静電容量センサーの動作と最適化(静電容量センサーの機能と効果的な使用方法)

テクノートLT03-0020

静電容量センサーTechNote LT03-0020

著作権©2012 Lion Precision。 www.lionprecision.com

サマリー

このテクニカルノートでは、静電容量式センサーの性能と最適化に役立つ静電容量式センシングの概念と理論を確認します。 また、Lion Precisionの文献およびマニュアル全体で使用されている静電容量式センシング用語も定義しています。

静電容量と距離

非接触静電容量センサーは、静電容量と呼ばれる電気特性の変化を測定することで機能します。 静電容量は、1つの導電性オブジェクトの間にスペースがある場合、それらに印加される電圧差にどのように反応するかを示します。 導体に電圧が印加されると、導体間に電界が発生し、各オブジェクトに正と負の電荷が集まります(図XNUMX)。 電圧の極性が反転すると、電荷も反転します。

静電容量センサーは交流電圧を使用するため、電荷の位置が継続的に反転します。 電荷の移動は、センサーによって検出される交流電流を生成します(図2)。 の量

電流は静電容量によって決まり、静電容量は導電性物体の面積と近接度によって決まります。 大きくて近いオブジェクトは、小さくて遠くのオブジェクトよりも大きな電流を引き起こします。 静電容量は、オブジェクト間のギャップ内の非導電性材料の種類によっても影響を受けます。

技術的に言えば、静電容量は物体の表面積と物体間の材料の誘電率に直接比例し、物体間の距離に反比例します(図3)。

図1
導電性物体に電圧を印加すると、正および負の電荷が発生します
各オブジェクトで収集します。 これにより、オブジェクト間の空間に電界が作成されます

図2
交流電圧を印加すると、電荷が物体間を行き来し、センサーによって検出される交流電流が発生します。

図3
静電容量は、面積、距離、および誘電体(導体間の材料)によって決まります。 キャパシタンス
面積または誘電体が増加すると増加し、静電容量は減少します
距離が増加したとき。

一般的な静電容量センシングアプリケーションでは、プローブまたはセンサーは導電性オブジェクトの1.0つです。 ターゲットオブジェクトはもう一方です。 (静電容量センサーを使用したプラスチックやその他の絶縁体の検知については、非導電性ターゲットのセクションで説明します。)センサーとターゲットのサイズは、それらの間の材料と同様に一定であると想定されます。 したがって、静電容量の変化は、プローブとターゲット間の距離の変化の結果です。 電子回路は、静電容量の対応する変化に対して特定の電圧変化を生成するように較正されます。 これらの電圧は、距離の特定の変化を表すためにスケーリングされます。 一定の距離変化に対する電圧変化の量を感度と呼びます。 一般的な感度設定は100V / 100µmです。 つまり、距離が1.0µm変化するたびに、出力電圧は正確に2V変化します。 このキャリブレーションでは、出力の+ 200Vの変化は、ターゲットがプローブにXNUMXµm近く移動したことを意味します。

電界に焦点を合わせる

導体に電圧が印加されると、電界があらゆる表面から放出されます。 静電容量センサーでは、検知電圧がプローブの検知エリアに印加されます(図4、5)。

正確な測定を行うには、検出領域からの電界をプローブとターゲットの間の空間に閉じ込める必要があります。 電界がターゲット上の他のアイテムまたは他の領域に広がることが許可されている場合、他のアイテムの位置の変化はターゲットの位置の変化として測定されます。

これを防ぐために、「ガード」と呼ばれる手法が使用されます。 ガードを作成するために、検知エリアの背面と側面は、検知エリア自体と同じ電圧に保たれた別の導体で囲まれています(図4、6)。

電圧が検出領域に印加されると、別の回路がまったく同じ電圧をガードに印加します。 検知エリアとガードの間に電圧差がないため、それらの間に電界はありません。 プローブの横または後ろにある他の導体は、検知エリアの代わりにガードと電界を形成します。 検知エリアの保護されていない前面のみが、ターゲットと電界を形成できます。

図4静電容量センサープローブコンポーネント

図5
保護されていない検知エリアの電界を示す断面図

図6
検知エリアの電界を形成するガードフィールドを示す断面図


ターゲットサイズの影響

ターゲットサイズは、特定のアプリケーション用のプローブを選択する際の主要な考慮事項です。 センシング電界がガードによって集束されると、センシング領域の投影であるわずかに円錐形の電界が作成されます。 標準キャリブレーションの最小ターゲット直径は、検知エリアの直径の130%です。 プローブがターゲットから遠いほど、最小ターゲットサイズは大きくなります。

