Будет ли этот подход точно измерять емкость и определять расстояние?

Меня интересуют любые отзывы или предостережения относительно следующего метода измерения емкости, прежде чем я начну его настройку.

Для эксперимента я столкнулся с необходимостью измерять и отслеживать расстояние между двумя образцами с разрешением 0,1 мм или лучше. Из-за ограничений остальной части моей установки после небольшого исследования мне кажется, что емкостной метод измерения наиболее подходит для определения расстояния.

В качестве цели рассмотрим следующее упрощение:

Я хотел бы измерить/отследить расстояние между двумя медными пластинами (каждая 2 см X 2 см), которые по существу образуют большой конденсатор.

Примечание. Нижеприведенный AD7746 представляет собой 2-канальный 24-разрядный сигма-дельта преобразователь емкости в цифру .

иллюстрация

  • Идея: начать с С знак равно ε 0 ε р А г , где площадь пластины и диэлектрик воздуха постоянны, конечно верно, что измеренная емкость обратно пропорциональна расстоянию. Таким образом, я мог бы сначала взять некоторые данные калибровки и, используя их, соответствующим образом настроить, чтобы вывести расстояние из любого измеренного значения емкости.

  • Метод измерения: Учитывая мои довольно строгие требования к разрешению 0,1 мм или лучше, я планирую провести точное измерение с помощью емкостной измерительной микросхемы Analog Devices AD7746 .

В чем я должен быть осторожен, чтобы получить как можно более точное измерение, или какие аспекты я могу улучшить? Может ли вышеизложенное дать мне желаемое разрешение, или это может привести к источникам ошибок, которые я не вижу?

Одно из возможных улучшений: я подумал, что, поскольку AD7746 имеет два канала, я мог бы даже использовать дополнительный канал для одновременного измерения отдельной пары полностью фиксированных / эталонных пластин и использовать это для устранения любых температурных или электромагнитных эффектов. Хм, не уверен, насколько важны эти факторы...

ОБНОВЛЕНИЕ (более подробно) : Еще немного о моей настройке и существующих ограничениях: в эксперименте используется более крупный образец, который находится прямо над верхней пластиной. Размер образца составляет около 75 мм X 75 мм (неметаллический), и он как бы сминает верхнюю пластину во время вертикального движения.

В результате нет возможности размещать какие-либо датчики вертикально параллельно движению по оси Y. Любое определение вертикального смещения/зазора должно быть выполнено либо горизонтально, либо с помощью деталей, установленных на доске в положении нижней пластины.

С учетом сказанного, верхняя пластина была добавлена ​​только для предложенного мной способа измерения, и в этом нет строгой необходимости. Моя основная цель — измерить, как далеко мой вышеупомянутый образец размером 75 мм X 75 мм окажется вертикально от дна.

ОБНОВЛЕНИЕ (результат измерения) : я провел быстрый тест емкостного измерения и смог довольно четко различить данные емкости с шагом около 0,2 мм в смещении. Шум, который я получаю при измерении емкости, на данный момент слишком велик, чтобы получить лучшее разрешение, чем это. Я пытаюсь изменить несколько вещей, чтобы посмотреть, смогу ли я улучшить SNR при измерении емкости.

Спасибо RedGrittyBrick за помощь в добавлении изображения к моему вопросу.
Размеры вашей пластины малы по сравнению с максимальным расстоянием, поэтому у вас будут значительные нелинейности, возникающие из-за эффектов окантовки поля на их краях. Это можно исправить, но вам также придется остерегаться любых других проводящих или диэлектрических объектов поблизости.
Почему нельзя использовать оптический энкодер? Возможно, даже простая оптическая мышь...
@Dave Tweed: Да, длина стороны пластины примерно вдвое больше максимального расстояния между пластинами, которое я ожидаю. Когда вы говорите «близко», насколько близко должен находиться любой другой проводящий материал, чтобы иметь значительный эффект? Как вы думаете, достаточно ли около 2 см зазора вокруг пластин, чтобы обеспечить наведенные ошибки менее 1% в емкости?
@DaveTweed: я подсчитал, что любой оптический метод (о котором я знаю) либо слишком велик, чтобы соответствовать ограничениям размера моей установки, либо не может обеспечить такое разрешение. Честно говоря, я не уверен: как метод оптической мыши мог даже определить вертикальное движение / расстояние между двумя пластинами?
@DaveTweed: Под методом оптической мыши вы имеете в виду что-то вроде этого: нарисуйте сетку маркеров на нижней стороне подвижной верхней пластины и используйте чип оптического датчика, смотрящий вверх с неподвижной нижней пластины (например, ADNS-3080 ) вывести расстояние на основе изображения сетки?
Должен ли он быть бесконтактным?
Вы практически ничего не описали о физических ограничениях вашей установки. Что касается мыши, я думал, что оптическая мышь может смотреть на эталонный образец на вертикальной стороне движущегося объекта (а не на горизонтальном дне) и обнаруживать боковое смещение, а не расстояние.
@Spoon: Да, это должно быть бесконтактное определение. В первую очередь из-за остальной части моей установки, которую я сейчас описал немного подробнее.
@DaveTweed: я согласен - теперь я добавил некоторые подробности, касающиеся настройки и ограничений.
Я видел, как используются массивы линейных оптических датчиков. с лазером, установленным под углом. Увеличение высоты перемещает точку освещения по решетке. Однако по-прежнему отсутствуют детали, что сбивает с толку. Если верхняя пластина подвешена, это объясняет отсутствие использования какой-либо другой точки на образце в качестве точки отсчета (использование начальной настройки для установки 0).

