¿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 he encontrado 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 un poco de investigación, me parece que un método de medición capacitiva es el más adecuado para inferir el espacio.

Considere la siguiente simplificación como 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 condensador.

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

• La idea: comenzar con$C=\varepsilon_0\varepsilon_r \frac{A}{d}$, donde el área de la placa del dieléctrico del aire es constante, es cierto que la capacidad medida es inversamente proporcional a la distancia. Entonces, primero podría tomar algunos datos de calibración, y usar eso, ajustar en consecuencia para inferir la distancia desde cualquier valor de capacitancia medido.

• El método de medición: dado mi requisito bastante estricto de resolución de 0.1 mm o mejor, planeo ir a una medición precisa usando la medición capacitiva IC AD7746 de Analog Devices .

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

Una posible mejora es: estaba pensando, ya que AD7746 tiene dos canales, incluso podría usar el canal adicional para medir simultáneamente un par separado de placas completamente fijas / de referencia, y usarlo para anular cualquier temperatura o efectos 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 desplazamiento vertical / espacio tendría que realizarse horizontalmente o con piezas 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 mi muestra de 75 mm X 75 mm antes mencionada verticalmente desde la parte inferior.

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 recibo 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.

Como Dave Tweed ya mencionó, el hecho de que la separación máxima es 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 en todo el rango.

Dave sugirió que estas no linealidades pueden tenerse en cuenta, 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 intentar el siguiente truco: realizar un mapeo inicial de distancias a la capacitancia, almacenar estos datos en la memoria de los microcontroladores (suponiendo que sean lo suficientemente sofisticados) y usar los datos almacenados como una búsqueda. tabla para mapear la capacitancia medida a distancia.

En cuanto al espacio libre requerido, depende de qué objetos puedan estar presentes en las proximidades de su configuración. Considere protegerlo con pantallas conductoras.

Puede considerar una geometría que varíe el OVERLAP 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 cruda. Incluso cambiando a superposición, no contaría con una precisión del 1%.

Considere las otras opciones ya mencionadas, o un LVDT.

ACTUALIZACIÓN: Como seguimiento, muchas medidas como esta se mejoran mediante una disposición push-pull. Si puede resolver esto usando DOS condensadores, donde uno se hace más grande al mismo tiempo y la velocidad a medida que el otro se hace más pequeño, la sensibilidad y la linealidad mejorarán.

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

Utilice un láser de comunicaciones ópticas del tipo que tenga un haz divergente muy específico (muchos de ellos están diseñados de esta manera para ser adecuados para la interfaz de fibra óptica). "Rocía" su salida de luz sobre una superficie fraccionaria de una esfera en cierto ángulo. Cuanto más lejos esté del láser, menor será la potencia incidente recibida por mm cuadrado (como la de un transistor de foto receptor). EDITAR Muchos fotodiodos incorporados para que pueda controlar con precisión la potencia de la luz de salida del láser.

El transistor fotográfico tendrá un área de superficie activa en la 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.

Tendría que modular el láser con una onda cuadrada para poder usarlo para filtrar la señal del transistor fotográfico para evitar efectos de CC como la luz solar que arruina los resultados.

Es posible que no funcione de manera 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 de lo que puedo ver. Tal vez use ambos.