測定範囲

プローブが有用な範囲は、検知エリアのサイズの関数です。 面積が大きいほど、範囲が広くなります。 ドライバの電子回路は、プローブでの一定量の静電容量用に設計されています。 したがって、目的の容量を実現するには、小さいプローブをターゲットにかなり近づける必要があります。 電子機器はキャリブレーション中に調整可能ですが、調整範囲には制限があります。
一般に、プローブが有用な最大ギャップは、検知エリアの直径の約40%です。 通常、標準のキャリブレーションでは、ギャップがそれよりもかなり小さくなります。

マルチチャンネルセンシング

多くの場合、ターゲットは複数のプローブで同時に測定されます。 システムは変化する電界を測定するため、各プローブの励起電圧を同期させる必要があります。そうしないと、プローブが互いに干渉します。 それらが同期されていない場合、あるプローブは電界を増加させようとし、別のプローブはそれを減少させようとし、それによって誤った読み取り値を与えます。

ドライバー電子機器は、マスターまたはスレーブとして構成できます。 マスターは、複数チャンネルシステムのスレーブの同期を設定します。

ターゲット材料の効果

検知電界は導電性表面を探しています。 ターゲットが導体である場合、静電容量センサーは特定のターゲット材料の影響を受けません。 センシング電界は導体の表面で停止するため、ターゲットの厚さは測定に影響しません。 。

不導体の測定

図7
非導電体は、電場を通過させて背後の静止導電性ターゲットに到達させることで測定できます。

静電容量センサは、導電性ターゲットの位置の変化を測定するために最もよく使用されます。 しかし、静電容量センサーは、非導体の存在、密度、厚さ、および位置の測定にも有効です。 プラスチックのような非導電性材料は、空気とは異なる誘電率を持っています。 誘電率は、非導電性材料が7つの導体間の静電容量にどのように影響するかを決定します。 プローブと静止した基準ターゲットの間に不導体が挿入されると、検知フィールドは材料を通過して接地ターゲットに到達します(図XNUMX)。 非導電性材料が存在すると、誘電体が変化するため、静電容量が変化します。 静電容量は、材料の厚さまたは密度に応じて変化します。

精度を最大化する

静電容量センシングの仕組みの基本について説明したので、静電容量センサーを使用した場合の効果を最大化し、エラーを最小化するための戦略を立てることができます。 精度を確保するには、センサーが較正されたのと同じ条件下で測定を行う必要があります。 工場で較正されたセンサーであろうと、使用中に較正されたセンサーであろうと、再現可能な結果は再現可能な条件からもたらされます。 距離だけが測定に影響するようにしたい場合、他の変数はすべて一定でなければなりません。 次のセクションでは、一般的なエラーの原因とそれらを最小化する方法について説明します。

精度の最大化:ターゲットサイズ

図9
ターゲットが小さすぎると、検知フィールドがターゲットの両側に広がり、エラーが発生します

特に指定がない限り、工場でのキャリブレーションは、検知エリアよりもかなり大きい平坦な導電性ターゲットを使用して行われます。 この方法でキャリブレーションされたセンサーは、検知エリアよりも30%以上大きい平らなターゲットを測定する場合に正確な結果を提供します。 ターゲット領域が小さすぎると、電界がターゲットの側面に回り始めます。つまり、電界は較正時よりも遠くに広がり、ターゲットを遠くまで測定します(図9)。 この場合、プローブは同じゼロポイントのターゲットにより近くなければなりません。 この距離は元のキャリブレーションと異なるため、誤差が生じます。 プローブが平面を測定しなくなったため、エラーも発生します。

プローブとターゲット間の距離がZ軸と見なされる場合、サイズが小さいターゲットの追加の問題は、センサーがプローブのXおよびY位置に敏感になることです。 ギャップを変更せずに、プローブがX軸またはY軸のいずれかに移動すると、ターゲットの中心に向かう電界が少なくなり、側面に向かう電界が大きくなるため、出力は大きく変化します。

精度の最大化:ターゲット形状

図10湾曲したターゲットでは、プローブを近づける必要があり、感度が影響を受けます

形状も考慮事項です。 プローブは平らなターゲットに対して較正されているため、曲面のあるターゲットを測定するとエラーが発生します(図10)。 プローブはターゲットまでの平均距離を測定するため、ゼロボルトでのギャップはシステムが較正されたときとは異なります。 湾曲した表面での電界の異なる動作のために、エラーも導入されます。 平らでないターゲットを測定する必要がある場合、システムは最終的なターゲット形状に合わせて工場で調整できます。 または、曲面でフラットキャリブレーションを使用する場合は、乗算器を使用して測定値を修正できます。

精度の最大化:表面仕上げ

ターゲット表面が完全に滑らかでない場合、システムはセンサーのスポットサイズでカバーされるエリア全体で平均化されます。 表面の平均位置の変化により、プローブが表面上を移動すると、測定値が変化する可能性があります。 この誤差の大きさは、表面の不規則性の性質と対称性に依存します。

