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附件4:
2019年辽宁省普通高等学校本科
大学生物理实验竞赛
项目说明书
参赛学校 大连交通大学
参赛题目 空气平行板电容器
实验仪的研制
指导教师
组队成员
辽宁省普通高等学校本科大学生物理实验竞赛组委会制
2019年4月
参赛题目
空气平行板电容器实验仪的研制
负责人姓名
性别
出生年月
专业
年级
一、设计原理与方法:
平行板电容器属于大学物理中的电学的重要组成部分。但长期以来,对于电容类的实验缺乏直观有效的实验仪器。因此我们基于平板电容器的原理,设计了可调式精密平行板电容器的实验装置,希望能够加深学生对于大学物理中电容的理解。
实验机械部分由间距可调,面板可更换的平行板电容器组成。其测试电路部分设计了一种专用的RLC电路用来测量电容的大小。
考虑到平行板电容器及电路本身特点,我们采用了分步拟合计算的方式来进行空气板电容器容值与极板间距的关系进行实验验证。具体步骤如下:
(1) 对测量电路及线路等环境因素带来的耦合电容C0进行预测量。该电容串联于任何外部待测电容上,需要消除。
(2) 取初始位置使用RLC电路进行测量得到初始电容C1
(3) 从初始位置开始增加间距,不同间距下测得一系列电容值C,由电容器串并联原理可知,测得的电容值相当于在初始电容上串联一个新的电容。
(4) 测得的电容C由线路电容C0,初始电容C1,与距离增加后带来的串联电容C共同决定。其计算公式为:
(5)测量串联电容C时候的板间距与初始电容C1时候的板间距之差d和C应该符合平行板电容器公式(空气中近似取1):
RLC电路是一种由电阻(R)、电感(L)、电容(C)组成的电路结构。若电路元件都视为线性元件时,一个RLC电路可以被视作电子谐波 振荡器。当电路中电压电流的相位相同时电路发生谐振。电路固有谐振频率 。
我们通过DDS芯片发送正弦波信号到被测电路,得到反馈信号后通过DSP进行DFT(傅里叶)变换反馈到实部与虚部幅度为进行比较。
交流阻抗计算公式: 阻抗=1/(增益*幅度)。
为确保精度,在电路外部先加一电容滤去直流偏置信号之后再加入VDD/2偏置信号,通过电压跟随器清除输出阻抗影响后通过待测电路,利用I/V转换器转换为电压信号,由ADC进行测量,之后进行DFT变换。
并且考虑到测不同阻抗时所用IV转换器增益电阻不同,因此设计了自动切换量程来适应增益电阻大小。
主控芯片STM32有关原理:采用ARM公司的高性能“Cortex—M3”内核,具有3个12位的us级A/D转换器,双采样和保持能力。电路中使用STM32单片机作为实验数据采集和处理芯片。
实验仪器与装置:
321
3
2
1
仪器结构说明:1.固定电极板;2.可更换电极板;3.精密平移台。
RLC电路,我们使用了Altium Designer软件对电路进行设计。电路原理图与PCB设计如下:
所得实物图如下:
三、数据测量与分析:
经过实验测试半径20cm的圆形平行板与固定板之间的电容,以及计算所得数据如下:
距离(mm)
测试电容(pF)
线路耦合电容(pF)
去除耦合电容后的初始电容(pF)
去初始后距离(mm)
推算电容(pF)
理论计算电容(pF)
2
260.4
52.0
208.4
2.5
199.7
0.5
507.1
555.8
3
181.47
1.0
341.8
277.9
3.5
147.32
1.5
175.7
185.3
4
122.89
2.0
107.4
138.9
4.5
113
2.5
86.2
111.2
5
112.73
3.0
85.7
92.6
5.5
103.08
3.5
67.7
79.4
6
103.8
4.0
68.9
69.5
6.5
96
4.5
55.8
61.8
7
95
5.0
54.2
55.6
7.5
88.3
5.5
44.0
50.5
8
94
6.0
52.6
46.3
8.5
83
6.5
36.4
42.8
9
82.53
7.0
35.8
39.7
9.5
84.69
7.5
38.8
37.1
10
81.68
8.0
34.6
34.7
10.5
76.5
8.5
27.8
32.7
11
81.69
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