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

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

Para un experimento, me encontré con la necesidad de medir y rastrear el espacio entre dos muestras, con una resolución de 0,1 mm o mejor. Debido a las limitaciones del resto de mi configuración, después de investigar un poco, me parece que un método de medición capacitivo es el más adecuado para inferir el espaciado.

Considere la siguiente simplificación como el objetivo:

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

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

ilustración

  • La idea: Comenzar con C = ε 0 ε r A d , donde el área de la placa y el dieléctrico del aire son constantes, es cierto que la capacitancia medida es inversamente proporcional a la distancia. Entonces, primero podría tomar algunos datos de calibración y, al usarlos, ajustarlos en consecuencia para inferir la distancia de cualquier valor de capacitancia medido.

  • El método de medición: dado mi requisito bastante estricto de resolución de 0,1 mm o mejor, planeo obtener una medición precisa mediante el IC AD7746 de medición capacitiva de Analog Devices .

¿Con qué cosas debo tener cuidado para obtener una medición lo más limpia posible, o qué aspectos puedo mejorar? ¿Podría lo anterior obtener la resolución deseada o es propenso a fuentes de error que no veo?

Una posible mejora es: estaba pensando, dado que AD7746 tiene dos canales, incluso podría usar el canal adicional para medir simultáneamente un par separado de placas de referencia / completamente fijas , y usar eso para anular cualquier efecto de temperatura o EMI. Hmm, no estoy seguro de cuán importantes son esos factores...

ACTUALIZACIÓN (más detalles) : un poco más sobre mi configuración y las limitaciones que existen: el experimento involucra una muestra más grande que está directamente arriba, besando la placa superior. La muestra mide aproximadamente 75 mm X 75 mm (no metálica) y aplasta la placa superior durante el movimiento vertical.

Como resultado, no hay margen para colocar sensores verticalmente paralelos al movimiento del eje Y. Cualquier detección del espacio/desplazamiento vertical tendría que realizarse ya sea horizontalmente o con partes montadas en un tablero en la posición de la placa inferior.

Dicho esto, la placa superior se agregó solo para mi forma de medición propuesta y no es estrictamente necesaria. Mi objetivo principal es medir qué tan lejos termina verticalmente desde el fondo mi muestra de 75 mm x 75 mm antes mencionada.

ACTUALIZACIÓN (resultado de la medición) : realicé una prueba rápida en 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 obtengo en la medición de capacitancia es, a partir de ahora, demasiado grande para obtener una mejor resolución que esa. Estoy tratando de variar algunas cosas para ver si puedo mejorar la SNR en la medición de capacitancia.

Gracias RedGrittyBrick por ayudarme a agregar la imagen a mi pregunta.
Las dimensiones de su placa son pequeñas en relación con el espacio máximo, por lo que tendrá importantes no linealidades que surgen de los efectos de franjas de campo en sus bordes. Esto se puede corregir, pero también deberá tener cuidado con cualquier otro objeto conductor o dieléctrico cercano.
¿Por qué no puedes usar un codificador óptico? Tal vez incluso un simple ratón óptico...
@Dave Tweed: Sí, la longitud lateral de la placa es solo aproximadamente el doble del tamaño del espacio máximo entre placas que espero. Cuando dice cerca, ¿qué tan cerca tendría que estar cualquier otro material conductor para tener un efecto significativo? ¿Cree que unos 2 cm de espacio libre alrededor de las placas son suficientes para garantizar errores inducidos de menos del 1% en la capacitancia?
@DaveTweed: calculé que cualquier método óptico (que yo sepa) es demasiado grande para ajustarse a las limitaciones de tamaño de mi configuración o no puede proporcionar este tipo de resolución. Honestamente, no estoy seguro: ¿Cómo podría el método de un mouse óptico siquiera calcular el movimiento/espaciado vertical de las dos placas?
@DaveTweed: por el método del mouse óptico, ¿quiere decir algo como esto? Tenga una cuadrícula de marcador pintada en la parte inferior de la placa superior móvil y use un chip de sensor óptico mirando hacia arriba desde la placa inferior fija (como ADNS-3080 ) inferir la distancia basada en la imagen de la cuadrícula?
¿Tiene que ser detección sin contacto?
No ha descrito prácticamente nada sobre las limitaciones físicas de su configuración. Para el mouse, estaba pensando que un mouse óptico podría mirar un patrón de referencia en un lado vertical del objeto en movimiento (en lugar de la parte inferior horizontal) y detectar el desplazamiento lateral en lugar del rango.
@Spoon: Sí, tiene que ser sin detección de contacto. Principalmente por el resto de mi configuración, que ahora he descrito con un poco más de detalle.
@DaveTweed: Estoy de acuerdo. Ahora he agregado más detalles sobre la configuración y las restricciones.
He visto matrices de sensores ópticos lineales utilizados. con un láser montado en ángulo. Un aumento en la altura mueve el punto de iluminación a lo largo de la matriz. Sin embargo, todavía faltan detalles que lo hacen confuso. Si la placa superior está suspendida, eso explicaría no usar algún otro punto en la muestra como punto de referencia (usando la configuración inicial para establecer 0).

