件之间的空隙，阻止电容耦合的产生。

5. 选择合适的元器件和连接方式：在电路设计中，可以选择具有低电容特性的元器件，并采用适当的连接方式来减小寄生电容的影响。

例如，可以选择具有低电容值的电容器，或使用差分信号传输来减小电容耦合效应。

总之，消除寄生电容的方法并不是一成不变的，它需要根据具体的电路设计和应用需求来选择合适的方法。

在实际应用中，工程师需要结合具体的电路参数和特点来分析、优化电路，从而消除或减小寄生电容的影响，以保证电路的性能和稳定性。

希望本文所介绍的方法能够给电路设计者提供一些指导和参考，以便更好地应对寄生电容的问题。

传感器电路的噪声及干扰来源传感器电路很容易接收到外界或内部一些无规则的噪声或干扰信号，如果这些噪声和干扰的大小可以与有用信号相比较，那么在传感器电路的输出端有用信号将有可能被淹没，或由于有用信号分量和噪声干扰分量难以分辨，则必将妨碍对有用信号的测量。

所以在传感器电路的设计中，往往抗干扰设计是传感器电路设计是否成功的关键。

1传感器电路的内部噪声1.1低频噪声低频噪声主要是由于内部的导电微粒不连续造成的。

特别是碳膜电阻，其碳质材料内部存在许多微小颗粒，颗粒之间是不连续的，在电流流过时，会使电阻的导电率发生变化引起电流的变化，产生类似接触不良的闪爆电弧。

另外，晶体管也可能产生相似的爆裂噪声和闪烁噪声，其产生机理与电阻中微粒的不连续性相近，也与晶体管的掺杂程度有关。

1.2半导体器件产生的散粒噪声由于半导体PN结两端势垒区电压的变化引起累积在此区域的电荷数量改变，从而显现出电容效应。

当外加正向电压升高时，N区的电子和P区的空穴向耗尽区运动，相当于对电容充电。

当正向电压减小时，它又使电子和空穴远离耗尽区，相当于电容放电。

当外加反向电压时，耗尽区的变化相反。

当电流流经势垒区时，这种变化会引起流过势垒区的电流产生微小波动，从而产生电流噪声。

其产生噪声的大小与温度、频带宽度△f成正比。

1.3高频热噪声高频热噪声是由于导电体内部电子的无规则运动产生的。

温度越高，电子运动就越激烈。

导体内部电子的无规则运动会在其内部形成很多微小的电流波动，因其是无序运动，故它的平均总电流为零，但当它作为一个元件(或作为电路的一部分)被接入放大电路后，其内部的电流就会被放大成为噪声源，特别是对工作在高频频段内的电路高频热噪声影响尤甚。

通常在工频内，电路的热噪声与通频带成正比，通频带越宽，电路热噪声的影响就越大。

以一个1kΩ的电阻为例，如果电路的通频带为1MHz，则呈现在电阻两端的开路电压噪声有效值为4μV(设温度为室温T=290K)。

看起来噪声的电动势并不大，但假设将其接入一个增益为106倍的放大电路时，其输出噪声可达4V，这时对电路的干扰就很大了。

1、机械干扰这类干扰包括振动和冲击，它们对于具有相对运动元件的传感器有很大影响。

防范措施是设法阻止来自振动源的能量的传递。

采用重量大的工作台是吸收振动的有效方法。

也可为传感器配用质量大的基座，以造成阻抗失配，进而防止振动，但应注意增加传感器重量对被测对象带来的附加影响。

2、音响干扰音响干扰一般功率不大，尤其是在医院和生物医学实验室环境下下，故这类干扰较易抑制，必要时可用隔音材料作传感器的壳体，或将其放在真空容器中使用。

3、热干扰由热辐射造成的热膨胀，会使传感器内部元件间发生相对位移，或使得元件性能发生变化。

易受此类干扰影响的传感器有电容式传感器、电感式传感器等。

另外，两种不同种类金属的接触处的温差也会产生寄生热电势，受此类干扰影响较大的传感器有金属热电阻式传感器、热电偶式传感器等。

为传感器加上温度补偿电路、保持测量童电路为恒定温度场等方法是常用的减小温度影响的有效方法。

4、电磁干扰（1）静电干扰电子设备大多把整机装入金属壳，该壳接地便对外部干扰起屏蔽作用。

静电感应一般在高频时造成危害，因此静电屏蔽大多用来抑制高频干扰。

（2）电磁干扰由于我们所处社会的电器化程度越来越高，各种各样的电子仪器在空中造成的电磁波污染也大量增加。

如果不加小心，这些电磁波会由于电磁感应而对传感器输出信号产生严重干扰。

对于此类干扰，除可用电磁屏蔽外，还可用滤波的方法来消除，后者对于已知干扰信号频率时尤为有效。

另外，尽量缩短导线长度（它们的作用就像天线一样）、减小引线面积、将导线拧合在一起布线等措施也是推荐使用的。

在使用传感器的电子仪器中，电源的交流声是一种影响很大的电磁干扰，多用滤波器来消除。

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减小寄生电容影响的六种方法
1.使用电容滤波器：在电路中添加电容滤波器可以减小寄生电容的影响。

