Kapazitive Positionssensoren mit Sub-nm-Auflösung..................................................1
D-015 - D-100 Kapazitive Positionssensoren mit Sub-nm-Auflösung..........................2
Meßmethode...................................................................................................................... 2
Auflösung............................................................................................................................ 2
Stabilität und Linearität von PI-Sensoren...................................................................... 2
Unempfindlichkeit gegenüber Kabeleinflüssen........................................................... 3
Materialanpassung............................................................................................................ 3
Elektroden-Geometrie und Oberflächenqualität.......................................................... 3
Parallelität der Meßoberflächen des Positioniersystems............................................ 4
Standardelektronik............................................................................................................ 4
Montage und Meßbereich................................................................................................ 4
Technische Daten............................................................................................................. 5
© 1998 Physik
Instrumente (PI) GmbH & Co
· Meßbereich bis 300 mm
· Auflösung < 0,1 nm
· Linearität: < 0,02%
· Bandbreite bis 10 kHz
· Integriertes Linearisierungs-System (ILS)
· Sonderausführungen
Bestellhinweis
D-015.00 Kapazitiver Positionssensor, 15 mm, Aluminium
D-050.00 Kapazitiver Positionssensor, 50 mm, Aluminium
D-100.00 Kapazitiver Positionssensor, 100 mm, Aluminium
Abb. D015-100 Kapazitive Positionssensoren D-015, D-050, D-100
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Kapazitive Positionssensoren sind analoge, berührungslose Meßsysteme für kleine Wege, typischerweise unter 1 mm. Es gibt zwei gängige Versionen: Einelektroden-Sensoren und für höchste Genauigkeitsanforderungen den Zweielektroden-Sensoren. Ein Zweielektroden-Sensor besteht aus zwei Platten, die Teil einer kapazitiven Brücke sind. Eine Platte (Target) wird feststehend montiert, die andere Platte (Probe) ist mit dem positionierten Objekt verbunden. Weil die Plattengröße nicht variabel ist und das dielektrische Medium (Luft) unverändert bleibt, wird die Kapazität direkt durch den Abstand zwischen den Platten bestimmt. Aus der Kapazitätsinformation erzeugt eine elektronische Präzisionsschaltung das Positionssignal.
Mit speziell konfigurierten Zweielektroden-Sensoren lassen sich Auflösungen im Pikometerbereich erreichen (Einelektroden-Sensoren bieten deutlich geringere Auflösung, Linearität und Genauigkeit als Zweielektroden-Sensoren).
Die theoretische Meßauflösung wird nur durch das Quantenrauschen begrenzt. In der Praxis beeinflussen Streustrahlung, Geometrieeffekte und das Rauschen der Meßelektronik die erreichbare Genauigkeit. Der effektive Rauschfaktor des D-100.00 Sensors (100 mm) in Verbindung mit der E-509.C1 Elektronik liegt bei 0,02 nm/ÖHz. Bei 100 Hz Bandbreite entspricht das einer Auflösung von 0,2 nm. Die maximal erreichbare Bandbreite beträgt ca. 10 kHz. Abb. zeigt die Bewegung eines Piezo-Translators, gemessen mit einem kapazitiven Positionssensor und einem Interferometer. Die überlegene Auflösung des kapazitiven Sensors ist klar erkennbar.
Abb. cap-vs-intf Bewegung eines Piezo-Translators, gemessen mit dem kapazitiven Sensor D-015 (Bandbreite: 3 kHz) und einem Interferometer.
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Um die theoretischen Vorteile von kapazitiven Sensoren voll ausnutzen zu können, hat PI eine spezielle Elektronik dafür entwickelt. Sie zeichnet sich durch minimales Rauschen und hervorragende Langzeitstabilität aus. Der Einfluß von Kabelkapazitäten auf die Meßgenauigkeit wird durch diese Elektronik auf ein vernachlässigbares Minimum reduziert.
Ein weiterer Vorteil ist das integrierte Linearisierungs-System (ILS), das Einflüsse durch Parallelitätsfehler zwischen den Platten kompensiert. Ein Vergleich zwischen einem konventionellen kapazitiven Meßsystem und dem ILS-System von PI ist in Abb. . dargestellt.
Abb. CapNonLin Typische Nichtlinearität eines konventionellen kapazitiven Meßsystems im Vergleich mit dem ILS-System von PI.
Abb. zeigt den Vorteil des ILS-Systems in der Praxis: Die Meßkurve gibt die Linearität eines P-752.1C Piezo-NanoPositioniersystems mit integriertem kapazitiven Positionssensor im geschlossenen Regelkreis an. Die hervorragende Linearität von besser als 0,02% enthält die Fehler aller Komponenten, von der Mechanik über den Piezoantrieb bis zum Sensor und der Elektronik. Weitere Verbesserungen sind natürlich mit digitalen Verfahren, wie sie z.B. im digitalen Controller E-710 zur Verfügung stehen, möglich (siehe Kapitel "Piezo-Elektronik";).
