Kontaktfreie, direkte Positionsmessung mit Sub-Nanometer-Auflösung
- Absolutmessung von Abstand, Bewegung, Vibration
- Messbereiche zwischen wenigen 10 µm und ca. 2 mm
- Direktmetrologie: Unmittelbare Positionsmessung am bewegten Objekt
- Nur minimale Erwärmung, kein Streulicht
- Vakuumkompatibel bis 10-9 hPa
- Wartungsfrei, kein Verschleiß
- Hohe Bandbreite bis 10 kHz
- Hohe Temperatur- und Langzeitstabilität (<0.1 nm/3 h)
- Invar-Versionen für höchste Temperaturstabilität (5 × 10-6/K)
- Kompakte Zweielektroden- und Einelektroden-Sensoren, kundenspezifische Ausführungen
- Auswerteelektronik in verschiedenen Ausbaustufen, von analogen OEM-Versionen bis zum modular aufgebauten und jederzeit erweiterbaren digitalen Controllersystem
Der Aufbau besteht aus zwei leitenden Flächen: Durch die Ansteuerung mit hochfrequentem Wechselstrom entsteht ein homogenes elektrisches Feld zwischen den beiden Flächen. Wie beim Plattenkondensator ist die Kapazität direkt vom Abstand zwischen den Flächen abhängig. Die Messgröße ist die Kapazitätsänderung im elektrischen Feld.
Homogenes elektrisches Feld sorgt für hohe Linearität
Die PI Anordnung mit zusätzlicher Schutzringelektrode erzeugt ein sehr homogenes Feld im aktiven Bereich.
Zusätzlich verwenden alle Elektroniken von PI integrierte Linearisierungsverfahren, die die Parallelität zwischen den Sensorplatten korrigieren. Abhängig vom verwendeten Material zeigen kapazitive Sensoren eine hervorragende Langzeitstabilität, die weitgehend unabhängig von thermischen Einflüssen ist.
![[Translate to German:] Formel Sensor Kapazitaet](/fileadmin/_processed_/a/4/csm_Formel_Sensor_Kapazitaet_2c3ef52587.jpg "Formel Sensor Kapazitaet")
![[Translate to German:] steps for a piezo nanopositioning system](/fileadmin/_processed_/0/7/csm_steps_for_a_piezo_nanopositioning_system_a5d51409be.jpg "PI D-015 Diagramm")
Höchste Genauigkeit durch Direktmetrologie
![[] Maximum Accuracy Through Direct Metrology](/fileadmin/_processed_/b/3/csm_PI_D-015_01_3bccfbd96f.jpg "[Translate to German:] Maximum Accuracy Through Direct Metrology")
Richtig innerhalb des Positioniersystems angebracht, messen kapazitive Sensoren direkt die Ist-Position des bewegten Teils relativ zum Grundkörper (Direktmetrologie). Eventuelle Fehler im Antriebsstrang wie im Aktor, dem Hebel oder der Führung beeinflussen diese Messung daher nicht. Drift oder Hysterese im Antriebsstrang werden dadurch automatisch eliminiert.
Positionsgeregelte Piezo-Nanostellsysteme erreichen damit eine herausragende Linearität der Bewegung, eine hohe Langzeitstabilität und eine steife, schnell ansprechende Regelung, da Störungen von außen unmittelbar vom Sensor erkannt und zurückgemeldet werden.
Linearisierte Auswerteelektronik
Die Auswerte- und Messelektronik zeigt nur ein minimales Rauschen und integriert ein Linearisierungssystem (ILS), das die Einflüsse von Parallelitätsfehlern zwischen den Kondensatorplatten kompensiert.
Digitale Controller bieten die höchste Genauigkeit durch zusätzliche Linearisierungsalgorithmen mit Polynomen höherer Ordnung.
Alle Systeme werden im Hause PI kalibriert und für die vorgesehene Bandbreite und den Messbereich optimiert. PI bietet Auswerteelektronik für kapazitive Sensoren in verschiedenen Ausbaustufen an, von analogen OEM-Versionen bis zum modular aufgebauten und jederzeit erweiterbaren digitalen Controllersystem.