电容滤波器将直流信号通过滤波器中的电容器进行滤波，从而使电路中的干扰信号得到有效的滤除。

2. 降低电路噪声：减小电路中的噪声可以降低寄生电容的影响，因为噪声信号往往具有高频成分，这些高频信号会加重寄生电容的影响。

可以通过优化电路设计或使用低噪声元器件实现。

3. 采用屏蔽技术：在电路中添加屏蔽层或屏蔽材料可以有效减小寄生电容的影响。

屏蔽层或屏蔽材料能够将电路中的电磁辐射或干扰信号隔离在屏蔽层或屏蔽材料之外，从而减小寄生电容的影响。

4. 优化电路布局：电路的布局会对寄生电容的影响产生重要的影响，因此需要优化电路的布局。

可以采用地线分离、信号线和电源线分开布置等方式来优化电路布局。

5. 选择合适的元器件：选择合适的元器件可以减小寄生电容的影响。

例如，选择高频响应更好的电容器可以减小寄生电容的影响。

6. 采用差分信号传输：差分信号传输方式可以减小寄生电容的影响。

在差分信号传输方式中，信号被分为两路传输，两路信号的电势相反，从而减小寄生电容的影响。

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说明电容传感器的缺点及克服方法
电容式传感器是一种常见的传感器，它可以测量电容的变化并将其转换为电信号。

但是，电容式传感器也存在一些缺点，以下是一些克服这些缺点的方法：
1. 灵敏度受温度变化影响：电容式传感器的灵敏度受温度变化的影响比较大，因为电容随温度变化而变化。

为了克服这个问题，可以使用温度补偿电路来抵消温度变化对灵敏度的影响。

2. 电容式传感器需要校准：电容式传感器需要校准以确保其准确性。

校准可以通过使用已知重量的物体进行比较来完成。

在校准过程中，可以调整电容式传感器的电路来确保准确性。

3. 电容式传感器对电磁干扰敏感：电容式传感器对电磁干扰比较敏感，因为电容式传感器的电路可以捕获到电磁波。

为了克服这个问题，可以使用屏蔽材料来避免电容式传感器受到电磁干扰。

4. 需要稳定的电源：电容式传感器需要一个稳定的电源以确保其准确性。

如果电源波动过大，可能会导致传感器输出的电信号不稳定。

因此，使用稳定的电源可以解决这个问题。

综上所述，电容式传感器虽然存在一些缺点，但可以通过一些方法来克服这些问题，从而提高其准确性和可靠性。

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电容传感器在使用中存在的几个问题及处理方法电容传感器是将被测的非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器，它不仅能测量荷重、位移、振动、角度、加速度等机械量，还能测量液面、料面、成分含量等热工参量。

这 种传感器具有高阻抗、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。

因此，电容传感器在自动检测技术中占有很重要的地位，并得到广泛的应用。

但它在使用过程中也存在一些问题： 二、灵敏度的问题 由两平行板组成的一个电容器，若忽略其边缘效应，其电容量可用下式表示： 式中，S为极板相互遮盖面积，单位为m2;d为两平行板间的距离，单位为m;ε为极板间介质的介电常数;εr极板间介质的相对介电常数;ε0真空的介电常数。

从上式可以看出，当d小时可使电容量增大，而使灵敏度增加，但d过小容易引起电容器击穿，一般我们可以采取在极板间放置云母来改善，此时电容C为两电容串联，可写成： 式中，ε1云母片的介电常数;ε2空气的介电常数;d0为气隙宽度;d为两极板间的距离。

云母的介电常数为空气的7倍，云母的击穿电压不少于103kv/mm，空气的击穿电压仅为3kv/mm。

厚度仅为0.01mm的云母片，它的击穿电压也不小于10kv/mm，因此有了云母片，极板之间的距离可大大减小，还能使电容传感器输出特性的线性得到改善。

提高灵敏度除了采用加云母片的方法外，还可以采取以下措施： 1.提高电源频率。

 2.减小极板厚度可削弱边缘效应。

 三、电容传感器中一些量的变化范围 在变极间距离的电容传感器中，由于减小极间距离可以提高灵敏度，多用来测量微米级的位移，一般极板间距离不超过1mm，最大位移量应限制在间距的1/10范围内;在变极板工作面积的传感器中，可以测量厘米级的位移。

在电容传感器中，正确选择电容的大小是很重要的。