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Sensoren Warum sich kapazitive Sensoren mit triaxialem Aufbau lohnen

| Autor / Redakteur: Stefan Stelzl* / Sariana Kunze

Kapazitiven Wegsensoren hängt der Ruf an, vor allem für saubere und trockene Umgebung geeignet zu sein. Doch können sie auch in rauen Industrieumgebungen präzise mit Submikrometergenauigkeit messen. Erfahren Sie mehr über Funktion, Einsatzgebiete und warum sich ein triaxialer Aufbau lohnt.

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Kapazitive Sensoren messen auch in Industrieumgebungen präzise mit Submikrometergenauigkeit. Sie sind temperaturstabil, robust und flexibel einsetzbar.
Kapazitive Sensoren messen auch in Industrieumgebungen präzise mit Submikrometergenauigkeit. Sie sind temperaturstabil, robust und flexibel einsetzbar.
(Bild: Micro-Epsilon)

Kapazitive Wegsensoren bestimmen vor allem Weg- und Positionsänderungen von leitfähigen Objekten. Das Unternehmen Micro-Epsilon hat diese Sensoren, die einst sauberer Umgebung zugeordnet wurden, zu hochpräzisen Messsystemen für industrielle Anwendungen entwickelt.

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Wie funktioniert der kapazitive Wegsensor?

Wie der kapazitive Wegsensor funktioniert: Kapazitive Sensoren messen Änderungen in einer elektrischen Eigenschaft, die als Kapazität bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um die Fähigkeit eines Körpers oder von Leiteranordnungen, elektrische Ladung zu speichern. Sensoren von Micro-Epsilon basieren auf dem Prinzip des idealen Plattenkondensators. Das elektrische Feld befindet sich hier zwischen den beiden leitenden Objekten im aktiven Messbereich, also zwischen dem Sensor und dem leitfähigen Messobjekt. Die Sensorelektrode wird mit einem Wechselstrom konstanter Frequenz und Amplitude gespeist, wodurch die Amplitude der resultierenden Spannung proportional zum Abstand der beiden Objekte ist:

C =ε × Ad

  • C = Kapazität
  • ε = Dielektrizitätskonstante
  • A = Oberfläche der Kondensatorplatten
  • d = Abstand zwischen Kondensatorplatten

Die kapazitiven Sensoren der Serie Capa-NCDT sind in diversen Ausführungen verfügbar. Dabei ist die zylindrische Bauform die geläufigste. Zylindrische Wegsensoren sind mit einem Montagegewinde ausgestattet und können eingeschraubt oder mit einer Mutter fixiert werden. Es gibt aber auch Flachsensoren für einen geringeren Bauraum. In der Platinenausführung sind kapazitive Sensoren zur Integration in schmale Einbauumgebungen geeignet. Die Sensoren decken so Messbereiche von 50 µm bis 10 mm ab und sind dadurch für zahlreiche Messaufgaben geeignet. Sie verfügen entweder über eine Steckverbindung oder ein integriertes Kabel. Für die Sensorkonstruktion kommen verschiedene Gehäusematerialien und Fertigungstechnologien zum Einsatz. Neben der Standard-Ausführung aus Edelstahl bzw. Invar sind auch Sensoren aus Titan erhältlich, die für Messaufgaben im Vakuum geeignet sind.

Mit triaxialem Aufbau genauer messen

Im Gegensatz zu herkömmlichen kapazitiven Sensoren sind Sensoren von Micro-Epsilon nicht koaxial, sondern triaxial aufgebaut. Das bedeutet, dass der Kondensator nicht nur von einem Gehäuse umgeben wird, sondern zusätzlich ein gesondert gespeister Schutzring zwischen Kondensator und Gehäuse angebracht ist, der seinerseits ebenfalls ein elektrisches Feld erzeugt. Zwischen der Messelektrode und der Objektoberfläche entsteht dadurch ein homogenes Feld. Eine Ausbreitung auf andere leitfähige Objekte in der Nähe oder auf andere Bereiche des Targets wird durch das Schutzfeld um die Messelektrode unterbunden. Somit wird verhindert, dass andere Objekte die Messung beeinflussen.

Zudem können diese Sensoren bündig in leitende Materialien eingebaut werden, ohne Messfehler zu erzeugen. Für besonders beengte Einbausituationen wurde ein Miniatur-Triaxial-Stecker patentiert, der zusammen mit den 14 mm bis 25 mm dünnen Platinensensoren zum Einsatz kommt. Kabel, Sensor und Stecker sind hier nahezu gleich groß. Der Stecker ist mit 3,6 mm etwa um den Faktor drei kleiner als herkömmliche Stecker. Die Spiralummantelung für die eingesetzten Kabel bietet weiteren Schutz vor Beschädigungen. Die Platinensensoren der Reihe CFS decken Messbereiche von 2 bis 6 mm ab und erreichen eine Linearität von 4 µm.

Magnetfeldunempfindlich in großen Elektromotoren

Die Vorteile der industrieoptimierten Sensoren zeigen sich bei großen Elektromotoren. Denn die Motoren nehmen Schaden, wenn der Rotor den Stator berührt. Daher wird der sogenannte Läuferspalt, der Abstand zwischen Rotor und Stator, durch kapazitive Weg- sensoren ständig überwacht. Die wechselnden magnetischen Felder haben dank des triaxialen Aufbaus und der Verwendung von nicht-magnetischen Materialien keinen Einfluss auf das Messergebnis. Aufgrund des berührungslosen Messprinzips besteht auch keinerlei physische Einwirkung auf Sensor oder Messobjekt, wodurch sich die Langzeitstabilität ergibt. Werden Sensoren in Bereichen eingesetzt, wo sie in hohem Maße Erschütterungen ausgesetzt sind, bieten Gewindesensoren eine Einbaumöglichkeit. Diese sind fest mit der jeweiligen Maschine verschraubt und verhindern ein Verrutschen des Sensors bei starker Vibration.

