Funzionamento e ottimizzazione dei sensori capacitivi (come funzionano i sensori capacitivi e come utilizzarli in modo efficace)

TECHNOTE LT03-0020

Sensore capacitivo TechNote LT03-0020

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sommario

Questa nota tecnica esamina i concetti e la teoria del rilevamento capacitivo per aiutare a ottimizzare le prestazioni del sensore capacitivo. Definisce inoltre i termini di rilevamento capacitivo utilizzati nella letteratura e nei manuali Lion Precision.

Capacità e distanza

I sensori capacitivi senza contatto funzionano misurando le variazioni di una proprietà elettrica chiamata capacità. La capacità descrive come due oggetti conduttivi con uno spazio tra loro rispondano a una differenza di tensione applicata a loro. Quando viene applicata una tensione ai conduttori, viene creato un campo elettrico tra loro che provoca la raccolta di cariche positive e negative su ciascun oggetto (Fig. 1). Se la polarità della tensione viene invertita, anche le cariche si invertiranno.

I sensori capacitivi utilizzano una tensione alternata che provoca l'inversione continua delle cariche. Lo spostamento delle cariche crea una corrente elettrica alternata che viene rilevata dal sensore (Fig. 2). La quantità di

il flusso di corrente è determinato dalla capacità e la capacità è determinata dall'area e dalla vicinanza degli oggetti conduttivi. Gli oggetti più grandi e più vicini causano maggiore corrente rispetto agli oggetti più piccoli e più distanti. La capacità è anche influenzata dal tipo di materiale non conduttivo nello spazio tra gli oggetti.

Tecnicamente parlando, la capacità è direttamente proporzionale alla superficie degli oggetti e alla costante dielettrica del materiale tra loro e inversamente proporzionale alla distanza tra loro (Fig. 3).

Applicare una tensione a oggetti conduttivi

Figura 1
L'applicazione di una tensione a oggetti conduttivi provoca cariche positive e negative
da collezionare su ogni oggetto. Questo crea un campo elettrico nello spazio tra gli oggetti

Applicare una tensione alternata

Figura 2
L'applicazione di una tensione alternata fa sì che le cariche si spostino avanti e indietro tra gli oggetti, creando una corrente alternata che viene rilevata dal sensore.

Formula Area

Figura 3
La capacità è determinata da Area, Distanza e Dielettrico (il materiale tra i conduttori). Capacità
aumenta quando aumenta l'area o il dielettrico e diminuisce la capacità
quando la distanza aumenta.

Nelle tipiche applicazioni di rilevamento capacitivo, la sonda o il sensore è uno degli oggetti conduttivi; l'oggetto target è l'altro. (L'uso dei sensori capacitivi per rilevare la plastica e altri isolanti è discusso nella sezione target non conduttivi.) Si presume che le dimensioni del sensore e del target siano costanti così come il materiale tra loro. Pertanto, qualsiasi cambiamento nella capacità è il risultato di un cambiamento nella distanza tra la sonda e il bersaglio. L'elettronica è calibrata per generare variazioni di tensione specifiche per le corrispondenti variazioni di capacità. Queste tensioni sono ridimensionate per rappresentare cambiamenti specifici della distanza. La quantità di variazione di tensione per una determinata quantità di variazione di distanza è chiamata sensibilità. Un'impostazione di sensibilità comune è 1.0 V / 100 µm. Ciò significa che per ogni cambiamento di distanza di 100 µm, la tensione di uscita cambia esattamente 1.0 V. Con questa calibrazione, una variazione di + 2V nell'uscita indica che il target si è avvicinato di 200 µm alla sonda.

Focalizzare il campo elettrico

Quando viene applicata una tensione a un conduttore, il campo elettrico emana da ogni superficie. In un sensore capacitivo, la tensione di rilevamento viene applicata all'area di rilevamento della sonda (Figure 4, 5).

Per misurazioni accurate, il campo elettrico dall'area di rilevamento deve essere contenuto nello spazio tra la sonda e il bersaglio. Se il campo elettrico può diffondersi ad altri oggetti o ad altre aree sul bersaglio, un cambiamento nella posizione dell'altro oggetto verrà misurato come un cambiamento nella posizione del bersaglio.

Una tecnica chiamata “guardia è usata per evitare che ciò accada. Per creare una protezione, la parte posteriore e i lati dell'area di rilevamento sono circondati da un altro conduttore che viene mantenuto alla stessa tensione dell'area di rilevamento stessa (Fig. 4, 6).

