Modellierung und Realisierung eines digitalen Trägerfrequenzmesssystems zur Messung von kapazitiven Sensoren im Umfeld einer Ultrapräzisionsdrehmaschine

modeling and realization of a digital carrier frequency measurement system on an ultrahigh precision turning machine

  • Zusammenfassung Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Konzept für ein kapazitives Messsystem entwickelt und als Prototyp realisiert. Um realistische Rahmenbedingungen zu schaffen wurde der Prototyp auf einer Ultrapräzisionsmaschine des Lehrstuhls für Feinwerktechnik montiert und getestet. Für die Auswertung eines kapazitiven Sensors wurde das Trägerfrequenzmessverfahren gewählt. Um die gestellten Anforderungen erfüllen zu können musste das TF-Verfahren zunächst entscheidend modifiziert werden. Die klassischen Verfahren zur Demodulation, wie z.B. wie die synchrone Demodulation oder die Hüllkurvendemodulation sind ungeeignet, da sie zunächst das analoge modulierte Signal ins Basisband verschieben und dann erst für weitere Verarbeitung das Ausgangssignal zur Verfügung stellen. Dieser Zwischenschritt ist besonders anfällig für Signalverzerrungen und Phasenfehlern zwischen Trägerschwingung und moduliertem Signal. Um nun diese Nachteile zu umgehen erfolgt die Demodulation direkt durch die Abtastung des modulierten Signals mittels eines sehr schnellen AD-Wandlers. Das modulierte Signal wird so direkt ins Basisband zurückgefaltet. Da es sich bei dem modulierten Signal um ein bandbegrenztes Signal handelt kann die Abtastrate des AD-Wandlers an die Bandbreite des modulierten Signals angepasst werden, es findet eine Unterabtastung statt. Nachteilig ist hierbei, dass die hochfrequenten Anteile des thermischen Rauschens durch die Unterabtastung in das Basisband zurückgefaltet werden und so den Signal/Rauschabstand verschlechtern. Durch den Einsatz einer rauscharmen Sensorelektronik und der Optimierung der Messbrückenparameter konnte dieser Nachteil streckenweise wieder kompensiert werden. Aufgrund der geringen Kapazitäten von kapazitiven Sensoren spielt der Einfluss von parasitären Effekten eine besonders große Rolle und muss daher vermieden werden. Als Gegenmaßnahmen wurde neben einem kapazitätsarmen Aufbau der Schaltung die Guardtechnik zur Unterdrückung parasitärerer Kapazitäten eingesetzt. Die aktive Abschirmung der empfindlichen signalführenden Leitungen auf Leiterplatte, Sensor und Anschlusskabel bietet einen wirksamen Schutz gegen den negativen Einfluss parasitäre Kapazitäten. Der Einfluss dieser aktiven Schaltung hinsichtlich des Rauschen und des Verstärkungsfehlers auf die Performance des Messsystems wurde bewertet. Anhand von Modellen wurden der Verstärkungsfehler und die Rauschspannung quantifiziert. Neben diesen zentralen Störgrößen wurde weiter der Einfluss der Temperatur untersucht und quantifiziert Das verstärkte Messsignal wird durch einen schnellen AD-Wandler in einen digitalen Datenstrom umgesetzt. Obwohl die Datenrate des Messsystems durch Unterabtastung deutlich gesenkt werden konnte, fällt dennoch eine recht große weiterzuverarbeitende Datenmenge von einigen Megabyte pro Sekunde an, die auf einen PC gespeichert wird. Damit eine fehlerfreie Datenübertragung an den PC erfolgen kann ist eine Zwischenspeicherung der gewonnenen Daten in einem Puffer notwendig. Die Zwischenspeicherung erfolgt mit einem insgesamt 12k-Byte großen und 16 Bit breiten Fifo-Speicher, der zusammen mit der AD-Wandlerelektronik auf einer Platine untergebracht werden konnte. Diese Elektronik ist neben der Sensorelektronik und der Signalerzeugung für die Trägerfrequenz ein zentraler Bestandteil des Prototyps. Der Prototyp wird durch einen handels-üblichen PC angesteuert. Der Aufbau des gesamten Messsystems und die abschließenden Untersuchungen erfolgten auf einer Ultrapräzisionsdrehmaschine. Diese Maschine bot aufgrund ihrer bekannten mechanischen Eigenschaften eine präzise Grundlage für die Untersuchungen am Messsystem. Hierbei zeigte sich, dass neben den deterministischen Störgrößen eine Vielzahl von weiteren unvorhersehbaren Störungen negativen Einfluss auf die Gesamtperformance des Messsystems nehmen kann. Diese Störgrößen wie z.B. Netzstörungen konnten durch verschiedene Abschirmmaßnahmen deutlich verbessert werden. So enthielten die ersten Messungen deutliche Zeichen dieser Störanteile die nur unzureichend durch eine softwareseitige digitale Filterung unterdrückt werden konnten. Mit weiteren Messungen konnte dann die deutliche Abnahme des Störpegels verifiziert werden.