Da in industriellen Umgebungen die Temperatur häufig stark schwankt und sich Materialien bei hohen Temperaturen ausdehnen und sich bei niedrigen zusammenziehen, verändert sich auch der Abstand zwischen Sensor und Messobjekt. Bei Werten von -270 bis 200 °C bieten kapazitive Sensoren eine hohe Temperaturstabilität von 5 ppm. Die Langzeitstabilität liegt bei ±0,002 % d.M./Monat. Für weitaus höhere Temperaturbereiche sind Sonderbauformen mit Keramik möglich.

Robuste Sensoren lassen Bremsanlage maximale Effizienz erreichen

Temperaturstabile und robuste Sensoren werden unter anderem bei der berührungslosen Erfassung der Disc Thickness Variation von Bremsscheiben gefordert. Nur bei gleichmäßiger Scheibendicke kann eine Bremsanlage ihre maximale Effizienz erreichen. Unebenheiten, Schläge oder Abriebe auf der Oberfläche der Scheibe führen zu Kontaktverlust der Bremsbeläge und verringern somit die Bremswirkung. Das System Capa-NCDT DTV arbeitet hochauflösend und kann dadurch Abweichungen bis unter 1 µm sowohl bei Raumtemperatur im Prüfstand als auch bei Bremsscheiben-Temperaturen von rund 600 °C im Fahrversuch bestimmen. Speziell für die Vermessung von Bremsscheiben wurde ein Vierkanal-Flachsensor konzipiert.

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Wegen seines robusten Aufbaus ist er für raue Umgebungsbedingungen von der Produktionsüberwachung und Qualitätsprüfung über den Prüfstand bis hin zum Versuchsfahrzeug entwickelt. Im kompakten Gehäuse sind vier kapazitive Sensoren untergebracht, die die Messwerte unabhängig voneinander erfassen. Vor mechanischen und thermischen Belastungen schützt ein spezielles Keramiksubstrat, welches eine hohe Stabilität auch bei Temperaturschwankungen schafft. Um eine positionsgenaue Messung mit geringem Montageaufwand zu realisieren, sind die Sensoren in spiegelverkehrten Anordnungen verfügbar, die auf der jeweils gegenüberliegenden Seite der Bremsscheibe montiert werden können. Kombiniert mit dem Controller Capa-NCDT 6220 lassen sich die vier Sensorkanäle bei dynamischen Messungen bis 5 kHz synchron verarbeiten und analog oder digital über die Ethernet- bzw. Ethercat-Schnittstelle ausgeben.

Kapazitive Sensoren unterstützen bei Beschleunigertechnologien

Auch im Ultrahochvakuum leisten die kapazitiven Sensoren präzise Arbeit. Zur Weiterentwicklung von Beschleunigertechnologien verfolgt das Helmholtz Zentrum Berlin mit dem Projekt „bERLinPro“ das Ziel, einen „Energy Recovery Linac“ (Linearbeschleuniger mit Energierückgewinnung) auf eine neue technologische Basis zu stellen. Dabei setzt das Helmholtz Zentrum auf präzise Messtechnik von Micro-Epsilon. Um die Quelle der zu beschleunigenden Elektronenpakete zu optimieren, wird eine Fotokathode in einer supraleitenden Hochfrequenz-Elektronengun eingesetzt. Die so erzeugten Elektronenpakete bleiben bei weiterer Beschleunigung kompakter als die aus anderen Quellen und können u.a. zur Gewinnung qualitativ besserer Röntgenstrahlung genutzt werden. Die Ausrichtung der Elektronenquelle im Projekt erfolgt mit drei kapazitiven Flachsensoren in Verbindung mit einem DT6220 Controller. Dabei wird die Verkippung sowie die Lageänderung der Halterposition beim Abkühlen von Raumtemperatur auf Temperaturen von 2 Kelvin (-271 °C) erfasst. Die Kombination der hier vorherrschenden Umgebungsbedingungen aus tiefen Temperaturen im Bereich der physikalisch unteren Grenze, Ultrahochvakuum, Röntgenbremsstrahlung und schwacher Hochfrequenz-Störfelder sowie die Anforderungen an Sensorbauform, Temperatur- und Langzeitstabilität führten zur Auswahl des kapazitiven Messsystems DT6220 von Micro-Epsilon. Dank des modularen Aufbaus können alle drei Messstellen mit nur einem Controller erfasst werden.

Kapazitive Sensoren sind keine Sensibelchen mehr

Die kapazitiven Sensoren von Micro-Epsilon sind in erster Linie passiv. Es gibt dadurch keine temperaturempfindlichen elektronischen Bauteile, wodurch sich eine hohe Langzeitstabilität und Präzision ergibt. Sie liefern auch bei extremen Temperaturen Messwerte bis in den Nanometerbereich und eignen sich für Einsatzbedingungen bei Tiefsttemperaturen oder Ultrahochvakuum bis hin zu staubigen Industrieumgebungen oder Reinraumanwendungen. Jeder kapazitive Sensor kann ohne aufwändige Kalibrierung mit einem beliebigen Controller von Micro-Epsilon verwendet werden. Über die verschiedenen Schnittstellen wie Analog, Ethernet und Ethercat wird eine Anbindung an Maschinen und Anlagen ermöglicht. Neben den Standardsensoren bietet das Unternehmen auch die Möglichkeit, Sensoren und Controller kundenspezifisch zu modifizieren, unter anderem bezüglich der Kabellängen, Bauform oder abgeänderten Messbereichen.

* Stefan Stelzl, Produktmanager Sensorik, Micro-Epsilon Messtechnik

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