Abb. P752Lin Linearität eines P-752.1C Piezo-NanoPositioniersystems (Steuerelektronik: E-500 Chassis mit E-503.00 und E-509.C1 Modulen. Der Stellweg beträgt 15 µm bei 10 V am Steuereingang. Die Linearität ist besser als 0,02 %.
Die hervorragende Langzeitstabilität der Meßelektronik ist in Abb. dargestellt.
Abb. CapTempStab Meßstabilität eines E-509.C1 Elektronikmoduls für kapazitive Positionssensoren mit 10 pF Referenzkondensator über 3 ½ Stunden.
Die Genauigkeit von Abstandsmessungen auf Grundlage der elektrischen Kapazität kann durch Schwankungen der Kabelkapazität beeinträchtigt werden. Deshalb funktionieren die meisten kapazitiven Meßsysteme nur bei Kabellängen bis 1 m optimal. Bei den Systemen von PI wird durch einen speziellen Aufbau der Einfluß der Kabel eliminiert, weshalb Kabellängen bis 3 m problemlos verwendet werden können.
Die besten Meßergebnisse sind erreichbar, wenn der Sensor und der Teil, auf den der Sensor aufgebracht wird, möglichst gleiche Ausdehnungskoeffizienten haben. Je größer der Unterschied, desto schlechter das Ergebnis. Ein Sensor aus Superinvar auf einem Stahlaufbau bringt schlechtere Ergebnisse, als ein Stahlsensor. Durch unterschiedliche Temperaturgänge kommt es zur Verspannung und dadurch zu verfälschten Meßergebnissen.
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Bei der Herstellung der Sensoren kommt es darauf an, selbst kleinste mechanische Toleranzen einzuhalten. Um größtmögliche Ebenheit der Meßoberflächen und damit beste Genauigkeit zu erreichen, setzt PI Bearbeitungsmethoden ein, die auch in der Präzisionsoptikherstellung verwendet werden.
Alle Sensortypen von PI sind so konstruiert, daß die Sensorkapazität in Luft bei nominalem Meßabstand 10 pF beträgt. Dies bedeutet, daß eine Sensorelektronik ohne Modifikation für alle Sensoren verwendet werden kann.
Um optimale Ergebnisse zu erzielen, müssen die Target- und Probe-Platten während der Messung parallel zueinander ausgerichtet sein. Das bedeutet, daß ein Positioniersystem mit kapazitiven Sensoren und guten Führungseigenschaften (geringe Verkippung) eine bessere Genauigkeit hat als eines mit schlechter Führung und dem gleichen Sensor. Die Verkippung beeinflußt sowohl die Linearität als auch die Absolute Positionsinformation (Gain). Die Abbildungen xx und xx zeigen den rechnerischen Einfluß der Verkippung auf Linearität und Gain.
Abb. CSLinVsTilt Nichtlinearität als Funktion der Verkippung.
Abb. CSGainVsTilt Gain als Funktion der Verkippung.
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PI bietet verschiedene Elektroniken für kapazitive Positionssensoren an. Neben den E-509.Cx Europakarten für die E-500 und E-501 Chassis, sind auch der OEM-Piezo-Controller E-610.C0, der NanoAutomation-Controller E-612 und der digitale Piezo-Controller E-710 (siehe Kapitel "Piezo-Elektronik”) mit den entsprechenden Modulen für den Betrieb kapazitiver Sensoren ausgerüstet . Als Standard werden Ein-, Zwei- und Dreikanalversionen angeboten. Sonderausführungen sind auf Anfrage erhältlich.
Bei einer typischen Messung ist der optimale Abstand der Platten bei Nullage gleich dem nominalen Meßbereich. Von der Nullage kann der Sensor ±50% des Meßbereiches bewegt werden, was zu einer Ausgangsspannung von ±5 V an der Elektronik führt. Die Plattenkapazität bei nominalem Meßabstand beträgt, wie auch beim Referenzkondensator in der Elektronik, 10 pF.
Der Meßbereich kann erweitert oder verringert werden, wenn der Referenzkondensator im gleichen Verhältnis verkleinert oder vergrößert wird. Alle PI-Elektroniken ermöglichen das Umschalten der Kapazitäten für verschiedene Meßbereiche bis zum dreifachen Wert des nominalen Bereiches (siehe Abb. ).
Abb. CSMeasRange Standard-Meßbereich und maximaler Meßbereich verschiedener kapazitiver Positionssensoren.
© 1998 Physik
Instrumente (PI) GmbH & Co
Abb. D015-00 D-015.00 Abmessungen
Abb. D050-00 D-050.00 Abmessungen
Abb. D100-00 D-100.00 Abmessungen
Hinweis
Neben den hier aufgeführten Standardsensoren bietet PI Sonderausführungen (Geometrie, Meßbereich, Material, Elektronik, etc.) auf Kundenwunsch an. Sprechen Sie mit unseren Produktspezialisten!
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© 1998 Physik Instrumente (PI) GmbH & Co
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