Fonctionnement et optimisation des capteurs capacitifs (fonctionnement des capteurs capacitifs et comment les utiliser efficacement)

NOTE TECHNIQUE LT03-0020

Capteur capacitif TechNote LT03-0020

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Récapitulatif

Cette TechNote examine les concepts et la théorie de la détection capacitive afin d'optimiser les performances des capteurs capacitifs. Il définit également les termes de détection capacitive utilisés dans la littérature et les manuels de Lion Precision.

Capacité et distance

Les capteurs capacitifs sans contact fonctionnent en mesurant les changements d'une propriété électrique appelée capacitance. La capacité décrit comment deux objets conducteurs séparés par un espace répondent à une différence de tension qui leur est appliquée. Lorsqu'une tension est appliquée aux conducteurs, un champ électrique est créé entre eux, ce qui provoque la collecte de charges positives et négatives sur chaque objet (Fig. 1). Si la polarité de la tension est inversée, les charges s'inverseront également.

Les capteurs capacitifs utilisent une tension alternative qui fait que les charges inversent continuellement leurs positions. Le déplacement des charges crée un courant électrique alternatif qui est détecté par le capteur (Fig. 2). La quantité de

le courant est déterminé par la capacité, et la capacité est déterminée par la surface et la proximité des objets conducteurs. Les objets plus grands et plus proches produisent un courant plus important que les objets plus petits et plus distants. La capacité est également affectée par le type de matériau non conducteur dans l'espace entre les objets.

Techniquement, la capacité est directement proportionnelle à la surface des objets et à la constante diélectrique du matériau entre eux, et inversement proportionnelle à la distance qui les sépare (Fig. 3).

Application d'une tension à des objets conducteurs

Figure 1
Appliquer une tension à des objets conducteurs provoque des charges positives et négatives
à collecter sur chaque objet. Cela crée un champ électrique dans l'espace entre les objets

Application d'une tension alternative

Figure 2
L'application d'une tension alternative provoque le déplacement alternatif des charges entre les objets, créant un courant alternatif détecté par le capteur.

Formule de surface

Figure 3
La capacité est déterminée par la surface, la distance et le diélectrique (le matériau entre les conducteurs). Capacitance
augmente lorsque la surface ou le diélectrique augmente et que la capacité diminue
quand la distance augmente.

Dans les applications de détection capacitive typiques, la sonde ou le capteur est l'un des objets conducteurs; l'objet cible est l'autre. (L'utilisation de capteurs capacitifs pour détecter les plastiques et autres isolants est décrite dans la section sur les cibles non conductrices.) Les tailles du capteur et de la cible sont supposées constantes, de même que le matériau entre elles. Par conséquent, tout changement de capacité est le résultat d'un changement de distance entre la sonde et la cible. Les composants électroniques sont étalonnés pour générer des variations de tension spécifiques correspondant aux variations de capacité. Ces tensions sont mises à l'échelle pour représenter des modifications spécifiques de la distance. La quantité de tension changée pour une quantité donnée de distance est appelée sensibilité. Un réglage de sensibilité commun est 1.0V / 100µm. Cela signifie que pour chaque changement de distance de 100µm, la tension de sortie change exactement de 1.0V. Avec cet étalonnage, un changement de + 2V dans la sortie signifie que la cible a rapproché 200µm de la sonde.

Concentrer le champ électrique

Lorsqu'une tension est appliquée à un conducteur, le champ électrique émane de toutes les surfaces. Dans un capteur capacitif, la tension de détection est appliquée à la zone de détection de la sonde (Figs. 4, 5).

Pour des mesures précises, le champ électrique de la zone de détection doit être contenu dans l'espace entre la sonde et la cible. Si le champ électrique est autorisé à se propager à d'autres objets ou à d'autres zones de la cible, un changement de position de l'autre objet sera mesuré comme un changement de la position de la cible.

Une technique appelée «protection» est utilisée pour empêcher que cela ne se produise. Pour créer une protection, l'arrière et les côtés de la zone de détection sont entourés par un autre conducteur maintenu à la même tension que la zone de détection elle-même (Fig. 4, 6).

