平行板電容器容值影響因素探究*

張 媛 李廷陽 萬 盈 榮傲華 吉向東

(湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 湖北 襄陽 441053)

1 實(shí)驗(yàn)理論依據(jù)

2 實(shí)驗(yàn)方案流程

實(shí)驗(yàn)通過控制變量法對平行板電容器電容值C的兩個影響因素進(jìn)行研究，分別從極板間距離d、正對面積S兩個方面進(jìn)行驗(yàn)證.該實(shí)驗(yàn)將分別改變極板板間距離d以及極板正對面積S，由FDC2214電容式傳感器采集極板間數(shù)據(jù)，通過STM32F103RCT6核心板對其數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出結(jié)果后將數(shù)據(jù)顯示在OLED上.具體實(shí)驗(yàn)流程圖如圖1所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)流程

3 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計

為驗(yàn)證平行板電容器電容值C與極板間距離d和正對面積S的關(guān)系.設(shè)計并制作驗(yàn)證裝置，其組成如圖2所示.兩塊平行極板(極板A和極板 B)分別通過導(dǎo)線a和導(dǎo)線b連接到測量顯示電路，裝置可測量并顯示置于極板A與極板B之間的頻率測量值(fSENSOR) .

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置總體組成圖

4 裝置各組成部分方案選擇

(1)微處理器選擇：驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)選用ST 公司ARM Cortex-M3 架構(gòu)內(nèi)核的 STM32F103RCT6 單片機(jī)作為微處理器，該單片機(jī)專為要求高性能、低成本、低功耗嵌入式應(yīng)用而設(shè)計，內(nèi)置128K Flash和20KB ROM，含有12 位 ADC，4 個 16 位定時器和 3 路 USART 通信等多種資源，其時鐘頻率最高可達(dá) 72 MHz，是同類型產(chǎn)品中性價比最高的產(chǎn)品.

(2)傳感器的選擇：驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)選用FDC2214電容式傳感器作為采集模塊，F(xiàn)DC2214電容式傳感器作為一款低功耗、低成本且高分辨率的傳感器，適用于接近檢測、手勢識別和遠(yuǎn)程液位感測等領(lǐng)域.該傳感器是基于LC諧振電路原理的一個電容檢測傳感器.使用過程中，在芯片檢測通道的輸入端連接一個電感和電容，組成LC諧振電路，被測電容傳感端與LC電路相連接，經(jīng)FDC2214電容式傳感器直接傳遞數(shù)據(jù)給單片機(jī).

5 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

(1)改變板間距離d

由于極板的間距改變時不宜過大，因此通過向兩極板間塞入A4紙，來改變極板間距離d，觀察FDC2214電容式傳感器采集的數(shù)值，畫出其變化曲線如圖3(a)所示.

(2)改變正對面積S

通過向兩極板間塞入數(shù)量相同的A4紙(此時取10張A4紙放入)，保證其極板間距離d不變，定量改變極板間正對面積，觀察FDC2214電容式傳感器采集的數(shù)值，畫出其變化曲線如圖3(b)所示.

圖3 FDC2214頻率測量值(fSENSOR)

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

7 總結(jié)

本實(shí)驗(yàn)通過FDC2214電容式傳感器探究了不同因素對平行板電容器電容值的影響，當(dāng)改變平行板間距離d時，隨著距離增大，頻率測量值(fSENSOR)逐漸增大，電容值逐漸減小；當(dāng)其平行極板間距離d不變時，隨著正對面積S的增大，頻率測量值(fSENSOR)增大，電容值逐漸增大.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合理論公式推導(dǎo)關(guān)系.實(shí)驗(yàn)裝置效果圖如圖4所示，其制作簡單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清晰明了，適用于教學(xué)演示，可廣泛推廣.

圖4 實(shí)物效果圖