Ответы (3)

Как уже упоминал Дейв Твид, тот факт, что максимальное расстояние сравнимо с размерами пластин, делает эту установку проблематичной. Вы можете получить точную оценку расстояния, когда пластины находятся близко друг к другу, но эта настройка не будет работать для всего диапазона.

Дейв предположил, что эти нелинейности можно учесть, но я не вижу, как этого можно добиться с требуемой точностью без очень сложных вычислений.

Однако, поскольку вы собираетесь использовать микроконтроллер, вы можете попробовать следующий трюк: выполнить начальное сопоставление расстояний с емкостью, сохранить эти данные в памяти микроконтроллера (при условии, что она достаточно сложна) и использовать сохраненные данные для поиска. таблица для сопоставления измеренной емкости с расстоянием.

Что касается необходимого зазора, это зависит от того, какие объекты могут находиться поблизости от вашей установки. Рассмотрите возможность экранирования его проводящими экранами.

@Vasily: Попробовал идею таблицы поиска; Обновлен мой вопрос с моим первым результатом измерения. Что вы подразумеваете под экранированием проводящим экраном? Я выполнил поиск в Google по проводящему экрану и не вижу подходящих результатов.
@sasha, я хотел сказать, что вы можете поместить всю установку в проводящую «коробку», которая находится под постоянным потенциалом (обычно заземлена). В этом случае емкость не будет зависеть ни от объектов, ни от излучения снаружи ящика. Однако, в свете предоставленной вами дополнительной информации, я вижу, что это экранирование потребует много места в вашем проекте. Вы упомянули «шум при измерении емкости» - вы имеете в виду разницу в последовательных измерениях, когда пластины не двигаются, или что-то еще? Вы пытались усреднить свои измерения?

Вы можете рассмотреть геометрию, которая изменяет ПЕРЕКРЫТИЕ пластин вместо расстояния. Ваша емкость будет линейно изменяться в зависимости от перекрытия. C изменяется как 1/d, так что в его нынешнем виде ваша чувствительность в дальней точке будет грубой. Даже переходя на перекрытие, я бы не стал рассчитывать на точность в 1%.

Рассмотрим другие уже упомянутые варианты или LVDT.

ОБНОВЛЕНИЕ: В качестве продолжения многие измерения, подобные этому, улучшены за счет двухтактной схемы. Если вы можете решить это с помощью ДВУХ конденсаторов, где один увеличивается одновременно и скорость по мере того, как другой уменьшается, чувствительность и линейность улучшатся.

Я смотрю, можно ли изменить геометрию; Обновленный наконечник звучит интересно. Тем более, что у этой микросхемы уже есть два канала.
Что касается LVDT: проблема в том, что остальная часть моей установки такова, что есть большая и широкая масса, которая как бы «давит» верхнюю пластину вниз. Другими словами, я не могу ВЕРТИКАЛЬНО разместить какой-либо LVDT/датчик вдоль стенок. Движение. LVDT, каким бы крошечным он ни был, можно было разместить только горизонтально. Итак, если бы я попробовал подход LVDT, вы видите какой-нибудь способ решить эту загадку?
Кажется, есть несколько действительно аккуратных миниатюрных LVDT , и LVDT имеют проверенную запись для такого рода линейного движения, поэтому я пытаюсь понять, как я могу каким-то образом преобразовать вертикальное движение в горизонтальное. Возможно, я мог бы сделать верхнюю пластину под углом 45 градусов, чтобы она была похожа на зажим крокодила, и каким-то образом движение переводилось бы в горизонтальное смещение? Или, может быть, зацепить проволоку струнного потенциометра за верхнюю пластину и пропустить провод через LVDT?
Если у вас есть струнный потенциометр, вам не понадобится LVDT. Что касается того, сможете ли вы адаптировать свою систему к LVDT, это зависит только от вашего механического творчества.

Рассматривайте это как альтернативу использованию емкости на больших расстояниях.

Используйте оптический коммуникационный лазер такого типа, который имеет очень специфический расходящийся луч (многие из них спроектированы таким образом, чтобы подходить для оптоволоконных интерфейсов). Он «распыляет» свой световой поток на дробную поверхность сферы под определенным углом. Чем дальше вы находитесь от лазера, тем меньше падающая мощность на квадратный миллиметр (например, от приемного фототранзистора). РЕДАКТИРОВАТЬ Многие из них имеют встроенные фотодиоды, поэтому вы можете точно контролировать мощность лазерного излучения.

Фототранзистор будет иметь активную площадь поверхности, на которую он может принимать свет. Это, конечно, постоянно, независимо от расстояния до лазера, поэтому он получает более слабый сигнал, когда они удаляются друг от друга.

Вам нужно будет модулировать лазер прямоугольной волной, чтобы вы могли использовать это для фильтрации сигнала фототранзистора, чтобы предотвратить эффекты постоянного тока, такие как солнечный свет, разрушающий результаты.

Это может не работать так эффективно вблизи (<2 мм), потому что ошибки выравнивания становятся действительно большой проблемой, но, насколько я вижу, ваша идея с емкостью работает лучше всего. Возможно, использовать оба.

Спасибо. Единственная проблема для оптической идеи — мало места. (Я обновил вопрос, добавив немного больше подробностей о своей установке.) Прямо над верхней пластиной находится большой образец, который скрывает любое взаимодействие с источником луча, расположенным за пределами очень узкого существующего пространства. Таким образом, желательно, чтобы измерение было интернализовано в проиллюстрированном выше пространстве. Мне нравится идея прямоугольной модуляции лазера; должны попробовать это в будущем проекте.
Будет ли этот подход точно измерять емкость и определять расстояние?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v