Comparaison de capteurs capacitifs et à courants de Foucault

TechNote générale du capteur LT05-0011

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Introduction

Les capteurs sans contact utilisant des technologies capacitives et à courants de Foucault représentent un mélange unique d'avantages et d'inconvénients pour une variété d'applications. Cette comparaison des atouts des deux technologies vous aidera à choisir la meilleure technologie pour votre application.

Tableau de comparaison

Une référence rapide avec des détails ci-dessous.

•• Meilleur choix, Choix fonctionnel, - Pas une option

Facteur

Capacitive

Courant de Foucault

Environnements sales - ••
Petites cibles ••
Large gamme ••
Matériaux minces ••
Polyvalence des matériaux ••
Sondes Multiples ••
Facilité de montage de la sonde ••
Typique ••
Bande passante ••
Coût ••

Construction du capteur

Figure 1. Construction de sonde capacitive

Pour comprendre la différence entre les capteurs capacitifs et à courants de Foucault, commencez par examiner leur structure. L'élément de détection est au centre d'une sonde capacitive. Cette pièce en acier inoxydable génère le champ électrique utilisé pour détecter la distance à la cible. La bague de garde, également en acier inoxydable, est séparée de l'élément sensible par une couche isolante. L'anneau de garde entoure l'élément sensible et concentre le champ électrique vers la cible. Quelques composants électroniques sont connectés à l'élément de détection et à l'anneau de garde. Tous ces ensembles internes sont entourés d'une couche isolante et enfermés dans un boîtier en acier inoxydable. Le boîtier est connecté au blindage mis à la terre du câble (Figure 1).

Figure 2. Construction de sonde à courants de Foucault

La pièce fonctionnelle principale d’une sonde à courants de Foucault est la bobine de détection. Il s’agit d’une bobine de fil située près de l’extrémité de la sonde. Le courant alternatif passe à travers la bobine, ce qui crée un champ magnétique alternatif; Ce champ est utilisé pour détecter la distance à la cible. La bobine est encapsulée dans du plastique et de l'époxy et installée dans un boîtier en acier inoxydable. Parce que le champ magnétique d’un capteur à courants de Foucault n’est pas aussi facile à focaliser que

le champ électrique d’un capteur capacitif, la bobine recouverte d’époxy s'étend à partir du boîtier en acier afin de permettre à tout le champ de détection d’engager la cible (figure 2).

Taille du spot, taille cible et étendue

Figure 3. Taille du spot de sonde capacitive

Le champ de détection de la sonde d'un capteur sans contact engage la cible sur une certaine zone. La taille de cette zone s'appelle la taille du spot. La cible doit être plus grande que la taille du point ou un étalonnage spécial sera requis. La taille du point est toujours proportionnelle au diamètre de la sonde. Le rapport entre le diamètre de la sonde et la taille du point est significativement différent pour les capteurs capacitifs et à courants de Foucault. Ces différentes tailles de spots entraînent différentes tailles de cibles minimales.

Les capteurs capacitifs utilisent un champ électrique pour la détection. Ce champ est focalisé par un anneau de garde sur la sonde, ce qui donne une taille de tache d'environ 30% supérieure au diamètre de l'élément de détection (Figure 3). Un rapport typique de la plage de détection sur le diamètre de l'élément de détection est 1: 8. Cela signifie que pour chaque unité de plage, le diamètre de l'élément de détection doit être huit fois plus grand. Par exemple, une plage de détection de 500µm nécessite un diamètre d'élément de détection de 4000µm (4mm). Ce rapport correspond à des étalonnages typiques. Les étalonnages à haute résolution et à plage étendue modifieront ce rapport.

