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

(湖北文理學院物理與電子工程學院 湖北 襄陽 441053)

1 實驗理論依據

2 實驗方案流程

實驗通過控制變量法對平行板電容器電容值C的兩個影響因素進行研究，分別從極板間距離d、正對面積S兩個方面進行驗證.該實驗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據，通過STM32F103RCT6核心板對其數據進行處理，得出結果后將數據顯示在OLED上.具體實驗流程圖如圖1所示.

圖1 實驗流程

3 實驗裝置設計

為驗證平行板電容器電容值C與極板間距離d和正對面積S的關系.設計并制作驗證裝置，其組成如圖2所示.兩塊平行極板(極板A和極板 B)分別通過導線a和導線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 實驗裝置總體組成圖

4 裝置各組成部分方案選擇

(1)微處理器選擇：驗證實驗選用ST 公司ARM Cortex-M3 架構內核的 STM32F103RCT6 單片機作為微處理器，該單片機專為要求高性能、低成本、低功耗嵌入式應用而設計，內置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 72 MHz，是同類型產品中性價比最高的產品.

(2)傳感器的選擇：驗證實驗選用FDC2214電容式傳感器作為采集模塊，FDC2214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、手勢識別和遠程液位感測等領域.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FDC2214電容式傳感器直接傳遞數據給單片機.

5 實驗內容

(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 實驗結果分析

7 總結

本實驗通過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.實驗數據符合理論公式推導關系.實驗裝置效果圖如圖4所示，其制作簡單，實驗現象清晰明了，適用于教學演示，可廣泛推廣.

圖4 實物效果圖