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二、电容器在传感技术中的应用 电容器，在无线电中的应用是人们所熟知的.此外，人们还利用电容器的电容随参数变化而改变的特性，将电容器作为敏感元件，制成电容式传感器，用于生产和生活中许多非电变化量的自动检测，这也是电容器众多应用领域中的一个重要方面. 电容式传感器的测量过程是信息的被采集与转换过程.通过敏感元件和配用电路的操作，可以将被测量转换成易于处理和显示的电信号，其转换过程大致如下： 待测变化量电容变化量电压（或电流或频率）变化量. 从引起电容变化的参量来划分，电容式传感器有三种基本类型：（1）变间隙式；（2）变面积式；（3）变介电常数式. 下面就分别简单地介绍一下它们的工作原理及应用. （一）变间隙测位移原理 对平板电容器，不考虑边缘效应时有C=，其中ε为介质介电常数，A为极板面积，d为极板间隙. 在变间隙式电容传感器中，当敏感元件的其他参数不变而d随有线位移的被测体同步变化时，C是间隙改变量Δd的单值函数. 为了提高灵敏度及减小测量误差，实际应用中，变间隙式传感器多采用一种有中间活动极板的电容器作敏感元件，如图3（a）所示.图3（b）为原理图. 图3 当活动极板在平衡位置时，有 d1=d2=d0;C1=C2=C0= 设活动极板由于被测体的移动有向下位移Δd时， d1=d0+Δd,使得C1减少，C1=C0-C1 C1==C0 d2=d0-Δd,使得C2增加，C2=C0+ΔC2 C2==C0 在有效测量范围内，总有Δdd0，利用台劳级数展开C1、C2，有 C1=C0［1-+()2-()3+…］ C2=C0［1++()2+()3+…］ 则敏感元件总的电容变化量与极板间隙的变化量关系为： C2-C1=ΔC2-ΔC1=2C0[1+（）2+(）4+…］ 这是一个非线性的表达式. 如前所述，传感器中，由于电容变化量不容易显示，利用配用电路，可将电容变化量转换为电压信号. 将有活动极板电容C1、C2（如图4所示）作为配用电路的相邻桥臂时，就可以将电容的变化（实际反映的是位移的变化）转变为电桥的输出电压U0，现分析如下：  图4 当C1=C2=C0时，电桥处于平衡状态，U0=0.当C1、C2如图变化时，由电路计算可知： U0=UA-UB=U-U =U=U 利用ΔC2-ΔC1表达式及C1、C2展开式 U0=U U为电源电压 可见，敏感元件本身对位移的转换虽然是非线性的，但是通过电容器在桥路中的接法——被称之为差动接法，最终转换的输出信号却是线性的结果.这也是为何采用差动接法的原因了. 变间隙式一般测量位移的范围小，大约在零点零几微米到零点几微米之间. （二）变面积测角度原理 图5为变面积式传感器的一种结构形式以及极板形状.当差动电容的活动极板随被测物体转动时，就改变了它与两个固定极板之间的有效面积，使得上下两个等效电容发生大小相等，极性相反的变化.此时待测非电量为角位移. 图5 设活动极板在初始位置时对上、下两固定极板完全对称，有C0=·Q0，Q0为初始位置时角度. 当有角位移ΔQ变化时， ΔC=ΔC1-ΔC2=2×ΔQ=2C0 即电容变化为角度的单值函数，且为线性. （三）变介电常数测液位原理 变介电常数式传感器，利用被测物体的介质的变化，将液位变化转变成电容的变化来测量. 图6为变介电常数式圆筒电容传感器示意图及等效电路图. 图6 利用圆柱面的轴对称性及高斯定律，可求出圆柱面电容器的电容一般表达式为： C= l为柱长 圆筒电容器的等效电路相当于三个电容并联， C1为不随液面高度变化的杂散电容（包括导线分布电容） C2为液面上部介质常数为εr0的电容 C2= C3为介质常数为εr1的液体的电容， C3= 总的等效电容为 C=C1+C2+C3=C1+［εr0H+(εr1-εr0)h］. 令C1+H=C0 表示圆筒电容器的电容初始值. 又令 (εr1-εr0)=K为灵敏系数. 在数值上K==，其物理意义为电容相对被测液面高度变化的改变速率. 表示式 C=C0+Kh 给出了圆筒电容与液面高度变化的线性关系. （四）电容式传感器的特点及发展 电容式传感器不仅能测位移、角度、液位，还能测量诸如振动、加速度、荷重等其他物理量.与其他传感器相比，其结构相对简单，灵敏度较高，无自热现象，动态响应好，环境适应能力强及过载能力强等特点，使其在检测中应用广泛.但电容式传感器中分布电容的影响会造成工作状态的不稳定和误差，这是限制电容式传感器应用的主要障碍. 研究表明，改进传感器的关键在于配用电路.近年来，对传统电容式传感器的改进主要有几种途径： 1.利用微机控制系统参与对输入传感器的信息进行处理，以提高抗干扰性能； 2.采用电荷及电压平衡式零位测量方式，抑制分布电容对测量的影响； 3.将传统分立元件电路用集成功能电路代替，以提高可靠性和性价比. 相信随