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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik kapazitive Abstandsmessung


Autor: Stefan R. (Gast)
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Hallo,

ich möchte den Abstand von zwei Metallplatten * (jeweils ca. 3-5 qdm
Fläche) im Bereich 0-5mm (grob, d.h. es reichen 10-20 Stufen) messen.
Grob überschlagen ergibt das eine Kapazität von bis zu einigen zehn pF.
Faul wie ich bin, hab ich natürlich zunächst mal die Minimalmethode
probert, wie sie auch schon hier diskutiert wurde: Eine Platte an
Masse, die andere hängt an nem Portpin und wird über einen 500k
Widerstand aufgeladen, die Zeit, bis der Pin eine "1" erkennt, wird
gemessen.
Soweit so gut, z.B. mit 1,5m Koaxkabel als Testkapazität bekomme ich
stabile Werte. Sobald ich die Schaltung aber an die Platten
anschliesse, macht mir (vermutlich) der Netzbrumm zu schaffen. Die
Platten sind dabei über ca. 0,5m Koaxkabel angeschlossen, eine stabile
Messung ist kaum möglich. Kurze Kontrolle mit nem Billig-DVM ergabt bis
zu 400mV Brummspannung an den Platten (das kann man wohl nur
überschlägig nehmen, das Messgerät war über ungeschirmte Strippen
angeschlossen, Oszi o.ä. ist grade nicht zur Hand).
Was kann ich nun tun, um dem Brummen zu entkommen? Auf die klassische
Variante eines LC- oder RC-Oszillators, der durch den veränderten C
verstimmt wird, wollte ich eigentlich wegen des Aufwands verzichten.
Ich vermute aber mal, dass ich damit bessere Ergebnisse erzielen
kann(?)
Als Alternative könnte ich mir noch vorstellen, die eine Platte durch
eine Flachspule (ein paar Windungen) zu ersetzen, angeschlossen wird
dann ein einfacher Oszillator mit einem Transistor. Wenn die
Metallplatte sich annähert, wird der Oszillator bedämpft, die
Stromaufnahme steigt (?), wenn der Oszillator über einen Widerstand mit
VCC versorgt wird, lässt sich der Strom als Spannungsabfall direkt einem
ADC zuführen (btw., ich verwende einen Atmega8).

Gruß,
Stefan

* Die beiden Platten bestehen aus zwei quadratischen Rahmen mit ca.
25cm Kantenlänge und ca. 4-5cm Breite, sind also in der Mitte nicht
ausgefüllt, was ja ber kein Problem sein sollte

Autor: Marillion (Gast)
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Ich bin zwar in der kapazitiven Abstandsmessung 'zu Hause', aber ich
mache das mit 10MHz. Wegen der großen Abstrahlfläche kann ich diese
Methode hier nicht empfehlen.
Wie wäre es, wenn Du einen induktiven Initiator mit Analogausgang an
einen Rahmen befestigst und den auf den anderen Rahmen 'schauen'
lässt?

Marillion

Autor: Stefan R. (Gast)
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Hallo Marillion,

>Wie wäre es, wenn Du einen induktiven Initiator mit Analogausgang an
einen Rahmen befestigst und den auf den anderen Rahmen 'schauen'
lässt?

Also du meinst so, wie ich es oben vorgeschlagen habe? Eine Luftspule,
die von der einen Platte bedämpft wird? Aus Kostengründen möchte ich
halt keine fertigen Sensoren verwenden, sondern was "billiges",
selbstgebasteltes.
Um mal konkreter zu werden: Ich möchte mir so eine Tanzmatte bauen:
http://www.irtc.org/ftp/pub/stills/2004-10-31/ddrpad.jpg
Im Netz gibt es viele Foren, die sich mit dem Selbstbau einer solchen
beschäftigen. Dazu wird meist ein altes USB/PS2-Gamepad genommen und
ausgeschlachtet, ich würde gerne meine eigene Elektronik mit einem AVR
dafür verwenden. Die "Sensorflächen" sind einfache
Plexiglassscheiben, die auf einem Fenstergummi, Silikon o.ä. gelagert
sind, so dass man sie ca. max. 5mm hereindrücken kann. Die originale
Spielhallenversion setzt als Schalter einen speziellen Silikonschlauch
mit eingelagerten Drähten ein, die sich bei Druck berühren. Die
Selbstbauvarianten verwenden alle möglichen, imo etwas gefrickelten
Lösungen, die alle daran kranken, dass mechanisch alles sehr  exakt
sein muss, bzw. nachjustiert werden muss.  Eine Methode sind z.B.
mehrere Schrauben unter den Kanten der Platte, die von einem auf die
Platte geklebten Metallstreifen kontaktiert werden. Dass der Kontakt
nicht unbedingt sehr zuverlässig ist, wenn z.B. eine Schraube zu  tief
sitzt bzw. durch exzessiven Gebrauch reingestampft wurde, kann man sich
denken. Mikroschalter waren mir auch zu aufwändig, da pro Platte
schonmal 4 Stück davon montiert und justiert werden müssten (Es soll
auch schon bei leichtem Druck nur auf einer Seite der Platte geschaltet
werden).
Deshalb hab ich mir jetzt mal aus Holz einen Prototyp zusammengebastelt
und teste daran gerade den kapazitiven Sensor (der erstmal nur aus
aufgeklebter Alufolie besteht).
Wenn das so funktioniert wie gedacht, könnte man erstens die
Emfindlichkeit einstellen und zweitens mechanische Ungenauigkeiten beim
Einschalten wegkalibrieren, so dass es z.B. nix macht, wenn eine Platte
im Ruhezustand nicht 5mm sondern 5,5mm vom Boden entfernt ist.
Ich werde jetzt noch ein paar Tage darüber schlafen, wenn mir bis dahin
nix eingefallen ist, werde ich wohl mal die Oszillator- bzw. die
induktive Methode versuchen. Falls noch jemand einen Tipp hat, immer
her damit!