Figure 4. Taille du spot de sonde à courants de Foucault

Les capteurs à courants de Foucault utilisent des champs magnétiques qui entourent complètement l'extrémité de la sonde. Cela crée un champ de détection relativement grand, ce qui donne une taille de spot environ trois fois supérieure au diamètre de la bobine de détection de la sonde (Figure 4). Pour les capteurs à courants de Foucault, le rapport de la plage de détection au diamètre de la bobine de détection est 1: 3. Cela signifie que pour chaque unité de plage, le diamètre de la bobine doit être trois fois plus grand. Dans ce cas, la même plage de détection 500µm ne nécessite qu'un capteur de courant de Foucault de diamètre 1500µm (1.5mm).

Lorsque vous choisissez une technologie de détection, prenez en compte la taille de la cible. Les cibles plus petites peuvent nécessiter une détection capacitive. Si votre cible doit être inférieure à la taille du point du capteur, un étalonnage spécial peut permettre de compenser les erreurs de mesure inhérentes.

Technique de détection

Les capteurs capacitifs et à courants de Foucault utilisent différentes techniques pour déterminer la position de la cible. Les capteurs capacitifs utilisés pour la mesure de déplacement de précision utilisent un champ électrique haute fréquence, généralement compris entre 500 kHz et 1 MHz. Le champ électrique est émis par les surfaces de l'élément sensible. Pour centrer le champ de détection sur la cible, un anneau de garde crée un champ électrique séparé mais identique qui isole le champ de l'élément de détection de tout sauf de la cible (Figure 5).

Figure 5. Sonde capacitive gardant

La quantité de courant dans le champ électrique est déterminée en partie par la capacité entre l'élément de détection et la surface cible. Comme la taille de la cible et de l'élément sensible est constante, la capacité est déterminée par la distance entre la sonde et la cible, en supposant que le matériau dans l'espace ne change pas. Les changements de distance entre la sonde et la cible modifient la capacité, ce qui modifie à son tour le flux de courant dans l'élément de détection. L'électronique du capteur produit une tension de sortie calibrée proportionnelle à l'amplitude de ce flux de courant, ce qui donne une indication de la position cible.

Plutôt que des champs électriques, les capteurs à courants de Foucault utilisent des champs magnétiques pour détecter la distance à la cible. La détection commence par faire passer un courant alternatif à travers la bobine de détection. Cela crée un champ magnétique alternatif autour de la bobine. Lorsque ce champ magnétique alternatif interagit avec la cible conductrice, il induit un courant dans le matériau cible appelé courant de Foucault. Ce courant de Foucault produit son propre champ magnétique qui s'oppose au champ de la bobine de détection (Figure 6).

Figure 6 Le champ magnétique induit
Courant de Foucault dans une cible conductrice

Lorsque les courants de Foucault dans la cible s'opposent au champ de détection, l'impédance de la bobine de détection changera. La quantité de changement d'impédance dépend de la distance entre la cible et la bobine de détection dans la sonde. Le flux de courant dans la bobine de détection, qui dépend de l'impédance, est traité pour créer la tension de sortie, laquelle est une indication de la position de la cible par rapport à la sonde.

Sources d'erreur

Les capteurs à courants de Foucault utilisent les modifications d'un champ magnétique pour déterminer la distance à la cible; Les capteurs capacitifs utilisent les changements de capacité. Il existe d'autres facteurs que la distance à la cible qui peuvent également modifier un champ magnétique ou une capacité. Ces facteurs représentent des sources d'erreur potentielles dans votre application. Heureusement, dans la plupart des cas, ces sources d'erreur sont différentes pour les deux technologies. Comprendre la présence et l'ampleur de ces sources d'erreur dans votre application vous aidera à choisir la meilleure technologie de détection.
Le reste de cet article explique ces sources d'erreur afin que vous puissiez faire le meilleur choix pour votre application et obtenir les meilleurs résultats possibles.

Contamination des lacunes

Figure Contamination par 7 Gap
crée un changement diélectrique de gap

Dans certaines applications, l’espace entre le capteur et la cible peut être contaminé par la poussière, des liquides tels que le liquide de refroidissement et d’autres matériaux ne faisant pas partie de la mesure envisagée. La manière dont le capteur réagit à la présence de ces contaminants est un facteur déterminant dans le choix de capteurs capacitifs ou à courants de Foucault.