Quando la tensione viene applicata all'area di rilevamento, un circuito separato applica esattamente la stessa tensione alla protezione. Poiché non vi è alcuna differenza di tensione tra l'area di rilevamento e la protezione, non esiste alcun campo elettrico tra di loro. Qualsiasi altro conduttore accanto o dietro la sonda forma un campo elettrico con la protezione anziché l'area di rilevamento. Solo la parte anteriore non custodita dell'area di rilevamento può formare un campo elettrico con il bersaglio.

Sensori capacitivi

Figura 4 Componenti della sonda del sensore capacitivo

Campo elettrico

Figura 5
Vista in spaccato che mostra un campo elettrico di area di rilevamento non custodito

Figura 6

Figura 6
Spaccato che mostra il campo di guardia che modella il campo elettrico dell'area di rilevamento


Effetti della dimensione target

La dimensione target è una considerazione primaria quando si seleziona un probe per un'applicazione specifica. Quando il campo elettrico di rilevamento è focalizzato dalla protezione, crea un campo leggermente conico che è una proiezione dell'area di rilevamento. Il diametro target minimo per la calibrazione standard è il 130% del diametro dell'area di rilevamento. Più la sonda è lontana dal bersaglio, maggiore è la dimensione minima del bersaglio.

Gamma di misura

L'intervallo in cui è utile una sonda è una funzione della dimensione dell'area di rilevamento. Maggiore è l'area, maggiore è l'intervallo. L'elettronica del driver è progettata per una certa capacità sulla sonda. Pertanto, una sonda più piccola deve essere considerevolmente più vicina all'obiettivo per raggiungere la quantità desiderata di capacità. L'elettronica è regolabile durante la calibrazione ma esiste un limite al campo di regolazione.
In generale, lo spazio massimo a cui è utile una sonda è circa il 40% del diametro dell'area di rilevamento. Le calibrazioni standard di solito mantengono lo spazio considerevolmente meno di quello.

Rilevamento di più canali

Spesso un target viene misurato simultaneamente da più sonde. Poiché il sistema misura un campo elettrico in evoluzione, la tensione di eccitazione per ciascuna sonda deve essere sincronizzata o le sonde si interferirebbero tra loro. Se non fossero sincronizzati, una sonda cercherebbe di aumentare il campo elettrico mentre un'altra tenterebbe di ridurlo dando una lettura errata.

L'elettronica del driver può essere configurata come master o slave. Il master imposta la sincronizzazione per gli slave nei sistemi a più canali.

Effetti del materiale target

Il campo elettrico sensibile sta cercando una superficie conduttiva. A condizione che il target sia un conduttore, i sensori capacitivi non sono influenzati dal materiale target specifico. Poiché il campo elettrico di rilevamento si arresta sulla superficie del conduttore, lo spessore target non influisce sulla misurazione. .

Misurazione di non conduttori

Figura 7

Figura 7
I non conduttori possono essere misurati passando il campo elettrico attraverso di essi verso un bersaglio conduttivo stazionario dietro.

I sensori capacitivi sono spesso utilizzati per misurare il cambiamento di posizione di un target conduttivo. Ma i sensori capacitivi possono essere efficaci anche per misurare la presenza, la densità, lo spessore e la posizione dei non conduttori. I materiali non conduttivi come la plastica hanno una costante dielettrica diversa dall'aria. La costante dielettrica determina come un materiale non conduttivo influisce sulla capacità tra due conduttori. Quando un non conduttore viene inserito tra la sonda e un bersaglio di riferimento stazionario, il campo di rilevamento passa attraverso il materiale al bersaglio messo a terra (Fig. 7). La presenza del materiale non conduttivo cambia il dielettrico e quindi cambia la capacità. La capacità cambierà in relazione allo spessore o alla densità del materiale.

Massima precisione

Ora che abbiamo discusso le basi di come funziona il rilevamento capacitivo, possiamo formulare strategie per massimizzare l'efficacia e minimizzare l'errore quando vengono utilizzati i sensori capacitivi. La precisione richiede che le misurazioni vengano eseguite nelle stesse condizioni in cui il sensore è stato calibrato. Che si tratti di un sensore calibrato in fabbrica o di uno calibrato durante l'uso, i risultati ripetibili provengono da condizioni ripetibili. Se vogliamo solo che la distanza influenzi la misurazione, allora tutte le altre variabili devono essere costanti. Le seguenti sezioni illustrano le fonti di errore più comuni e come minimizzarle.

