Posición lineal y medición de desplazamiento con Sensores Capacitivos y de Corriente de Foucault

Nota de aplicación del sensor general LA05-0060

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Resumen:

Prácticamente todas las aplicaciones de sensores capacitivos y de corrientes parásitas son fundamentalmente una medida de desplazamiento (cambio de posición) de un objeto. Esta nota de aplicación explica los detalles específicos para realizar dicha medición y lo que se requiere para realizar mediciones confiables en aplicaciones de micro y nano desplazamiento.
Los sensores capacitivos funcionan en entornos limpios y proporcionan la máxima precisión. Los sensores de corriente de foucault pueden funcionar en ambientes húmedos y sucios. Proporcionan un reemplazo económico para los interferómetros láser ya que las sondas se pueden montar cerca del objeto y los desplazamientos totales son pequeños.

Desplazamiento Lineal y Medición de Posición con un Sensor de Desplazamiento Lineal sin Contacto

La medida de desplazamiento lineal se refiere a la medición del cambio de posición de un objeto. La medición de desplazamiento lineal sin contacto de alta resolución de objetos conductores con sensores capacitivos y sensores de corriente de foucault es específicamente el tema de esta nota de aplicación. Los sensores capacitivos también pueden medir objetos no conductores. Puede encontrar una discusión sobre la medición de objetos no conductores con sensores de desplazamiento capacitivo en nuestro la nota titulada Teoría de operación capacitiva TechNote (LT03-0020).

Términos y Conceptos Relacionados

Debido a la naturaleza de alta resolución y corto alcance de los sensores de desplazamiento capacitivos y los sensores de desplazamiento por corrientes parásitas, esto a veces se conoce como medición de micro desplazamiento y los sensores como sensor de micro desplazamiento or transductor de micro desplazamiento. Un sensor configurado para un medición de desplazamiento lineal a veces se llama medidor de desplazamiento or medidor de desplazamiento.

Desplazamiento Versus Posición Absoluta

A nivel micro y nano, sensores de desplazamiento capacitivos y de corrientes parásitas

A nivel micro y nano, los sensores de desplazamiento capacitivos y de corrientes parásitas son los más adecuados para las mediciones de desplazamiento (cambio de posición), en lugar de las mediciones de posición absoluta.

El desplazamiento es una medida del cambio de posición de un objeto. La posición absoluta es una medida de la distancia precisa entre la superficie de medición del sensor y el objeto.

Los sensores capacitivos y de corriente parásita se utilizan principalmente como sensores de desplazamiento. Con el tiempo (meses y años), la calibración del sensor cambia ligeramente. Este cambio es principalmente un desplazamiento de CC en la salida del sensor. También hay un ligero cambio de CC en relación con la temperatura. Este desplazamiento de CC provocará un pequeño error en la medición de la posición absoluta que aumentara con el tiempo. Estos errores son pequeños, pero a nivel submicrométrico, pueden afectar la precisión.

Los cambios en la sensibilidad (gain) del sensor son mucho más pequeños. La medición de los cambios de posición en tiempo real requiere una sensibilidad constante y no se ve afectada por los cambios a largo plazo en la compensación de CC de la salida. Por esta razón, los sensores de desplazamiento capacitivos y de corriente parásita se usan generalmente para medir la posición relativa (desplazamiento), no la posición absoluta, especialmente para los micro desplazamientos en los que existe una necesidad de resolución a nivel submicrónico o nanométrico.

El desplazamiento generalmente se mide como resultado de alguna variable.

La razón típica para medir el desplazamiento, especialmente el micro desplazamiento, es determinar cómo responde un objeto a una condición cambiante. La medición del desplazamiento generalmente responde a la pregunta: ¿hasta dónde se mueve esto cuando algo más cambia?

Desplazamiento Intencional: El objeto es movido intencionalmente por un sistema de posicionamiento de control de movimiento. La medición del desplazamiento sin contacto indica la precisión del desplazamiento previsto del objeto.

Dimensión de Parte: El sistema está configurado con una buena parte llamada "maestra" conocida después de la cual la parte maestra se reemplaza con una parte para prueba. Las diferencias en las dimensiones de la parte de prueba con respecto a la parte maestra se indican como una medición de desplazamiento por los sensores.

Temperatura: La posición del objeto se mide a una temperatura inicial. La temperatura de interés cambia (a menudo ocurre naturalmente cuando una máquina funciona) y una medición de desplazamiento indica la magnitud del cambio de posición debido a la temperatura.

Vibración: Las mediciones de desplazamiento lineal se realizan en tiempo real utilizando sensores de desplazamiento capacitivos o de corriente parásita con un osciloscopio, o un sistema de adquisición de datos para indicar los desplazamientos del objeto y sus frecuencias. Lee la nota titulada Nota de aplicación de medición de vibración para más detalles.