Les capteurs capacitifs supposent que les changements de capacité entre le capteur et la cible résultent d'un changement de distance entre eux. Un autre facteur qui influe sur la capacité est la constante diélectrique (ε) du matériau dans l'intervalle entre la cible et le capteur. La constante diélectrique de l'air est légèrement supérieure à un; si un autre matériau, ayant une constante diélectrique différente, pénètre dans l'espace capteur / cible, la capacité augmentera et le capteur indiquera à tort que la cible s'est rapprochée du capteur (Figure 7). Plus la constante diélectrique du contaminant est élevée, plus l'effet sur le capteur est important. L'huile a une constante diélectrique entre 8 et 12. L'eau a une constante diélectrique très élevée de 80.

En raison de la sensibilité à la constante diélectrique du matériau entre le capteur et la cible, les capteurs de déplacement capacitifs doivent être utilisés dans un environnement propre pour mesurer la position de la cible.

La sensibilité diélectrique des capteurs capacitifs peut être exploitée pour détecter l'épaisseur ou la densité de matériaux non conducteurs. Pour plus d’informations sur ce type d’application, veuillez vous référer à notre Note sur la théorie des capteurs capacitifs.

Contrairement aux capteurs capacitifs, les capteurs à courants de Foucault utilisent des champs magnétiques pour la détection. Les champs magnétiques ne sont pas affectés par les contaminants non conducteurs tels que la poussière, l'eau et le pétrole. Comme ces contaminants pénètrent dans la zone de détection entre un capteur à courants de Foucault et la cible, la sortie du capteur n'est pas affectée.

Pour cette raison, un capteur à courants de Foucault est le meilleur choix lorsque l'application implique un environnement sale ou hostile. Les sondes à courant de Foucault Lion Precision sont classées IP67 et peuvent même être utilisées complètement immergées dans un liquide non corrosif.

Épaisseur de la cible

Les capteurs capacitifs et à courants de Foucault ont des exigences différentes en matière d'épaisseur de cible. Le champ électrique d'un capteur capacitif n'engage que la surface de la cible sans pénétration significative dans le matériau. De ce fait, les capteurs capacitifs ne sont pas affectés par l'épaisseur du matériau.

Le champ magnétique d'un capteur à courants de Foucault doit pénétrer à la surface de la cible pour induire des courants de Foucault dans le matériau. Si le matériau est trop mince, des courants de Foucault plus faibles dans la cible produisent un champ magnétique plus faible. Il en résulte que le capteur a une sensibilité réduite et un rapport signal sur bruit plus petit.

La profondeur de pénétration du champ magnétique du capteur dépend du matériau et de la fréquence du champ magnétique oscillant du capteur. Les capteurs à courants de Foucault Lion Precision utilisent généralement une fréquence de 1-2MHz. Le tableau 1 indique les épaisseurs minimales pour certains matériaux courants.

Plus de détails peuvent être trouvés sur le Note technique recommandée sur l'épaisseur minimum des cibles.

Matériaux cibles et cibles en rotation

Les capteurs capacitifs et à courants de Foucault répondent différemment aux différences de matériaux cibles. Le champ magnétique d'un capteur à courants de Foucault pénètre dans la cible et induit un courant de Foucault dans le matériau qui crée un champ magnétique qui s'oppose au champ provenant de la sonde. La force du courant de Foucault et le champ magnétique résultant dépendent de la perméabilité et de la résistivité du matériau. Ces propriétés varient selon les matériaux. Ils peuvent également être modifiés par différentes techniques de traitement telles que le traitement thermique ou le recuit. Par exemple, deux pièces d'aluminium par ailleurs identiques qui ont été traitées différemment peuvent avoir des propriétés magnétiques différentes. Entre différents matériaux non magnétiques tels que l'aluminium et le titane, la variance de la perméabilité et de la résistivité peut être faible, mais un capteur à courants de Foucault hautes performances étalonné pour un matériau non magnétique produira toujours des erreurs s'il est utilisé avec un matériau non magnétique différent.

