Mesure de position et de déplacement linéaires avec capteurs capacitifs et à courants de Foucault

Note générale sur l'application du capteur LA05-0060

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Résumé:

Pratiquement toutes les applications de capteurs capacitifs et à courants de Foucault constituent fondamentalement une mesure du déplacement (changement de position) d'un objet. Cette note d'application détaille les spécificités de la réalisation d'une telle mesure et ce qui est nécessaire pour effectuer des mesures fiables dans les applications de micro et nano-déplacements.
Les capteurs capacitifs fonctionnent dans des environnements propres et offrent une précision extrême. Les capteurs à courants de Foucault peuvent fonctionner dans des environnements humides et sales. Ils constituent un remplacement économique des interféromètres laser lorsque les sondes peuvent être montées à proximité de l'objet et que les déplacements totaux sont faibles.

Déplacement linéaire et mesure de position avec un capteur de déplacement linéaire sans contact

Mesure de déplacement linéaire se réfère ici à la mesure du changement de position d'un objet. La mesure de déplacement linéaire, sans contact et à haute résolution, d'objets conducteurs avec des capteurs capacitifs et des capteurs à courants de Foucault est le sujet de cette note d'application. Les capteurs capacitifs peuvent également mesurer des objets non conducteurs. Une discussion sur la mesure d’objets non conducteurs avec des capteurs de déplacement capacitifs se trouve dans notre Note technique sur la théorie des capteurs capacitifs (LT03-0020).

Termes et concepts associés

En raison de la nature à haute résolution et à courte portée des capteurs de déplacement capacitifs et des capteurs de déplacement à courants de Foucault, on parle parfois de ce type de capteur. mesure de micro-déplacement et les capteurs en tant que capteur de micro-déplacement or transducteur de micro-déplacement. Un capteur configuré pour mesure de déplacement linéaire est parfois appelé un compteur de déplacement or jauge de déplacement.

Déplacement par rapport à la position absolue

Au niveau micro et nano, capteurs de déplacement capacitifs et à courants de Foucault

Au niveau micro et nano, les capteurs de déplacement capacitifs et à courants de Foucault conviennent mieux aux mesures de déplacement (changement de position) qu'aux mesures absolues.

Le déplacement est une mesure du changement de position d'un objet. La position absolue est une mesure de la distance précise entre la surface de mesure du capteur et l'objet.

Les capteurs capacitifs et à courants de Foucault sont principalement utilisés comme capteurs de déplacement. Au fil du temps (mois et années), l’étalonnage du capteur change légèrement. Ce décalage est principalement un décalage continu dans la sortie du capteur. Il existe également un léger décalage CC par rapport à la température. Ce décalage CC provoquera une petite erreur dans la mesure de la position absolue qui augmente avec le temps. Ces erreurs sont petites, mais au niveau inférieur au micron, elles peuvent affecter la précision.

Les changements de sensibilité (gain) du capteur sont beaucoup plus petits. Mesurer les changements de position en temps réel nécessite une sensibilité constante et n'est pas affecté par les décalages à long terme du décalage en continu de la sortie. Pour cette raison, les capteurs de déplacement capacitifs et à courants de Foucault sont généralement utilisés pour mesurer la position relative (déplacement), et non la position absolue, en particulier pour les micro-déplacements dans lesquels une résolution au niveau du micron ou du nanomètre est nécessaire.

Le déplacement est généralement mesuré à la suite d'une variable.

La raison typique pour mesurer le déplacement, en particulier le micro-déplacement, est de déterminer comment un objet répond à une condition changeante. La mesure du déplacement répond généralement à la question suivante: à quelle distance se déplace-t-il lorsque quelque chose change?

Déplacement intentionnel: L'objet est intentionnellement déplacé par un système de positionnement à commande de mouvement. La mesure de déplacement sans contact indique la précision du déplacement prévu de l'objet.

Dimension de la pièce: Le système est configuré avec une bonne partie «maître» connue, après quoi la partie principale est remplacée par une partie à tester. Les différences dans les dimensions de la pièce à tester par rapport à la pièce maîtresse sont indiquées en tant que mesure de déplacement par les capteurs.

Température: La position de l'objet est mesurée à une température initiale. La température d'intérêt est modifiée (se produisant souvent naturellement lorsque la machine fonctionne) et une mesure de déplacement indique l'ampleur du changement de position dû à la température.

Vibration: Les mesures de déplacement linéaire sont effectuées en temps réel à l'aide de capteurs de déplacement capacitifs ou à courants de Foucault avec un oscilloscope ou un système d'acquisition de données pour indiquer les déplacements de l'objet et leurs fréquences. Voir notre Note d'application sur la mesure des vibrations pour plus de détails.

