Lineare Positions- und Wegmessung mit kapazitiven und Wirbelstromsensoren

Allgemeiner Anwendungshinweis für Sensoren LA05-0060

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Zusammenfassung:

Nahezu alle kapazitiven und Wirbelstromsensoranwendungen sind grundsätzlich ein Maß für die Verschiebung (Positionsänderung) eines Objekts. In dieser Application Note werden die Einzelheiten einer solchen Messung und die Voraussetzungen für zuverlässige Messungen in Anwendungen mit Mikro- und Nanoverdrängung aufgeführt.
Kapazitive Sensoren arbeiten in sauberen Umgebungen und bieten höchste Präzision. Wirbelstromsensoren können in feuchten, schmutzigen Umgebungen arbeiten. Sie sind ein wirtschaftlicher Ersatz für Laserinterferometer, wenn die Sonden in der Nähe des Objekts montiert werden können und die Gesamtverschiebung gering ist.

Lineare Verschiebung und Positionsmessung mit einem berührungslosen linearen Verschiebungssensor

Lineare Wegmessung hier bezieht sich auf die Messung der Positionsänderung eines Objekts. Die berührungslose lineare hochauflösende Wegmessung von leitenden Objekten mit kapazitiven Sensoren und Wirbelstromsensoren ist speziell das Thema dieser Application Note. Kapazitive Sensoren können auch nichtleitende Objekte messen. Eine Diskussion über das Messen nichtleitender Objekte mit kapazitiven Wegsensoren finden Sie in unserem Funktionsweise des kapazitiven Sensors TechNote (LT03-0020).

Verwandte Begriffe und Konzepte

Aufgrund der hochauflösenden Nahbereichscharakteristik von kapazitiven Wegsensoren und Wirbelstrom-Wegsensoren wird dies manchmal als bezeichnet Mikroverschiebungsmessung und die Sensoren als Mikroverschiebungssensor or Mikroverschiebungswandler. Ein Sensor konfiguriert für a lineare wegmessung wird manchmal a genannt Verdrängungsmesser or Wegmessgerät.

Verschiebung gegenüber absoluter Position

Auf Mikro- und Nanoebene kapazitive und Wirbelstrom-Verschiebungssensoren

Auf Mikro- und Nanoebene eignen sich kapazitive Sensoren und Wirbelstrom-Wegsensoren am besten für Wegmessungen (Positionsänderungen) und nicht für absolute Positionsmessungen.

Die Verschiebung ist ein Maß für die Positionsänderung eines Objekts. Die absolute Position ist eine Messung des genauen Abstands zwischen der Messfläche des Sensors und dem Objekt.

Kapazitive und Wirbelstromsensoren werden hauptsächlich als Wegsensoren eingesetzt. Mit der Zeit (Monate und Jahre) verschiebt sich die Sensorkalibrierung geringfügig. Diese Verschiebung ist in erster Linie ein DC-Offset im Ausgang des Sensors. Es gibt auch eine leichte Gleichstromverschiebung in Bezug auf die Temperatur. Dieser DC-Offset verursacht einen kleinen Fehler bei der absoluten Positionsmessung, der mit der Zeit zunimmt. Diese Fehler sind gering, aber im Submikronbereich kann sich dies auf die Präzision auswirken.

Änderungen in der Empfindlichkeit (Verstärkung) des Sensors sind viel kleiner. Das Messen von Positionsänderungen in Echtzeit erfordert eine konstante Empfindlichkeit und wird nicht durch langfristige Verschiebungen des DC-Offsets des Ausgangs beeinflusst. Aus diesem Grund werden kapazitive und Wirbelstrom-Wegsensoren üblicherweise zur Messung der relativen Position (Verschiebung) und nicht der absoluten Position verwendet, insbesondere für Mikroverschiebungen, bei denen eine Auflösung im Submikron- oder Nanometerbereich erforderlich ist.

Die Verschiebung wird normalerweise als Ergebnis einer Variablen gemessen.

Der typische Grund für die Messung der Verschiebung, insbesondere der Mikroverschiebung, besteht darin, zu bestimmen, wie ein Objekt auf sich ändernde Bedingungen reagiert. Die Wegmessung beantwortet normalerweise die Frage: Wie weit bewegt sich diese Messung, wenn sich etwas anderes ändert?

