¿Este enfoque medirá con precisión la capacitancia e inferirá el espaciado?

Question

Estoy interesado en cualquier comentario o advertencia sobre el siguiente método de medición de la capacitancia antes de empezar a configurarlo.

Para un experimento, me he encontrado con la necesidad de medir y seguir la distancia entre dos muestras, con una resolución de 0,1 mm o mejor. Debido a las limitaciones del resto de mi configuración, después de un poco de investigación, me parece que un método de medición capacitiva es el más adecuado para inferir el espaciamiento.

Considere la siguiente simplificación como objetivo:

Me gustaría medir/seguir la distancia entre 2 placas de cobre (cada una de 2cm X 2cm) que esencialmente forman un gran condensador.

Nota: AD7746 a continuación es un convertidor capacitivo-digital sigma-delta de 2 canales y 24 bits

• La idea: A partir de \$C=\varepsilon_0\varepsilon_r \frac{A}{d}\$ Si el área de la placa y el dieléctrico del aire son constantes, es cierto que la capacitancia medida es inversamente proporcional a la distancia. Así que primero podría tomar algunos datos de calibración, y usando eso, ajustar en consecuencia para inferir la distancia de cualquier valor de capacitancia medido.

• El método de medición: Dado mi requisito bastante estricto de una resolución de 0,1 mm o mejor, planeo optar por una medición precisa utilizando el CI de medición capacitiva de Analog Devices AD7746 .

¿Qué aspectos debo cuidar para obtener una medición lo más limpia posible, o qué aspectos puedo mejorar? ¿Podría lo anterior conseguir mi resolución deseada, o es propenso a fuentes de error que no estoy viendo?

Una posible mejora es: Estaba pensando, ya que el AD7746 tiene dos canales, que podría utilizar el canal extra para medir también simultáneamente un par de completamente arreglado /placas de referencia, y usar eso para anular cualquier efecto de la temperatura o de la EMI. Hmm, no estoy seguro de la importancia de esos factores...

ACTUALIZACIÓN (más detalles) : Un poco más sobre mi montaje, y las limitaciones que existen: El experimento implica una muestra más grande que está directamente encima, besando la placa superior. La muestra es de unos 75mm X 75mm (no metálica) y aplasta la placa superior durante el movimiento vertical.

Por lo tanto, no hay posibilidad de colocar ningún sensor verticalmente paralelo al movimiento del eje Y. Cualquier detección del desplazamiento/espacio vertical tendría que realizarse bien horizontalmente, bien con piezas montadas en una placa en la posición de la placa inferior.

Dicho esto, la placa superior se añadió sólo para mi forma de medir propuesta, y no es estrictamente necesario. Mi objetivo principal es medir a qué distancia de la parte inferior termina mi muestra de 75 mm X 75 mm antes mencionada.

UPDATE (Resultado de la medición) : Hice una prueba rápida con la medición capacitiva, y pude distinguir los datos de capacitancia con bastante claridad en pasos de aproximadamente 0,2 mm en el desplazamiento. El ruido que estoy obteniendo en la medición de la capacitancia es, por ahora, demasiado grande para obtener una mejor resolución que eso. Estoy tratando de variar algunas cosas para ver si puedo mejorar la SNR en la medición de la capacitancia.

Answer 1

Podrías considerar una geometría que varíe el OVERLAP de las placas en lugar de la distancia. Su capacitancia variará linealmente con el solapamiento. C varía como 1/d, así que tal y como está, su sensibilidad en el punto más lejano será deficiente. Incluso cambiando al solapamiento, yo no contaría con una precisión del 1%.

Considere las otras opciones ya mencionadas, o un LVDT.

ACTUALIZACIÓN: Como seguimiento, muchas mediciones como esta se mejoran con un arreglo push-pull. Si usted puede trabajar esto usando DOS condensadores, donde uno se hace más grande al mismo tiempo y la tasa como el otro se hace más pequeño, la sensibilidad y la linealidad mejorarán.

Answer 2

Como ya mencionó Dave Tweed, el hecho de que la separación máxima sea comparable a las dimensiones de las placas hace que esta configuración sea problemática. Es posible que se obtenga una estimación precisa de la distancia mientras las placas estén cerca, pero esta configuración no funcionará para todo el rango.

Dave sugirió que estas no linealidades se pueden tener en cuenta, pero no veo cómo se puede lograr, satisfaciendo la precisión requerida, sin cálculos muy complicados.

Sin embargo, ya que vas a utilizar un microcontrolador, puedes intentar el siguiente truco: realizar un mapeo inicial de las distancias a la capacitancia, almacenar estos datos en la memoria del microcontrolador (suponiendo que sea lo suficientemente sofisticado) y utilizar los datos almacenados como una tabla de búsqueda para mapear la capacitancia medida de nuevo a la distancia.

En cuanto a la distancia requerida, depende de los objetos que puedan estar presentes en las proximidades de su instalación. Considere la posibilidad de apantallarlo con pantallas conductoras.

Answer 3

Considera esto como una alternativa al uso de la capacitancia en las distancias mayores.

Utiliza un láser de comunicaciones ópticas del tipo que tiene un haz divergente muy específico (muchos de ellos están diseñados así para ser adecuados para la interconexión de fibra óptica). Este láser "rocía" su salida de luz sobre una superficie fraccionada de una esfera con un ángulo determinado. Cuanto más lejos esté del láser, menor será la potencia incidente recibida por mm cuadrado (como la de un fototransistor receptor). EDITAR Muchos tienen fotodiodos incorporados para poder controlar con precisión la potencia de la luz de salida del láser.

El fototransistor tendrá una superficie activa que puede recibir luz. Por supuesto, esta superficie es constante independientemente de la distancia al láser, por lo que recibe una señal más débil a medida que los dos se alejan.

Tendrías que modular el láser con una onda cuadrada para poder utilizarla para filtrar la señal del fototransistor y evitar que los efectos de corriente continua, como la luz solar, arruinen los resultados.

Puede que no funcione tan eficazmente de cerca (<2mm) porque los errores de alineación se convierten en un problema realmente grande pero, de cerca, tu idea de la capacitancia funciona mejor por lo que puedo ver. Tal vez utilizar ambos.