传感器技术基础：电容方案的传感器的工作原理和应用场景

电容式传感器是一种基于电容器电容变化实现物理量检测的装置，其核心原理是利用电容器的电容特性，将被测量（如位移、压力、液位等）的变化转化为电容值的变化，再通过信号处理电路将电容变化转换为可测量的电信号（如电压、频率等）。以下从工作原理和应用场景两方面详细说明：

一、电容式传感器的工作原理

电容式传感器的理论基础是平行板电容器的电容计算公式：
C = ε₀εᵣS/d
其中：

• C 为电容（单位：F）；
• ε₀为真空介电常数（≈8.85×10⁻¹² F/m）；
• εᵣ为极板间介质的相对介电常数；
• S 为两极板的相对正对面积（单位：m²）；
• d 为两极板间的距离（单位：m）。

当被测量导致 εᵣ、S、d 中任意一个参数发生变化时，电容 C 会随之改变。电容式传感器通过检测 C 的变化，反向推导被测量的大小。根据参数变化的类型，可分为以下三类基本形式，实际应用中常结合差动结构（通过两个反向变化的电容抵消干扰，提高灵敏度）：

1. 变极距型（d 变化）

• 原理：两极板中一板固定、一板可动，被测量（如微位移、振动）通过机械结构带动可动极板，改变间距 d，从而使电容 C 变化（C 与 1/d 成正比）。
• 特点：灵敏度高（d 越小，灵敏度越高），但 C 与 d 呈非线性关系（仅在小位移下近似线性），常用于微位移（μm 级）、振动幅度测量。

2. 变面积型（S 变化）