Operación y Optimización de Sensores Capacitivos (Cómo funcionan y cómo usarlos de manera efectiva)

TECHNOTE LT03-0020

Sensor capacitivo TechNote LT03-0020

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Resumen

Esta nota técnica revisa los conceptos y la teoría de la detección capacitiva para ayudar a optimizar el rendimiento del sensor capacitivo. También define los términos de detección capacitiva tal como se utilizan en todos los manuales literarios de Lion Precision.

Capacitancia y Distancia

Los sensores capacitivos sin contacto funcionan midiendo los cambios en una propiedad eléctrica llamada capacitancia. La capacitancia describe cómo dos objetos conductores con un espacio entre ellos responden a una diferencia de voltaje que se les aplica. Cuando se aplica un voltaje a los conductores, se crea un campo eléctrico entre ellos que causa que se acumulen cargas positivas y negativas en cada objeto (Fig. 1). Si se invierte la polaridad del voltaje, las cargas también se invertirán.

Los sensores capacitivos usan un voltajes alternantes que hace que las cargas invierten continuamente sus posiciones. El movimiento de las cargas crea una corriente eléctrica alterna que es detectada por el sensor (Fig. 2). La cantidad de el flujo de corriente está determinada por la capacitancia, y la capacitancia está determinada por el área y la proximidad de los objetos conductores. Los objetos más grandes y cercanos causan mayor corriente que los objetos más pequeños. La capacitancia también se ve afectada por el tipo de material que no conduce electricidad en el espacio entre los objetos.

el flujo de corriente está determinado por la capacitancia, y la capacitancia está determinada por el área y la proximidad de los objetos conductores. Los objetos más grandes y cercanos causan mayor corriente que los objetos más pequeños y distantes. La capacitancia también se ve afectada por el tipo de material no conductor en el espacio entre los objetos.

Técnicamente hablando, la capacitancia es directamente proporcional al área de superficie de los objetos y la constante dieléctrica del material entre ellos, e inversamente proporcional a la distancia entre ellos (Fig. 3).

Aplicar voltaje a objetos conductores

Figura 1
La aplicación de un voltaje a objetos conductores provoca cargas positivas y negativas.
para recoger en cada objeto. Esto crea un campo eléctrico en el espacio entre los objetos.

Aplicar una tensión alterna

Figura 2
La aplicación de un voltaje alterno hace que las cargas se muevan hacia adelante y hacia atrás entre los objetos, creando una corriente alterna que es detectada por el sensor.

Fórmula de área

Figura 3
La capacitancia está determinada por el área, la distancia y el dieléctrico (el material entre los conductores). Capacidad
aumenta cuando aumenta el área o el dieléctrico, y la capacitancia disminuye
cuando la distancia aumenta.

En aplicaciones típicas de detección capacitiva, la sonda o sensor es uno de los objetos conductores; El objeto de destino es el otro. (El uso de sensores capacitivos para detectar plásticos y otros aislantes se discute en la sección de objetivos no conductivos). Se supone que los tamaños del sensor y el objetivo son constantes al igual que el material entre ellos. Por lo tanto, cualquier cambio en la capacitancia es el resultado de un cambio en la distancia entre la sonda y el objetivo. La electrónica está calibrada para generar cambios de voltaje específicos para los cambios correspondientes en la capacitancia. Estos voltajes se escalan para representar cambios específicos en la distancia. La cantidad de cambio de voltaje para una cantidad dada de cambio de distancia se denomina sensibilidad. Una configuración de sensibilidad común es 1.0V / 100µm. Eso significa que por cada cambio de distancia de 100µm, el voltaje de salida cambia exactamente 1.0V. Con esta calibración, un cambio de + 2V en la salida significa que el objetivo se ha movido 200µm más cerca de la sonda.

Enfocando el Campo Eléctrico

Cuando se voltaje a un conductor, el campo eléctrico emana de cada superficie. En un sensor capacitivo, el voltaje de detección se aplica al área de detección de la sonda ( Ver Fig. 4, 5).

Para mediciones precisas, el campo eléctrico del área de detección debe estar contenido dentro del espacio entre la sonda y el objetivo. Si se permite que el campo eléctrico se extienda a otros objetos u otras áreas, un cambio en la posición del otro elemento se medirá como un cambio en la posición del objetivo.

