电荷平衡式电容位移传感器

结构与变量定义

电荷平衡式电容位移传感器由测量电容 CM、参考电容 CR、公用电极和前置放大器组成。CM 的电容值随屏蔽板位置改变而变化，即屏蔽板位移调制 CM；CR 为固定参考电容。VR 为等幅方波激励电压，VM 为幅值受控且与 VR 反相的方波电压。

电荷平衡原理

公用电极同时与 CM 和 CR 相连，其电位被前置放大器检测。系统通过反馈调节 VM 的幅值，使公用电极上的净电荷（或等效信号）为零，即达到电荷平衡。平衡条件为

其中 CM、CR 单位为法拉（F），VR、VM 单位为伏特（V）。该式表示：由 VR 经 CM 注入的电荷与由 VM 经 CR 注入的电荷大小相等、符号相反，公共电极净电荷为零。

输出关系

由平衡条件解出

负号表示 VM 与 VR 反相。由于 CR 和 VR 幅值恒定，VM 的幅值与 CM 成正比。屏蔽板位置改变引起 CM 变化，因此 VM 的幅值随测头位置线性变化，可作为位移输出信号。

适用范围与特点

该结构适用于位移测量，特别是便携式孔径测量工具。其输出 VM 与 CM 成比例，CM 与屏蔽板位置成比例，故 VM 与测头位置成比例。平衡条件依赖前置放大器检测公共电极零信号并反馈控制 VM，属于闭环电荷平衡测量方式。

电容或读出幅值与被测量的线性关系，须在给定结构、固定其他几何和介电参数及规定的小变化或均匀介质条件下成立；电压正比于电容不自动意味着电压正比于任意厚度、距离或料位。