Kapazitive Sensoren - Messprinzip

Kapazitiver Wegaufnehmer Messprinzip
Kapazitiver Sensor Messprinzip

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 Sensorgröße 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, dass der ausgegebene Spannungswert einer bestimmten Veränderung der Kapazität entspricht. Die ausgegebenen Spannungswerte sind so skaliert, dass 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).

Was sind die Eigenschaften des kapazitiven Wegsensors?

Das Gerät misst berührungslos den Abstand zwischen der Stirnseite eines Wegaufnehmers und der elektrisch leitenden Oberfläche des Messobjekts. Wegaufnehmer und Messobjekt bilden zusammen einen elektrischen Kondensator. Das Gerät ist in Längeneinheiten geeicht. Die Elektronik liefert eine dem Abstand proportionale Spannung für statische und dynamische Messungen.

Was ist die Wirkungsweise und Aufbau des kapazitiven Wegsensors?

Der Blindwiderstand eines idealen Plattenkondensators ist dem Plattenabstand proportional. Dieser Zusammenhang liegt dem Messverfahren, das in dem elektronischen Wegmessgerät verwendet wird, zugrunde. Der kapazitive Wegaufnehmer ist als Schutzringkondensator aufgebaut, dessen Schutzring mit dem inneren Schirm des doppelt abgeschirmten Messkabels verbunden ist. Durch einen gegengekoppelten Verstärker wird der Schutzring sehr genau auf dem Potential der Mittelelektrode des Aufnehmers gehalten. Dadurch erreicht man im ganzen Messbereich ein nahezu homogenes elektrisches Feld zwischen den Kondensatorplatten sowie eine weitgehende Unabhängigkeit von Änderungen der Kabelkapazität. Durchfließt ein Wechselstrom konstanter Amplitude und Frequenz den Aufnehmerkondensator, so ist die Amplitude der Wechselspannung zwischen den Kondensatorelektroden ihrem Abstand proportional. Ein 20 kHz-Oszillator hoher Amplituden- und Frequenzkonstanz liefert sowohl den Strom für den Aufnehmer als auch eine Kompensationsspannung, deren Größe mit einem Präzisionspotentiometer eingestellt werden kann. Die Spannung am Aufnehmer und die Kompensationsspannung werden von je einem Gleichrichter hoher Linearität und Nullpunktkonstanz gleichgerichtet. Die Differenz dieser Spannungen liegt einerseits an dem eingebauten Anzeigeinstrument und wird andererseits über einen Tiefpass und einen Verstärker der Ausgangsbuchse zugeführt. Der elektronische Teil des Wegmessgeräts besteht aus gedruckten Schaltungen in Steckkartenbauweise und ist ausschließlich mit Bauteilen hoher Zuverlässigkeit bestückt.

Aus der Wirkungsweise des Messgeräts ist zu ersehen, dass die Eigenschaften des Dielektrikums die Messung beeinflussen. Im Allgemeinen wird das Gerät für Messungen in Luft eingesetzt werden. Dabei sollte darauf geachtet werden, dass der Raum zwischen Aufnehmer und Messobjekt frei von Verunreinigungen jeder Art, wie Staub, Öl, Wasser usw. gehalten wird. Gegebenenfalls kann dies durch einen Luftstrahl, der auf den Spalt zwischen Aufnehmer und Messobjekt gerichtet ist, ermöglicht werden.

Kann der Sensorkopf jederzeit ausgewechselt werden?

Ja, da die Empfindlichkeitstoleranzen der Sensorköpfe so klein sind, dass mit beliebigen Exemplaren ohne Neujustierung der Elektronik eine Gesamtgenauigkeit von ±0,5% erreicht wird.

Was sind die physikalische Grundlagen des kapazitiven Wegsensors?

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

Welchen Einflüssen unterliegt der kapazitive Wegsensor?

Temperatureinfluss

Ist bei dem Distanzsensor im Wesentlichen 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 (μΩ bis kΩ) ohne spezielle Nacheichung. Damit ist auch der gesamte Bereich des Halbleiters Siliziums abgedeckt. Große Bedeutung hat diese Tatsache auch bei der Messung gegen einsatzgehärtete Wellen im Maschinenbau, da die Schwankungen der Gefügestruktur 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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