電容式傳感器是將被測量的變化轉換成電容量變化的一種裝置。電容式傳感器具有結構簡單、分辨力高、工作可靠、動態(tài)響應快、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)的各個領域得到廣泛應用。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與技術大學(UMIST)率先開發(fā)的電容層析成像(ECT)技術是解決火電廠煤粉輸送風-粉在線監(jiān)測等氣固兩相流成分和流量檢測的有效途徑電容電路，其中微小電容測量是關鍵技術之一。

電容傳感器的電容變化量往往很小。結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、結構、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S1，將未知電容Cx充電至Ve，再由第二個CMOS開關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重復進行，因而平均電流Im=Ve·Cx·f，該電流被轉換成電壓并被平滑，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，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=2KRfVeCxf (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，而且電路結構簡單，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開關控制，所以存在電荷注入問題。目前該電路已成功應用于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電容電路，若輸出為零，則橋路平衡；若輸出不為零，重復上述測量步驟，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