Massima precisione: dimensioni target

Figura 9

Figura 9
Un target sottodimensionato provoca l'estensione del campo di rilevamento ai lati del target, introducendo un errore

Se non diversamente specificato, le calibrazioni di fabbrica vengono eseguite con un target conduttivo piatto che è considerevolmente più grande dell'area di rilevamento. Un sensore calibrato in questo modo darà risultati accurati quando si misura un bersaglio piatto più grande del 30% rispetto all'area di rilevamento. Se l'area del bersaglio è troppo piccola, il campo elettrico inizierà ad avvolgersi attorno ai lati del bersaglio, il che significa che il campo elettrico si estende più di quanto non abbia fatto durante la calibrazione e misurerà il bersaglio più lontano (Fig. 9). In questo caso, la sonda deve essere più vicina al bersaglio per lo stesso punto zero. Poiché questa distanza differisce dalla calibrazione originale, verrà introdotto un errore. Viene inoltre creato un errore perché la sonda non misura più una superficie piana.

Se la distanza tra la sonda e il bersaglio è considerata l'asse Z, un ulteriore problema di un bersaglio sottodimensionato è che il sensore diventa sensibile alla posizione X e Y della sonda. Senza modificare il gap, l'uscita cambierà in modo significativo se la sonda viene spostata sull'asse X o Y perché una parte inferiore del campo elettrico va al centro del bersaglio e più passa ai lati.

Massima precisione: forma del bersaglio

Figura 10

Figura 10 Un bersaglio curvo richiederà che la sonda sia più vicina e che la sensibilità sia influenzata

Anche la forma è una considerazione. Poiché le sonde sono calibrate su un bersaglio piatto, la misurazione di un bersaglio con una superficie curva causerà errori (Fig. 10). Poiché la sonda misurerà la distanza media dall'obiettivo, la distanza a zero volt sarà diversa rispetto a quando il sistema è stato calibrato. Verranno inoltre introdotti errori a causa del diverso comportamento del campo elettrico con la superficie curva. Nei casi in cui è necessario misurare un target non piatto, il sistema può essere calibrato in fabbrica sulla forma finale del target. In alternativa, quando si utilizzano calibrazioni piatte con superfici curve, è possibile fornire moltiplicatori per correggere il valore di misurazione.

Massima precisione: finitura superficiale

Quando la superficie del bersaglio non è perfettamente liscia, il sistema eseguirà la media dell'area coperta dalla dimensione del punto del sensore. Il valore di misurazione può cambiare quando la sonda viene spostata sulla superficie a causa di un cambiamento nella posizione media della superficie. L'entità di questo errore dipende dalla natura e dalla simmetria delle irregolarità della superficie.

Massima precisione: parallelismo

Durante la calibrazione la superficie del sensore è parallela alla superficie target. Se la sonda o il bersaglio viene inclinato in modo significativo, la forma del punto in cui il campo colpisce il bersaglio si allunga e cambia l'interazione del campo con il bersaglio. A causa del diverso comportamento del campo elettrico, verranno introdotti errori di misurazione. Ad alte risoluzioni, anche pochi gradi possono introdurre errori. Il parallelismo deve essere considerato quando si progetta un dispositivo per la misurazione.

Massima precisione: ambiente

Sistemi di sensori capacitivi Lion Precision sono compensati per ridurre al minimo la deriva dovuta alla temperatura da 22 ° C a 35 ° C (72 ° F - 95 ° F). In questo intervallo di temperatura, gli errori sono inferiori allo 0.5% del fondo scala. 

Un problema più problematico è che praticamente tutti i materiali utilizzati negli obiettivi e nei dispositivi presentano un'espansione e una contrazione significative in questo intervallo di temperature. Quando ciò accade, i cambiamenti relativi alla temperatura nella misurazione non sono errori di calibro. Sono cambiamenti reali nel divario tra il bersaglio e la sonda. Un'attenta progettazione del dispositivo contribuisce a ridurre al minimo questo errore e a massimizzare la precisione.

