Kapazitives Messprinzip
Beim kapazitiven Messprinzip agieren Sensor und Messobjekt wie ein idealer Plattenkondensator. Durchfließt ein Wechselstrom konstanter Frequenz und konstanter Amplitude den Sensorkondensator, so ist die Amplitude der Wechselspannung am Sensor dem Abstand zum Messobjekt (Masse-Elektrode) proportional.
Durch den Aufbau der Sensoren als Schutzringkondensatoren erreicht man in der Realität nahezu eine ideale Linearitätskennlinie. Für eine konstante Messung ist jedoch eine gleichbleibende Dielektrizitäts-Konstante zwischen Sensor und Messobjekt die Prämisse, das System reagiert äußerst empfindlich auf Änderungen des Dielektrikums im Messspalt. Kapazitive Sensoren messen auch gegen Isolatorwerkstoffe, da diese als geändertes Dielektrikum erfasst werden. Ein annähernd lineares Ausgangssignal wird auch für Isolatoren durch elektronische Beschaltung möglich. Als elektromagnetisches Verfahren misst ein kapazitives Messsystem standardmäßig auf alle Metalle mit gleichbleibender Empfindlichkeit und Linearität.
In der grundsätzlichen Funktion eines kapazitiven Sensors breitet sich das Feld auch seitlich der Elektrode aus, wodurch eine fehlerhafte Abstandsinformation vermittelt werden könnte. Zur Reduzierung dieses Randeffektes wird um die Elektrode ein Schutzring montiert, der das Feld eindämmt und ein sehr homogenes Messfeld erzeugt. Die vom Schutzring ausgehenden Feldlinien gehen nicht in die Messung ein. Diese Maßnahme ist mitunter für die lineare Kennlinie verantwortlich.
Hochgenaue Messungen
Kapazitive Systeme zählen zu den präzisesten überhaupt. Problem dabei ist, dass die äußerst geringen Abstände eine ebenso geringe Signaländerung hervorrufen. D. h. zwischen Sensor und Controller sorgen bereits wenige Elektronen für eine angezeigte Abstandänderung. Fließen nun auf dem Weg von Sensor zum Controller auch nur extrem geringe Leckströme oder parasitäre Ströme, so ist die Abstandsinformation nicht mehr korrekt. Deshalb sind sehr aufwändige Triaxialkabel nötig. Dieses einzigartige und hermetisch abgeriegelte RF-Kabel sorgt für eine hohe Signalqualität. In Verbindung mit der vom Hersteller verwendeten Schutzring-Technologie werden sehr präzise Messungen möglich. Da thermisch bedingte Leitfähigkeitsänderungen des Messobjekts keinen Einfluss auf die Messung haben, ist das Prinzip auch bei starken Temperaturschwankungen stabil. Die Messelektrode ist sehr flexibel in der geometrischen Gestaltung. Die Sensoren können insbesondere durch die neue ECT-Technik, je nach Kundenwunsch, in unterschiedliche geometrische Formen gebaut werden.
Bei den kapazitiven Sensoren von Micro-Epsilon ist der schnelle Sensortausch ohne erneuter Kalibrierung auffällig. Der einfache Wechsel von Sensoren mit unterschiedlichen Messbereichen sowie der Austausch verschiedener capaNCDT-Controllern untereinander ist ohne Kalibrierung problemlos durchzuführen.
Kapazitive Spezifikationen
Bei diesem Messprinzip gilt es auf eine saubere und trockene Umgebung zu achten, da Änderungen des Materials zwischen Sensor und Messobjekt eine empfindliche Auswirkung auf das Signal haben. Ebenfalls muss die relativ geringe Kabellänge zwischen Sensor und Controller beachtet werden, die beim Standardgerät mit integriertem Vorverstärker mit 1m definiert ist (je nach Modell bis 3m möglich). Mit einem externen Vorverstärker sind zusätzlich bis zu 20m Abstand zwischen Controller und Vorverstärker möglich, Soll der Sensor einen größeren Messbereich als einige wenige mm aufweisen, steigt die Größe der Sensorgeometrie immer schneller.
Kapazitive Sensoren werden überall dort eingesetzt, wo präzise Ergebnisse gefordert werden. Sie werden verwendet um Vibrationen, Auslenkung, Ausdehnung, Weg, Durchbiegung, Verformung, Dicke uvm. zu messen. Dabei werden kapazitive Sensoren häufig in der In-Prozess-Qualitätssicherung eingesetzt, da hier das geforderte saubere Umfeld für die Sensoren vorliegt.
Mit den neuesten kapazitiven Wegmesssystemen werden Auflösungen von bis zu 0,038 nm bei 0,05 mm Messbereich erreicht. Aufgrund der sehr guten Temperaturstabilität kann mit diesem Prinzip speziell bei Anwendungen gemessen werden, bei denen hohe Temperaturschwankungen auftreten und andere Prinzipien eine zu starke Temperaturdrift des Signals verzeichnen. Auch optische Verfahren bieten hier keine saubere Lösung, da beispielsweise glühende Metalle keine sauber Reflexion eines Laserpunktes zulassen, wonach ein fragwürdiges Ergebnis resultieren würde.
