電容式波高儀是一種利用電容變化來(lái)測(cè)量液體（通常是水）表面高度（波高）變化的儀器。它是水文測(cè)量、海洋工程、實(shí)驗(yàn)室水槽試驗(yàn)等領(lǐng)域中常用的波浪測(cè)量設(shè)備之一。
核心原理
其工作原理基于平行板電容器的基本公式：
C = ε * A / d
其中：
在電容式波高儀中，通常采用以下兩種結(jié)構(gòu)之一來(lái)實(shí)現(xiàn)水位變化對(duì)電容C的影響：
改變有效面積 (A)：
典型結(jié)構(gòu)： 一根垂直安裝的細(xì)長(zhǎng)金屬桿（作為中心電極）被水包圍，水本身作為另一個(gè)電極（通過(guò)接地或一個(gè)大的參考電極板實(shí)現(xiàn)）。
原理： 當(dāng)水位（波浪）上升時(shí)，被水浸沒(méi)的中心電極部分長(zhǎng)度增加。由于水的介電常數(shù)ε水（約80）遠(yuǎn)大于空氣的介電常數(shù)ε空氣（約1），因此被水浸沒(méi)部分形成的電容遠(yuǎn)大于暴露在空氣中的部分形成的電容。
變化： 水位上升 → 被水浸沒(méi)的電極有效長(zhǎng)度增加（相當(dāng)于有效面積A增加） → 中心電極與水之間的總電容C增加。水位下降則電容減小。
特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，常用。電容變化與浸沒(méi)長(zhǎng)度近似成線性關(guān)系。
改變極板間距 (d)：
典型結(jié)構(gòu)： 采用同軸圓柱結(jié)構(gòu)。一個(gè)中心導(dǎo)體棒被一個(gè)同軸的金屬管包圍，兩者之間是空氣間隙。這個(gè)探頭垂直安裝，水位在間隙內(nèi)變化。
原理： 當(dāng)水位上升進(jìn)入內(nèi)外電極間的環(huán)形間隙時(shí)，水取代了部分空氣。水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于空氣，導(dǎo)致該區(qū)域單位長(zhǎng)度的電容顯著增加。
變化： 水位上升 → 高介電常數(shù)介質(zhì)（水）在電極間所占的比例增加 → 總電容C增加。這種變化通常不是線性的。
特點(diǎn)： 靈敏度可能更高，但結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，線性度可能不如變面積式好。
關(guān)鍵組成部分
傳感器探頭： 核心部件，即上述的金屬桿、同軸管或其他電極結(jié)構(gòu)形式。需要堅(jiān)固、耐腐蝕（常用不銹鋼），并有良好的絕緣封裝（如特氟龍），僅暴露測(cè)量部分。
測(cè)量電路：
LC 振蕩電路： 電容C是振蕩回路的一部分，電容變化導(dǎo)致振蕩頻率變化。
交流電橋： 將探頭電容作為一個(gè)橋臂，電容變化導(dǎo)致電橋失衡，產(chǎn)生輸出電壓。
充放電電路： 測(cè)量對(duì)電容充放電的電流或時(shí)間常數(shù)。
專用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片： 現(xiàn)代儀器常使用高精度、高分辨率的集成芯片直接測(cè)量電容值并將其數(shù)字化。
信號(hào)處理與輸出單元： 將調(diào)理后的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的模擬輸出（如 4-20mA, 0-5V/0-10V）或數(shù)字輸出（如 RS232, RS485, SDI-12, Modbus），供數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)或顯示儀表使用。
安裝支架與校準(zhǔn)裝置： 用于將探頭牢固、垂直地固定在測(cè)量位置（如水池壁、海底支架）。校準(zhǔn)裝置（如標(biāo)尺）用于建立電容變化量與真實(shí)水位高度之間的精確對(duì)應(yīng)關(guān)系（標(biāo)定）。
主要優(yōu)點(diǎn)
非接觸式（對(duì)水）： 測(cè)量電極本身與水沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)接觸（區(qū)別于浮子式、壓力式水下部分），減少了機(jī)械磨損和擾動(dòng)。
響應(yīng)速度快： 電容變化是電學(xué)效應(yīng)，響應(yīng)非?？欤芫_捕捉高頻波浪（如實(shí)驗(yàn)室造波或短周期波浪）。
不受水質(zhì)影響（相對(duì)）： 與電阻式波高儀（依賴水的電導(dǎo)率）不同，電容式主要依賴介電常數(shù)。純水和海水的介電常數(shù)差異遠(yuǎn)小于其電導(dǎo)率差異，因此電容式對(duì)水質(zhì)變化（鹽度、純凈度）相對(duì)不敏感，尤其在淡水或低鹽度環(huán)境中優(yōu)勢(shì)明顯。
結(jié)構(gòu)相對(duì)堅(jiān)固： 探頭通常是一根實(shí)心桿或管，不易損壞。
可測(cè)小范圍波高： 在實(shí)驗(yàn)室水槽等小尺度模型中表現(xiàn)優(yōu)異。
主要缺點(diǎn)與注意事項(xiàng)
對(duì)污染敏感： 油污、生物附著（如藻類(lèi)、藤壺）附著在探頭表面會(huì)顯著改變其介電特性，導(dǎo)致測(cè)量漂移或錯(cuò)誤。需要定期清潔維護(hù)。
溫度影響： 水的介電常數(shù)ε水隨溫度變化（約 -0.4%/°C）。高精度測(cè)量需要溫度補(bǔ)償。
邊緣效應(yīng)與非線性： 電場(chǎng)分布不理想，尤其在探頭末端（水面處）存在邊緣效應(yīng)，可能導(dǎo)致非線性。良好的探頭設(shè)計(jì)和信號(hào)處理可以改善。
安裝要求： 探頭必須垂直安裝，且周?chē)枰欢臻g以避免容器壁或其他物體干擾電場(chǎng)（需要“屏蔽距離"）。
初始校準(zhǔn)： 需要精確的初始校準(zhǔn)（靜態(tài)水位標(biāo)定）來(lái)建立電容-高度關(guān)系。
成本： 相對(duì)一些簡(jiǎn)單方法（如標(biāo)尺、浮子），電子測(cè)量部分成本較高。
典型應(yīng)用
實(shí)驗(yàn)室研究： 波浪水槽、港池、潰壩模型等物理模型試驗(yàn)中的波高測(cè)量。
海岸與海洋工程： 近岸波浪監(jiān)測(cè)、港口碼頭波況觀測(cè)、海洋平臺(tái)甲板上浪測(cè)量。
水利工程： 明渠水流、水庫(kù)、河流的液位波動(dòng)測(cè)量。
工業(yè)過(guò)程控制： 需要高精度、快速響應(yīng)液位測(cè)量的場(chǎng)合。
總結(jié)
電容式波高儀是一種基于電容傳感原理的可靠、快速響應(yīng)的波高測(cè)量工具。它在對(duì)水質(zhì)變化不敏感和快速響應(yīng)方面具有優(yōu)勢(shì)，特別適合實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和需要測(cè)量高頻波浪的場(chǎng)合。然而，其性能會(huì)受到表面污染和溫度變化的影響，需要良好的維護(hù)和補(bǔ)償措施。在選擇時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景（如水質(zhì)、波浪頻率范圍、精度要求、維護(hù)條件）來(lái)權(quán)衡其優(yōu)缺點(diǎn)。