Presión: Los cojinetes de aire y otros cojinetes de fluido pueden operar a diferentes presiones de fluido. Las mediciones de desplazamiento del objeto a diferentes presiones indican el comportamiento real de la máquina a medida que la presión cambia en comparación con su operación prevista.

Desgasto: A medida que se desgastan los cojinetes y las correderas, las mediciones de desplazamiento sin contacto de las partes móviles indicarán un mayor movimiento en direcciones no deseadas. Los movimientos rotativos mostrarán desplazamientos crecientes en los ejes X, Y y Z a medida que el objeto gira. Las diapositivas lineales mostrarán desplazamientos crecientes en los dos ejes perpendiculares a la dirección de desplazamiento.

Las Mediciones de Desplazamiento lineal son mediciones relativas

Las medidas de desplazamiento lineal sin contacto son medidas relativas e indican el cambio de la posición de un objeto desde una ubicación inicial en uno o más ejes lineales. Se requiere un canal de sensor de desplazamiento o un sensor de posición para cada eje de medición de desplazamiento lineal.

Medición Básica de Desplazamiento Lineal con Sensores de Desplazamiento Capacitivos y de Corriente Parásita

El sensor de desplazamiento está montado en un dispositivo de tal manera que el objeto a medir está dentro del rango de medición del sensor. Si el sensor incluye un ajuste de cero (desplazamiento), el sensor puede ponerse a cero en esta ubicación para facilitar la interpretación de las mediciones de desplazamiento lineal cuando el objeto se mueve. Si no es posible el ajuste a cero, la salida inicial del sensor de desplazamiento se registra y ese valor se resta de las mediciones futuras para indicar el cambio de posición desde la posición inicial.

Cálculo del Desplazamiento a partir de la salida del Sensor de Desplazamiento

Los sensores para medir el desplazamiento tienen una especificación de "sensibilidad" que especifica la cantidad de cambio en la salida en relación con un cambio dado en la posición objetivo. Para sensores de salida de voltaje análogo, este valor se da en voltios por unidad de distancia o longitud (por ejemplo, mm, pulgada, etc). Para sensores de salida digital, este valor se da en Recuentos por unidad de distancia. Al medir el desplazamiento, esta sensibilidad se utiliza para calcular el desplazamiento físico en relación con el cambio en la salida.

Fórmula para Calcular el Desplazamiento desde una Salida del Sensor:

Desplazamiento = cambio de salida / sensibilidad

Sensores de Salida de Voltaje Análogo:

Cambio de salida en voltios; Sensibilidad = Voltios / Unidad de distancia

Sensores de Salida Digital:

Cambio de salida en recuentos; Sensibilidad = recuentos / unidad de distancia

Errores y Preocupaciones de Micro Desplazamientos

Los sensores de desplazamiento capacitivos de alto rendimiento y los sensores de desplazamiento de corriente parásita se utilizan generalmente para medir micro desplazamientos. Al medir desplazamientos en el nivel de micro desplazamiento, las fuentes de error que normalmente son intrascendentes se convierten en un factor más significativo.

Efectos Térmicos en el Montaje

La expansión y contracción térmica del sistema de montaje que contiene los sensores de desplazamiento sin contacto, o el objeto objetivo introducirá errores en la medición. A medida que el dispositivo se expande o contrae, el sensor puede moverse hacia o lejos del objeto objetivo. El desplazamiento es real y afectará la medición, pero no es un desplazamiento causado por las condiciones que se están probando. Los sistemas de montaje del sensor de desplazamiento lineal deben ser robustos, rígidos y lo mas térmicamente estables como sea posible. En aplicaciones ultra precisas, el entorno está estrictamente controlado y / o los sistemas de montaje están construidos con materiales invar u otros materiales de cero expansión.

Montaje del Sensor de Micro Desplazamiento

Además de las preocupaciones térmicas, la estabilidad mecánica es más complicada a nivel micro. Los sensores de medición de desplazamiento deben mantenerse firmemente en su lugar mediante el sistema de montaje. Un montaje de tipo tornillo de fijación simple puede no ser lo suficientemente estable cuando se mide el desplazamiento a nivel micro o nano.

Existen diferentes métodos para montar un sensor de desplazamiento lineal cilíndrico liso. El uso de un tornillo de fijación en un montaje de orificio pasante solo sujeta la sonda en dos puntos: el tornillo de fijación y el punto opuesto al tornillo de fijación. La sonda puede girar libremente en el eje 90 ° desde el eje del tornillo de fijación. Dependiendo del ancho de la superficie contra la cual el tornillo de presión empuja la sonda, la sonda también puede girar a lo largo de su eje. El aumento de la fuerza sobre el tornillo de fijación no aumentará la estabilidad de la sonda en estos otros dos ejes.

Cerraduras de montaje con tornillos de fijación

El montaje con tornillo de fijación bloquea la sonda a lo largo del eje de la sonda, pero aún puede haber movimiento en los otros dos ejes, especialmente en los niveles micro y nano.