Les différences entre les matériaux non magnétiques tels que l'aluminium et le titane et les matériaux magnétiques tels que le fer ou l'acier sont énormes. Alors que la perméabilité relative de l’aluminium et du titane est approximativement égale à un, la perméabilité relative du fer peut aller jusqu’à 10,000.
Les capteurs à courants de Foucault étalonnés pour des matériaux non magnétiques ne fonctionneront probablement pas du tout lorsqu'ils sont utilisés avec des matériaux magnétiques. Lors de l'utilisation de capteurs à courants de Foucault pour des mesures précises, il est essentiel que le capteur soit étalonné pour le matériau spécifique utilisé dans l'application.
La grande perméabilité des matériaux magnétiques tels que le fer et l'acier peut également causer de petites erreurs de capteurs de courants de Foucault dans le même morceau de matériau. Dans n'importe quel matériau imparfait, il y a des fissures microscopiques et des variations de matériaux. La perméabilité du matériau change légèrement autour de ces zones. Bien que les changements soient relativement faibles, la perméabilité extrêmement élevée des matériaux magnétiques permet aux capteurs à courants de Foucault à haute résolution de détecter ces changements. Ce problème est plus évident dans les cibles en rotation de matériaux magnétiques.

Figure 8 Runout plot montrant
la sortie réelle en bleu,
et le voile électrique de
capteur de courants de Foucault en rouge.

Un capteur de courant de Foucault peut être monté pour mesurer le battement d'un arbre en rotation. Cependant, même si l’arbre est idéal et qu’il n’ya pas de faux-fond, un capteur de courant de Foucault à haute résolution détectera des modifications répétables lors de la rotation de l’arbre (Figure 8). Ces modifications résultent de petites variations dans le matériau. Ce phénomène est bien connu et s'appelle le voile électrique. Ces erreurs peuvent être petites, souvent de l'ordre du micron. De nombreuses applications de bout d'arbre, en particulier celles dans des environnements hostiles où les capteurs à courants de Foucault sont la norme, recherchent des erreurs beaucoup plus grandes et peuvent donc tolérer ces erreurs. D'autres applications plus précises devront utiliser des techniques pour traiter ces erreurs ou utiliser une technologie de détection différente telle que les capteurs capacitifs.

Le champ électrique d'un capteur capacitif utilise la cible comme chemin conducteur vers la terre. Tous les matériaux conducteurs offrent cela aussi bien, les capteurs capacitifs mesurent tous les matériaux conducteurs de la même manière. Une fois qu'un capteur capacitif est calibré, il peut être utilisé avec n'importe quelle cible conductrice sans dégradation des performances.

Étant donné que le champ électrique d'un capteur capacitif ne pénètre pas dans le matériau, les variations dans le matériau n'affectent pas la mesure. Les capteurs capacitifs ne présentent pas le phénomène d’arrêt électrique des capteurs à courants de Foucault et peuvent être utilisés avec des cibles en rotation de tout matériau conducteur sans erreur supplémentaire.

Les capteurs à courants de Foucault doivent être étalonnés sur le même matériau que la cible dans l'application et ne doivent pas être utilisés avec des cibles en matériau magnétique rotatives, à moins que les erreurs d'extinction électrique ne soient acceptables dans l'application. Une fois calibrés, les capteurs capacitifs peuvent être utilisés avec n’importe quel matériau conducteur, sans erreur liée au matériau, et fonctionnent parfaitement avec des cibles en rotation.

Paramètres environnementaux: température et vide

En raison des différences dans la physique de détection et des différences associées dans l'électronique du pilote, les capteurs capacitifs et à courants de Foucault ont des plages de température de fonctionnement de la sonde et une compatibilité au vide différentes.

