Wird dieser Ansatz die Kapazität genau messen und den Abstand ableiten?

Ich bin an Rückmeldungen oder Vorbehalten bezüglich der folgenden Kapazitätsmessmethode interessiert, bevor ich mit der Einrichtung beginne.

Bei einem Experiment bin ich auf die Notwendigkeit gestoßen, den Abstand zwischen zwei Proben mit einer Auflösung von 0,1 mm oder besser zu messen und zu verfolgen. Aufgrund der Einschränkungen des restlichen Aufbaus scheint mir nach ein wenig Recherche eine kapazitive Messmethode am besten geeignet zu sein, um auf den Abstand zu schließen.

Betrachten Sie die folgende Vereinfachung als Ziel:

Ich möchte den Abstand zwischen 2 Kupferplatten (jeweils 2 cm x 2 cm) messen / verfolgen, die im Wesentlichen einen großen Kondensator bilden.

Hinweis: AD7746 unten ist ein 2-Kanal-24-Bit-Sigma-Delta-Kapazitäts-Digital-Wandler

• Die Idee: Beginnend mit , wenn die Plattenfläche das Luftdielektrikum konstant ist, ist es natürlich wahr, dass die gemessene Kapazität umgekehrt proportional zur Entfernung ist. Ich könnte also zuerst einige Kalibrierungsdaten nehmen und diese entsprechend anpassen, um den Abstand von einem gemessenen Kapazitätswert abzuleiten.$C=\varepsilon_0\varepsilon_r \frac{A}{d}$

• Die Messmethode: Angesichts meiner ziemlich strengen Anforderung einer Auflösung von 0,1 mm oder besser plane ich eine präzise Messung mit dem kapazitiven Mess-IC AD7746 von Analog Devices .

Welche Dinge sollte ich beachten, um eine möglichst saubere Messung zu erhalten, oder welche Aspekte kann ich verbessern? Könnte mir das oben genannte meine gewünschte Auflösung bringen, oder ist es anfällig für Fehlerquellen, die ich nicht sehe?

Eine mögliche Verbesserung ist: Ich dachte, da AD7746 zwei Kanäle hat, könnte ich sogar den zusätzlichen Kanal verwenden, um gleichzeitig ein separates Paar vollständig fester / Referenzplatten zu messen und damit Temperatur- oder EMI-Effekte aufzuheben. Hmm, ich bin mir nicht sicher, wie wichtig diese Faktoren sind ...

UPDATE (mehr Details) : Ein bisschen mehr über mein Setup und welche Einschränkungen bestehen: Das Experiment beinhaltet eine größere Probe, die sich direkt darüber befindet und die obere Platte küsst. Die Probe ist etwa 75 mm x 75 mm groß (nicht metallisch) und drückt die obere Platte während der vertikalen Bewegung nach unten.

Infolgedessen besteht keine Möglichkeit, Sensoren vertikal parallel zur Bewegung der Y-Achse zu platzieren. Jede Erfassung der vertikalen Verschiebung / des vertikalen Spaltes müsste entweder horizontal oder mit Teilen erfolgen, die in der Position der Bodenplatte auf einer Platte montiert sind.

Vor diesem Hintergrund wurde die obere Platte nur für meine vorgeschlagene Messmethode hinzugefügt und ist nicht unbedingt erforderlich. Mein primäres Ziel ist es zu messen, wie weit meine oben erwähnte 75 mm x 75 mm große Probe vertikal vom Boden entfernt ist.

UPDATE (Messergebnis) : Ich habe einen schnellen Test der kapazitiven Messung durchgeführt und konnte die Kapazitätsdaten bei Schritten von etwa 0,2 mm in der Verschiebung ziemlich klar unterscheiden. Das Rauschen, das ich bei der Kapazitätsmessung bekomme, ist derzeit zu groß, um eine bessere Auflösung zu erzielen. Ich versuche ein paar Dinge zu variieren, um zu sehen, ob ich das SNR bei der Kapazitätsmessung verbessern kann.

Wie Dave Tweed bereits erwähnte, macht die Tatsache, dass der maximale Abstand mit den Abmessungen der Platten vergleichbar ist, diesen Aufbau problematisch. Möglicherweise erhalten Sie eine genaue Schätzung des Abstands, während die Platten nahe beieinander liegen, aber dieses Setup funktioniert nicht für den gesamten Bereich.

Dave schlug vor, dass diese Nichtlinearitäten berücksichtigt werden könnten, aber ich sehe nicht, wie dies erreicht werden kann, wenn die erforderliche Genauigkeit ohne sehr komplizierte Berechnungen erreicht wird.

Da Sie jedoch einen Mikrocontroller verwenden, können Sie den folgenden Trick ausprobieren: Führen Sie eine erste Zuordnung der Entfernungen zur Kapazität durch, speichern Sie diese Daten im Speicher des Mikrocontrollers (vorausgesetzt, sie sind hochentwickelt genug) und verwenden Sie die gespeicherten Daten als Nachschlagewert. Tabelle zur Abbildung der gemessenen Kapazität auf die Entfernung.

Der erforderliche Abstand hängt davon ab, welche Objekte sich in der Nähe Ihres Setups befinden können. Ziehen Sie in Betracht, es mit leitfähigen Bildschirmen abzuschirmen.

Sie können eine Geometrie in Betracht ziehen, die die ÜBERLAPPUNG der Platten anstelle des Abstands variiert. Ihre Kapazität ändert sich linear mit der Überlappung. C variiert als 1 / d, so dass Ihre Empfindlichkeit am Fernpunkt so wie sie ist grob ist. Selbst wenn ich zu Überlappung wechseln würde, würde ich nicht mit einer Genauigkeit von 1% rechnen.

Betrachten Sie die anderen bereits erwähnten Optionen oder eine LVDT.

UPDATE: Im Anschluss werden viele Messungen wie diese durch eine Push-Pull-Anordnung verbessert. Wenn Sie dies mit ZWEI Kondensatoren herausfinden können, bei denen einer gleichzeitig größer und die Rate kleiner als der andere wird, verbessern sich sowohl die Empfindlichkeit als auch die Linearität.

Betrachten Sie dies als Alternative zur Verwendung von Kapazität in größeren Entfernungen.

Verwenden Sie einen optischen Kommunikationslaser des Typs mit einem sehr spezifischen divergierenden Strahl (viele von ihnen sind so konzipiert, dass sie für die Glasfaserschnittstelle geeignet sind). Es "sprüht" seine Lichtleistung in einem bestimmten Winkel auf eine Bruchfläche einer Kugel. Je weiter Sie vom Laser entfernt sind, desto geringer ist die pro mm mm empfangene Einfallsleistung (z. B. von einem empfangenden Fototransistor). BEARBEITEN Viele haben eingebaute Fotodioden, so dass Sie die Lichtleistung des Laserausgangs genau steuern können.

Der Fototransistor hat eine aktive Oberfläche, die er Licht empfangen kann. Dies ist natürlich unabhängig von der Entfernung vom Laser konstant, daher empfängt es ein schwächeres Signal, wenn die beiden weiter auseinander bewegt werden.

Sie müssten den Laser mit einer Rechteckwelle modulieren, damit Sie damit das Fototransistorsignal filtern können, um Gleichstromeffekte wie Sonnenlicht zu vermeiden.

In der Nähe (<2 mm) funktioniert dies möglicherweise nicht so effektiv, da Ausrichtungsfehler dann zu einem wirklich großen Problem werden. Aus der Nähe funktioniert Ihre Kapazitätsidee jedoch am besten, soweit ich das sehe. Vielleicht beides verwenden.