Se utiliza una técnica llamada "guarding” para evitar que esto suceda. Para crear una protección, la parte posterior y los lados del área de detección están rodeados por otro conductor que se mantiene al mismo voltaje que el área de detección (Ver Fig. 4, 6).

Cuando el voltaje se aplica al área de detección, un circuito separado aplica exactamente el mismo voltaje al protector. Debido a que no hay diferencia en el voltaje entre el área de detección y la protección, no hay campo eléctrico entre ellos. Cualquier otro conductor al lado o detrás de la sonda forma un campo eléctrico con el protector en lugar del área de detección. Solo el frente desprotegido del área de detección puede formar un campo eléctrico con el objetivo.

Sensores Capacitivos

Figura 4 Componentes de la sonda del sensor capacitivo

Campo eléctrico

Figura 5
Vista en corte que muestra un campo eléctrico del área de detección sin vigilancia

Figura 6

Figura 6
Corte que muestra el campo de guardia formando el campo eléctrico del área de detección


Efectos del Tamaño del Objetivo

El tamaño del objetivo es un factor importante que debes tomar en cuenta al momento de seleccionar la sonda para una aplicación específica. Cuando el campo eléctrico de detección se enfoca utilizando la técnica “Guarding” se crea un campo ligeramente cónico que es una proyección del área de detección. El diámetro mínimo para la calibración estándar es 130% del diámetro del área de detección. Cuanto más lejos esté la sonda del objetivo, mayor será el tamaño mínimo del objetivo.

Rango de Medición

El rango en el que una sonda es útil es una función del tamaño del área de detección. Entre mayor es el área, mayor es el rango. El controlador electrónico esta diseñado para una cierta cantidad de capacitancia en la sonda. Por lo tanto, una sonda más pequeña debe estar considerablemente más cerca del objetivo para lograr la cantidad deseada de capacitancia. La electrónica es ajustable durante la calibración, pero hay un límite en el rango de ajuste.
En general, el espacio máximo en el que una sonda es útil es aproximadamente 40% del diámetro del área de detección. Las calibraciones estándar generalmente mantienen la brecha considerablemente menor que eso.

Detección de Canales Múltiples

Frecuentemente, un objetivo se mide simultáneamente por múltiples sondas. Debido a que el sistema mide un campo eléctrico cambiante, el voltaje de excitación para cada sonda debe sincronizarse o las sondas interferirían entre sí. Si no estuvieran sincronizados, una sonda estaría tratando de aumentar el campo eléctrico mientras que otra intentara disminuirlo, dando así una lectura falsa.

El disco electrónico se puede configurar como maestro u esclavo. El maestro establece la sincronización para los esclavos en sistemas de canales múltiples.

Efectos del Material Objetivo

El campo eléctrico de detección busca una superficie conductora. Digamos que el objetivo sea un conductor, los sensores capacitivos no se veran afectados por el material objetivo específico. Ya que el campo eléctrico de detección se detiene en la superficie del conductor, el grosor del objetivo no afecta las medidas .

Midiendo No Conductores

Figura 7

Figura 7
Los no conductores se pueden medir pasando el campo eléctrico a través de ellos hasta un objetivo conductor estacionario detrás.

Los sensores capacitivos se usan con mayor frecuencia para medir el cambio de posición de un objetivo conductor. Pero los sensores capacitivos también pueden ser efectivos para medir la presencia, la densidad, el grosor, y la ubicación de los no conductores. Los materiales no conductores como el plástico tienen una constante dieléctrica diferente que el aire. La constante dieléctrica determina cómo un material no conductor afecta la capacitancia entre dos conductores. Cuando se inserta un no conductor entre la sonda y un objetivo de referencia estacionario, el campo de detección pasa a través del material hacia el objetivo conectado a tierra (Fig. 7). La presencia del material no conductor cambia el dieléctrico, por lo tanto cambia la capacitancia. La capacitancia cambiará en relación con el grosor o la densidad del material.