Respuestas (3)

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. Puede obtener una estimación precisa de la distancia mientras las placas están juntas, pero esta configuración no funcionará para todo el rango.

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

Sin embargo, dado que va a usar un microcontrolador, puede probar el siguiente truco: realizar un mapeo inicial de distancias a capacitancia, almacenar estos datos en la memoria de los microcontroladores (suponiendo que sea lo suficientemente sofisticado) y usar los datos almacenados como una búsqueda. tabla para mapear la capacitancia medida de vuelta a la distancia.

En cuanto al espacio libre requerido, depende de los objetos que puedan estar presentes en las cercanías de su instalación. Considere protegerlo con pantallas conductoras.

@Vasily: probé la idea de la tabla de búsqueda; Actualicé mi pregunta con el resultado de mi primera medición. ¿A qué te refieres con protegerlo con una pantalla conductora? Hice una búsqueda en Google en la pantalla conductiva y no veo ningún resultado relevante.
@sasha, quise decir que puede colocar toda la configuración en una "caja" conductora que se mantiene a un potencial constante (generalmente conectado a tierra). En este caso, la capacitancia será independiente de los objetos o de la radiación fuera de la caja. Sin embargo, a la luz de la información adicional que proporcionó, veo que este blindaje requerirá mucho espacio en su diseño. Mencionó "ruido en las mediciones de capacitancia". ¿Se refiere a la diferencia en las mediciones sucesivas mientras las placas no se mueven, o algo más? ¿Intentaste promediar tus medidas?

Puede considerar una geometría que varíe la SUPERPOSICIÓN de las placas en lugar de la distancia. Su capacitancia variará linealmente con la superposición. C varía como 1/d, por lo que tal como está, su sensibilidad en el punto lejano será desagradable. Incluso cambiando a superposición, 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 mediante un arreglo push-pull. Si puede resolver esto usando DOS condensadores, donde uno se hace más grande al mismo tiempo y a la vez que el otro se hace más pequeño, la sensibilidad y la linealidad mejorarán.

Estoy viendo si la geometría se puede reorganizar; el consejo actualizado suena interesante. Sobre todo teniendo en cuenta que este chip ya tiene dos canales.
Con respecto a LVDT: el problema es que el resto de mi configuración es tal que hay una masa más grande y más ancha que "aplasta" la placa superior hacia abajo. En otras palabras, no puedo colocar VERTICALMENTE ningún LVDT/sensor a lo largo de las paredes de el movimiento. El LVDT, por diminuto que fuera, solo podía colocarse de forma horizontal. Entonces, si tuviera que probar el enfoque LVDT, ¿ve alguna forma de resolver este enigma?
Parece que hay algunos LVDT de tamaño miniatura muy buenos , y los LVDT tienen un historial comprobado para este tipo de movimiento lineal, así que estoy tratando de ver cómo puedo convertir el movimiento vertical en uno horizontal de alguna manera. ¿Quizás podría hacer que la placa superior tenga un ángulo de 45 grados, de modo que sea como una pinza de cocodrilo presionada hacia abajo, y de alguna manera hacer que el movimiento se traduzca en un desplazamiento horizontal? ¿O tal vez enganchar el cable de tracción de un potenciómetro a la placa superior y pasar el cable a través del LVDT?
Si tiene un potenciómetro de cuerdas en el arreglo, no necesitará el LVDT. En cuanto a si puede adaptar su sistema al LVDT, eso solo depende de su creatividad mecánica.

Considere esto como una alternativa al uso de capacitancia a distancias mayores.

Utilice 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 interfaz de fibra óptica). "Rocía" su salida de luz sobre una superficie fraccionaria de una esfera en un cierto ángulo. Cuanto más lejos esté del láser, menor será la potencia incidente recibida por mm cuadrado (como de un fototransistor receptor). EDITAR Muchos tienen fotodiodos incorporados para que pueda controlar con precisión la potencia de la luz de salida del láser.

El fototransistor tendrá un área de superficie activa que puede recibir luz. Esto, por supuesto, es constante independientemente de la distancia desde el láser, por lo tanto, recibe una señal más débil a medida que los dos se alejan más.

Necesitaría modular el láser con una onda cuadrada para que pueda usar esto para filtrar la señal del fototransistor para evitar que los efectos de CC, como la luz solar, arruinen los resultados.

Es posible que no funcione de manera tan efectiva de cerca (<2 mm) porque los errores de alineación se convierten en un problema realmente grande, pero, de cerca, su idea de capacitancia funciona mejor por lo que puedo ver. Tal vez use ambos.

Gracias. El único problema para la idea óptica es que no hay suficiente espacio. (He actualizado la pregunta con un poco más de detalle sobre mi configuración). Hay una muestra grande directamente sobre la placa superior que oscurecería cualquier interacción con una fuente de haz colocada fuera del espacio muy estrecho que existe. Entonces, preferiblemente, la medida tendría que ser internalizada dentro del espacio ilustrado arriba. Me gusta la idea de la modulación de onda cuadrada del láser; tengo que darle una oportunidad en un proyecto futuro.
¿Este enfoque medirá con precisión la capacitancia e inferirá el espaciado?
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