Modellierung und Realisierung eines digitalen Trägerfrequenzmesssystems zur Messung von kapazitiven Sensoren im Umfeld einer Ultrapräzisionsdrehmaschine (2006)

Zusammenfassung Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Konzept fur ein kapazitives Messsystem entwickelt und als Prototyp realisiert. Um realistische Rahmenbedingungen zu schaffen wurde der Prototyp auf einer Ultraprazisionsmaschine des Lehrstuhls fur Feinwerktechnik montiert und getestet. Fur die Auswertung eines kapazitiven Sensors wurde das Tragerfrequenzmessverfahren gewahlt. Um die gestellten Anforderungen erfullen zu konnen musste das TF-Verfahren zunachst entscheidend modifiziert werden. Die klassischen Verfahren zur Demodulation, wie z.B. wie die synchrone Demodulation oder die Hullkurvendemodulation sind ungeeignet, da sie zunachst das analoge modulierte Signal ins Basisband verschieben und dann erst fur weitere Verarbeitung das Ausgangssignal zur Verfugung stellen. Dieser Zwischenschritt ist besonders anfallig fur Signalverzerrungen und Phasenfehlern zwischen Tragerschwingung 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 zuruckgefaltet. 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 zuruckgefaltet werden und so den Signal/Rauschabstand verschlechtern. Durch den Einsatz einer rauscharmen Sensorelektronik und der Optimierung der Messbruckenparameter konnte dieser Nachteil streckenweise wieder kompensiert werden. Aufgrund der geringen Kapazitaten von kapazitiven Sensoren spielt der Einfluss von parasitaren Effekten eine besonders grose Rolle und muss daher vermieden werden. Als Gegenmasnahmen wurde neben einem kapazitatsarmen Aufbau der Schaltung die Guardtechnik zur Unterdruckung parasitarerer Kapazitaten eingesetzt. Die aktive Abschirmung der empfindlichen signalfuhrenden Leitungen auf Leiterplatte, Sensor und Anschlusskabel bietet einen wirksamen Schutz gegen den negativen Einfluss parasitare Kapazitaten. Der Einfluss dieser aktiven Schaltung hinsichtlich des Rauschen und des Verstarkungsfehlers auf die Performance des Messsystems wurde bewertet. Anhand von Modellen wurden der Verstarkungsfehler und die Rauschspannung quantifiziert. Neben diesen zentralen Storgrosen wurde weiter der Einfluss der Temperatur untersucht und quantifiziert Das verstarkte Messsignal wird durch einen schnellen AD-Wandler in einen digitalen Datenstrom umgesetzt. Obwohl die Datenrate des Messsystems durch Unterabtastung deutlich gesenkt werden konnte, fallt dennoch eine recht grose weiterzuverarbeitende Datenmenge von einigen Megabyte pro Sekunde an, die auf einen PC gespeichert wird. Damit eine fehlerfreie Datenubertragung an den PC erfolgen kann ist eine Zwischenspeicherung der gewonnenen Daten in einem Puffer notwendig. Die Zwischenspeicherung erfolgt mit einem insgesamt 12k-Byte grosen 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 fur die Tragerfrequenz ein zentraler Bestandteil des Prototyps. Der Prototyp wird durch einen handels-ublichen PC angesteuert. Der Aufbau des gesamten Messsystems und die abschliesenden Untersuchungen erfolgten auf einer Ultraprazisionsdrehmaschine. Diese Maschine bot aufgrund ihrer bekannten mechanischen Eigenschaften eine prazise Grundlage fur die Untersuchungen am Messsystem. Hierbei zeigte sich, dass neben den deterministischen Storgrosen eine Vielzahl von weiteren unvorhersehbaren Storungen negativen Einfluss auf die Gesamtperformance des Messsystems nehmen kann. Diese Storgrosen wie z.B. Netzstorungen konnten durch verschiedene Abschirmmasnahmen deutlich verbessert werden. So enthielten die ersten Messungen deutliche Zeichen dieser Storanteile die nur unzureichend durch eine softwareseitige digitale Filterung unterdruckt werden konnten. Mit weiteren Messungen konnte dann die deutliche Abnahme des Storpegels verifiziert werden.