Vorsätzliche Verschiebung: Das Objekt wird absichtlich von einem Positionierungssystem mit Bewegungssteuerung bewegt. Die berührungslose Verschiebungsmessung gibt die Genauigkeit der beabsichtigten Verschiebung des Objekts an.

Teileabmessung: Das System ist mit einem als funktionierend bekannten Hauptteil konfiguriert, wonach das Hauptteil durch ein Testteil ersetzt wird. Unterschiede in den Abmessungen des Prüfteils gegenüber dem Meisterteil werden von den Sensoren als Wegmessung angezeigt.

Temperatur: Die Position des Objekts wird bei einer Anfangstemperatur gemessen. Die interessierende Temperatur wird geändert (was häufig während des Betriebs einer Maschine auftritt), und eine Verschiebungsmessung zeigt die Größe der Positionsänderung aufgrund der Temperatur an.

Vibration: Lineare Verschiebungsmessungen werden in Echtzeit unter Verwendung von kapazitiven oder Wirbelstrom-Verschiebungssensoren mit einem Oszilloskop oder Datenerfassungssystem durchgeführt, um die Verschiebungen des Objekts und ihre Frequenzen anzuzeigen. Siehe unsere Anwendungshinweis zur Schwingungsmessung Für weitere Details.

Druck: Luftlager und andere Fluidlager können bei unterschiedlichen Fluiddrücken arbeiten. Verschiebungsmessungen des Objekts bei unterschiedlichen Drücken zeigen das tatsächliche Verhalten der Maschine an, wenn sich der Druck im Vergleich zu ihrem beabsichtigten Betrieb ändert.

Tragen: Berührungslose Verschiebungsmessungen der beweglichen Teile weisen auf eine erhöhte Bewegung in unbeabsichtigte Richtungen hin, wenn Lager und Gleitstücke verschleißen. Drehbewegungen zeigen zunehmende Verschiebungen in der X-, Y- und Z-Achse, wenn sich das Objekt dreht. Linearschlitten zeigen zunehmende Verschiebungen in den beiden Achsen senkrecht zur Fahrtrichtung.

Lineare Verschiebungsmessungen sind relative Messungen

Lineare berührungslose Verschiebungsmessungen sind relative Messungen und zeigen die Änderung der Position eines Objekts von einem anfänglichen Ort in einer oder mehreren linearen Achsen an. Für jede Achse der linearen Wegmessung ist ein separater Weg- oder Positionssensorkanal erforderlich.

Grundlegende lineare Wegmessung mit kapazitiven und Wirbelstrom-Wegsensoren

Der Wegsensor ist so in einer Halterung montiert, dass sich das zu messende Objekt im Messbereich des Sensors befindet. Wenn der Sensor eine Nullpunkteinstellung (Offset) enthält, kann der Sensor an dieser Stelle auf Null gesetzt werden, um die Interpretation der linearen Verschiebungsmessungen zu vereinfachen, wenn sich das Objekt bewegt. Wenn eine Nullpunkteinstellung nicht möglich ist, wird die anfängliche Ausgabe des Verschiebungssensors aufgezeichnet und dieser Wert von zukünftigen Messungen subtrahiert, um die Positionsänderung von der anfänglichen Position anzuzeigen.

Berechnung der Verschiebung aus der Ausgabe des Verschiebungssensors

Sensoren zur Messung der Verschiebung haben eine „Empfindlichkeitsspezifikation“, die den Änderungsbetrag der Ausgabe relativ zu einer bestimmten Änderung der Zielposition angibt. Bei analogen Spannungsausgangssensoren wird dieser Wert in Volt pro Entfernungseinheit oder Länge (z. B. mm, Zoll usw.) angegeben. Bei digitalen Ausgangssensoren wird dieser Wert in Zählern pro Entfernungseinheit angegeben. Bei der Messung der Verschiebung wird diese Empfindlichkeit verwendet, um die physikalische Verschiebung in Bezug auf die Leistungsänderung zu berechnen.

