Misura lineare di posizione e spostamento con sensori capacitivi e a correnti parassite

Nota generale sull'applicazione del sensore LA05-0060

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Sommario:

Praticamente tutte le applicazioni di sensori a corrente parassita e capacitiva sono fondamentalmente una misura di spostamento (cambio di posizione) di un oggetto. La presente nota applicativa illustra in dettaglio le specifiche per effettuare tale misurazione e ciò che è necessario per effettuare misurazioni affidabili in applicazioni di micro e nano spostamento.
I sensori capacitivi funzionano in ambienti puliti e offrono la massima precisione. I sensori a correnti parassite possono funzionare in ambienti bagnati e sporchi. Forniscono una sostituzione economica per gli interferometri laser quando le sonde possono essere montate vicino all'oggetto e gli spostamenti totali sono piccoli.

Spostamento lineare e misurazione della posizione con un sensore di spostamento lineare senza contatto

Misurazione dello spostamento lineare qui si riferisce alla misurazione del cambio di posizione di un oggetto. La misurazione lineare dello spostamento senza contatto ad alta risoluzione di oggetti conduttivi con sensori capacitivi e sensori a correnti parassite è specificamente l'argomento di questa nota applicativa. I sensori capacitivi possono anche misurare oggetti non conduttivi. Una discussione sulla misurazione di oggetti non conduttivi con sensori di spostamento capacitivo è disponibile nel nostro Teoria del sensore capacitivo di funzionamento TechNote (LT03-0020).

Termini e concetti correlati

A causa della natura ad alta risoluzione ea corto raggio dei sensori di spostamento capacitivo e dei sensori di spostamento a correnti parassite, questo è talvolta indicato come misura di micro-spostamento e i sensori come a sensore di micro-spostamento or trasduttore di micro-spostamento. Un sensore configurato per a misura di spostamento lineare a volte viene chiamato a cilindrata or calibro di spostamento.

Spostamento rispetto alla posizione assoluta

A livello micro e nano, sensori di spostamento capacitivi e correnti parassite

A livello di micro e nano, i sensori di spostamento capacitivo e a correnti parassite sono più adatti alle misurazioni di spostamento (cambio di posizione), piuttosto che alle misurazioni di posizione assoluta.

Lo spostamento è una misura del cambiamento di posizione di un oggetto. La posizione assoluta è una misura della distanza precisa tra la superficie di misurazione del sensore e l'oggetto.

I sensori capacitivi e a correnti parassite vengono utilizzati principalmente come sensori di spostamento. Nel tempo (mesi e anni), la calibrazione del sensore si sposta leggermente. Questo spostamento è principalmente un offset CC nell'uscita del sensore. Vi è anche un leggero spostamento CC rispetto alla temperatura. Questo offset CC provocherà un piccolo errore nella misurazione della posizione assoluta che aumenta nel tempo. Questi errori sono piccoli, ma a livello di sub-micron, possono influire sulla precisione.

I cambiamenti nella sensibilità (guadagno) del sensore sono molto più piccoli. La misurazione delle variazioni di posizione in tempo reale richiede una sensibilità costante e non è influenzata da spostamenti a lungo termine dell'offset CC dell'uscita. Per questo motivo, i sensori di spostamento capacitivo e a correnti parassite vengono solitamente utilizzati per misurare la posizione relativa (spostamento), non la posizione assoluta, in particolare per i micro-spostamenti in cui è necessaria una risoluzione a livello di micron o nanometri.

Lo spostamento viene solitamente misurato come risultato di alcune variabili.

Il motivo tipico per misurare lo spostamento, in particolare il micro spostamento, è determinare come un oggetto risponde a condizioni mutevoli. La misurazione dello spostamento di solito risponde alla domanda: quanto si muove quando cambia qualcos'altro?

Spostamento intenzionale: L'oggetto viene mosso intenzionalmente da un sistema di posizionamento con controllo del movimento. La misurazione dello spostamento senza contatto indica l'accuratezza dello spostamento previsto dell'oggetto.

Dimensione parte: Il sistema è configurato con una parte "master" valida nota, dopo la quale la parte master viene sostituita con una parte per il test. Le differenze nelle dimensioni della parte di prova rispetto alla parte principale sono indicate come misura di spostamento dai sensori.

Temperatura: La posizione dell'oggetto viene misurata a una temperatura iniziale. La temperatura di interesse viene modificata (spesso in modo naturale durante il funzionamento di una macchina) e una misurazione dello spostamento indica l'entità della variazione di posizione dovuta alla temperatura.

Vibrazioni: Le misurazioni di spostamento lineare vengono eseguite in tempo reale utilizzando sensori di spostamento capacitivi o a correnti parassite con un oscilloscopio o un sistema di acquisizione dati per indicare gli spostamenti dell'oggetto e le loro frequenze. Vedi il nostro Nota applicativa sulla misurazione delle vibrazioni per maggiori dettagli.