Lorsque la tension est appliquée à la zone de détection, un circuit séparé applique exactement la même tension à la protection. Parce qu'il n'y a pas de différence de tension entre la zone de détection et la protection, il n'y a pas de champ électrique entre eux. Tous les autres conducteurs à côté ou derrière la sonde forment un champ électrique avec le protecteur au lieu de la zone de détection. Seul le devant non protégé de la zone de détection est autorisé à former un champ électrique avec la cible.

Détecteurs capacitifs

Figure Composants de la sonde de capteur capacitif 4

Champ électrique

Figure 5
Vue en coupe montrant un champ électrique d'une zone de détection non protégée

Figure 6

Figure 6
Coupure montrant le champ de garde formant le champ électrique de la zone de détection


Effets de la taille de la cible

La taille de la cible est une considération primordiale lors de la sélection d'une sonde pour une application spécifique. Lorsque le champ électrique de détection est focalisé par la surveillance, il crée un champ légèrement conique qui est une projection de la zone de détection. Le diamètre minimal cible pour l'étalonnage standard est 130% du diamètre de la zone de détection. Plus la sonde est éloignée de la cible, plus la taille minimale de la cible est grande.

Plage de mesure

La plage dans laquelle une sonde est utile est fonction de la taille de la zone de détection. Plus la surface est grande, plus la plage est large. L'électronique de pilotage est conçue pour une certaine capacité au niveau de la sonde. Par conséquent, une sonde plus petite doit être considérablement plus proche de la cible pour atteindre la capacité souhaitée. L'électronique est réglable pendant l'étalonnage, mais la plage de réglage est limitée.
En général, l'intervalle maximal auquel une sonde est utile est d'environ 40% du diamètre de la zone de détection. Les étalonnages standard maintiennent généralement l’écart considérablement moins que cela.

Détection multicanal

Fréquemment, une cible est mesurée simultanément par plusieurs sondes. Étant donné que le système mesure un champ électrique variable, la tension d'excitation de chaque sonde doit être synchronisée, sans quoi les sondes pourraient interférer les unes avec les autres. Si elles n'étaient pas synchronisées, une sonde tenterait d'augmenter le champ électrique tandis qu'une autre tenterait de le diminuer, donnant ainsi une lecture fausse.

L'électronique du pilote peut être configurée en tant que maître ou esclave. Le maître définit la synchronisation pour les esclaves dans des systèmes à plusieurs canaux.

Effets du matériau cible

Le champ électrique de détection cherche une surface conductrice. À condition que la cible soit un conducteur, les capteurs capacitifs ne sont pas affectés par le matériau cible spécifique. Du fait que le champ électrique de détection s’arrête à la surface du conducteur, l’épaisseur de la cible n’affecte pas la mesure. .

Mesurer les non-conducteurs

Figure 7

Figure 7
Les non-conducteurs peuvent être mesurés en transmettant le champ électrique à une cible conductrice stationnaire située derrière.

Les capteurs capacitifs sont le plus souvent utilisés pour mesurer le changement de position d'une cible conductrice. Mais les capteurs capacitifs peuvent également mesurer efficacement la présence, la densité, l'épaisseur et la localisation des non-conducteurs. Les matériaux non conducteurs tels que le plastique ont une constante diélectrique différente de celle de l'air. La constante diélectrique détermine l’influence d’un matériau non conducteur sur la capacité entre deux conducteurs. Lorsqu'un non-conducteur est inséré entre la sonde et une cible de référence fixe, le champ de détection traverse le matériau jusqu'à la cible mise à la terre (Fig. 7). La présence du matériau non conducteur modifie le diélectrique et par conséquent, la capacité. La capacité changera en fonction de l'épaisseur ou de la densité du matériau.

Maximiser la précision

Maintenant que nous avons discuté des bases du fonctionnement de la détection capacitive, nous pouvons élaborer des stratégies pour optimiser l'efficacité et minimiser les erreurs lors de l'utilisation de capteurs capacitifs. La précision nécessite que les mesures soient effectuées dans les mêmes conditions que celles dans lesquelles le capteur a été étalonné. Qu'il s'agisse d'un capteur étalonné en usine ou calibré en cours d'utilisation, les résultats reproductibles proviennent de conditions reproductibles. Si nous voulons seulement que la distance affecte la mesure, alors toutes les autres variables doivent être constantes. Les sections suivantes décrivent les sources d'erreur courantes et leur réduction.

