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

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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

Illustration

  • 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.=ε0εrEINd

  • 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.

Sasha
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Vielen Dank an RedGrittyBrick, dass Sie mir geholfen haben, das Bild zu meiner Frage hinzuzufügen.
Sasha
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Ihre Plattenabmessungen sind im Verhältnis zum maximalen Abstand klein, sodass Sie erhebliche Nichtlinearitäten haben, die sich aus Feldsäumeffekten an ihren Kanten ergeben. Dies kann korrigiert werden, Sie müssen jedoch auch auf andere leitende oder dielektrische Objekte in der Nähe achten.
Dave Tweed
Warum können Sie keinen optischen Encoder verwenden? Vielleicht sogar eine einfache optische Maus ...
Dave Tweed
@ Dave Tweed: Ja, die Seitenlänge der Platte ist nur etwa doppelt so groß wie der maximale Plattenabstand, den ich erwarte. Wenn Sie in der Nähe sagen, wie nahe müsste ein anderes leitfähiges Material sein, um eine signifikante Wirkung zu erzielen? Denken Sie, dass ein Abstand von 2 cm um die Platten ausreicht, um induzierte Fehler von weniger als 1% in der Kapazität sicherzustellen?
Sasha
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Sie haben praktisch nichts über die physischen Einschränkungen Ihres Setups beschrieben. Bei der Maus dachte ich, dass eine optische Maus ein Referenzmuster auf einer vertikalen Seite des sich bewegenden Objekts (und nicht auf dem horizontalen Boden) betrachten und eher eine seitliche Verschiebung als eine Reichweite erkennen könnte.
Dave Tweed

Antworten:

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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.

Vasiliy
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@ Vasily: Hat die Idee der Nachschlagetabelle ausprobiert; Meine Frage wurde mit meinem ersten Messergebnis aktualisiert. Was meinst du mit Abschirmung mit einem leitfähigen Bildschirm? Ich habe eine Google-Suche auf dem leitenden Bildschirm durchgeführt und sehe keine relevanten Ergebnisse.
Sasha
@sasha, ich wollte damit sagen, dass Sie das gesamte Setup in eine leitfähige "Box" legen können, die auf konstantem Potential gehalten wird (normalerweise geerdet). In diesem Fall ist die Kapazität unabhängig von den Objekten oder der Strahlung außerhalb der Box. Angesichts der von Ihnen angegebenen zusätzlichen Informationen sehe ich jedoch, dass diese Abschirmung viel Platz in Ihrem Design benötigt. Sie haben "Rauschen bei Kapazitätsmessungen" erwähnt - beziehen Sie sich auf den Unterschied bei aufeinanderfolgenden Messungen, während sich die Platten nicht bewegen, oder auf etwas anderes? Haben Sie versucht, Ihre Messungen zu mitteln?
Vasiliy
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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.

Scott Seidman
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Ich sehe, ob die Geometrie neu angeordnet werden kann; Der aktualisierte Tipp klingt interessant. Zumal dieser Chip bereits zwei Kanäle hat.
Sasha
In Bezug auf LVDT: Das Problem ist, dass der Rest meines Setups so ist, dass es eine größere, breitere Masse gibt, die die obere Platte nach unten "zerquetscht". Mit anderen Worten, ich kann keinen LVDT / Sensor VERTIKAL an den Wänden von platzieren die Bewegung. Das noch so kleine LVDT konnte nur horizontal platziert werden. Wenn ich also den LVDT-Ansatz ausprobieren würde, sehen Sie eine Möglichkeit, dieses Rätsel zu lösen?
Sasha
Es scheint einige wirklich nette LVDTs in Miniaturgröße zu geben , und LVDTs haben einen nachgewiesenen Rekord für diese Art von linearer Bewegung, also versuche ich zu sehen, wie ich die vertikale Bewegung irgendwie in eine horizontale umwandeln kann. Vielleicht könnte ich die obere Platte um 45 Grad abgewinkelt machen, so dass sie wie ein gedrückter Krokodilklemme wirkt, und die Bewegung irgendwie in eine horizontale Verschiebung umwandeln lassen? Oder haken Sie den Zugdraht eines Saitentopfs an die obere Platte und führen Sie den Draht durch das LVDT?
Sasha
Wenn Sie einen Saitentopf in der Anordnung haben, würden Sie den LVDT nicht benötigen. Ob Sie Ihr System an das LVDT anpassen können, hängt nur von Ihrer mechanischen Kreativität ab.
Scott Seidman
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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.

Andy aka
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Vielen Dank. Das einzige Problem für die optische Idee ist, dass nicht genügend Platz vorhanden ist. (Ich habe die Frage mit etwas mehr Details zu meinem Setup aktualisiert.) Direkt über der oberen Platte befindet sich eine große Stichprobe, die jegliche Interaktion mit einer Strahlquelle verdeckt, die sich außerhalb des sehr engen Raums befindet. Daher müsste die Messung vorzugsweise innerhalb des oben dargestellten Raums internalisiert werden. Ich mag die Idee der Rechteckwellenmodulation des Lasers; Ich muss das an einem zukünftigen Projekt ausprobieren.
Sasha