La costante dielettrica dell'aria è influenzata dall'umidità. All'aumentare dell'umidità aumenta la costante dielettrica. L'umidità può anche interagire con i materiali di costruzione della sonda. Dati sperimentali mostrano che i cambiamenti dal 50% RH all'80% RH possono causare errori fino allo 0.5% del fondo scala.

Mentre i materiali della sonda Lion Precision sono selezionati per ridurre al minimo questi errori, nelle applicazioni che richiedono la massima precisione, il controllo della temperatura e dell'umidità è una pratica standard. Le norme internazionali specificano che le misurazioni devono essere eseguite a 20 ° C o corrette alla "lunghezza reale" a 20 ° C.

Taratura di fabbrica

Il sistema di calibrazione del sensore capacitivo Lion Precision è stato progettato in collaborazione con Professional Instruments, leader mondiale nella progettazione di mandrini e slitte con cuscinetti ad aria. Il suo design all'avanguardia è guidato da un'elettronica di controllo del movimento di precisione con precisione di posizionamento inferiore a 0.012 µm di incertezza.
Il sistema di calibrazione è certificato su base regolare con un interferometro laser tracciabile NIST. Anche le apparecchiature di misurazione utilizzate durante la calibrazione (misuratori digitali e generatori di segnali) sono calibrate secondo gli standard tracciabili NIST. Le informazioni di calibrazione per ciascuna di queste apparecchiature sono archiviate per la verifica della tracciabilità.

I tecnici utilizzano il sistema di calibrazione per posizionare con precisione un target di calibrazione a distanze note dal sensore capacitivo. Le misure in questi punti vengono raccolte e la sensibilità e la linearità vengono analizzate dal sistema di calibrazione. L'analisi dei dati viene utilizzata per regolare il sistema da calibrare per soddisfare le specifiche dell'ordine.

Dopo che la sensibilità e la linearità sono state calibrate, i sistemi di sensori capacitivi sono collocati in una camera ambientale in cui i circuiti di compensazione della temperatura sono calibrati per ridurre al minimo la deriva nell'intervallo di temperatura da 22 ° C a 35 ° C. Vengono inoltre misurate la larghezza di banda e il rumore di uscita che influiscono sulla risoluzione.

Al termine della calibrazione, viene generato un certificato di calibrazione. Questo certificato viene spedito con il sistema ordinato e archiviato. I certificati di calibrazione sono conformi alla sezione 4.8 della ISO 10012-1.

Sensibilità

Sensibilità - La pendenza della linea è la sensibilità; in questo caso 1V / 0.05 mm.

Sensibilità - La pendenza della linea è la sensibilità; in questo caso 1V / 0.05 mm.

La sensibilità indica quanto cambia la tensione di uscita a seguito di una variazione nello spazio tra il target e il sensore capacitivo. Una sensibilità comune è 1 V / 0.1 mm. Ciò significa che per ogni 0.1 mm di variazione nel gap, la tensione di uscita cambierà 1V. Quando la tensione di uscita viene tracciata rispetto alla dimensione del gap, la pendenza della linea è la sensibilità.

Errore di sensibilità

Errore di sensibilità: la pendenza delle misurazioni effettive devia dalla pendenza ideale.

Errore di sensibilità: la pendenza delle misurazioni effettive devia dalla pendenza ideale.

La sensibilità di un sensore viene impostata durante la calibrazione. Quando la sensibilità si discosta dal valore ideale, questo si chiama errore di sensibilità, errore di guadagno o errore di ridimensionamento. Poiché la sensibilità è la pendenza di una linea, l'errore di sensibilità viene generalmente presentato come percentuale di pendenza; confrontando la pendenza ideale con la pendenza effettiva.

Errore di offset

L'errore di offset si verifica quando viene aggiunto un valore costante

Errore offset: a tutte le misurazioni viene aggiunto un valore costante

Errore offset: viene aggiunto un valore costante a tutte le misurazioni.

la tensione di uscita del sistema. I sistemi di sensori capacitivi vengono generalmente “azzerati” durante l'installazione, eliminando qualsiasi deviazione di offset dalla calibrazione originale. Tuttavia, se l'errore di offset cambia dopo l'azzeramento del sistema, l'errore verrà introdotto nella misurazione. Il cambiamento di temperatura è il fattore principale nell'errore di offset. I sistemi Lion Precision sono compensati per errori di offset relativi alla temperatura per mantenerli inferiori allo 0.04% di FS / ° C.