Les sondes capacitives et à courants de Foucault Lion Precision ont différentes plages de température de fonctionnement. Les sondes à courants de Foucault, en raison de leur tolérance aux environnements hostiles, ont une plage de température plus grande. Les sondes à courants de Foucault standard, qui utilisent des câbles en polyuréthane, ont une plage de fonctionnement allant de -25 à + 125 ° C. Les sondes haute température, qui utilisent des câbles FEP en téflon, ont une plage de fonctionnement de -25 à + 200 ° C. Les sondes capacitives, qui sont affectées par la condensation, ont uniquement une plage de fonctionnement de + 4 à + 50 ° C. Les composants électroniques du pilote pour les deux technologies de détection ont une plage de fonctionnement de + 4 à + 50 ° C.

Les sondes capacitives et à courants de Foucault peuvent toutes deux être utilisées dans des applications sous vide. Les matériaux dans les sondes sont sélectionnés pour leur stabilité structurelle et leur minimisation des dégazages sous vide. Les sondes compatibles avec le vide sont soumises à un processus de nettoyage supplémentaire et à un emballage spécial pour éliminer les corps étrangers susceptibles de menacer un environnement de vide délicat.

De nombreuses applications sous vide nécessitent un contrôle précis de la température. La consommation d'énergie de la sonde, avec sa contribution associée au changement de température, est la différence entre les technologies capacitives et à courants de Foucault. Une sonde capacitive a un flux de courant et une consommation d'énergie extrêmement faibles. Une sonde capacitive typique consomme moins de 40µW d’énergie, contribuant ainsi peu de chaleur à la chambre à vide.

La consommation électrique d'une sonde à courants de Foucault peut varier de 40µW à 1mW. À ces puissances plus élevées, la sonde à courants de Foucault apportera plus de chaleur à la chambre à vide et pourrait perturber les environnements de vide de haute précision. La consommation d'énergie d'une sonde à courants de Foucault dépend de nombreux facteurs. La taille de la sonde ne permet pas à elle seule de déterminer la consommation d’énergie. La consommation électrique de chaque capteur à courants de Foucault doit être évaluée individuellement.
Les capteurs capacitifs ou à courants de Foucault peuvent bien fonctionner dans des environnements sous vide. Dans les aspirateurs sensibles à la température, les capteurs à courants de Foucault peuvent générer trop de chaleur pour l'application. Dans ces applications, les capteurs capacitifs constitueront un meilleur choix.

Montage de la sonde

Figure 9. Une interférence se produit lorsque
Les sondes à courants de Foucault sont
monté près les uns des autres.

En raison des différences de forme et de nature réactive des champs de détection des capteurs capacitifs et à courants de Foucault, les technologies de montage des sondes sont différentes. Les sondes à courants de Foucault produisent des champs magnétiques comparativement importants. Le diamètre du champ est au moins trois fois plus grand que le diamètre de la sonde et supérieur à trois diamètres pour les grandes sondes. Si plusieurs sondes sont montées côte à côte, les champs magnétiques interagiront (Figure 9). Cette interaction créera des erreurs dans les sorties du capteur. Si ce type de montage est inévitable, des capteurs basés sur la technologie numérique tels que le ECL202 peut être spécialement calibré pour réduire ou éliminer les interférences des sondes adjacentes.

Le champ magnétique d'une sonde à courants de Foucault s'étend également d'environ un diamètre et demi derrière la sonde. Tout objet métallique dans cette zone, généralement le matériel de montage, interagira avec le champ et affectera la sortie du capteur (Figure 10). Si le matériel de montage à proximité est inévitable, les capteurs peuvent être calibrés avec le matériel de montage en place, ce qui compensera l'effet du matériel.

Figure 10. Le matériel de montage peut
interférer avec les courants de Foucault
sonde champ magnétique.

