电容式传感器温湿度误差抑制

设计任务与约束

电容式传感器的设计需在规定的量程、温度和压力范围内，权衡低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠及高频率响应等指标。由此引出四项具体设计任务：减小环境温湿度变化的影响并保证绝缘材料的绝缘性能；消除和减小边缘效应；消除和减小寄生电容的影响并防止外界干扰；尽可能采用差动式电容传感器。

温湿度误差的来源

电容的基本关系为 $C=\epsilon \frac{A}{d}$，其中 $C$ 为电容（F），$\epsilon$ 为极板间介质的介电常数（F/m），$A$ 为极板有效面积（m²），$d$ 为极板间距（m）。温度变化会通过两种途径改变电容：一是电极与支架的热膨胀改变几何尺寸 $A$、$d$；二是介质介电常数 $\epsilon$ 随温度变化。湿度变化则主要通过绝缘支架表面吸潮，降低表面电阻与绝缘电阻，形成漏电流和附加寄生电容，使输出漂移。

材料与结构措施

电极选用温度系数低的铁镍合金，或在陶瓷、石英上喷镀金、银，以形成导电电极并减小温度对几何尺寸的影响；镀层本身并不保证减小边缘效应，边缘效应须通过几何形状、极距以及等位环等结构措施来抑制。电极支架选用温度系数小、几何尺寸稳定、高绝缘电阻、低吸潮性及高表面电阻的材料，如石英、云母、人造宝石、陶瓷。电介质采用空气或云母，其介电常数温度系数近为零，并对传感器密封以防尘防潮。结构上采用差动结构，配合电桥等测量电路以减小温度误差。

差动技术的作用

差动结构包含四个方面的作用：减小非线性误差；提高传感器灵敏度；减小寄生电容的影响；应对温度、湿度等环境因素的影响。其机理在于：两个对称传感单元受到相同的温湿度等共模环境作用时，输出中的共模漂移在差动或电桥电路中相互抵消，而与被测量相关的差模变化得到保留并加倍。

综合效果与适用范围

上述措施共同服务于降低非线性、提高灵敏度并减弱寄生电容和温湿度共同影响。低温度系数材料、高绝缘支架、密封和对称差动是相互配合的整体：材料与密封抑制缓慢的环境漂移，差动与电桥抑制共模干扰，屏蔽与合理布线抑制寄生电容。这些措施适用于以极板间距、面积或介质变化为被测量的电容式传感器，其效果依赖于两路传感单元在几何与材料上的对称性以及密封的长期有效性。