Pressione: I cuscinetti ad aria e altri cuscinetti per fluidi possono funzionare a diverse pressioni del fluido. Le misurazioni di spostamento dell'oggetto a diverse pressioni indicano il comportamento effettivo della macchina quando la pressione cambia rispetto al funzionamento previsto.

Indossare: Con l'usura dei cuscinetti e delle slitte, le misurazioni dello spostamento senza contatto delle parti mobili indicano un aumento del movimento in direzioni non intenzionali. I movimenti rotatori mostreranno spostamenti crescenti negli assi X, Y e Z mentre l'oggetto gira. Le diapositive lineari mostreranno spostamenti crescenti nei due assi perpendicolari alla direzione di marcia.

Le misure di spostamento lineare sono misure relative

Le misurazioni di spostamento lineare senza contatto sono misurazioni relative e indicano il cambiamento della posizione di un oggetto da una posizione iniziale in uno o più assi lineari. È necessario un canale di spostamento o sensore di posizione separato per ciascun asse di misurazione dello spostamento lineare.

Misurazione di spostamento lineare di base con sensori di spostamento capacitivi e a correnti parassite

Il sensore di spostamento è montato in un dispositivo in modo tale che l'oggetto da misurare rientri nell'intervallo di misurazione del sensore. Se il sensore include una regolazione zero (offset), il sensore può essere azzerato in questa posizione per facilitare l'interpretazione delle misurazioni dello spostamento lineare quando l'oggetto si sposta. Se la regolazione dello zero, se non è possibile, viene registrata l'uscita iniziale del sensore di spostamento e quel valore viene sottratto da misurazioni future per indicare il cambiamento di posizione dalla posizione iniziale.

Calcolo dello spostamento dall'uscita del sensore di spostamento

I sensori per misurare lo spostamento hanno una specifica di "sensibilità" che specifica la quantità di variazione nell'uscita rispetto a una determinata variazione nella posizione target. Per i sensori di uscita di tensione analogici, questo valore è espresso in Volt per unità di distanza o lunghezza (ad es. Mm, pollici ecc.). Per i sensori di uscita digitali, questo valore è indicato in Conti per unità di distanza. Quando si misura lo spostamento, questa sensibilità viene utilizzata per calcolare lo spostamento fisico relativo alla variazione dell'output.

Formula per il calcolo dello spostamento dall'uscita di un sensore:

Spostamento = Modifica / Sensibilità dell'uscita

Sensori di uscita analogica in tensione:

Variazione dell'uscita in Volt; Sensibilità = Volt / Unità di distanza

Sensori di uscita digitale:

Modifica dell'output nei conteggi; Sensibilità = Conti / Unità di distanza

Errori e preoccupazioni di micro-spostamento

I sensori di spostamento capacitivo ad alte prestazioni e i sensori di spostamento a correnti parassite vengono generalmente utilizzati per misurare i micro-spostamenti. Quando si misurano gli spostamenti a livello di micro-spostamento, le fonti di errore normalmente insignificanti diventano un fattore più significativo.

Effetti termici sul montaggio

L'espansione termica e la contrazione del sistema di montaggio che contiene i sensori di spostamento senza contatto o l'oggetto target introdurrà errori nella misurazione. Man mano che l'apparecchiatura si espande o si contrae, il sensore può spostarsi verso o lontano dall'oggetto target. Lo spostamento è reale e influirà sulla misurazione, ma non è uno spostamento causato da qualunque condizione venga testato. I sistemi di montaggio del sensore di spostamento lineare devono essere robusti, rigidi e il più termicamente stabili possibile. Nelle applicazioni ultraprecise l'ambiente è strettamente controllato e / o i sistemi di montaggio sono costruiti con invar o altri materiali a espansione zero.

Montaggio del sensore a micro-spostamento

Oltre alle preoccupazioni termiche, la stabilità meccanica è più complicata a livello micro. I sensori di misurazione dello spostamento devono essere tenuti saldamente in posizione dal sistema di montaggio. Un semplice innesto a vite non può essere sufficientemente stabile quando si misura lo spostamento a livello micro o nano.

Esistono diversi metodi per montare un sensore di spostamento lineare cilindrico liscio. L'uso di una vite di fermo in un attacco a foro passante mantiene la sonda solo in due punti: la vite di fermo e il punto opposto alla vite di fermo. La sonda è libera di ruotare nell'asse di 90 ° rispetto all'asse della vite di fermo. A seconda della larghezza della superficie contro la quale la vite di arresto spinge la sonda, anche la sonda può essere in grado di ruotare lungo il suo asse. L'aumento della forza sulla vite di arresto non aumenterà la stabilità della sonda in questi altri due assi.

Serrature di montaggio a vite di fermo

Il montaggio con vite di fermo blocca la sonda lungo l'asse della sonda, ma potrebbe esserci ancora movimento negli altri due assi, specialmente a livello micro e nano.

