图 3. 电容式探头。

（a）带有保护环的截面图；

（b）外观

在很多实际应用中，测量至导电物体的距离时，物体的表面本身可以作为电容器的极板。一种单极电容式传感器设计示于图3，其中电容器的一个极板连接至同轴电缆的中心导线，另一个极板由目标（物体）构成。

注意这个探头极板由接地护套包围，以使边缘效应最小化，改善线性度。典型的电容式探头工作在3MHz范围的频率，能够非常快地探测移动目标，因为带有内置电子接口的探头的频率响应在40kHz的范围。

电容式接近传感器用于导电物体时效率很高。传感器测量电极和物体之间的电容。然而即使是对于不导电物体，这些传感器也能相当有效地使用，尽管精确度稍差。任何物体，不管是导体或非导体，置于电极附近时，都具有其自身的介电特性，会改变电极和传感器封装之间的电容量，进而产生可测量的响应。

为了改进灵敏度并减小边缘效应，可为单极电容式传感器提供有源屏蔽。有源屏蔽的目的是消除感应电极和目标物体的无关部分之间的电场，从而使寄生电容几乎不存在。有源屏蔽围绕电极的非工作侧配置，施加与电极相等的电压。因为屏蔽和电极电压同相且幅度相同，在这两者之间和所有位于屏蔽内的部件之间都没有电场存在，对操作不会有影响。有源屏蔽技术在图4中加以说明。

图 4. 电容式接近传感器中围绕电极的有源屏蔽

图 5. 平行板电容式电桥传感器。

（a）极板排列；

（b）等效电路图

现在，电容式电桥在位移传感器设计中越来越常见。一种线性电桥式电容位置传感器示于图5a。传感器由两组平面电极组件构成，平面相互平行，以恒定的间距d相邻。为增加电容，极板组之间的空间相对较小。固定极板组包括四个矩形组件，移动极板组包括两个矩形组件。所有六个组件具有大致相同的尺寸（一个边长为b，另一个边长为L）。在需要大范围的线性度时，每个极板的尺寸要在机械上实际能实现的情况下尽可能的大。固定组的四个电极在电路上交叉连接，从而形成电桥式电容回路。

电桥激发源提供正弦电压（5～50kHz），移动极板对之间的电压差由差动放大器检测，放大器输出连接至同步检波器的输入。具有固定间距的两个平行极板的电容，正比于一个极板直接面对另一极板相应区域的面积。图5b表示具有电容电桥结构的传感器的等效电路。电容器C1的值为

（5）

其它电容由同一公式导出。要注意相对的电容基本相等：C1=C3，C2=C4。处于完全对称位置的极板相互偏移，导致电桥失衡，产生差动放大器的相敏输出。电容电桥电路的优点是与任何电桥电路一样的：线性度和外部噪声的抑制。除了上述的平板电极，同样的方法可用于传感器的任何对称配置，例如探测转动。

2. MEMS电容式加速度计

加速度计需要特殊的、相对较重的部件，其移动滞后于加速度计外壳的移动，而加速度计的外壳则结合至待测物体。所以位移换能器可用来产生加速度作用形成的电信号。

这个重的部件通常称为激振质量、惯性质量或检测质量。无论传感器设计或转换技术如何，测量的最终目标是检测该质量体相对于加速度计外壳的位移。因此，任何能够在强振动或线性加速度之下测量微小运动的合适的位移换能器，都能用于加速度计。

电容式位移转换是经过了实践检验且可靠的方法之一。电容式加速度传感器基本都包含至少两个部分，首先是“固定”极板（即连接至外壳），另一个是附着在惯性质量上的极板，能够在外壳内自由移动。这些极板形成电容，其值是极板之间距离d的函数：