Maximizando la Precisión

Ahora que hemos discutido los conceptos básicos de cómo funciona la detección capacitiva, podemos formar estrategias para maximizar la efectividad y minimizar el error cuando se usan los sensores capacitivos. La precisión requiere que las mediciones se realicen en las mismas condiciones en que se calibró el sensor, ya sea que se trate de un sensor calibrado en fábrica o uno que se calibre durante el uso, los resultados contantes provienen de condiciones constantes. Si solo queremos que la distancia afecte las medidas, todas las demás variables deben ser constantes. Las siguientes secciones analizan las fuentes de error comunes y cómo minimizarlas.

Máxima Precisión: Tamaño del Objetivo

Figura 9

Figura 9
Un objetivo de menor tamaño hace que el campo de detección se extienda a los lados del objetivo, introduciendo un error

A menos que se especifique lo contrario, las calibraciones de fábrica se realizan con un objetivo conductor plano que es considerablemente más grande que el área de detección. Un sensor calibrado de esta manera dará resultados precisos al medir un objetivo plano más de 30% más grande que el área de detección. Si el área del objetivo es demasiado pequeño, el campo eléctrico comenzará a envolverse alrededor de los lados del objetivo, lo que significa que el campo eléctrico se extiende más lejos que en la calibración y medirá el objetivo a mayor distancia (Fig. 9). En este caso, la sonda debe estar más cerca del objetivo para obtener el mismo punto cero. Debido a que esta distancia difiere de la calibración original, se introducirá un error. El error también se crea porque la sonda ya no esta midiendo una superficie plana.

Si la distancia entre la sonda y el objetivo se considera como eje Z, entonces un problema adicional se crea con un objetivo de menor tamaño. El sensor se convierte más sensible a la ubicacion X e Y de la sonda. Sin cambiar la brecha, la salida cambiará significativamente si la sonda se mueve en el eje X o Y porque menos del campo eléctrico va al centro del objetivo y más campo eléctrico se va hacia los lados.

Máxima Precisión: Forma del Objetivo

Figura 10

Figura 10 Un objetivo curvo requerirá que la sonda esté más cerca y la sensibilidad se verá afectada

La forma del objetivo también se debe tomar en consideración. Debido a que las sondas están calibradas para un objetivo plano, medir un objetivo con una superficie curva causará errores (Fig. 10). Debido a que la sonda medirá la distancia promedio al objetivo, la brecha a cero voltios será diferente de cuando se calibró el sistema. También se introducirán errores debido al comportamiento diferente del campo eléctrico con la superficie curva. En los casos en que se debe medir un objetivo que no es plano, el sistema puede calibrarse en fábrica para la forma final del objetivo. Alternativamente, cuando se usan calibraciones planas con superficies curvas, se pueden proporcionar multiplicadores para corregir el valor de la medida.

Máxima Precisión: Acabado de la Superficie

Cuando la superficie objetivo no es perfectamente lisa, el sistema promediará sobre el área cubierta por el tamaño del punto del sensor. El valor de la medida puede cambiar a medida que la sonda se mueve a través de la superficie debido a un cambio en la ubicación promedio de la superficie. La magnitud de este error depende de la naturaleza y simetría de las irregularidades de la superficie del material utilizado.

Maximizando la Precisión: Paralelismo

Durante la calibración, la superficie del sensor es paralela a la superficie del objetivo. Si la sonda o el objetivo está inclinado en una cantidad significativa, la forma del punto donde el campo golpea al objetivo se alarga y cambia la interacción del campo con el objetivo. Debido al comportamiento diferente del campo eléctrico, se introducirán errores de medición. Con resoluciones altas, incluso unos pocos grados pueden introducir errores. Se debe considerar el paralelismo al diseñar un dispositivo para la medición.

Maximizando la Precisión: Ambiente

Sistemas de Sensores capacitivos Lion Precision se compensan para minimizar la deriva debido a la temperatura de 22 ° C - 35 ° C (72 ° F - 95 ° F). En este rango de temperatura, los errores son inferiores al 0.5% de la escala completa. 

Un problema es que prácticamente todos los materiales utilizados en objetivos y accesorios exhiben una expansión y contracción significativas en este rango de temperatura. Cuando esto sucede, los cambios relacionados con la temperatura en la medida no se consideran un error de medición. Son cambios reales en la brecha entre el objetivo y la sonda. El diseño cuidadoso del dispositivo contribuye en gran parte a minimizar este error y maximizar la precisión.

