電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測轉物理量或機械量換成為電容變化的一種轉換裝置，實際上就是一個具有可變參數(shù)的電容器。電容式傳感器廣泛用于位移、角度、振動、速度、壓力、成分分析、介質特性等方面的測量。最常用的是平行板型電容器或圓筒型電容器。
介紹
70年代末以來，隨著集成電路技術的發(fā)展,出現(xiàn)了與微型測量儀表封裝在一起的電容式傳感器。這種新型的傳感器能使分布電容的影響大為減小，使其固有的缺點得到克服。電容式傳感器是一種用途極廣，很有發(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅鳌?/p>
典型的電容式傳感器由上下電極、絕緣體和襯底構成。當薄膜受壓力作用時，薄膜會發(fā)生一定的變形，因此，上下電極之間的距離發(fā)生一定的變化，從而使電容發(fā)生變化。但電容式壓力傳感器的電容與上下電極之間的距離的關系是非線性關系，因此，要用具有補償功能的測量電路對輸出電容進行非線性補償。
定義
電容式傳感器——將被測非電量的變化轉換為電容量變化的傳感器。
分類
根據(jù)傳感器的工作原理可把電容式傳感器分為變極距型、變面積型和變介質型三種類型。
根據(jù)傳感器的結構可把電容式傳感器分為三種類型的結構形式。它們又可按位移的形式分為線位移和角位移兩種，每一種又依據(jù)傳感器極板形狀分成平(圓形)板形和圓柱(圓筒)形，雖然還有球面形和鋸齒形等其他形狀，但一般很少用。其中差動式一般優(yōu)于單組(單邊)式傳感器，它具有靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性高等特點。
根據(jù)被測參數(shù)的變化分：
（2）變面積型電容傳感器(A)
（3）變介質型電容傳感器(ε)
應用
1、電容式傳感器具有結構簡單、耐高溫、耐輻射、分辨率高、動態(tài)響應特性好等優(yōu)點，廣泛用于壓力、位移、加速度、厚度、振動、液位等測量中。
但在使用中要注意以下幾個方面對測量結果的影響：
①減小環(huán)境溫度、濕度變化(可能引起某些介質的介電常數(shù)或極板的幾何尺寸、相對位置發(fā)生變化)；
②減小邊緣效應；
③減少寄生電容；
④使用屏蔽電極并接地(對敏感電極的電場起保護作用，與外電場隔離)；
⑤注意漏電阻、激勵頻率和極板支架材料的絕緣性。
電子顯微鏡微調，天文望遠鏡鏡片微調，精密微位移測量等。該傳感器是一個單一的通道，高性能線性位移測量系統(tǒng)，創(chuàng)新的電容位移測量技術，提供了納米測量能力，成本低，適合測量任何導電目標。
2、FWS-CⅡ型在線電容式水分檢測傳感器。在線檢測各種工作機械的液壓、潤滑系統(tǒng)介質的含水率，特別是外部水容易滲入機械內部的軋鋼機、造紙機、汽輪機、船舶機械。監(jiān)視循環(huán)油系統(tǒng)是否存在泄漏，如水冷卻器等。監(jiān)視工作機械的密封元件是否損壞，引起外部水滲入。監(jiān)視環(huán)境空氣濕度對潤滑液壓系統(tǒng)油品品質和含水率的影響。，從而精確測定潤滑油質量，預測設備故障，是設備潤滑油管理中的關鍵部件。本傳感器采用螺紋連
該傳感器還可與控制室中的二次儀表或控制器相連，在線、連續(xù)、實時的檢測各種低水分油品的含水率。直接顯示，遠程控制和報警。實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，積算、傳輸和控制功能。普遍應用于大中型機械聯(lián)動機組的液壓、潤滑循環(huán)系統(tǒng)例如：高線軋機和板帶軋機潤滑油系統(tǒng)、板帶軋機和棒線軋機液壓傳動系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機組潤滑系
3、粘度計，污染度，濕度計電容式傳感器3、FW-C1型電容式潤滑油實時在線監(jiān)測傳感器。本傳感器可以在線準確測定潤滑油的污染程度，包括氧化程度、含水量和其它機械化學雜質污染度，從而精確測定潤滑油質量，判定是否需要更換潤滑油，即可節(jié)約油料，又能預測設備故障，是設備潤滑油管理中改變傳統(tǒng)的按期換油，實現(xiàn)按質換油的關鍵部件。本傳感器采用螺紋連接，體積小，重量輕，結構可靠，是理想的在線潤滑油檢測傳感器，可普遍應用于各類大型動力機械，軸承，齒輪箱，泵機和汽輪機的潤滑油檢測質量實時檢測中。該傳感器還可與控制室中的二次儀表或控制器相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，積算、傳輸和控制功能。
4、電容式壓力傳感器
5、加速度傳感器
6、差動式電容測厚傳感器
原理
電容式傳感器也常常被人們稱為電容式物位計，電容式物位計的電容檢測元件是根據(jù)圓筒形電容器原理進行工作的，電容器由兩個絕緣的同軸圓柱極板內電極和外電極組成，在兩筒之間充以介電常數(shù)為e的電解質時，兩圓筒間的電容量為，式中L為兩筒相互重合部分的長度；D為外筒電極的直徑；d為內筒電極的直徑；e為中間介質的電介常數(shù)。在實際測量中D、d、e是基本不變的，故測得C即可知道液位的高低，這也是電容式傳感器具有使用方便，結構簡單和靈敏度高，價格便宜等特點的原因之一。
電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，由于被測量變化將導致電容器電容變化，通過測量電路，可把電容量的變化轉換為電信號輸出。測知電信號的大小，可判斷被測量的大小。這就是電容式傳感器的基本工作原理。
特點優(yōu)勢
電容式傳感器與電阻式、電感式等傳感器相比有如下一些優(yōu)點：
