電容式傳感器由電容量可變的電容器和測(cè)量電路組成，其變量間的轉(zhuǎn)換原理如圖5—2所示。

圖5—2電容式傳感器變量間的轉(zhuǎn)換關(guān)系

由電學(xué)可知，兩個(gè)平行金屬極板組成的電容器，如果不考慮其邊緣效應(yīng)，其電容為

Se——兩個(gè)極板介質(zhì)的介電常數(shù)

S——兩個(gè)極板的相對(duì)有效面積

d——兩個(gè)極板間的距離。

由上式可知，改變電容C的方法有三種，一是改變介質(zhì)的介電常數(shù)s；二是改變形成電容的有效面積S；三是改變兩個(gè)極板間的距離d。根據(jù)被測(cè)量的變化得到電參數(shù)的輸出為電容值的增量ΔC，這就是電容式傳感器的基本工作原理。

根據(jù)上述原理，在應(yīng)用中電容式傳感器有三種基本類(lèi)型，即變極距（或稱為變間隙）型、變面積型和變介電常數(shù)型。它們的電極形狀又有平板形、圓柱形和球平面形三種。

1.變極距型電容式傳感器

圖5—4所示是變極距型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。圖中1、3為固定極板；2為可動(dòng)極板，其位移由被測(cè)量的變化引起。當(dāng)可動(dòng)極板向上移動(dòng)△d（8），圖5—4a所示結(jié)構(gòu)的電容增量為

AC-2-5C(5-2)

式中Co——極距為極板間初始距離d時(shí)的初始電

上式說(shuō)明ΔC 與△d 不是線性關(guān)系。但當(dāng)△d<d

結(jié)構(gòu)原理圖 （即量程遠(yuǎn)小于極板間初始距離）時(shí)，可以認(rèn)為ΔC

與△d是線性的。因此這類(lèi)傳感器一般用來(lái)測(cè)量微小變化的量，如0.01μm至零點(diǎn)幾毫米的線位移等。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了改善非線性、提高靈敏度和減少外界因素（如電源電壓、環(huán)境溫度等）的影響，電容式傳感器也和電感傳感器一樣常常做成差分形式，如圖5—4b所示。當(dāng)可動(dòng)極板向上移動(dòng)Δd時(shí)，極板1、2間電容量增加，極板2、3間電容量減小。

2.變面積型電容式傳感器

圖5—5所示是變面積型電容式傳感器的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)示意圖。與變極距型電容式傳感器相比，它們的測(cè)量范圍大。可測(cè)量較大的線位移或角位移。圖中1、3為固定極板，2為可動(dòng)極板。當(dāng)被測(cè)量變化使可動(dòng)極板位移時(shí)，即改變了電極間的遮蓋面積，電容量C也就隨之變化。對(duì)于電容間遮蓋面積由S變?yōu)镾'時(shí)，電容變量為

式中△S=S-S'。

由上式可知，電容的變化量與面積的變化量呈線性關(guān)系。

變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來(lái)測(cè)量電介質(zhì)的厚度、位移、液位、液量，還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量的改變而改變來(lái)測(cè)量溫度、濕度、容量等。以測(cè)量液面高度為例，電容式液位傳感器的結(jié)構(gòu)原理與等效電路如圖5—6所示。

 

圖5—6所示同軸圓柱形電容器的初始電容為

 

 

測(cè)量時(shí)，電容器的介質(zhì)一部分是被測(cè)液位的液體，一部分是空氣。設(shè)C為液體有效高度h，形成的電容，C2為空氣高度（h—h，）形成的電容，則

 

 

由于C1和C2并聯(lián)，所以總電容為

 

 

其電容量與被測(cè)量的關(guān)系為

 

 

式中h——電極圓筒高度；

1、2——內(nèi)極筒外半徑和外極筒內(nèi)半徑；h、——被測(cè)液面高度及其介電常數(shù)；E0——間隙內(nèi)空氣的介電常數(shù)。

可見(jiàn)，電容C理論上與液面高度h，呈線性關(guān)系，只要測(cè)出傳感器電容C的大小，就可得到液位高度。在實(shí)際應(yīng)用中，常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)的電容式傳感器，其靈敏度比單極式提高一倍，非線性度也大為減小。