Maximiser la précision: taille cible

Figure 9

Figure 9
Une cible sous-dimensionnée provoque l’extension du champ de détection sur les côtés de la cible, introduisant une erreur

Sauf indication contraire, les étalonnages en usine sont effectués avec une cible conductrice plate beaucoup plus grande que la zone de détection. Un capteur ainsi calibré donnera des résultats précis lors de la mesure d'une cible plate de plus de 30% de plus que la zone de détection. Si la zone cible est trop petite, le champ électrique commencera à s'enrouler autour des côtés de la cible, ce qui signifie que le champ électrique s'étendra plus loin que lors de l'étalonnage et à mesurer la cible plus loin (Fig. 9). Dans ce cas, la sonde doit être plus proche de la cible pour le même point zéro. Comme cette distance diffère de l'étalonnage d'origine, une erreur sera introduite. Une erreur est également créée parce que la sonde ne mesure plus une surface plane.

Si la distance entre la sonde et la cible est considérée comme l'axe Z, le problème supplémentaire d'une cible trop petite est que le capteur devient sensible à l'emplacement X et Y de la sonde. Sans changer l'intervalle, la sortie changera de manière significative si la sonde est déplacée dans l'axe X ou Y car moins de champ électrique se dirige vers le centre de la cible et davantage se déplace sur les côtés.

Maximiser la précision: forme de la cible

Figure 10

Figure 10 Une cible incurvée nécessitera que la sonde soit plus proche et la sensibilité affectée

La forme est également une considération. Comme les sondes sont calibrées sur une cible plate, la mesure d’une cible à surface incurvée entraîne des erreurs (Fig. 10). Comme la sonde mesurera la distance moyenne par rapport à la cible, l’espace à zéro volt sera différent de celui utilisé lors de l’étalonnage du système. Des erreurs seront également introduites en raison du comportement différent du champ électrique avec la surface incurvée. Dans les cas où une cible non plate doit être mesurée, le système peut être étalonné en usine à la forme de la cible finale. En variante, lorsque des étalonnages à plat sont utilisés avec des surfaces courbes, des multiplicateurs peuvent être fournis pour corriger la valeur de mesure.

Maximiser la précision: Finition de surface

Lorsque la surface cible n'est pas parfaitement lisse, le système établira une moyenne sur la zone couverte par la taille du point du capteur. La valeur de mesure peut changer lorsque la sonde est déplacée sur la surface en raison d'un changement d'emplacement moyen de la surface. L'ampleur de cette erreur dépend de la nature et de la symétrie des irrégularités de surface.

Maximiser la précision: parallélisme

Pendant l'étalonnage, la surface du capteur est parallèle à la surface cible. Si la sonde ou la cible est inclinée de manière significative, la forme du point où le champ touche la cible s'allonge et modifie l'interaction du champ avec la cible. En raison du comportement différent du champ électrique, des erreurs de mesure seront introduites. À haute résolution, même quelques degrés peuvent introduire des erreurs. Le parallélisme doit être pris en compte lors de la conception d'un appareil pour la mesure.

Maximiser la précision: environnement

Systèmes de capteurs capacitifs Lion Precision sont compensés pour minimiser la dérive due à une température de 22 ° C à 35 ° C (72 ° F à 95 ° F). Dans cette plage de température, les erreurs sont inférieures à 0.5% de la pleine échelle. 

Un problème plus gênant réside dans le fait que pratiquement tous les matériaux utilisés dans les cibles et les appareils présentent une expansion et une contraction significatives dans cette plage de températures. Lorsque cela se produit, les changements de mesure liés à la température ne constituent pas une erreur de jauge. Ce sont de réels changements dans l’écart entre la cible et la sonde. Une conception soignée des appareils contribue dans une large mesure à minimiser cette erreur et à optimiser la précision.

La constante diélectrique de l'air est affectée par l'humidité. Lorsque l'humidité augmente, la constante diélectrique augmente. L'humidité peut également interagir avec les matériaux de construction de la sonde. Les données expérimentales montrent que les changements de 50% HR à 80% RH peuvent provoquer des erreurs allant jusqu'à 0.5% de la pleine échelle.

