Почему емкость копланарного конденсатора на печатной плате не соответствует изменениям диэлектрической проницаемости поблизости?

Фон

У меня есть кусок двухсторонней печатной платы, которую я планирую использовать в качестве конденсатора для измерения влажности почвы (где-то между 133-170 МГц).

Две платы-прототипы

Я использовал «двухконтактный метод» измерения малой емкости на Arduino (откалиброван по нескольким номиналам керамических конденсаторов от 2 пФ до 1 нФ).

Используя утепленную доску, я получил следующие результаты:

  • Воздух: 62 пФ
  • Рукоятка: 26-27 пФ
  • Погруженный на 1/4 в воду: 48 пФ
  • Погруженный на 1/2 в воду: 60 пФ
  • Погруженный на 3/4 в воду: 69 пФ
  • Полное погружение в воду: 97 пФ

Вопросы

Во-первых, почему значение емкости изначально должно уменьшаться , когда диэлектрическая проницаемость изменяется от 1 (воздух) до > 1 (моя рука, частично погруженная в воду)?

Во-вторых, почему я увидел такое небольшое изменение только тогда, когда плата перешла из воздуха (диэлектрическая проницаемость 1) в полностью погруженную в воду (диэлектрическая проницаемость 80)? Я согласен с тем, что выводы от плат будут иметь некоторое влияние на емкость, но я сомневаюсь, что они окажут достаточное влияние, чтобы заглушить эффект воды.

Я подозреваю, что ваш метод измерения ошибочен.
Диэлектрическая проницаемость, которую вы упомянули для воды, предназначена для воды без солей (другими словами, дистиллированной). Обычная водопроводная вода определенно не лишена солей. См. этот вопрос: chemistry.stackexchange.com/questions/16434/…
Хорошо, из моих старых дней химии морская вода составляет примерно 0,6 моляра, что, судя по графику в этом ответе, приближается к константе 70. У нас определенно нет проблем с жесткой водой там, где мы живем.
Ваши руки довольно чувствительны к потерям (резистивные), что будет иметь некоторое влияние на измерение (в зависимости от метода измерения). То же самое можно сказать и о соленой воде.
@BrianDrummond Как удельное сопротивление моих рук может повлиять на изолированную плату?
@Andyaka Я не сомневаюсь, что при использовании Arduino для измерения постоянной времени существует некоторая погрешность, но я получил довольно точные показания с керамическими конденсаторами от 2 пФ до 1 нФ, поэтому я подозреваю, что проблема связана с платой, а не метод.
Они не повлияют на плату, но повлияют на внешние по отношению к плате электрические поля, то есть в диэлектрике вашего чувствительного конденсатора.
@BrianDrummond Я этого не знал. Спасибо. Означает ли это, что «идеальным» диэлектриком является диэлектрик с высоким удельным сопротивлением?
@talikang Абсолютно. (Бесконечное лучше, чем высокое). (Обратите внимание, что емкость на самом деле не уменьшается, диэлектрические потери вызывают ошибку измерения)
@BrianDrummond Спасибо, я узнал кое-что новое

Ответы (2)

Ваша диэлектрическая постоянная представляет собой примерно среднее геометрическое констант печатной платы и паяльной маски, а также внешней среды. Чтобы увидеть 80-кратное увеличение, вам нужны две параллельные пластины, а не просто параллельные дорожки.

Я не думаю, что этот продукт так работает. Он имеет две параллельные дорожки, емкость можно увеличить, поместив третью пластину (или что-то еще проводящее), которая соединит две параллельные дорожки, образуя два конденсатора встык.
@HarrySvensson К сожалению, параллельные пластины не подходят, потому что этот зонд будет входить в почву. Я считаю, что полагаюсь на краевую емкость.
@talikang Две параллельные дорожки на печатной плате уже есть, вот что вы получили. Это не часть опции. Третья пластина — это вода или что-то еще, например, влага. Я не уверен, что это "краевая емкость". - Если кажется, что я говорю что-то несуразное, есть вероятность, что меня неправильно поняли, как я и думал.
@HarrySvensson Теперь я понимаю, что вы имеете в виду. Спасибо.

Я использовал «двухконтактный метод» измерения малой емкости на Arduino (откалиброван по нескольким номиналам керамических конденсаторов от 2 пФ до 1 нФ).

Этот метод измерения может хорошо работать для измерения компонентов, которые предназначены для использования в качестве конденсаторов, но для измерения емкости, где «пластины» окружены материалами с потерями и различной резистивной проводимостью, ваш метод измерения становится ошибочным.

Причина в том, что двухконтактный метод Arduino на самом деле не измеряет емкость; он измеряет затухание сигнала и, возможно, временную задержку из-за емкости, и, конечно, также измеряет резистивные потери в материале. Таким образом, ваш метод неявно измеряет емкость; он измеряет потери в диэлектрике конденсатора.

Лучший способ - поместить «конденсатор» в настроенную цепь с катушкой индуктивности, как правило, в генераторе Колпитца, например:

введите описание изображения здесь

Изменение частоты колебаний — гораздо лучший способ измерения емкости — посмотрите, где на рисунке показана «точная регулировка» — именно туда вы должны добавить пластины конденсатора. Он довольно устойчив к потерям проводимости по сравнению с упрощенным и ошибочным принципом измерения двухконтактного метода Arduino, который обычно называют «измерителем емкости».

Этот метод используется в нескольких промышленных емкостных пробниках, где резистивные/проводящие/диэлектрические потери значительны.

См. также этот связанный вопрос и ответ.

Почему емкость копланарного конденсатора на печатной плате не соответствует изменениям диэлектрической проницаемости поблизости?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v