寄生电容

定义与来源

寄生电容（stray capacitance）指电容式传感器中除传感器自身电容 $C_0$ 以外，由引线电缆、测量电路杂散电容以及极板与周围导体之间形成的电容，记为 $C_p$。其来源包括：传感器引线电缆的分布电容、测量电路的杂散电容、极板与周围导体（如支架、外壳）之间的电容。

对传感器性能的影响

电容式传感器的初始电容量通常很小（几十到几百皮法），而寄生电容 $C_p$ 可能与之相当甚至更大。其影响表现为：

1. 降低灵敏度：寄生电容与传感器电容并联，使总电容变化量在总电容中的占比减小，从而降低灵敏度。
2. 工作不稳定：寄生电容（尤其是电缆电容）可能随位置、振动、温度等因素随机变化，导致输出不稳定。
3. 影响测量精度：寄生电容的漂移和不确定性直接引入测量误差。
4. 易受外界干扰：小电容量导致高容抗（$Z_c=1\mathrm{/}(j\omega C)$），在音频范围内输出阻抗可达 ${10}^6\sim {10}^8\mathrm{\Omega }$，负载能力差，易拾取外界干扰。

等效电路与工作条件

电容式传感器的实际等效电路包含：电感 $L$（引线电缆与传感器本身的电感）、电阻 $R$（引线、极板及金属支架电阻之和）、传感器电容 $C$、寄生电容 $C_p$（引线、测量电路及极板与外界形成的总寄生电容）、漏电阻 $R_g$（极间等效漏电阻，因介质非绝对绝缘，其值为有限数值）。拓扑结构为：$L$ 与 $R$ 串联后，连接至由 $C$、$C_p$ 和 $R_g$ 组成的并联网络。

• 低频工作时：传感器电容阻抗很大，$L$ 和 $R$ 的影响可忽略，等效电路相当于 $C$、$C_p$ 两个并联电容与漏电阻 $R_g$ 再并联。此时漏电阻将降低灵敏度，因此需选用较高的电源频率，一般为 50 kHz 到几兆赫。
• 高频工作时：漏电阻 $R_g$ 可忽略，但 $L$ 和 $R$ 的影响不可忽略，等效电路相当于 $L$、$R$ 和两个并联电容（$C$ 与 $C_p$）三者串联。
• 纯电容近似条件：当环境温度不高、湿度不大且供电电源频率合适时，电容传感器可视为纯电容。

抑制寄生电容的设计要点

在规定的量程、温度和压力范围内，追求低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠及高频率响应。具体措施包括：

1. 减小环境温湿度变化的影响，保证绝缘材料的绝缘性能；
2. 消除和减小边缘效应；
3. 消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰；
4. 尽可能采用差动式电容传感器。

使用屏蔽电极并接地，可对敏感电极的电场起保护作用，与外电场隔离。注意漏电阻、激励频率和极板支架材料的绝缘性。极板支架材料的绝缘性好有利于防止极板被电压击穿。