Alors que les matériaux des sondes Lion Precision sont sélectionnés pour minimiser ces erreurs, dans les applications nécessitant une précision extrême, le contrôle de la température et de l'humidité est une pratique courante. Les normes internationales spécifient que les mesures doivent être effectuées à 20 ° C ou corrigées à «longueur réelle» à 20 ° C.

Calibrage d'usine

Le système d'étalonnage de capteurs capacitifs de Lion Precision a été conçu en coopération avec Professional Instruments, un leader mondial de la conception de broches et de glissières à roulement à air. Sa conception de pointe est pilotée par une électronique de commande de mouvement de précision avec des précisions de positionnement inférieures à 0.012µm en incertitude.
Le système d'étalonnage est régulièrement certifié avec un interféromètre laser traçable NIST. Les équipements de mesure utilisés lors de l'étalonnage (compteurs numériques et générateurs de signaux) sont également étalonnés selon les normes traçables du NIST. Les informations d'étalonnage de chacun de ces équipements sont conservées dans des fichiers pour vérification de la traçabilité.

Les techniciens utilisent le système d'étalonnage pour positionner avec précision une cible d'étalonnage à des distances connues du capteur capacitif. Les mesures en ces points sont collectées et la sensibilité et la linéarité sont analysées par le système d'étalonnage. L'analyse des données sert à ajuster le système en cours de calibrage pour répondre aux spécifications de la commande.

Une fois la sensibilité et la linéarité étalonnées, les systèmes de capteurs capacitifs sont placés dans une chambre climatique où les circuits de compensation de température sont étalonnés afin de minimiser la dérive sur la plage de températures allant de 22 ° C à 35 ° C. On mesure également la bande passante et le bruit de sortie qui affectent la résolution.

Une fois l'étalonnage terminé, un certificat d'étalonnage est généré. Ce certificat est livré avec le système commandé et archivé. Les certificats d'étalonnage sont conformes à la section 4.8 de la norme ISO 10012-1.

Sensibilité

Sensibilité - La pente de la ligne est la sensibilité; dans ce cas 1V / 0.05 mm.

Sensibilité - La pente de la ligne est la sensibilité; dans ce cas 1V / 0.05 mm.

La sensibilité indique l'ampleur de la variation de la tension de sortie suite à la modification de l'écart entre la cible et le capteur capacitif. Une sensibilité commune est 1V / 0.1mm. Cela signifie que pour chaque changement de 0.1mm dans l'intervalle, la tension de sortie changera de 1V. Lorsque la tension de sortie est représentée par rapport à la taille de l’intervalle, la pente de la ligne est la sensibilité.

Erreur de sensibilité

Erreur de sensibilité - La pente des mesures réelles s'écarte de la pente idéale.

Erreur de sensibilité - La pente des mesures réelles s'écarte de la pente idéale.

La sensibilité d'un capteur est définie pendant l'étalonnage. Lorsque la sensibilité s'écarte de la valeur idéale, on parle d'erreur de sensibilité, d'erreur de gain ou d'erreur de mise à l'échelle. La sensibilité étant la pente d’une ligne, l’erreur de sensibilité est généralement présentée sous forme de pourcentage de la pente; comparer la pente idéale avec la pente réelle.

Erreur de décalage

Une erreur de décalage se produit lorsqu'une valeur constante est ajoutée à

Erreur de décalage - Une valeur constante est ajoutée à toutes les mesures

Erreur de décalage - Une valeur constante est ajoutée à toutes les mesures.

la tension de sortie du système. Les systèmes de capteurs capacitifs sont généralement «mis à zéro» lors de la configuration, éliminant ainsi les écarts de décalage par rapport à l'étalonnage d'origine. Cependant, si l'erreur de décalage change après la mise à zéro du système, une erreur sera introduite dans la mesure. Le changement de température est le principal facteur d'erreur de décalage. Les systèmes Lion Precision sont compensés pour les erreurs de décalage liées à la température afin de les maintenir inférieurs à 0.04% FS / ° C.

Erreur de linéarité

Erreur de linéarité - Les données de mesure ne sont pas sur une ligne droite

Erreur de linéarité - Les données de mesure ne sont pas sur une ligne droite.

La sensibilité peut varier légèrement entre deux points de données. Cette variation est appelée erreur de linéarité. La spécification de linéarité est la mesure de la mesure dans laquelle la sortie varie d'une ligne droite.

