电容传感器误差分析.docx

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公司推出的必威体育精装版款手机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。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。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。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?pF范围内，相対值ΔC/C则变化在?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