Gruß,
Stefan

Autor: miC (Gast)
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theoretisch müsste es auch mit der empfangs-ferritantenne aus einem
alten radio funktionieren.

Autor: Michael Neumayer (nurmi)
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ich würde das ganze mal mit piezo-sensoren probieren, vielleicht kommt
man da früher auf einen grünen zweig...

(nur mal so ein gedanke)

Autor: PeterL (Gast)
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so würde ichs machen:

in eine dicke (mind. 3cm)Holzplatte mit der Stichsäge Fächer für
"Gummi Wärmeflaschen !" reinschneiden

in den Verschluss der Wärmeflaschen ein 6mm Loch bohren und
Schlauch reinkleben, Schlauch an Druckschalter.
hat den Vorteil, dass das ganze flexibel ist und die Treffgenauigkeit
keine grosse Rolle spielt

Autor: TOM (Gast)
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Was mir jetzt spontan eingefallen ist:
Gummibälge unter die Flächen und daran Drcksensoren. Dabei können die
Drucksensoren  (z.B. ähnlich einer Druckdose wie in Waschmaschinen)
ruhig schaltend sein, wenn man sie kalibrieren kann, dann dürfen sie
nicht so teuer sein (Vielleicht tun es ja die Dinger aus ner
Waschmaschine, die gibts mit Sicherheit kostenlos auf einem
Schrottplatz). Oder Drucksensoren aus einem digitalen
Reifendruckprüfer, gibts bei Pollin für unter 5 Euro. Als Gummibalg
findet man sicher auch noch was.

Gruß

Thomas

Autor: TOM (Gast)
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Da war wohl jemand schneller :)

Autor: Stefan R. (Gast)
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Also erstmal Danke für eure Vorschläge!
An Piezos hab ich auch schon gedacht, allerdings muss hier auch
irgendwie der statische Druck erfasst werden, da es bei dem Spiel z.B.
"freezes" gibt, d.h. man muss das Pad eine bestimmte Zeit gedrückt
halten. Möglicherweise könnte man das durch Integrieren (evtl. auch in
Software, siehe auch den "Piezo als Krafmesser"-Thread) und ständiger
Neukalibrierung (Software) lösen.
Ich werde demnächst noch eine alternative kapazitive Methode testen,
die mit der vorhandenen Beschaltung auskommt:
Ich habe mir zunächst mal überlegt, warum die Methode mit einem
freischwingenden Oszillator, dessen Frequenz gemessen wird,
störunemfpindlicher als die billige Auflade-Methode, die ich gerade
einsetze.
Wenn man sich die Spannung an der Kondensatorplatte vorstellt als z.B.
eine annähernde Dreieckspannung (z.B. RC-Oszillator mit Invertern), der
der ralativ langsame Netzbrumm überlagert ist, ändert sich durch den
Netzbrumm nicht die Frequenz des Oszillators, nur die Pulsbreite
(hinter einer Pufferstufe, z.B. einem zweiten Inverter). Da ich bei der
Auflade-Methode aber nur zwischen zwei Flanken messe, ändert sich die
Zeit bei anderer Pulsbreite.
Deshalb hab ich nun überlegt, quasi einen RC-Oszillator in Software zu
machen:
- der 16Bit-Timer läuft dauernd durch
- Kondensator wird aufgeladen, bis Eingangspin eine "1" liest
- Timer wird auf 0 gesetzt
- Kondensator wird entladen, bis "0" anliegt und dann gleich wieder
geladen, bis "1" anliegt" (das ganze z.B. 10 mal)
- Timer auslesen -> fertig
Bin mal gespannt, ob das so klappt.

Gruß,
Stefan

Autor: andi (Gast)
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nimm drei Metallplatten. Die beiden außen liegenden sind mit GND
verbunden. Die innere ist an allen Kanten ca. 1cm kleiner und dadurch
geschirmt.

Gruß
andi

Autor: Stefan R. (Gast)
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das mit den drei Platten ist auch ne gute Idee. Das werde ich als
nächstes testen, wenn meine verbesserte Methode nicht klappt. Danach
kommen Piezos und Drucksensoren und Wärmeflaschen dran ;-)

Gruß,
Stefan

Autor: newbie (Gast)
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Hallo,
ich schließe mich nun auch mal den spinnereien an. Ich würde auch gerne
ein solches Pad bauen. Das mit den Drucksensoren finde ich fast am
interessantesten. Aber wie bekommt man den Druck dazu in der
Wärmflasche zu bleiben? An sonsten ist es genial, weil man sich die
gummis etc spart weil der druck ja automatisch weg ist wenn man von dem
Schalter runter geht. wo bekommt man so einen Druckschalter? und kann
man da den Druck einstellen ab welchem der reagiert? Geht das ganze
auch mit flüssigkeit? Weil ich glaube dass dann der Energiespeicher
Luft wegbleibt oder? was man vieleicht noch dazu sagen muss ist, dass
es unwarschienlich wichtig ist dass der schlater schnell reagiert.

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