Errore di linearità

Errore di linearità: i dati di misurazione non sono su una linea retta

Errore di linearità: i dati di misurazione non sono su una linea retta.

La sensibilità può variare leggermente tra due punti qualsiasi di dati. Questa variazione si chiama errore di linearità. La specifica di linearità è la misura di quanto varia l'output da una linea retta.

Per calcolare l'errore di linearità, i dati di calibrazione vengono confrontati con la linea retta che si adatterebbe meglio ai punti. Questa linea di riferimento retta viene calcolata dai dati di calibrazione usando una tecnica chiamata raccordo dei minimi quadrati. La quantità di errore nel punto della curva di calibrazione più lontano da questa linea ideale è l'errore di linearità. L'errore di linearità è generalmente espresso in termini di percentuale del fondo scala. Se l'errore nel punto peggiore fosse 0.001 mm e l'intervallo di fondo scala della calibrazione fosse 1 mm, l'errore di linearità sarebbe dello 0.1%.
Si noti che l'errore di linearità non tiene conto degli errori di sensibilità. È solo una misura della rettilineità della linea e non della pendenza della linea. Un sistema con gravi errori di sensibilità può essere molto lineare.

Banda di errore

La banda di errore tiene conto della combinazione di linearità ed errori di sensibilità. È la misurazione dell'errore assoluto nel caso peggiore nell'intervallo calibrato. La banda di errore viene calcolata confrontando le tensioni di uscita a lacune specifiche con il loro valore previsto. L'errore peggiore di questo confronto è elencato come banda di errore del sistema.

divario
(Mm)

Previsto
Valore
(VDC)

Reale
Valore
(VDC)

Errore
(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

Banda di errore: la deviazione del caso peggiore dei valori misurati dai valori attesi in un grafico di calibrazione. In questo caso, la banda di errore è -0.010 mm.

Larghezza di banda

La larghezza di banda è definita come la frequenza alla quale l'uscita scende a -3 dB. Questa frequenza è anche chiamata frequenza di taglio. Una caduta di -3dB nel livello del segnale equivale a una caduta di circa il 70% della tensione di uscita effettiva. Con una larghezza di banda di 15 kHz, una variazione di ± 1 V a bassa frequenza produce solo una variazione di ± 0.7 V a 15 kHz. Oltre a rilevare il movimento ad alta frequenza, le uscite a risposta rapida massimizzano il margine di fase quando utilizzate nei sistemi di feedback servocontrollo. Alcuni driver forniscono larghezza di banda selezionabile per massimizzare la risoluzione o i tempi di risposta.

Risoluzione

Rumore da un sensore da 15kHz

Figura 14
Rumore da un sensore da 15kHz

La risoluzione è definita come la più piccola misura affidabile che un sistema può effettuare. La risoluzione di un sistema di misurazione deve essere migliore dell'accuratezza finale richiesta dalla misurazione. Se è necessario conoscere una misurazione entro 0.02 µm, la risoluzione del sistema di misurazione deve essere migliore di 0.02 µm. 
Il principale fattore determinante della risoluzione è il rumore elettrico. Il rumore elettrico appare nella tensione di uscita causando piccoli errori istantanei nell'uscita. Anche quando il gap sonda / target è perfettamente costante, la tensione di uscita del driver ha una piccola ma misurabile quantità di rumore che sembra indicare che il gap sta cambiando. Questo rumore è inerente ai componenti elettronici e può essere ridotto al minimo, ma mai eliminato.
Se un driver ha un rumore di uscita di 0.002 V con una sensibilità di 10 V / 1 mm, allora ha un rumore di uscita di 0.000,2 mm (0.2 µm). Ciò significa che in qualsiasi momento, l'uscita potrebbe avere un errore di 0.2 µm.

Rumore da un sensore da 100Hz

Figura 15
Rumore da un sensore da 100Hz

La quantità di rumore nell'uscita è direttamente correlata alla larghezza di banda. In generale, il rumore viene distribuito uniformemente su una vasta gamma di frequenze. Se le frequenze più alte vengono filtrate prima dell'uscita, il risultato è meno rumore e una migliore risoluzione (Figg. 14, 15). Quando si esaminano le specifiche di risoluzione, è fondamentale sapere a quale larghezza di banda si applicano le specifiche. Vedi il nostro articolo completo sulle relazioni tra risoluzione e larghezza di banda e su come essere sicuri di ottenere informazioni accurate dai fogli dati.

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