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Kapazitive Sensoren - Messprinzip

Funktionsprinzip kapazitive Wegaufnehmer

Das kapazitive Messprinzip für kapazitive Sensoren wurde vor über 40 Jahren entwickelt und hat sich seitdem in zahllosen Anwendungen in Forschung und Industrie bewährt. Da sich die Kapazität eines Kondensators mit dem Abstand seiner Elektroden verändert, kann diese messbare Größe zur Distanzmessung eingesetzt werden. Ein kapazitiver Sensor als Distanzsensor ist mit einem klassischen Plattenkondensator vergleichbar. Dabei bildet der kapazitive Wegsensor die eine Platte, das Messobjekt die andere. Die Sensor- und die Messobjektgrösse werden als konstant angesehen, ebenso wie das dielektrische Material dazwischen. Daher resultiert jede Änderung der gemessenen Kapazität aus einer Veränderung des Abstands zwischen dem kapazitiven Wegaufnehmer und dem Messobjekt. Wird der Kondensator von einem Wechselstrom mit konstanter Amplitude durchflossen, so herrscht eine Proportionalität zwischen der Amplitude der Wechselspannung am Sensor und dem Abstand der Kondensatorelektroden. Die nachgeschaltete Elektronik ist so kalibriert, das der ausgegebene Spannungswert einer bestimmten Veränderung der Kapazität entspricht. Die ausgegebenen Spannungswerte sind so skaliert, das sie bestimmten Veränderungen in der Entfernung entsprechen. Die technische Größe Empfindlichkeit beschreibt den Zusammenhang zwischen der Veränderung der Spannung bei einer festgelegten Veränderung des Abstands. Eine gängige Einstellung der Empfindlichkeit ist 100 μm/1 V (abhängig vom Sensortyp).

Physikalische Grundlagen

Zwei elektrisch leitende Körper, die voneinander isoliert sind und zwischen denen eine elektrische Spannung herrscht speichern elektrische Ladung. Das Verhältnis zwischen der Ladungsmenge Q und das Spannung U bezeichnet man als Kapazität C = Q/U.

 

Ein Kondensator macht sich dieses Prinzip zunutze. Zwischen den beiden elektrisch leitenden Elektroden befindet sich ein isolierendes Material, das Dielektrikum. Die Kapazität des Kondensators wird durch die Größe A der Elektroden, dem Material des Dielektrikums und dem Kehrwert des Abstandes d der Elektroden zueinander bestimmt:

C=ɛ A/d   ɛ = Permittivität des Dielektrikums

Objekt und Umwelteinflüsse

Temperatureinfluss
Ist im Wesentlichen bei dem Distanzsensor gegeben durch die Längendehnung des Sensormaterials, Sonderausführungen aus INVAR sind verfügbar. Die höchste Betriebstemperatur ist begrenzt durch den Schmelzpunkt des Lötmaterials im Stecker. Messungen bei Tiefsttemperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts wurden erfolgreich mit unseren Distanzsensoren durchgeführt.

Messungen in Flüssigkeiten

Messungen in Flüssigkeiten sollten nur in Sonderfällen vorgenommen werden. In einem solchen Fall ist zu berücksichtigen, daß nicht nur Verunreinigungen, sondern auch Gasblasen das Messergebnis verfälschen können. Außerdem entspricht der wirkliche Abstand dem mit der relativen Dielektrizitätskonstanten multiplizierten angezeigten Abstand. Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Dielektrizitätskonstanten von Flüssigkeiten im allgemeinen temperaturabhängig sind. Selbstverständlich müssen die als Dielektrikum verwendbaren Flüssigkeiten verlustarm, d. h. elektrisch isolierend sein.

Magnetische Felder
Sind nur soweit zu beachten, dass keine Kräfte auf den Messaufbau einwirken. Die Positionssensoren können auch aus unmagnetischem Material gefertigt werden (z.B. Titan).

Radioaktive Strahlung
Hat keinen Einfluss auf die Messung bzw. Positionserfassung, geeignete Isolationsmaterialien gewähren auch Langzeitbetrieb ohne Ausfälle.

Spezifischer Widerstand
Die relativ niedrige Trägerfrequenz des Messsystems erlaubt Messungen und Positionserfassungen an Materialien im Mikroohm- bis Kiloohmbereich (μOhm cm bis > 1000 Ohm cm) ohne spezielle Nacheichung. Damit ist auch der gesamte Bereich des Halbleiter-Siliziums abgedeckt. Große Bedeutung hat diese Tatsache auch bei der Messung gegen einsatzgehärtete Wellen im Maschinenbau, da die Gefügestrukturschwankungen keine Rolle spielen. Wellenverlagerungsmessungen im Öl eines Gleitlagers sind mit kaum einem anderen Messverfahren möglich.

Isoliermaterialien
Auch Positionsmessungen an nichtleitenden Objekten sind möglich. Besonders einfach sind Dickenmessungen von Kunststoff-Folien, Quarz-, Glas-, oder Keramik-Scheiben.

Oberflächen-Mittelung
Auch die zunächst negativ erscheinende benötigte Mindestmessfläche der Weggeber für die Positionsmessung hat nicht zu unterschätzende Vorteile: bei rauen Oberflächen wird automatisch der Mittelwert erfasst. Eine polierte Siliziumscheibe der höchsten Qualitätsstufe kann auf der geätzten Rückseite eine Rautiefe von einigen μm aufweisen, so dass optische Sensoren mit punktförmigem Lichtstrahl nur mit mehreren Messungen und Softwaremittelung einen wiederholbaren Dickenwert ermitteln können.

 
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