(1)高阻抗、小功率，因而所需的輸入力很小，輸人能量也很低。電容式傳感器因帶電極板間靜電引力極小(約幾個)，因此所需輸入能量極小，所以特別適宜用來解決輸入能量低的測量問題，例如測量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力非常，能感受0.001μm甚至更小的位移。
(2)溫度穩(wěn)定性好。傳感器的電容值一般與電極材料無關，有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又因本身發(fā)熱極小，對穩(wěn)定性影響甚微。
(3)結構簡單，適應性強，待測體是導體或半導體均可，可在惡劣環(huán)境中工作。電容式傳感器結構簡單，易于制造，可做得非常小巧，以實現(xiàn)某些特殊的測量；能工作在高低溫、強輻射及強磁場等惡劣的環(huán)境中，也能對帶有磁性的工件進行測量。
(4)動態(tài)響應好。由于極板間的靜電引力很小，可動部分做得很小很薄，因此其固有頻率很高，動態(tài)響應時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動態(tài)測量，如測量振動、瞬時壓力等。
(5)可以實現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應。例如非接觸測量回轉軸的振動或偏心、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當采用非接觸測量時，電容式傳感器具有平均效應，可以減小工作表面粗糙等對測量的影響。
電容式傳感器的優(yōu)點是結構簡單，價格便宜，靈敏度高，零磁滯，真空兼容，過載能力強，動態(tài)響應特性好和對高溫、輻射、強振等惡劣條件的適應性強等。
不足之處
電容式傳感器存在的不足之處如下：
(1)輸出阻抗高，負載能力差。
無論何種類型的電容式傳感器，受電極板幾何尺寸的限制，其電容都很小，一般為幾十到幾百皮法(pF)，因此使電容式傳感器的輸出阻抗很高，可達～Ω。由于輸出阻抗很高，因而輸出功率小，負載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴重時甚至無法工作。
(2)寄生電容影響大。
電容式傳感器的初始電容量很小，而連接傳感器和電子線路的引線電纜電容、電子線路的雜散電容以及電容極板與周圍導體構成的電容等寄生電容卻較大。寄生電容的存在不但降低了測量靈敏度，而且引起非線性輸出。由于寄生電容是隨機變化的．因而使傳感器處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)．影響測量準確度。
電容式傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電容(lm~2m導線可達800pF)、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導體構成的電容等“寄生電容”卻較大，這一方面降低了傳感器的靈敏度；另一方面這些電容(如電纜電容)常常是隨機變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測量精度，其變化量甚至超過被測量引起的電容變化量，致使傳感器無法工作。因此對電纜的選擇、安裝、接法都要有要求。
為減小電纜分布電容影響，可將電子線路的前級裝在離傳感器敏感部分很近的地方，或采用所謂“雙層屏蔽等電位傳輸技術”，
又稱“驅動電纜”技術。這種方法的基本思路是：連接電纜采用內外雙層屏蔽，使內屏蔽層與被屏蔽的導線電勢相同，因而兩者之間沒有容性電流存在，這樣使引線與內屏蔽之間的電纜電容不起作用，外屏蔽仍被接地而對外界電場起屏蔽作用，其原理如圖5-15所示。外屏蔽接地后，對地之間電容將成為放大器的負載，它也與電容式傳感器的電容無關。這樣無論電纜形狀和位置如何變化，都不會對傳感器的工作產(chǎn)生影響。
實驗證明：采用驅動電纜技術，即使電容式傳感器電容較小，在傳輸電纜長達10m時，傳感器仍能很好地工作。
兩點注意：
工作頻率等于或接近諧振頻率時，諧振頻率破壞了電容的正常作用。因此，工作頻率應該先擇低于諧振頻率。
電容式傳感器的有效電容除與位移有關外，還與角頻率有關。因此，在實際應用時必須與標定的條件（ω）相同。
缺點是輸出有非線性，寄生電容和分布電容對靈敏度和測量精度的影響較大，以及聯(lián)接電路較復雜等。
測量電路
電容傳感器的特點：電容量小，變化更小（PF級）。理論上，交流電橋可作為電容傳感器的測量電路，但由于電容及變化太小，不易實現(xiàn)。包括（1）調頻電路（2）運算放大器式電路（3）二極管雙T形交流電橋（4）脈沖寬度調制電路
調頻電路
特點：
（1）轉換電路生成頻率信號，可遠距離傳輸不受干擾。
（2）具有較高的靈敏度，可以測量高至0.01μm級位移變化量。
（3）但非線性較差，可通過鑒頻器（頻壓轉換）轉化為電壓信號后，進行補償。
運算放大器式電路運算放大器要求：
特點：
（2）要求Zi及放大倍數(shù)足夠大
（3）為保證儀器精度，還要求電源電壓的幅值和固定電容穩(wěn)定
（4）由于變化小，所以該電路實現(xiàn)起來困難
（5）輸入阻抗高（避免泄漏）、放大倍數(shù)大（接近理想放大器）
二極管雙T形
正負半周分析：
正半周：充電，電流順時針；放電，電流逆時針
負半周：充電，電流逆時針；放電，電流順時針
若，則電流抵消，若，則RL有信號輸出
幾點說明：
（1）該電路電源頻率Mhz級，電源電壓幾十伏，電源的穩(wěn)定性對輸出直接產(chǎn)生影響。
（2）當電容以PF級變化時，輸出以V級變化。
參考資料 >