Essa abordagem medirá com precisão a capacitância e inferirá o espaçamento?

Estou interessado em qualquer feedback ou advertência sobre o seguinte método de medição de capacitância antes de começar a configurá-lo.

Para um experimento, deparei-me com a necessidade de medir e rastrear o espaçamento entre duas amostras, com resolução de 0,1 mm ou melhor. Devido às restrições do restante da minha configuração, após um pouco de pesquisa, parece-me que um método de medição capacitiva é mais adequado para inferir o espaçamento.

Considere a seguinte simplificação como objetivo:

Gostaria de medir / rastrear a distância entre 2 placas de cobre (cada uma com 2cm x 2cm) que formam essencialmente um grande capacitor.

Nota: O AD7746 abaixo é um conversor de capacitância para digital de 2 canais e 24 bits sigma-delta

• A idéia: começando com$C=\varepsilon_0\varepsilon_r \frac{A}{d}$, onde a área da placa dielétrica do ar é constante, é claro que a capacitância medida é inversamente proporcional à distância. Para que eu pudesse primeiro pegar alguns dados de calibração e, usando isso, ajustar de acordo para inferir a distância de qualquer valor de capacitância medido.

• O método de medição: Dado o meu requisito bastante rigoroso de resolução de 0,1 mm ou melhor, planejo fazer uma medição precisa usando o IC AD7746 da medição capacitiva da Analog Devices .

Com que coisas devo tomar cuidado para obter uma medida o mais limpa possível, ou sobre quais aspectos posso melhorar? As instruções acima podem me fornecer a resolução desejada ou são propensas a fontes de erro que não estou vendo?

Uma possível melhoria é: eu estava pensando que, como o AD7746 possui dois canais, eu poderia usar o canal extra para medir simultaneamente um par separado de placas de referência / completamente fixas e usá-lo para anular qualquer temperatura ou efeito EMI. Hmm, não tenho certeza da importância desses fatores ...

UPDATE (mais detalhes) : Um pouco mais sobre minha configuração e quais restrições existem: o experimento envolve uma amostra maior que está diretamente acima, beijando a placa superior. A amostra tem cerca de 75 mm x 75 mm (não metálica) e meio que esmaga a placa superior durante o movimento vertical.

Como resultado, não há espaço para colocar sensores verticalmente paralelos ao movimento do eixo Y. Qualquer detecção do deslocamento / folga vertical teria que ser realizada horizontalmente ou com peças montadas em uma placa na posição da placa inferior.

Com isso dito, a placa superior foi adicionada apenas para o meu modo de medição proposto e não é estritamente necessário. Meu principal objetivo é medir a que distância minha amostra de 75 mm x 75 mm acima mencionada termina verticalmente a partir do fundo.

ATUALIZAÇÃO (resultado da medição) : Fiz um teste rápido na medição capacitiva e consegui distinguir os dados de capacitância com bastante clareza a passos de cerca de 0,2 mm no deslocamento. O ruído que estou recebendo na medição de capacitância é, a partir de agora, muito grande para obter uma resolução melhor do que isso. Estou tentando variar algumas coisas para ver se posso melhorar o SNR na medição de capacitância.

Como Dave Tweed já mencionou, o fato de a separação máxima ser comparável às dimensões das placas torna essa configuração problemática. Você pode obter uma estimativa precisa da distância enquanto as placas estão próximas, mas essa configuração não funcionará em toda a faixa.

Dave sugeriu que essas não linearidades possam ser explicadas, mas não vejo como isso pode ser alcançado, satisfazendo a precisão exigida, sem cálculos muito complicados.

No entanto, como você usará o microcontrolador, tente o seguinte truque: execute o mapeamento inicial das distâncias até a capacitância, armazene esses dados na memória dos microcontroladores (supondo que sejam suficientemente sofisticados) e use os dados armazenados como consulta. tabela para mapear a capacitância medida de volta à distância.

Quanto à folga necessária, depende de quais objetos podem estar presentes nas proximidades da sua configuração. Considere protegê-lo com telas condutoras.

Você pode considerar uma geometria que varia o OVERLAP das placas em vez da distância. Sua capacitância varia linearmente com a sobreposição. C varia como 1 / d; portanto, como está, sua sensibilidade no ponto mais distante será grosseira. Mesmo mudando para se sobrepor, eu não contaria com 1% de precisão.

Considere as outras opções já mencionadas, ou um LVDT.

ATUALIZAÇÃO: Como acompanhamento, muitas medições como essa são aprimoradas por um arranjo push-pull. Se você puder resolver isso usando DOIS capacitores, onde um fica maior ao mesmo tempo e a taxa que o outro fica menor, a sensibilidade e a linearidade melhoram.

Considere isso como uma alternativa ao uso da capacitância em distâncias maiores.

Use um laser de comunicações ópticas do tipo que possui um feixe divergente muito específico (muitos deles foram projetados como este para serem adequados para a interface de fibra óptica). Ele "pulveriza" sua emissão de luz sobre uma superfície fracionária de uma esfera em um determinado ângulo. Quanto mais você estiver do laser, menor será a potência incidente recebida por mm quadrado (como em um foto transistor receptor). EDITAR Muitos foto-diodos foram construídos para que você possa controlar com precisão a potência da luz de saída do laser.

O foto transistor terá uma área de superfície ativa que poderá receber luz. É claro que isso é constante, independentemente da distância do laser; portanto, ele recebe um sinal mais fraco à medida que os dois se afastam.

Você precisaria modular o laser com uma onda quadrada para poder usá-lo para filtrar o sinal do transistor fotográfico, a fim de evitar efeitos de corrente contínua, como os resultados da luz do sol.

Pode não funcionar tão bem de perto (<2 mm) porque os erros de alinhamento se tornam um problema muito grande, mas, de perto, sua ideia de capacitância funciona melhor do que eu posso ver. Talvez use os dois.