Formel zur Berechnung des Versatzes aus einem Sensorausgang:

Verschiebung = Ausgangsänderung / Empfindlichkeit

Analoge Spannungsausgangssensoren:

Ausgangsänderung in Volt; Empfindlichkeit = Volt / Entfernungseinheit

Digitale Ausgangssensoren:

Ausgangsänderung in Zählern; Empfindlichkeit = Anzahl / Entfernungseinheit

Mikroverschiebungsfehler und Bedenken

Leistungsstarke kapazitive Wegsensoren und Wirbelstrom-Wegsensoren werden üblicherweise zur Messung von Mikroverlagerungen eingesetzt. Bei der Messung von Verschiebungen auf der Ebene der Mikroverschiebungen spielen Fehlerquellen, die normalerweise keine Rolle spielen, eine größere Rolle.

Thermische Einflüsse auf die Montage

Die thermische Ausdehnung und Kontraktion des Montagesystems, das die berührungslosen Wegsensoren oder das Zielobjekt hält, führt zu Fehlern bei der Messung. Wenn sich das Gerät ausdehnt oder zusammenzieht, bewegt sich der Sensor möglicherweise auf das Zielobjekt zu oder von diesem weg. Die Verschiebung ist real und beeinflusst die Messung, ist jedoch keine Verschiebung, die durch die Bedingungen verursacht wird, auf die geprüft wird. Befestigungssysteme für lineare Wegsensoren müssen robust, steif und thermisch so stabil wie möglich sein. Bei hochpräzisen Anwendungen wird die Umgebung streng kontrolliert und / oder Montagesysteme werden aus Invar oder anderen Materialien ohne Dehnung hergestellt.

Montage des Mikroverschiebungssensors

Zusätzlich zu den thermischen Bedenken ist die mechanische Stabilität auf Mikroebene komplizierter. Die Wegmesssensoren müssen vom Montagesystem festgehalten werden. Eine einfache Madenschraube ist möglicherweise nicht stabil genug, wenn die Verschiebung auf Mikro- oder Nanoebene gemessen wird.

Es gibt verschiedene Methoden zur Montage eines glatten, zylindrischen Linearwegsensors. Die Verwendung einer Stellschraube in einer Durchgangsbefestigung hält die Sonde nur an zwei Punkten - der Stellschraube und dem Punkt gegenüber der Stellschraube. Die Sonde kann sich in der Achse um 90 ° von der Stellschraubenachse drehen. Abhängig von der Breite der Oberfläche, gegen die die Stellschraube die Sonde drückt, kann sich die Sonde möglicherweise auch entlang ihrer Achse drehen. Durch Erhöhen der Kraft auf die Stellschraube wird die Stabilität der Sonde in diesen beiden anderen Achsen nicht erhöht.

Feststellschrauben

Die Feststellschraube verriegelt die Sonde entlang der Sondenachse, es kann jedoch zu Bewegungen in den anderen beiden Achsen kommen, insbesondere auf Mikro- und Nanoebene.

Klemmhalterung

Eine Klemmhalterung ist stabiler als eine Stellschraubenhalterung. Aber auf Mikro- und Nanoebene können Formfehler nur zu einer Zweipunktklemme führen, ähnlich wie bei einer Madenschraube.

Dreipunktklemme

Eine Dreipunkt-Klemmhalterung ist von Natur aus stabil und wird nicht durch kleine Formfehler in der Rundheit beeinträchtigt.

Ein besseres, aber nicht perfektes Befestigungsschema für lineare Wegsensoren ist eine Klemmhalterung. Dieses Montagesystem kann die Sonde in allen drei Achsen stabilisieren, wenn das Montageloch und die Sonde perfekt rund sind. Jede Exzentrizität eines Teils führt jedoch zu einem Zweipunktbefestigungssystem, das dem Stellschraubensystem ähnlich ist.

Ein optimales Montagesystem verwendet eine Mehrpunktklemme, wobei jeder Punkt eine signifikante Länge entlang der Sondenachse abdeckt. Das Klemmsystem beginnt mit einer typischen Klemmenmontagekonfiguration, entfernt jedoch auch Material aus dem Klemmloch zwischen drei oder vier Punkten um den Umfang des Montagelochs. Diese Anordnung wird nicht von der Exzentrizität der Montagebohrung oder der Exzentrizität des berührungslosen linearen Wegmesssensors beeinflusst - sie ist in allen drei Achsen stabil.