Pression: Les paliers à air et autres paliers à fluide peuvent fonctionner à des pressions de fluide différentes. Les mesures de déplacement de l'objet à différentes pressions indiquent le comportement réel de la machine lorsque la pression change par rapport à son utilisation prévue.

Porter: Au fur et à mesure de l'usure des roulements et des glissières, les mesures de déplacement sans contact des pièces mobiles indiqueront un mouvement accru dans des directions non souhaitées. Les mouvements rotatifs indiquent des déplacements croissants sur les axes X, Y et Z lorsque l’objet tourne. Les glissières linéaires montreront des déplacements croissants dans les deux axes perpendiculaires à la direction du déplacement.

Les mesures de déplacement linéaire sont des mesures relatives

Les mesures de déplacement linéaire sans contact sont des mesures relatives et indiquent le changement de la position d'un objet par rapport à un emplacement initial dans un ou plusieurs axes linéaires. Un canal de capteur de déplacement ou de position séparé est requis pour chaque axe de mesure de déplacement linéaire.

Mesure de base du déplacement linéaire à l'aide de capteurs de déplacement capacitifs et à courants de Foucault

Le capteur de déplacement est monté dans un appareil de sorte que l'objet à mesurer se situe dans la plage de mesure du capteur. Si le capteur comprend un réglage du zéro (décalage), il peut être mis à zéro à cet emplacement pour faciliter les interprétations des mesures de déplacement linéaire lorsque l'objet se déplace. Si l'ajustement du zéro est impossible, la sortie initiale du capteur de déplacement est enregistrée et cette valeur est soustraite des mesures futures pour indiquer le changement de position par rapport à la position initiale.

Calcul du déplacement à partir de la sortie du capteur de déplacement

Les capteurs servant à mesurer le déplacement ont une spécification de «sensibilité» qui spécifie la quantité de changement dans la sortie par rapport à un changement donné dans la position cible. Pour les capteurs de sortie de tension analogiques, cette valeur est donnée en Volts par unité de distance ou de longueur (par exemple, mm, pouce, etc.). Pour les capteurs à sortie numérique, cette valeur est donnée dans Compte par unité de distance. Lors de la mesure du déplacement, cette sensibilité est utilisée pour calculer le déplacement physique par rapport au changement de sortie.

Formule de calcul du déplacement à partir d'une sortie de capteur:

Déplacement = changement de sortie / sensibilité

Capteurs de sortie de tension analogiques:

Changement de sortie en volts; Sensibilité = Volts / Unité de distance

Capteurs de sortie numérique:

Changement de sortie en nombre; Sensibilité = Compte / Unité de distance

Erreurs et problèmes de micro-déplacement

Les capteurs de déplacement capacitifs hautes performances et les capteurs de déplacement à courants de Foucault sont généralement utilisés pour mesurer des micro-déplacements. Lors de la mesure de déplacements au niveau de micro-déplacements, les sources d'erreur normalement insignifiantes deviennent un facteur plus important.

Effets thermiques sur le montage

La dilatation thermique et la contraction du système de montage qui retient les capteurs de déplacement sans contact ou l’objet cible introduiront des erreurs dans la mesure. Lorsque le projecteur se dilate ou se contracte, le capteur peut se rapprocher ou s’éloigner de l’objet cible. Le déplacement est réel et affectera la mesure, mais il ne s'agit pas d'un déplacement causé par les conditions testées. Les systèmes de montage de capteur de déplacement linéaire doivent être robustes, rigides et aussi stables thermiquement que possible. Dans les applications ultra-précises, l'environnement est étroitement contrôlé et / ou les systèmes de montage sont construits à partir d'invar ou d'autres matériaux à expansion nulle.

Montage du capteur de micro-déplacement

Outre les problèmes thermiques, la stabilité mécanique est plus complexe au niveau micro. Les capteurs de mesure de déplacement doivent être maintenus fermement en place par le système de montage. Un simple montage à vis sans tête peut ne pas être suffisamment stable pour mesurer le déplacement au niveau micro ou nanométrique.

Il existe différentes méthodes pour monter un capteur de déplacement linéaire cylindrique et lisse. L'utilisation d'une vis de réglage dans un montage traversant ne maintient la sonde qu'en deux points: la vis de réglage et le point opposé à la vis de réglage. La sonde est libre de tourner dans l’axe 90 ° par rapport à l’axe des vis de réglage. En fonction de la largeur de la surface contre laquelle la vis de réglage pousse la sonde, celle-ci peut également pivoter autour de son axe. L'augmentation de la force sur la vis de réglage n'augmentera pas la stabilité de la sonde dans ces deux autres axes.

Verrous de montage à vis de réglage

Le montage par vis de blocage verrouille la sonde le long de son axe, mais il peut rester du mouvement dans les deux autres axes, en particulier aux niveaux micro et nano.

