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）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(dá)0.01pF，屬于微弱電容測量,，系統(tǒng)中總的雜散電容（一般大于100pF）遠(yuǎn)遠(yuǎn)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,。
 小型電容測量電路
   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(jìn)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,，zui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,。
 小型電容測量電路
   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),。
   該通信電源電路的主要優(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(dá)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。
 小型電容測量電路
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(dá)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(jìn)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(fù)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(dá)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(zhǔn)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(jī)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(jìn)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(zhǔn)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(dá)G（邏輯電路）時，G的輸人信號使K2閉合,，K1保持?jǐn)嚅_（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就可以使直流電源電路處于混沌狀態(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(jìn)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(jìn)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(dá)到了較高的分辨率?，F(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(dá)600幅/s,，對雜散電容具有較強的抑制能力,，系統(tǒng)靈敏度4.8V/pF，可達(dá)zui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)用的檢測電路,，在現(xiàn)有研究成果基礎(chǔ)上進(jìn)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。