用電測法測量非電學(xué)量時(shí)，先必須將被測的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量而后輸入之。通常把非電學(xué)量變換成電學(xué)量的元件稱為變換器；根據(jù)不同非電學(xué)量的特點(diǎn)設(shè)計(jì)成的有關(guān)轉(zhuǎn)換裝置稱為傳感器，而被測的力學(xué)量（如位移、力、速度等）轉(zhuǎn)換成電容變化的傳感器稱為電容傳感器。
電容傳感器的工作原理是利用力學(xué)量變化使電容器中其中的一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化的方法來實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換的。根據(jù)改變電容器的參數(shù)不同，電容傳感器可有3類：
電容傳感器的原理及應(yīng)用1. 改變板遮蓋面積的電容傳感器
圖1是3種這類傳感器的原理圖，圖1(a)中是利用角位移來改變電容器板遮蓋面積。假定當(dāng)2塊板完全遮蓋時(shí)的面積為S，兩板間的距離為d，板間介質(zhì)的介電常數(shù)為ε。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，該電容器的電容量為：

如果其中一塊板相對(duì)另一板轉(zhuǎn)過θ角，則板間的相互遮蓋面積為：

可見，此電容量的變化值和角位移成正比，以此用來測量角位移。
圖1(b)中是利用線位移來改變電容器板的遮蓋面積的。如果初始狀況板全部遮蓋，則遮蓋面積S＝ab，當(dāng)2塊板相對(duì)位移x時(shí)，則板的遮蓋面積變?yōu)镾=b(a-x)。在介電常數(shù)和板距離不變時(shí)，電容量分別為：

可見，此電容量的變化值和線位移x成正比，用他來測量各類線位移。
圖1(c)所示電容變換器是圖1(b)所示電容器的變種。采用這種鋸齒形電的目的在于提高傳感器的靈敏度。若鋸齒數(shù)為n，尺寸如圖1(b)所示不變，當(dāng)運(yùn)動(dòng)齒相對(duì)于固定齒移動(dòng)一個(gè)位移x時(shí)，則可得：

比較式（2）和式（3）可見，靈敏度提高了n倍。


電容傳感器的原理及應(yīng)用2. 改變介質(zhì)介電常數(shù)的電容傳感器
圖2是2種改變介質(zhì)介電常數(shù)的電容式傳感器的原理圖。圖2(a)常用來檢測液位的高度，圖2(b)常用來檢測片狀材料的厚度和介電常數(shù)。

圖2(a)中由圓筒1和圓柱2構(gòu)成電容器兩，假定部分浸入被測量液體中（液體應(yīng)不能導(dǎo)電，若能導(dǎo)電，則電需作絕緣處理）。這樣，板間的介質(zhì)由2部分組成：空氣介質(zhì)和液體介質(zhì)，由此而形成的電容式料位傳感器，由于液體介質(zhì)的液面發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容器的電容C也發(fā)生變化。這種方法測量的精度很高，且不受周圍環(huán)境的影響?？傠娙軨由液體介質(zhì)部分電容C和空氣介質(zhì)部分電容C兩部分組成：

x — 電容器浸入液體中的深度；
R — 同心圓電的外半徑；
r — 同心圓電的內(nèi)半徑；
ε — 被測液體的介電常數(shù)；
ε — 空氣的介電常數(shù)。
當(dāng)容器的尺寸和被測介質(zhì)確定后，則h，R，r，ε和ε均為常數(shù)，令：

這說明，電容量C的大小與電容器浸入液體的深度x成正比。
圖2(b)是在一個(gè)固定電容器的板之間放入被測片狀材料，則他的電容量為：

式中：S — 電容器的遮蓋面積；
 d — 被測物體上側(cè)至電之間的距離；
 d — 被測物體的厚度；
 d — 被測物體下側(cè)至電之間的距離；
 ε — 被測物體上側(cè)至電之間介質(zhì)的介電常數(shù)；
 ε — 被測物體的介電常數(shù)；
 ε — 被測物體下側(cè)至電之間介質(zhì)的介電常數(shù)。
由于d+d=d-d，且當(dāng)ε＝ε時(shí)，式（5）還可寫為：

式中d — 兩板之間的距離。
顯然，在電容器板的遮蓋面積S，兩板之間的距離d，被測物體上下側(cè)至電之間介質(zhì)的介電常數(shù)ε和ε確定時(shí)，電容量的大小就和被測材料的厚度d及介電常數(shù)ε有關(guān)。如被測材料介電常數(shù)ε已知，就可以測量等厚教材料的厚度d；或者被測材料的厚度d已知，就可測量其介電常數(shù)ε。這就是電容式測厚儀和電容式介電常數(shù)測量儀的工作原理。


電容傳感器的原理及應(yīng)用3. 改變板間距離的電容傳感器
圖3是這類傳感器的原理圖，圖3(a)由2塊板構(gòu)成，其中板2為固定板，板1為與被測物體相連的活動(dòng)板，可上下移動(dòng)。當(dāng)板間的遮蓋面積為S，板間介質(zhì)的介電常數(shù)為ε，初始板間距為d時(shí)，則初始電容C為：

當(dāng)活動(dòng)板1在被測物體的作用下向固定板2位移Δd 時(shí)，此時(shí)電容C為：

當(dāng)電容器的活動(dòng)板1移動(dòng)小時(shí)，即Δd<<d時(shí)，上式按泰勒級(jí)數(shù)展開為：


這時(shí)電容器的變化量ΔC才近似地和位移Δd成正比。其相對(duì)非線性誤差為：

顯然，這種單邊活動(dòng)的電容傳感器隨著測量范圍的增大，相應(yīng)的誤差也增大。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高這類傳感器靈敏度、提高測量范圍和減小非線性誤差，常做成差動(dòng)式電容器及互感器電橋組合結(jié)構(gòu)，如圖3(b)所示。兩邊是固定的電板1和2，中間由彈簧片支承的活動(dòng)板3。2個(gè)固定板與互感器兩端及交流電源U相連接，活動(dòng)板連接端子和互感器中間抽頭端子為傳感器的輸出端，該輸出端電壓ΔU隨著活動(dòng)板運(yùn)動(dòng)而變化。若活動(dòng)板的初始位置距2個(gè)固定板的距離均為d，則固定板1和活動(dòng)板3之間 ，固定2和活動(dòng)板3之間的初始電容相等，若令其為C。當(dāng)活動(dòng)板3在被測物體作用下向固定板2移動(dòng)Δd時(shí)，則位于中間的活動(dòng)板到兩側(cè)的固定板的距離分別為：

由上述推導(dǎo)可知，活動(dòng)板和2個(gè)固定板構(gòu)成電容分別為：

當(dāng)他們做成差動(dòng)式電容器及互感器電橋組合結(jié)構(gòu)時(shí)，其等效電容為：

雖然電容的變化量仍舊和位移Δd成非線性關(guān)系，但是消除了級(jí)數(shù)中的偶次項(xiàng)，使線性得到改善。當(dāng)時(shí)（在微小量檢測中，如線膨脹測量等，一般都能滿足這個(gè)條件），略去高次項(xiàng)，得：

比較式（9）和式（7）可見，靈敏度提高了1倍。
比較式（10）和式（8）可見，在時(shí)，非線性誤差將大大下降。