Weitere Überlegungen, die nur für kapazitive Wegsensoren gelten

DiagrammDie „Fleckgröße“ kapazitiver Wegsensoren beträgt ca. 130% des Erfassungsflächendurchmessers. Aus diesem Grund sind sie im Allgemeinen unempfindlich gegen umgebende Objekte und können bündig mit der Oberfläche der Montagehalterung montiert werden. Die einzige Ausnahme bilden Kalibrierungen, bei denen ein im Verhältnis zur Größe des Erfassungsbereichs extrem langer Messbereich verwendet wird. Dies gilt nicht für Standardkalibrierungen für Lion Precision-Sonden.

Umwelterwägungen

Linearverschiebungsmessungen mit kapazitivem Sensor müssen in einer sauberen Umgebung durchgeführt werden. Die Verschiebungsmessung wird durch irgendetwas (außer Luft oder Vakuum) im Raum zwischen der kapazitiven Sonde und dem zu messenden Objekt beeinflusst.

Diagramm

Die Montage der Wirbelstromsonde muss mindestens das Dreifache des Sondendurchmessers an der Spitze frei von Metall sein. Die Unterputzmontage erfordert eine Senkbohrung.

Kapazitive Sensoren haben eine gewisse Temperaturempfindlichkeit, die Systeme werden jedoch für Temperaturänderungen zwischen 20 ° C und 35 ° C mit einer Abweichung von weniger als 0.04% FS / ° C kompensiert.

Typische Änderungen der Luftfeuchtigkeit haben keinen signifikanten Einfluss auf kapazitive Verschiebungsmessungen. Extreme Luftfeuchtigkeit wirkt sich auf die Leistung aus, wobei im schlimmsten Fall Kondensation auf der Sonde oder dem Target auftritt.

Weitere Überlegungen, die nur für Wirbelstrom-Wegsensoren gelten

Wirbelstrom-Wegsensoren verwenden ein Magnetfeld, das das Ende der Sonde umgibt. Infolgedessen beträgt die „Punktgröße“ von Wirbelstrom-Wegsensoren etwa 300% des Sondendurchmessers. Dies bedeutet, dass alle metallischen Objekte innerhalb von drei Sondendurchmessern von der Sonde den Sensorausgang beeinflussen.

Dieses Magnetfeld erstreckt sich auch entlang der Sondenachse zur Rückseite der Sonde. Aus diesem Grund muss der Abstand zwischen der Abtastfläche der Sonde und dem Montagesystem mindestens das 1.5-fache des Sondendurchmessers betragen. Wirbelstrom-Wegsensoren können nicht bündig mit der Montagefläche montiert werden.

Wenn störende Objekte in der Nähe der Sonde unvermeidbar sind, muss eine spezielle Kalibrierung durchgeführt werden, die im Idealfall mit der Sonde in der Halterung durchgeführt wird.

Mehrere Sonden

Wenn mehrere Sonden mit demselben Ziel verwendet werden, müssen sie durch mindestens drei Sondendurchmesser voneinander getrennt sein, um Interferenzen zwischen den Kanälen zu vermeiden. Ist dies nicht zu vermeiden, sind spezielle Werkskalibrierungen möglich, um Störungen zu minimieren.

Umwelterwägungen

Lineare Wegmessungen mit Wirbelstromsensoren sind immun gegen Fremdkörper im Messbereich. Der große Vorteil von berührungslosen Wirbelstromsensoren besteht darin, dass sie in eher rauen Umgebungen eingesetzt werden können. Alle nicht leitenden Materialien sind für Wirbelstromsensoren unsichtbar. Selbst metallische Werkstoffe wie Späne aus einem Bearbeitungsprozess sind zu klein, um mit den Sensoren in erheblichem Maße interagieren zu können.

Wirbelstromsensoren haben eine gewisse Temperaturempfindlichkeit, die Systeme gleichen jedoch Temperaturänderungen zwischen 15 ° C und 65 ° C mit einer Abweichung von weniger als 0.01% FS / ° C aus.

Änderungen der Luftfeuchtigkeit haben keinen Einfluss auf die Messung der Wirbelstromverlagerung.

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