Montaggio a morsetto

Un innesto a morsetto è un innesto più stabile di un innesto a vite. Ma a livello di micro e nano, gli errori di forma possono comportare solo un morsetto a due punti molto simile a un innesto a vite.

Morsetto a tre punti

Un innesto a tre punti è intrinsecamente stabile e non influenzato da piccoli errori di forma nella rotondità.

Uno schema di montaggio del sensore di spostamento lineare migliore, ma non perfetto, è un attacco a pinza. Questo sistema di montaggio può stabilizzare la sonda su tutti e tre gli assi se il foro di montaggio e la sonda sono perfettamente rotondi. Tuttavia, qualsiasi eccentricità di entrambe le parti si tradurrà in un sistema di montaggio a due punti simile al sistema a vite senza fine.

Un sistema di montaggio ottimale utilizza un morsetto multipunto con ciascun punto che copre una lunghezza significativa lungo l'asse della sonda. Il sistema di serraggio inizia con una tipica configurazione di montaggio del morsetto, ma rimuove anche il materiale dal foro di bloccaggio tra tre o quattro punti attorno alla circonferenza del foro di montaggio. Questa disposizione non è influenzata dall'eccentricità del foro di montaggio o dall'eccentricità del sensore di misurazione dello spostamento lineare senza contatto: è stabile su tutti e tre gli assi.

Altre considerazioni esclusive dei sensori di spostamento capacitivi

DiagrammaLa "dimensione del punto" dei sensori di spostamento capacitivo è circa il 130% del diametro dell'area di rilevamento. Per questo motivo, sono generalmente immuni da qualsiasi oggetto circostante e possono essere montati a filo con la superficie della staffa di montaggio. L'unica eccezione sono le calibrazioni che utilizzano un intervallo di misurazione estremamente lungo in relazione alla dimensione dell'area di rilevamento; ciò non si applica alle calibrazioni standard disponibili per le sonde Lion Precision.

Considerazioni ambientali

Le misurazioni dello spostamento lineare con sensore capacitivo devono essere eseguite in un ambiente pulito. La misurazione dello spostamento sarà influenzata da qualsiasi cosa (diversa dall'aria o dal vuoto) nello spazio tra la sonda capacitiva e l'oggetto che sta misurando.

Diagramma

Il montaggio della sonda a correnti parassite deve consentire uno spazio privo di metallo attorno alla punta almeno tre volte il diametro della sonda. Il montaggio a filo richiede un foro interno.

I sensori capacitivi hanno una certa sensibilità alla temperatura, ma i sistemi sono compensati per le variazioni di temperatura tra 20 ° C e 35 ° C con una deriva inferiore allo 0.04% di FS / ° C.

I tipici cambiamenti di umidità non hanno un effetto significativo sulle misurazioni di spostamento capacitivo. Gli estremi di umidità influenzano l'uscita, nel peggiore dei casi si tratta di condensa sulla sonda o sul target.

Altre considerazioni esclusive dei sensori di spostamento a correnti parassite

I sensori di spostamento a correnti parassite utilizzano un campo magnetico che avvolge l'estremità della sonda. Di conseguenza, la “dimensione del punto” dei sensori di spostamento a correnti parassite è circa il 300% del diametro della sonda. Ciò significa che qualsiasi oggetto metallico entro tre diametri della sonda dalla sonda influenzerà l'uscita del sensore.

Questo campo magnetico si estende anche lungo l'asse della sonda verso la parte posteriore della sonda. Per questo motivo, la distanza tra la superficie di rilevamento della sonda e il sistema di montaggio deve essere almeno 1.5 volte il diametro della sonda. I sensori di spostamento a correnti parassite non possono essere montati a filo con la superficie di montaggio.

Se è inevitabile interferire con gli oggetti vicino alla sonda, sarà necessario eseguire una calibrazione speciale, idealmente eseguita con la sonda nell'apparecchio.

Sonde multiple

Quando vengono utilizzate più sonde con lo stesso target, devono essere separate da almeno tre diametri della sonda per evitare interferenze tra i canali. Se ciò è inevitabile, sono possibili speciali calibrazioni di fabbrica per ridurre al minimo le interferenze.

Considerazioni ambientali

Le misurazioni di spostamento lineare con sensori a correnti parassite sono immuni al materiale estraneo nell'area di misurazione. Il grande vantaggio dei sensori senza contatto a correnti parassite è che possono essere utilizzati in ambienti piuttosto ostili. Tutti i materiali non conduttivi sono invisibili ai sensori a correnti parassite. Anche i materiali metallici come i trucioli di un processo di lavorazione sono troppo piccoli per interagire in modo significativo con i sensori.

I sensori a correnti parassite hanno una certa sensibilità alla temperatura, ma i sistemi sono compensati per le variazioni di temperatura tra 15 ° C e 65 ° C con una deriva inferiore allo 0.01% di FS / ° C.

Le variazioni di umidità non hanno alcun effetto sulle misurazioni di spostamento della corrente parassita.

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