Les champs électriques des sondes capacitives ne sont émis que par la surface avant de la sonde. Le champ a une forme légèrement conique, ce qui donne une taille de tache d'environ 30% supérieure au diamètre de la zone de détection. Le matériel de montage à proximité ou d'autres objets se trouvent rarement dans la zone de travail et n'affectent donc pas l'étalonnage du capteur. Lorsque plusieurs capteurs capacitifs indépendants sont utilisés avec la même cible, le champ électrique d'une sonde tente peut-être d'ajouter de la charge à la cible, alors qu'un autre capteur tente d'éliminer la charge (Figure 11).

Cette interaction conflictuelle avec la cible créera des erreurs dans les sorties des capteurs. Ce problème est facilement résolu en synchronisant les capteurs. La synchronisation règle le signal de commande de tous les capteurs sur la même phase, de sorte que toutes les sondes ajoutent ou suppriment une charge simultanément et que les interférences soient éliminées. Tous les systèmes multicanaux Lion Precision sont synchronisés, éliminant ainsi tout problème avec cette source d'erreur.

Figure 11. Capacitif non synchronisé
les capteurs vont interférer lorsque
utilisé sur la même cible.

Lorsqu'une application nécessite l'utilisation de plusieurs sondes avec une cible commune, les capteurs capacitifs synchronisés sont faciles à utiliser. Si l'application nécessite une technologie à courants de Foucault, le plan de montage doit faire l'objet d'un soin particulier et un étalonnage spécial peut être requis.

Résumé

De nombreux facteurs doivent être pris en compte lors du choix entre des capteurs de déplacement capacitifs et à courants de Foucault. Toute application impliquant des contaminants dans la zone de mesure, tels que des liquides ou des déchets, nécessite une détection par courants de Foucault. Les capteurs capacitifs nécessitent un environnement propre.

Les petites cibles seront plus facilement mesurées avec des capteurs capacitifs en raison de la taille relativement petite du champ de détection capacitive. Lorsque la détection par courants de Foucault est requise, un étalonnage spécial peut être utilisé avec de petites cibles.
Pour la même taille de sonde capacitive ou à courants de Foucault, la sonde à courants de Foucault aura une plage de mesure plus grande.

Comme les sondes capacitives interagissent avec la surface de la cible, l’épaisseur du matériau n’est pas un facteur déterminant dans les mesures capacitives. Les capteurs à courants de Foucault ont des exigences d’épaisseur minimum.

Les capteurs capacitifs n’ont aucune sensibilité au matériau cible à condition qu’il soit conducteur. Les capteurs à courants de Foucault sont sensibles aux différences de matériaux et doivent être calibrés en fonction du matériau cible de l'application.

Lorsque vous utilisez plusieurs sondes, les capteurs capacitifs doivent être synchronisés, mais peuvent être montés ensemble sans aucune interférence. Même synchronisées, les sondes à courants de Foucault interagiront si elles sont montées proches les unes des autres. Lorsque cela est inévitable, un étalonnage spécial peut être utilisé, mais est uniquement disponible avec des capteurs numériques comme le Lion Precision. ECL202.

Le petit champ de détection d'une sonde capacitive, dirigé uniquement vers la cible, l'empêche de détecter le matériel de montage ou les objets proches. Le large champ de détection environnant Eddy-current peut détecter le matériel de montage ou d'autres objets s'ils sont trop proches de la zone de détection.
Deux autres spécifications diffèrent entre les deux technologies: résolution et bande passante. Les capteurs capacitifs ont des résolutions plus élevées que les capteurs à courants de Foucault, ce qui en fait un meilleur choix pour les applications haute résolution et précises.

La plupart des capteurs capacitifs et à courants de Foucault ont une largeur de bande de 10-15kHz, mais certains capteurs à courants de Foucault (ECL101) ont une bande passante aussi élevée que 80 kHz.

Une autre différence entre les technologies est le coût. En règle générale, les capteurs à courants de Foucault sont moins coûteux.

Cet examen des différences entre les technologies de détection capacitive et à courants de Foucault vous aidera à déterminer la technologie qui convient le mieux à votre application. S'il vous plaît contactez-nous pour plus d'aide dans la sélection du meilleur capteur.