La constante dieléctrica del aire se ve afectada por la humedad. A medida que aumenta la humedad, la constante dieléctrica aumenta. La humedad también puede interactuar con los materiales de construcción de la sonda. Los datos experimentales muestran que los cambios de 50% RH a 80% RH pueden causar errores de hasta 0.5% de la escala completa.

Los materiales utilizados en la fabricación de los sensores Lion Precision han sido seleccionados para minimizar estos errores, en aplicaciones que requieren la máxima precisión, el control de la temperatura y la humedad es una práctica estándar. Las normas internacionales especifican que las mediciones deben realizarse a 20 ° C o corregirse a "longitud real" a 20 ° C.

Calibración de Fábrica

El sistema de calibración del sensor capacitivo de Lion Precision fue diseñado en cooperación con Professional Instruments, un líder mundial en diseño de husillo y deslizamiento con cojinete de aire. Su diseño de vanguardia está impulsado por los controles de precisi´ón de movimiento con una precisión posicional de menos de 0.012 µm de incertidumbre.
El sistema de calibración se certifica regularmente con un interferómetro láser trazable NIST. Los equipos de medición utilizados durante la calibración (medidores digitales y generadores de señales) también están calibrados según los estándares trazables NIST. La información de calibración para cada uno de estos equipos se guarda en un archivo para verificar la trazabilidad.

Los técnicos utilizan el sistema de calibración para posicionar con precisión un objetivo de calibración a distancias conocidas del sensor capacitivo. Se recogen las mediciones en estos puntos y el sistema de calibración analiza la sensibilidad y la linealidad. El análisis de los datos se utiliza para ajustar el sistema que se está calibrando para cumplir con las especificaciones del pedido.

Después de calibrar la sensibilidad y la linealidad, los sistemas de sensores capacitivos se colocan en una cámara ambiental donde se calibran los circuitos de compensación de temperatura para minimizar la deriva sobre el rango de temperatura de 22 ° C a 35 ° C. También se toman medidas de ancho de banda y ruido de salida que afectan la resolución.

Cuando se completa la calibración, se genera un certificado de calibración. Este certificado se envía con el sistema ordenado y se archiva. Los certificados de calibración cumplen con la sección 4.8 de ISO 10012-1.

Sensitivity

Sensibilidad: la pendiente de la línea es la sensibilidad; en este caso 1V / 0.05mm.

Sensibilidad: la pendiente de la línea es la sensibilidad; en este caso 1V / 0.05mm.

La sensibilidad indica cuánto cambia el voltaje de salida como resultado de un cambio en la brecha entre el objetivo y el sensor capacitivo. Una sensibilidad común es 1V / 0.1mm. Esto significa que por cada 0.1mm de cambio en el espacio, el voltaje de salida cambiará 1V. Cuando el voltaje de salida se representa contra el tamaño del espacio, la pendiente de la línea es la sensibilidad.

Error de Sensibilidad

Error de sensibilidad: la pendiente de las mediciones reales se desvía de la pendiente ideal.

Error de sensibilidad: la pendiente de las mediciones reales se desvía de la pendiente ideal.

La sensibilidad de un sensor se establece durante la calibración. Cuando la sensibilidad se desvía del valor ideal, esto se denomina error de sensibilidad, "gain error" o error de escala. Como la sensibilidad es la pendiente de una línea, el error de sensibilidad generalmente se presenta como un porcentaje de la pendiente; comparando la pendiente ideal con la pendiente real.

Error de Compensación

El error de compensación ocurre cuando se agrega un valor constante a el voltaje de salida del sistema.

Error de compensación: se agrega un valor constante a todas las mediciones

Error de compensación: se agrega un valor constante a todas las mediciones.

Los sistemas de sensores capacitivos generalmente se "ponen a cero" durante la configuración, eliminando cualquier desviación de la calibración original. Sin embargo, si el error de compensación cambia después de que el sistema se pone a cero, se introducirá un error en la medición. El cambio de temperatura es el factor principal en el error de compensación. Los sistemas Lion Precision son compensados ​​por errores relacionados con la temperatura para mantenerlos por debajo de 0.04% FS / ° C.

Error de Linealidad

Error de linealidad: los datos de medición no están en línea recta

Error de linealidad: los datos de medición no están en línea recta.

