電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種裝置。電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、分辨力高、工作可靠、動態(tài)響應(yīng)快、可非接觸測量，并能在高溫、輻射和強烈振動等惡劣條件下工作等優(yōu)點已在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如在氣力輸送系統(tǒng)中，可以用電容傳感器來獲得濃度信號和流動噪聲信號，從而測量物料的質(zhì)量流量；在電力系統(tǒng)中，采用電容傳感器在線監(jiān)測電纜溝的溫度，確保使用的安全；由英國曼徹斯特科學(xué)與技術(shù)大學(xué)(UMIST)率先開發(fā)的電容層析成像(ECT)技術(shù)是解決火電廠煤粉輸送風(fēng)-粉在線監(jiān)測等氣固兩相流成分和流量檢測的有效途徑，其中微小電容測量是關(guān)鍵技術(shù)之一。
    電容傳感器的電容變化量往往很小。結(jié)果電容傳感器電纜雜散電容的影響非常明顯。特別在電容層析成像系統(tǒng)中被測電容變化量可達0.01pF，屬于微弱電容測量，系統(tǒng)中總的雜散電容(一般大于100 pF)遠遠大于系統(tǒng)的電容變化值，且雜散電容會隨溫度、結(jié)構(gòu)、位置、內(nèi)外電場分布及器件的選取等諸多因素的影響而變化，同時被測電容變化范圍大。因此微小電容測量電路必須滿足動態(tài)范圍大、測量靈敏度高、低噪聲、抗雜散性等要求。

1 充/放電電容測量電路
    充/放電電容測量電路基本原理如圖1所示。
 
    由CMOS開關(guān)S1，將未知電容Cx充電至Ve，再由第二個CMOS開關(guān)S2放電至電荷檢測器。在一個信號充/放電周期內(nèi)從Cx傳輸?shù)綑z波器的電荷量Q=Ve·Cx，在時鐘脈沖控制下，充/放電過程以頻率f=1/T重復(fù)進行，因而平均電流Im=Ve·Cx·f，該電流被轉(zhuǎn)換成電壓并被平滑，最后給出一個直流輸出電壓 Vo=Rf·Im=Rf·Ve·Cx·f(Rf為檢波器的反饋電阻) 。
    充/放電電容測量電路典型的例子為差動式直流充放電C/V轉(zhuǎn)換電路，如圖2所示。
 
    Cs1和Cs2分別為源極板和檢測極板與地間的等效雜散電容(通過分析可知，它們不影響電容Cx的測量)。S1-S4是CMOS開關(guān)，S1和S3同步，S2和S3同步，它們的通斷受頻率f的時鐘信號控制，每個工作周期由充/放電組成。分析可得電路輸出為
Vo=2KR_fV_eC_xf            (1)
式中，K為差分放大器D3的放大倍數(shù)。
    該電路的主要優(yōu)點是能有效地抑制雜散電容，而且電路結(jié)構(gòu)簡單，成本很低，經(jīng)過軟件補償后電路穩(wěn)定性較高，獲取數(shù)據(jù)速度快。缺點是電路采用的是直流放大，存在較大的漂移；另外，充/放電是由CMOS開關(guān)控制，所以存在電荷注入問題。目前該電路已成功應(yīng)用于6、8、12電極的ECT系統(tǒng)中。其典型分辯率可達3*10^-15F。

2 AC電橋電容測量電路
    AC電橋電容測量電路如圖3所示，其原理是將被測電容在一個橋臂，可調(diào)的參考阻抗放在相鄰的一個橋臂，二橋臂分別接到頻率相同/幅值相同的信號源上，調(diào)節(jié)參考阻抗使橋路平衡，則被測橋臂中的阻抗與參與阻抗共軛相等。這種電路的主要優(yōu)點是：精度高，適合作精密電容測量，可以做到高信噪比。
  
    圖3電路的缺點是無自動平衡措施，為此可采用圖4所示的自動平衡AC電橋電容測量電路。
 
    該系統(tǒng)輸出Vd為一直流信號，ΔC為傳感器的電容變化量。
 
式中，2/π為相敏因子。
    結(jié)合平衡條件，在理論上輸出Vd可寫成
 
    獲得該電橋的自動平衡過程的步驟為：保證電橋未加載時ΔC=0，測量電橋非平衡值并利用公式(3)計算出電橋輸出為零時所需的反饋信號Ve的值。重新測量橋路的輸出，若輸出為零，則橋路平衡；若輸出不為零，重復(fù)上述測量步驟，直至橋路輸出為零，即橋路平衡為止。該電橋電容測量電路原理上沒有考慮消除雜散電容影響的問題，為此采取屏蔽電纜等復(fù)雜措施，而且其效果也不一定理想。通過實驗測得其線性誤差能達到±1*10^-13F。

3 交流鎖相放大電容測量電路
    交流型的C/V轉(zhuǎn)換電路基本原理如圖5所示。
    
     正弦信號Ui(t)對被測電容進行激勵，激勵電流流經(jīng)由反饋電阻Rf、反饋電容Cf，和運放組成的檢測器D轉(zhuǎn)換成交流電壓 Uo(t)：
 
若jωRfCf>>1，則(4)式為
 
    式(5)表明，輸出電壓值正比于被測電容值。為了能直接反映被測電容的變化量，目前常用的是帶負反饋回路的C/V轉(zhuǎn)換電路。這種電路的特點是抗雜散性、分辨率可高達0.4*10^-15F。
    由于采用交流放大器，所以低漂移、高信噪比，但電路較復(fù)雜，成本高，頻率受限。

