Будет ли этот подход точно измерять емкость и делать интервалы?

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

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

Рассмотрим в качестве цели следующее упрощение:

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

Примечание: AD7746 ниже представляет собой 2-канальный 24-разрядный сигма-дельта-емкостной преобразователь

• Идея: начиная с$C=\varepsilon_0\varepsilon_r \frac{A}{d}$где площадь пластины диэлектрика воздуха постоянна, это, конечно, верно, что измеренная емкость обратно пропорциональна расстоянию. Таким образом, я мог бы сначала взять некоторые данные калибровки и, используя их, откорректировать соответствующим образом, чтобы вывести расстояние от любого измеренного значения емкости.

• Метод измерения. Учитывая мои довольно жесткие требования к разрешению 0,1 мм или выше, я планирую провести точное измерение с использованием емкостной измерительной ИС Analog Devices IC AD7746 .

С какими вещами я должен быть осторожен, чтобы получить максимально чистое измерение, или какие аспекты я могу улучшить? Может ли вышеизложенное получить мне желаемое разрешение или оно подвержено ошибочным источникам, которые я не вижу?

Одно из возможных улучшений: я подумал, 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 аннулирования любых температурных или электромагнитных эффектов. Хм, не уверен, насколько важны эти факторы ...

ОБНОВЛЕНИЕ (более подробно) : немного больше о моей настройке и о том, какие существуют ограничения: эксперимент включает в себя более крупный образец, который находится прямо над ним, целуя верхнюю пластину. Образец размером около 75 мм х 75 мм (неметаллический), и он как бы давит на верхнюю пластину при вертикальном движении.

В результате отсутствует возможность для размещения каких-либо датчиков вертикально параллельно движению оси Y. Любое определение вертикального смещения / зазора должно осуществляться либо горизонтально, либо с помощью деталей, установленных на плате в положении нижней пластины.

С учетом сказанного, верхняя пластина была добавлена ​​только для моего предложенного способа измерения, и это не является строго необходимым. Моя основная цель - измерить, как далеко мой вышеупомянутый образец 75 мм х 75 мм окажется вертикально снизу.

ОБНОВЛЕНИЕ (результат измерения) : я провел быстрый тест на емкостное измерение, и я смог довольно четко различить данные по емкости с шагом примерно 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.

Как уже упоминал Дэйв Твид, тот факт, что максимальное расстояние сопоставимо с размерами плит, делает эту установку проблематичной. Вы можете получить точную оценку расстояния, пока пластины расположены близко друг к другу, но эта настройка не будет работать для всего диапазона.

Дейв предположил, что эти нелинейности могут быть учтены, но я не вижу, как этого можно достичь, удовлетворяя требуемой точности, без очень сложных вычислений.

Однако, так как вы собираетесь использовать микроконтроллер, вы можете попробовать следующий прием: выполнить начальное отображение расстояний до емкости, сохранить эти данные в памяти микроконтроллеров (при условии, что они достаточно сложны) и использовать сохраненные данные в качестве справочной информации. таблица для отображения измеренной емкости обратно на расстояние.

Что касается требуемого зазора, это зависит от того, какие объекты могут присутствовать в непосредственной близости от вашей установки. Рассмотрите возможность экранирования проводящими экранами.

Вы могли бы рассмотреть геометрию, которая изменяет ПЕРЕКРЫТИЕ пластин вместо расстояния. Ваша емкость будет изменяться линейно с перекрытием. C изменяется как 1 / d, так что ваша чувствительность в дальней точке будет грубой. Даже переходя в перекрытия, я не рассчитывал на 1% точности.

Рассмотрим другие варианты, уже упомянутые, или LVDT.

ОБНОВЛЕНИЕ: Как следствие, многие измерения, подобные этому, улучшаются с помощью двухтактной схемы. Если вы можете решить эту проблему с помощью ДВУХ конденсаторов, когда один из них становится больше, а скорость возрастает по мере уменьшения другого, чувствительность и линейность улучшатся.

Рассмотрим это как альтернативу использованию емкости на больших расстояниях.

Используйте оптический лазер связи такого типа, который имеет очень специфический расходящийся луч (многие из них спроектированы таким образом, чтобы подходить для оптоволоконного интерфейса). Он «распыляет» свой световой поток на дробную поверхность сферы под определенным углом. Чем дальше вы находитесь от лазера, тем меньше падающая мощность, полученная на квадратный мм (например, от приемного фототранзистора). РЕДАКТИРОВАТЬ Многие имеют встроенные фотодиоды, чтобы вы могли точно контролировать мощность света на выходе лазера.

Фототранзистор будет иметь активную площадь поверхности, на которую он может получать свет. Это, конечно, является постоянным независимо от расстояния от лазера, поэтому он получает более слабый сигнал, так как они раздвигаются дальше.

Вам необходимо модулировать лазер прямоугольной волной, чтобы использовать его для фильтрации фототранзистора с целью предотвращения эффектов постоянного тока, таких как разрушение солнечного света.

Может и не работать так эффективно близко (<2 мм), потому что ошибки выравнивания тогда становятся действительно большой проблемой, но, в общем, ваша идея емкости лучше всего работает из того, что я вижу. Может быть, использовать оба.