Pour calculer l'erreur de linéarité, les données d'étalonnage sont comparées à la droite qui correspondrait le mieux aux points. Cette ligne droite de référence est calculée à partir des données d'étalonnage à l'aide d'une technique appelée ajustement des moindres carrés. L'erreur au point le plus éloigné de la courbe d'étalonnage est l'erreur de linéarité. L'erreur de linéarité est généralement exprimée en pourcentage de la pleine échelle. Si l'erreur au point le plus défavorable était 0.001mm et que la plage complète de l'étalonnage était 1mm, l'erreur de linéarité serait de 0.1%.
Notez que l'erreur de linéarité ne tient pas compte des erreurs de sensibilité. Ce n'est qu'une mesure de la rectitude de la ligne et non de la pente de la ligne. Un système avec des erreurs de sensibilité grossières peut être très linéaire.

Bande d'erreur

La bande d'erreur représente la combinaison des erreurs de linéarité et de sensibilité. C'est la mesure de l'erreur absolue dans le pire des cas dans la plage étalonnée. La bande d'erreur est calculée en comparant les tensions de sortie à des intervalles spécifiques à leur valeur attendue. L'erreur la plus défavorable de cette comparaison est indiquée en tant que bande d'erreur du système.

Gap
(Mm)

Attendu
Valeur
(VDC)

Réel
Valeur
(VDC)

Erreur
(Mm)

0.50 -10.000 -9.800 -0.010
0.75 -5.000 -4.900 -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

Bande d'erreur - l'écart le plus défavorable des valeurs mesurées par rapport aux valeurs attendues dans un graphique d'étalonnage. Dans ce cas, la bande d'erreur est de -0.010 mm.

Bande passante

La bande passante est définie comme la fréquence à laquelle la sortie tombe à -3dB. Cette fréquence s'appelle également la fréquence de coupure. Une chute de -3dB dans le niveau du signal équivaut à environ une chute en% 70 de la tension de sortie réelle. Avec une largeur de bande 15kHz, un changement de ± 1V à basse fréquence ne produira qu'un changement de ± 0.7V à 15kHz. En plus de détecter le mouvement haute fréquence, les sorties à réponse rapide maximisent la marge de phase lorsqu'elles sont utilisées dans les systèmes de retour d'asservissement. Certains pilotes fournissent une bande passante sélectionnable pour optimiser la résolution ou le temps de réponse.

Typique

Bruit d'un capteur 15kHz

Figure 14
Bruit d'un capteur 15kHz

La résolution est définie comme la plus petite mesure fiable qu'un système puisse faire. La résolution d'un système de mesure doit être supérieure à la précision finale requise par la mesure. Si vous avez besoin de connaître une mesure dans 0.02µm, la résolution du système de mesure doit être supérieure à 0.02µm. 
Le facteur déterminant principal de la résolution est le bruit électrique. Un bruit électrique apparaît dans la tension de sortie, provoquant de petites erreurs instantanées dans la sortie. Même lorsque l'écart entre la sonde et l'objectif est parfaitement constant, la tension de sortie du pilote génère une quantité de bruit faible mais mesurable qui semble indiquer que l'écart est en train de changer. Ce bruit est inhérent aux composants électroniques et ne peut être que minimisé, mais jamais éliminé.
Si un pilote a un bruit de sortie de 0.002V avec une sensibilité de 10V / 1mm, il a alors un bruit de sortie de 0.000,2mm (0.2µµm). Cela signifie qu'à tout moment, la sortie pourrait avoir une erreur de 0.2µm.

Bruit d'un capteur 100Hz

Figure 15
Bruit d'un capteur 100Hz

La quantité de bruit dans la sortie est directement liée à la bande passante. De manière générale, le bruit est distribué uniformément sur une large plage de fréquences. Si les fréquences les plus hautes sont filtrées avant la sortie, le résultat est moins de bruit et une meilleure résolution (Fig. 14, 15). Lors de l'examen des spécifications de résolution, il est essentiel de savoir à quelle bande passante les spécifications s'appliquent. Voir notre article complet sur les relations entre la résolution et la bande passante et comment être sûr d'obtenir des informations précises à partir des fiches techniques.

LIENS UTILES

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