平行板电容器容值影响因素探究*

张 媛 李廷阳 万 盈 荣傲华 吉向东

(湖北文理学院物理与电子工程学院 湖北 襄阳 441053)

1 实验理论依据

2 实验方案流程

实验通过控制变量法对平行板电容器电容值C的两个影响因素进行研究，分别从极板间距离d、正对面积S两个方面进行验证.该实验将分别改变极板板间距离d以及极板正对面积S，由FDC2214电容式传感器采集极板间数据，通过STM32F103RCT6核心板对其数据进行处理，得出结果后将数据显示在OLED上.具体实验流程图如图1所示.

图1 实验流程

3 实验装置设计

为验证平行板电容器电容值C与极板间距离d和正对面积S的关系.设计并制作验证装置，其组成如图2所示.两块平行极板(极板A和极板 B)分别通过导线a和导线b连接到测量显示电路，装置可测量并显示置于极板A与极板B之间的频率测量值(fSENSOR) .

图2 实验装置总体组成图

4 装置各组成部分方案选择

(1)微处理器选择：验证实验选用ST 公司ARM Cortex-M3 架构内核的 STM32F103RCT6 单片机作为微处理器，该单片机专为要求高性能、低成本、低功耗嵌入式应用而设计，内置128K Flash和20KB ROM，含有12 位 ADC，4 个 16 位定时器和 3 路 USART 通信等多种资源，其时钟频率最高可达 72 MHz，是同类型产品中性价比最高的产品.

(2)传感器的选择：验证实验选用FDC2214电容式传感器作为采集模块，FDC2214电容式传感器作为一款低功耗、低成本且高分辨率的传感器，适用于接近检测、手势识别和远程液位感测等领域.该传感器是基于LC谐振电路原理的一个电容检测传感器.使用过程中，在芯片检测通道的输入端连接一个电感和电容，组成LC谐振电路，被测电容传感端与LC电路相连接，经FDC2214电容式传感器直接传递数据给单片机.

5 实验内容

(1)改变板间距离d

由于极板的间距改变时不宜过大，因此通过向两极板间塞入A4纸，来改变极板间距离d，观察FDC2214电容式传感器采集的数值，画出其变化曲线如图3(a)所示.

(2)改变正对面积S

通过向两极板间塞入数量相同的A4纸(此时取10张A4纸放入)，保证其极板间距离d不变，定量改变极板间正对面积，观察FDC2214电容式传感器采集的数值，画出其变化曲线如图3(b)所示.

图3 FDC2214频率测量值(fSENSOR)

6 实验结果分析

7 总结

本实验通过FDC2214电容式传感器探究了不同因素对平行板电容器电容值的影响，当改变平行板间距离d时，随着距离增大，频率测量值(fSENSOR)逐渐增大，电容值逐渐减小；当其平行极板间距离d不变时，随着正对面积S的增大，频率测量值(fSENSOR)增大，电容值逐渐增大.实验数据符合理论公式推导关系.实验装置效果图如图4所示，其制作简单，实验现象清晰明了，适用于教学演示，可广泛推广.

图4 实物效果图