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TU Berlin

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Evaluierung und Optimierung von Kapazitätsmessschaltungen für Drucksensoren in Matrixanordnung

Betreuer: Dr.-Ing. Wolfram Roßdeutscher

Bearbeiter:
Robert Janz
Druckmatrix
Lupe

Aufgabenstellung:
In einem neuartigen Scannersystem soll eine Kombination einer Fußdruckmessung mit einer optischen Erfassung der Fußanatomie ermöglicht werden. Hierzu ist ein transparentes Sensorsystem nötig. Ziel soll es sein, eine
geeignete Schaltung zu finden, welche kleine Kapazitätsänderungen erfassen kann. Die Sensoren werden in Spalten und Zeilen angeordnet, wodurch ein matrixförmiger Aufbau entsteht. Zwei leitende Strukturen bilden mit einem zwischenliegenden kompressiblen Dielektrikum einen Sensor.
Methode:
Durch eine umfangreiche Literaturrecherche konnten grundlegend verschiedene Verfahren zur Messung geringer Kapazitäten gefunden werden. Zu den drei wichtigsten Verfahren wurden Schaltungen entwickelt und diese nach geforderten Parametern analysiert. Hier standen besonders die Messungenauigkeit, Messfrequenz, Auflösung und der Messwertbereich im Fokus.
Ergebnisse:
Als Lösung konnte eine Schaltung entwickelt werden, die auf der Methode einer Aufladung und Entladung eines Kondensators beruht. Das Lade-und Entladeverhalten wird aufgezeichnet und einem Druckwert zugeordnet. Sowohl die Messwertstabilität, als auch das Hystereseverhalten konnten innerhalb der Spezifikationsgrenzen gehalten werden. Mit dieser Schaltung ist es möglich geringe Drücke von weniger als 0,017 N/cm²zu detektieren. Durch die Schaltung lassen sich geringe Kapazitäten im Bereich von ca. 50pF bis 70pF messen, mit sehr geringen Kapazitätsänderungen.
Zusammenfassung:
Durch die Arbeit konnten drei unterschiedliche Schaltungen entwickelt werden, mit denen es möglich ist geringe Kapazitäten zu messen. Zwei dieser Schaltungen wurden als ungeeignet für eine Matrixanordnung im Kapazitätsbereich von ca. 50pF bis 70pF eingestuft. Die Lade-Entlade-Methode bildet die Grundlage zur weiteren Entwicklung eines druckmessenden Scannersystems welches eine Bildgebung des Fußes mit einer Druckmessung kombiniert.

Evaluation and Optimization of Capacitance Measurement Circuits for Pressure Sensors in a Matrix Array

Purpose:
A new scanning system shall permit a combination of a foot pressure measurement and an optical detection of foot anatomy. Therefor a transparent sensor system is necessary. The aim is, to find a suitable circuit which is able to detect small changes in capacitance. The sensors are arranged in
columns and rows, forming a matrix structure. Two conductive structures with a compressible dielectric between the two form a sensor.
Methods:
Researching the current literature the author found different methods to measure low capacitances. Afterwards three circuits were developed. The major method evaluated using the most important parameters. These parameters were focused on measuring inaccuracy, test frequency and measurement range of the circuits.
Results:
The best solution was a circuit based on the method of charging and discharging a capacitor. The characteristics of charging and discharging the capacitor are recorded and a pressure value is assigned. With the resulting circuit the stability of the values as well as the hysteresis could be kept within the specification limits. It is possible to detect low pressures of less than 0,017 N/cm². The circuit can measure low capacitances in the range of about 50pF to 70pF and low changes in capacitance.
Conclusion:
During this project, three different circuits were developed which measure low capacitances reasonably well. Two of these circuits were unable to measure low capacitances of about 50pF to 70pF in a matrix array. The circuit based on the method of charging and discharging the capacitors forms the basis for further development of a pressure-measuring scanner-system combining picture capture and pressure measurement.

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