  • Abstract This dissertation addresses the modeling and realization of a distance measurement system for capacitive displacement sensors at simultaneously high resolution and high dynamics. For the verification of the theoretical models and for inspection of the correct function of the prototype, the prototype was installed on an Ultrahigh precision turning machine of the department for microengineering in order to measure data in a realistic and practice measurement environment. It was the goal of this work to develop an integrated model for a capacitive system, with which a distance measurement with high dynamics (fg=100kHz) can be performed in the range of micrometers. As a basic principle for the analysis of a capacitive sensor, the carrier frequency measurement procedure was selected. This-procedure had to be modified significantly. The basic procedures for a demodulation like the synchronic demodulation or the envelope demodulation are unsuitable since they shift analogous modulated signal into the baseband first and make the outputsignal for further processing available afterwards. This interim step is especially susceptible for most deceased types of interferences. In order to avoid this, the demodulation results directly through the scanning of the modulated signal using a very fast AD-converter. Herewith, the modulated signal becomes directly convoluted into the baseband. Since the modulated signal is a bandpass signal, the sampling rate of the AD-converter can be adapted to the bandwidth of the modulated signal A so called undersampling takes place. The modulation of the carrier oscillation results from the variation of the capacity of the capacitive sensor. Based on the low capacity of these sensors, different calculations and models were generated for an optimal analysis of these sensors. Capacitive sensors have only a size of a few Picofarad, therefore, a detailed analysis of the influence of parasitical effects has been performed. As countermeasures, the guardshielding has been implemented in order to suppress parasitical capacities along with a low capacity setup of the circuit. The active shielding of the sensitive signal leading wires on the printed circuit board, as well as the sensors and the connecting cable provide an effective protection against the negative influence of parasitical capacities. The influence of this active shielding with respect to noise and amplification errors on the Performance of the measurement system was valued. The amplification error and the noise voltage were evaluated and quantified with models. Besides these main disturbances, the influence of the temperature has been investigated. The prototype is controlled by an off the shelf personal-computer. In this PC, an optimized PCI-BUS plug-in card is used, which establishes the interface between the PCI bus of the PC and the converter circuitry of the prototype. Through this interface, it is possible to store the big amount of data during a measurement session on a PC harddisk. The PC is operated with a software developed specially for this use. This software takes over the control on operating system level and blocks unintentional interrupts caused by different tasks running on a PC. Simultaneously, the software shows the measured data in a suitable manner on a screen. The setup of the complete measurement system and the concluding investigations were performed on an ultra precision turning machine. Here, it was shown that besides the deterministic disturbances a multitude of further unpredictable interferences can have a negative influence on the overall performance of the system. These disturbances, e.g. power interferences, were clearly improved by different measures of shielding. The performed measurements and investigations confirmed the theoretical characteristics of the measurement system.

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Metadaten
Author:Jonas Bluth
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-20661
Advisor:Rüdiger Haberland
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Year of Completion:2006
Year of Publication:2006
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2006/06/19
Tag:Ultrapräzisionsdrehmaschine; Unterabtastung
Undersampling
GND-Keyword:Kapazitiver Sensor ; Oversampling ; Quantisierungsfehler ; Rauschen; Trägerfrequenzmessung
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $