¿Por qué la capacitancia de un capacitor de pcb coplanar no coincidiría con los cambios en la constante dieléctrica cercana?

Fondo

Tengo una pieza de PCB de doble cara en la que planeo usar un condensador para medir la humedad del suelo (entre 133 y 170 MHz).

Dos tableros prototipo

Usé el "método de dos pines" para medir la pequeña capacitancia en el Arduino (calibrado contra varios valores de condensadores cerámicos entre 2pF y 1nF).

Usando la placa aislada, obtuve los siguientes resultados:

  • Aire: 62pF
  • Empuñadura: 26-27pF
  • Sumergido 1/4 en agua: 48pF
  • Sumergido 1/2 en agua: 60pF
  • Sumergido 3/4 en agua: 69pF
  • Sumergido completamente en agua: 97pF

Preguntas

En primer lugar, ¿por qué el valor de la capacitancia disminuiría inicialmente a medida que la constante dieléctrica pasó de 1 (aire) a> 1 (mi mano y parcialmente sumergida en agua)?

En segundo lugar, ¿por qué solo vería un cambio tan pequeño cuando la placa pasó del aire (constante dieléctrica de 1) a completamente sumergida en agua (constante dieléctrica de 80)? Acepto que los cables de los tableros tendrán algún efecto sobre la capacitancia, pero dudo que tengan suficiente efecto como para ahogar el efecto del agua.

Sospecho que su método de medición es defectuoso.
La constante dieléctrica que mencionas para el agua es para agua sin sales (en otras palabras, destilada). El agua corriente del grifo definitivamente no está exenta de sales. Consulte esta pregunta: chemistry.stackexchange.com/questions/16434/…
De acuerdo, desde mis viejos días de química, el agua de mar tiene aproximadamente 0,6 molar, que según el gráfico en esa respuesta se aproximaría a una constante de 70. Definitivamente no tenemos un problema con el agua dura donde vivimos.
Sus manos tienen bastante pérdida (resistivas), lo que tendrá algún efecto en la medición (dependiendo de la técnica de medición). Lo mismo ocurriría con el agua salada.
@BrianDrummond ¿Cómo podría la resistividad de mis manos afectar la placa aislada?
@Andyaka No tengo ninguna duda de que existe cierto margen de error al usar Arduino para realizar mediciones constantes de tiempo, pero recibí lecturas bastante precisas con capacitores cerámicos entre 2pF y 1nF, por lo que sospecho que el problema está relacionado con la placa, no el método.
No afectarán a la placa, pero afectarán a los campos eléctricos externos a la placa, es decir, en el dieléctrico de su condensador de detección.
@BrianDrummond No sabía eso. Gracias. ¿Significa eso que el dieléctrico 'ideal' es uno que tiene alta resistividad?
@talikarng Absolutamente. (Infinito es mejor que alto). (Tenga en cuenta que la capacitancia realmente no disminuye, la pérdida dieléctrica provoca un error de medición)
@BrianDrummond Gracias, aprendí algo nuevo

Respuestas (2)

Su constante dieléctrica es aproximadamente un promedio geométrico de las constantes de PCB y máscara de soldadura y el medio externo. Para ver el aumento de 80 veces, necesita dos placas paralelas, no solo trazos paralelos.

No creo que así sea como funciona este producto. Tiene dos pistas paralelas, la forma de aumentar la capacitancia es colocando una tercera placa (o algo que sea conductor) que une las dos pistas paralelas, formando dos condensadores espalda con espalda.
@HarrySvensson Desafortunadamente, las placas paralelas no son una opción porque esta sonda se hundirá en el suelo. Creo que confío en la capacitancia marginal.
@talikarng Los dos rastros paralelos en la PCB ya están ahí, eso es lo que tienes. Eso no es parte de la opción. Un tercer plato es el agua, o algo más, como la humedad. No estoy seguro de si se trata de "capacitancia marginal". - Si parece que estoy diciendo algo que no cuadra, lo más probable es que me estén malinterpretando, lo cual creo que acaba de ser.
@HarrySvensson Ahora entiendo lo que quieres decir. Gracias.

Usé el "método de dos pines" para medir la pequeña capacitancia en el Arduino (calibrado contra varios valores de condensadores cerámicos entre 2pF y 1nF).

Esta técnica de medición puede funcionar bien para medir componentes que están diseñados para ser capacitores, pero para medir la capacitancia donde las "placas" están rodeadas de materiales con pérdidas con varias conductividades resistivas, su método de medición se vuelve defectuoso.

La razón es porque el método de dos pines de arduino en realidad no mide la capacitancia; mide una señal atenuada y posiblemente retrasada por la capacitancia y eso, por supuesto, también mediría pérdidas resistivas en el material. Entonces, su método no mide implícitamente la capacitancia; mide pérdidas en el dieléctrico del capacitor.

La mejor manera es colocar el "condensador" en un circuito sintonizado con un inductor en un oscilador colpitts típicamente como este: -

ingrese la descripción de la imagen aquí

El cambio en la frecuencia de oscilación es una forma mucho mejor de medir la capacitancia; vea dónde la imagen muestra un "ajuste fino", ahí es donde agregaría las placas de su capacitor. Es bastante resistente a las pérdidas de conducción en comparación con el principio de medición simplista y defectuoso del método arduino de 2 pines que comúnmente se dice que es un "medidor de capacitancia".

Este método se utiliza en varias sondas de capacitancia industriales donde las pérdidas resistivas/de conducción/dieléctricas son significativas.

Consulte también esta pregunta y respuesta relacionadas.

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