La sensibilidad puede variar ligeramente entre dos puntos de datos. Esta variación se llama error de linealidad. La especificación de linealidad es la medida de hasta qué punto la salida varía de una línea recta.

Para calcular el error de linealidad, los datos de calibración se comparan con la línea recta que mejor se ajuste a los puntos. Esta línea de referencia recta se calcula a partir de los datos de calibración utilizando una técnica llamada "least squares fitting". La cantidad de error en el punto de la curva de calibración que está mas alejada de esta línea ideal es el error de linealidad. El error de linealidad generalmente se expresa en términos de porcentaje de escala completa. Si el error en el peor punto fue 0.001mm y el rango de escala completo de la calibración fue 1mm, el error de linealidad sería 0.1%.
Tenga en cuenta que el error de linealidad no tiene en cuenta los errores de sensibilidad. Es solo una medida de la rectitud de la línea y no la pendiente de la línea. Un sistema con errores graves de sensibilidad puede ser muy lineal.

Banda de Error

La banda de error explica la combinación de linealidad y errores de sensibilidad. Es la medición del peor error absoluto en el rango calibrado. La banda de error se calcula comparando los voltajes de salida en espacios específicos con su valor esperado. El peor caso de error de esta comparación aparece como la banda de error del sistema.

Dif.
(Mm)

Esperado
Ahorro
(VDC)

Real
Ahorro
(VDC)

Error
(Mm)

0.50 hasta el 10.000 hasta el 9.800 hasta el 0.010
0.75 hasta el 5.000 hasta el 4.900 hasta el 0.005
1.00 0.000 0.000 0.000
1.25 5.000 5.000 0.000
1.50 10.000 10.100 0.005

Banda de error: la desviación del peor caso entre los valores medidos y los valores esperados en una tabla de calibración. En este caso, la banda de error es de -0.010 mm.

Ancho de Banda

El ancho de banda se define como la frecuencia a la que la salida cae a -3dB. Esta frecuencia también se llama frecuencia de corte. Una caída de -3dB en el nivel de señal equivale a una caída de aproximadamente 70% en el voltaje de salida real. Con un ancho de banda 15kHz, un cambio de ± 1V a baja frecuencia solo producirá un cambio de ± 0.7V a 15kHz. Además de detectar movimiento de alta frecuencia, las salidas de respuesta rápida maximizan el margen de fase cuando se usan en sistemas de retroalimentación de servocontrol. Algunos controladores proporcionan ancho de banda seleccionable para maximizar la resolución o el tiempo de respuesta.

resolución de problemas

Ruido de un sensor 15kHz

Figura 14
Ruido de un sensor 15kHz

La resolución se define como la medida confiable más pequeña que puede hacer un sistema. La resolución de un sistema de medición debe ser mejor que la precisión final que requiere la medición. Si necesita conocer una medición dentro de 0.02µm, entonces la resolución del sistema de medición debe ser mejor que 0.02µm. 
El factor principal determinante de resolución es el ruido eléctrico. El ruido eléctrico aparece en el voltaje de salida causando pequeños errores instantáneos en la salida. Incluso cuando la sonda /brecha del objetivo es perfectamente constante, el voltaje de salida del controlador tiene una cantidad pequeña pero medible de ruido que parece indicar que la brecha está cambiando. Este ruido es inherente a los componentes electrónicos y solo puede minimizarse, pero nunca eliminarse.
Si un controlador tiene un ruido de salida de 0.002V con una sensibilidad de 10V / 1mm, entonces tiene un ruido de salida de 0.000,2mm (0.2µm). Esto significa que en cualquier instante, la salida podría tener un error de 0.2µm.

Ruido de un sensor 100Hz

Figura 15
Ruido de un sensor 100Hz

La cantidad de ruido en la salida está directamente relacionada con el ancho de banda. En términos generales, el ruido se distribuye uniformemente en un amplio rango de frecuencias. Si las frecuencias más altas se filtran antes de la salida, el resultado es menos ruido y una mejor resolución (Figs. 14, 15). Al examinar las especificaciones de resolución, es fundamental saber, a qué ancho de banda se aplican las especificaciones. Mira nuestro articulo completo sobre las relaciones entre resolución y ancho de banda, y cómo asegurarse de obtener información precisa de las hojas de datos.

ENLACES ÚTILES

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