Montaje de abrazadera

Un montaje de abrazadera es un montaje más estable que un montaje de tornillo de fijación. Pero en los niveles micro y nano, los errores de forma pueden dar como resultado una abrazadera de dos puntos muy parecida a un montaje de tornillo de fijación.

Abrazadera de tres puntos

Un montaje de abrazadera de tres puntos es inherentemente estable y no se ve afectado por pequeños errores de forma en la redondez.

Un mejor, pero no perfecto, esquema de montaje del sensor de desplazamiento lineal es un montaje tipo abrazadera. Este sistema de montaje puede estabilizar la sonda en los tres ejes si el orificio de montaje y la sonda son perfectamente redondos. Sin embargo, cualquier excentricidad de cualquiera de las partes dará como resultado un sistema de montaje de dos puntos, similar al sistema de tornillo de fijación.

Un sistema de montaje óptimo utiliza una abrazadera de múltiples puntos con cada punto que cubre una longitud significativa a lo largo del eje de la sonda. El sistema de abrazadera comienza con una configuración típica de montaje de abrazadera, pero también elimina material del orificio de sujeción entre tres o cuatro puntos alrededor de la circunferencia del orificio de montaje. Esta disposición no se ve afectada por la excentricidad del orificio de montaje o la excentricidad del sensor de medición de desplazamiento lineal sin contacto: es estable en los tres ejes.

Otras Consideraciones Exclusivas de los Sensores de Desplazamiento Capacitivos

DiagramaEl "tamaño de punto" de los sensores de desplazamiento capacitivo es aproximadamente 130% del diámetro del área de detección. Por esta razón, generalmente son inmunes a los objetos circundantes y se pueden montar al ras con la superficie del soporte de montaje. La única excepción son las calibraciones que utilizan un rango de medición extremadamente largo en relación con el tamaño del área de detección; Esto no se aplica a ninguna de las calibraciones disponibles para las sondas Lion Precision.

Consideraciones Ambientales

Las mediciones de desplazamiento lineal con un sensor capacitivo deben realizarse en un ambiente limpio. La medición del desplazamiento se verá afectada por cualquier cosa (que no sea aire o vacío) en el espacio entre la sonda capacitiva y el objeto que está midiendo.

Diagrama

El montaje de la sonda de corriente de Foucault debe permitir un espacio libre de metal alrededor de la punta al menos tres veces el diámetro de la sonda. El montaje empotrado requiere un contrafuerte.

Los sensores capacitivos tienen cierta sensibilidad a la temperatura, pero los sistemas se compensan por los cambios de temperatura entre 20 ° C y 35 ° C con una deriva de menos de 0.04% FS / ° C.

Los cambios típicos en la humedad no tienen un efecto significativo en las mediciones de desplazamiento capacitivo. Los extremos de humedad afectarán la salida y en el peor de los casos será la condensación en la sonda o el objetivo.

Otras Consideraciones Exclusivas de los Sensores de Desplazamiento por Corrientes Parásitas

Los sensores de desplazamiento Eddy-Current utilizan un campo magnético que envuelve el extremo de la sonda. Como resultado, el "spot-size" de los sensores de desplazamiento de corriente parásita es aproximadamente 300% del diámetro de la sonda. Esto significa que cualquier objeto metálico dentro de los tres diámetros de la sonda afectará la salida del sensor.

Este campo magnético también se extiende a lo largo del eje de la sonda hacia la parte posterior de la sonda. Por esta razón, la distancia entre la cara de detección de la sonda y el sistema de montaje debe ser al menos 1.5 veces el diámetro de la sonda. Los sensores de desplazamiento Eddy-Current no se pueden montar a ras de la superficie de montaje.

Si los objetos cerca de la sonsa interfieren, se deberá realizar una calibración especial, idealmente realizada con la sonda en el dispositivo.

Sondas Múltiples

Cuando se usan múltiples sondas con el mismo objetivo, deben estar separadas por al menos tres diámetros de sonda para evitar interferencias entre los canales. Si esto es inevitable, existen calibraciones especiales de fábrica para minimizar la interferencia.

Consideraciones Ambientales

Las mediciones de desplazamiento lineal con sensores de "Eddy-Current" son inmunes a materiales extraños en el área de medición. La gran ventaja de los sensores sin contacto "Eddy-Current" es que pueden usarse en entornos bastante hostiles. Todos los materiales no conductores son invisibles para los sensores de "Eddy-Current". Incluso los materiales metálicos como las virutas de un proceso de mecanizado son demasiado pequeños para interactuar significativamente con los sensores.

Los sensores "Eddy-Current" tienen cierta sensibilidad a la temperatura, pero los sistemas se compensan por los cambios de temperatura entre 15 ° C y 65 ° C con una deriva de menos de 0.01% FS / ° C.

Los cambios en la humedad no afectan las mediciones de desplazamiento "Eddy-Current".

Descarga de desplazamiento