Indirekte Positionsmessung mit Dehnmessstreifen-Sensoren
Dehnmessstreifen-Sensoren bestehen aus einer dünnen Metall- (DMS) oder Halbleiterfolie (piezoresistiv, PRS), die auf der Piezokeramik oder für verbesserte Präzision auf dem Führungssystem eines Flexure-Verstellers aufgebracht ist. Diese Art der Positionsmessung erfolgt mit Kontakt und indirekt, da die Position der bewegten Plattform aus einer Messung am Hebel, an der Führung oder am Piezostapel abgeleitet wird. Dehnmesssensoren leiten die Positionsinformation aus ihrer Ausdehnung ab. Vollbrückenschaltungen mit mehreren Dehnmessstreifen je Achse verbessern die thermische Stabilität.
PISeca: Kapazitive Einelektrodensensoren
PISeca: Kapazitive Einelektrodensensoren
Kapazitive PISeca Einelektrodensensoren messen gegen jede Art von leitender Oberfläche und sind einfacher in der mechanischen Handhabung, beispielsweise beim Einbau oder der Kabelführung. Sie können außerdem vielseitiger eingesetzt werden, z. B. zur Erfassung von Bewegungen senkrecht zur Messrichtung.
Die E-852 Stand-alone Auswerteelektronik für PISeca zeigt nur ein minimales Rauschen und integriert ein Linearisierungssystem. Alle Systeme werden im Hause PI kalibriert und für die vorgesehene Bandbreite und den Messbereich optimiert.
>> PISeca Sensoren werden, wie auch die passenden Auswerteelektronik von PI als Produkt angeboten.
Vibrationsmessung, Ebenheitsmessung, Dickenmessung
Die hohe Dynamik des PISeca Systems erlaubt auch die Messung von Vibrationen oder Schwingungen mit sehr hoher Auflösung. Die Ebenheit eines rotierenden Werkstückes oder Dickenunterschiede im Nanometer-Bereich können somit ebenfalls detektiert werden. Ein mögliches Einsatzgebiet ist zum Beispiel die Herstellung von Diskettenlaufwerken oder die aktive Schwingungskompensation.
Kraftsensoren mit Mikro-Newton-Empfindlichkeit
Häufig werden kapazitive Einplattensensoren als hochauflösende Kraftsensoren für die kontaktlose Messung im Mikro-Newton-Bereich eingesetzt. Hier werden minimale Abstandsänderungen über größere Abstände berührungslos mit Auflösung im Sub-Nanometer-Bereich gemessen ohne den zu messenden Prozess zu beeinflussen. Über die definierte Steifigkeit des Systems ergibt sich die Kraft.
Abstandsmessung mit Nanometer-Genauigkeit
Kapazitive Sensoren messen zuverlässig kleinste Abstände. Messgröße ist hierbei die Kapazitätsänderung zwischen der Oberfläche des Sensorkopfs und einer Targetfläche bei homogenem elektrischen Feld. Dabei werden Genauigkeiten im Sub-Nanometer-Bereich erreicht. Ein kalibriertes und justiertes System bestimmt Absolutwerte.
Nanostelltechnik / positionsgeregelte Systeme
Eine Anwendung der hochauflösenden Abstandsmessung ist die Nanostelltechnik. Kapazitive Zweiplattensensoren messen hier direkt Abstand und Ist-Position des bewegten Objekts mit allerhöchster Präzision. Durch die hohe Bandbreite der Sensoren ist die Regelung auch im dynamischen Betrieb möglich.
Parallelmetrologie / hochgenaue Mehrachsenmessungen
Für mehrachsige geregelte Nanopositionieraufgaben kombinieren hochgenaue Versteller mit kapazitiven Sensoren Direktmetrologie und Parallelkinematik.
Beim Einsatz in Mehrachsen-Nanopositioniersystemen können somit alle Freiheitsgrade gleichzeitig gemessen und Führungsfehler aktiv eliminiert werden (Aktive Führung). Kapazitive Sensoren sind hier die genauesten Messsysteme für beste Positionsauflösung.
Geradheits- und Ebenheitsmessung und aktive Übersprechkompensation
Über längere Stellwege ist die Messung von Geradheit oder Ebenheit einer Bewegung mit hervorragender Auflösung durch den Einsatz kapazitiver Einplattensensoren möglich.
Eine mögliche Anwendung hierfür ist die Crosstalk-Messung in der Nanostelltechnik. Unerwünschtes Übersprechen der Bewegung in eine andere Achse kann so detektiert und in Echtzeit aktiv ausgeregelt werden. Die hohe Bandbreite der Sensoren ermöglicht eine hohe Dynamik.