4 基于V/T變換的電容測量電路
    測量電路基本原理如圖6所示。
 
    電流源Io為4DH型精密恒流管，它與電容C通過電子開關(guān)K串聯(lián)構(gòu)成閉合回路，電容C的兩端連接到電壓比較器P的輸入端，測量過程如下：當(dāng)K1閉合時，基準電壓給電容充電至Uc=Us，然后K1斷開，K2閉合，電容在電流源的作用下放電，單片機的內(nèi)部計數(shù)器同時開始工作。當(dāng)電流源對電容放電至Uc=0時，比較器翻轉(zhuǎn)，計數(shù)器結(jié)束計數(shù)，計數(shù)值與電容放電時間成正比，計數(shù)脈沖與放電時間關(guān)系如圖7所示。

     電容電壓Uc與放電電流Io的關(guān)系為：
 
令Uc=0，則有：
 
式中，N為計數(shù)器的讀數(shù)；Tc為計數(shù)脈沖的周期；它是一個常數(shù)；在Us和Io為定值時，C與N成正比。
    基于V/T變換的電容測量電路，對被測電容只進行一次充放電即可完成對被測電容的測量。采用了電子技術(shù)中準確度較高的時間測量原理，克服了傳統(tǒng)測量微弱信號電路中放大器的穩(wěn)定性不好、零點漂移大等缺點，且電路結(jié)構(gòu)簡單、測量精度和分辨率高。

5 基于混沌理論的恒流式混沌測量電路
    恒流式混沌電路如圖8所示。

     其工作原理如下：當(dāng)K1、K2斷開時，K3閉合。電容C充電使Uc=Ux，然后K3斷開，待周期為t的脈沖序列δ中的一個脈沖到達G(邏輯電路)時，G的輸人信號使K2閉合，K1保持斷開(此時相當(dāng)于圖9中的X1點)，電容開始以-0.5Io的恒定電流放電。當(dāng)Uc=0時，相當(dāng)于電路中的A點，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出電壓Up由高電平變?yōu)榈纂娖剑琔p的變化促使G變化，使G控制K1閉合、K2斷開，此時電容C由恒定電流Io充電，使Uc按A-X2方向上升。當(dāng)又一個脈沖到來時(相當(dāng)于圖8中X2點)，G又開始變化，使K1斷開、K2閉合，又一個放電充電過程開始。這樣周而復(fù)始的放電充電使Uc的變化如圖9所示，只要適當(dāng)調(diào)整，Io和t就可以使電路處于混沌狀態(tài)。
 
    這種方法突出的優(yōu)點是測量的分辨率高，測量的絕對誤差不隨被測電容值的變化而改變，對作為傳感器的元件只要求穩(wěn)定即可。當(dāng)被測電容很大時，相對誤差還會減小。此方法除了可以直接測量電容外，也可以作為電容式傳感器測量其它電量和非電量。

6 基于電荷放大原理的電容測量電路
    基于電荷放大原理的電容測量電路如圖10所示，該電路是通過測量極板上的激勵信號所感應(yīng)出的電荷量而得到所測電容值的。圖中Cx為被測電容，它的左側(cè)極板為激勵電極，右側(cè)極板為測量電極。Cas和Cbs表示每個電極所有雜散電容的等效電容，Cas由激勵信號源驅(qū)動，它的存在對流過被測電容的電流無影響。電容Cbs在
測量過程中始終處于虛地狀態(tài)，兩端無電壓差，因而它也對電容測量無影響，因此整個電路對雜散電容的存在不敏感。
 
    基于電荷放大原理的電容測量電路，一方面該電路對被測電容只進行一次充放電，就可完成對電容的測量，由于測量結(jié)果是直流穩(wěn)定信號，不存在脈動成分，故電路中無需濾波器。因此大大提高了基于該電路的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速度。同時該電路具有很強的抗雜散電容的性能。另一方面該電路可以對各開關(guān)的控制時序進行合理的設(shè)計，用以較好地解決了電子開關(guān)的電荷注入效應(yīng)對測量精度的影響問題，使電路達到了較高的分辨率。現(xiàn)在此電路成功應(yīng)用于12電極ECT系統(tǒng)中，在不實時成像的情況下，數(shù)據(jù)采集速度可達600幅/s，對雜散電容具有較強的抑制能力，系統(tǒng)靈敏度4.8 V/pF，可達最高分辨率為5*10^-15F。

7 結(jié)論
    電容傳感器性能很大程度上取決于其測量電路的性能，目前的微小電容測量技術(shù)正處于不斷的完善中，還不能滿足實際應(yīng)用發(fā)展的需要。從工業(yè)角度而言，一個完善的微小電容測量電路應(yīng)該具備低成本、低漂移、響應(yīng)速度快、抗雜散性好、高分辨率、高信噪比和適用范圍廣等優(yōu)點。在上述討論的測量電路各有優(yōu)缺點，相比較而言，交流鎖相放大測量電路是目前實驗室應(yīng)用最好的檢測電路，在現(xiàn)有研究成果基礎(chǔ)上進一步改善其電路復(fù)雜、頻率受限的缺點，將在工業(yè)實際測量中具有廣泛的應(yīng)用前景。把微小電容測量技術(shù)研究工作推上一個新臺階。