Support de serrage

Un support de fixation est un support plus stable qu'un support à vis sans tête. Cependant, aux niveaux micro et nano, les erreurs de forme ne peuvent donner qu'une pince à deux points, un peu comme un montage à vis sans tête.

Pince à trois points

Une fixation à pince à trois points est intrinsèquement stable et non affectée par de petites erreurs de forme dans la rondeur.

Un schéma de montage du capteur de déplacement linéaire meilleur mais non parfait est un montage de type pince. Ce système de montage peut stabiliser la sonde dans les trois axes si le trou de montage et la sonde sont parfaitement ronds. Cependant, toute excentricité de l’une ou l’autre pièce donnera un système de montage à deux points semblable au système à vis de réglage.

Un système de montage optimal utilise une pince à points multiples, chaque point couvrant une longueur significative le long de l’axe de la sonde. Le système de serrage commence par une configuration de montage de serrage typique, mais élimine également le matériau du trou de serrage entre trois ou quatre points autour de la circonférence du trou de montage. L’excentricité du trou de montage et l’excentricité du capteur de mesure de déplacement linéaire sans contact n’affectent pas cette disposition; elle est stable dans les trois axes.

Autres considérations propres aux capteurs de déplacement capacitif

DiagrammeLa «taille de spot» des capteurs de déplacement capacitifs correspond à environ 130% du diamètre de la zone de détection. Pour cette raison, ils sont généralement insensibles aux objets environnants et peuvent être montés au ras de la surface du support de montage. La seule exception concerne les étalonnages qui utilisent une plage de mesure extrêmement longue par rapport à la taille de la zone de détection; Cela ne s'applique pas aux étalonnages disponibles dans le commerce pour les sondes Lion Precision.

Considérations environnementales

Les mesures de déplacement linéaire avec capteur capacitif doivent être effectuées dans un environnement propre. La mesure du déplacement sera affectée par tout élément (autre que l'air ou le vide) dans l'espace entre la sonde capacitive et l'objet qu'elle mesure.

Diagramme

Le montage de la sonde à courants de Foucault doit permettre un espace sans métal autour de la pointe d'au moins trois fois le diamètre de la sonde. Le montage encastré nécessite un contre-alésage.

Les capteurs capacitifs ont une certaine sensibilité à la température, mais les systèmes sont compensés pour les variations de température entre 20 ° C et 35 ° C avec une dérive inférieure à 0.04% FS / ° C.

Les variations typiques d'humidité n'ont pas d'effet significatif sur les mesures de déplacement capacitif. Les extrêmes d'humidité affecteront la sortie, le pire des cas étant la condensation sur la sonde ou la cible.

Autres considérations propres aux capteurs de déplacement à courants de Foucault

Les capteurs de déplacement à courants de Foucault utilisent un champ magnétique qui engloutit l'extrémité de la sonde. En conséquence, la «taille ponctuelle» des capteurs de déplacement à courants de Foucault est d’environ 300% du diamètre de la sonde. Cela signifie que tout objet métallique situé à moins de trois diamètres de la sonde affectera la sortie du capteur.

Ce champ magnétique s'étend également le long de l'axe de la sonde vers l'arrière de la sonde. Pour cette raison, la distance entre la face de détection de la sonde et le système de montage doit être au moins 1.5 fois le diamètre de la sonde. Les capteurs de déplacement à courants de Foucault ne peuvent pas être montés au ras de la surface de montage.

Si des objets gênants à proximité de la sonde sont inévitables, un étalonnage spécial, idéalement effectué avec la sonde dans l'appareil, devra être effectué.

Sondes Multiples

Lorsque plusieurs sondes sont utilisées avec la même cible, elles doivent être séparées d'au moins trois diamètres de sonde pour éviter les interférences entre les canaux. Si cela est inévitable, des étalonnages spéciaux en usine sont possibles pour minimiser les interférences.

Considérations environnementales

Les mesures de déplacement linéaire avec des capteurs à courants de Foucault sont immunisées contre les corps étrangers dans la zone de mesure. Le grand avantage des capteurs sans contact à courants de Foucault est qu'ils peuvent être utilisés dans des environnements plutôt hostiles. Tous les matériaux non conducteurs sont invisibles aux capteurs à courants de Foucault. Même les matériaux métalliques tels que les copeaux issus d'un processus d'usinage sont trop petits pour interagir de manière significative avec les capteurs.

Les capteurs à courants de Foucault ont une certaine sensibilité à la température, mais les systèmes sont compensés pour les variations de température entre 15 ° C et 65 ° C avec une dérive inférieure à 0.01% FS / ° C.

Les variations d'humidité n'ont aucun effet sur les mesures de déplacement par courants de Foucault.

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