精度の最大化:並列処理

キャリブレーション中、センサーの表面はターゲット表面に平行です。 プローブまたはターゲットをかなり傾けると、フィールドがターゲットに当たるスポットの形状が長くなり、フィールドとターゲットの相互作用が変化します。 電界の挙動が異なるため、測定誤差が生じます。 高解像度では、数度でも誤差が生じる可能性があります。 測定用のフィクスチャを設計するときは、並列性を考慮する必要があります。

精度の最大化:環境

Lion Precision静電容量センサーシステム 22°C– 35°C(72°F– 95°F)の温度によるドリフトを最小限に抑えるように補正されています。 この温度範囲では、誤差はフルスケールの0.5%未満です。 

さらに厄介な問題は、ターゲットとフィクスチャで使用されるほぼすべての材料が、この温度範囲で大幅な膨張と収縮を示すことです。 この場合、測定における温度関連の変化はゲージ誤差ではありません。 それらは、ターゲットとプローブ間のギャップの実際の変化です。 慎重なフィクスチャ設計は、このエラーを最小限に抑え、精度を最大限に高めることに役立ちます。

空気の誘電率は湿度の影響を受けます。 湿度が上がると、誘電率が上がります。 湿度は、プローブの構成材料とも相互作用します。 実験データは、50%RHから80%RHに変更すると、フルスケールの最大0.5%のエラーが発生する可能性があることを示しています。

これらの誤差を最小限に抑えるためにLion Precisionのプローブ材料が選択されていますが、最高の精度を必要とするアプリケーションでは、温度と湿度の制御が標準的な方法です。 国際規格では、測定は20°Cで行われるか、20°Cで「真の長さ」に修正されることを指定しています。

工場校正

Lion Precisionの静電容量式センサーキャリブレーションシステムは、エアベアリングスピンドルおよびスライド設計の世界的リーダーであるProfessional Instrumentsと協力して設計されました。 最先端のデザインは、位置精度が0.012µm未満の高精度モーションコントロールエレクトロニクスによって駆動されます。
キャリブレーションシステムは、NISTトレーサブルレーザー干渉計で定期的に認証されています。 キャリブレーション中に使用される測定機器(デジタルメーターと信号発生器)も、NISTトレーサブル規格に合わせてキャリブレーションされます。 これらの各機器のキャリブレーション情報は、トレーサビリティの検証のためにファイルに保存されます。

技術者はキャリブレーションシステムを使用して、静電容量センサーまでの既知の距離にキャリブレーションターゲットを正確に配置します。 これらのポイントでの測定値が収集され、感度と直線性がキャリブレーションシステムによって分析されます。 データの分析は、注文仕様を満たすように較正されるシステムを調整するために使用されます。

感度と直線性が較正された後、静電容量センサーシステムは、22°C〜35°Cの温度範囲でドリフトを最小限に抑えるために温度補償回路が較正される環境チャンバーに配置されます。 また、分解能に影響する帯域幅と出力ノイズの測定も行われます。

キャリブレーションが完了すると、キャリブレーション証明書が生成されます。 この証明書は注文したシステムに同梱されてアーカイブされます。 校正証明書は、ISO 4.8-10012のセクション1に準拠しています。

感度

感度–線の傾きが感度です。 この場合、1V /0.05mmです。

感度は、ターゲットと静電容量センサー間のギャップの変化の結果として、出力電圧がどれだけ変化するかを示します。 一般的な感度は1V / 0.1mmです。 これは、ギャップが0.1mm変化するごとに、出力電圧が1V変化することを意味します。 出力電圧をギャップサイズに対してプロットすると、線の傾きが感度になります。

感度誤差

感度誤差–実際の測定値の傾きが理想的な傾きから外れています。

センサーの感度は、キャリブレーション中に設定されます。 感度が理想値から逸脱する場合、これは感度誤差、ゲイン誤差、またはスケーリング誤差と呼ばれます。 感度は線の勾配であるため、感度誤差は通常、勾配の割合として表されます。 理想的な勾配と実際の勾配を比較します。

オフセット誤差

定数エラーが追加されるとオフセットエラーが発生します

オフセットエラー–すべての測定値に一定の値が追加されます。

システムの出力電圧。 容量性センサーシステムは通常、セットアップ中に「ゼロ化」され、元のキャリブレーションからのオフセット偏差がなくなります。 ただし、システムのゼロ調整後にオフセット誤差が変化すると、測定に誤差が生じます。 温度変化はオフセット誤差の主な要因です。 Lion Precisionシステムは、温度に関連するオフセット誤差を補正して、0.04%FS /°C未満に保ちます。

直線性誤差

直線性エラー–測定データが直線上にありません。

感度は、データのXNUMXつのポイント間でわずかに異なる場合があります。 この変動は直線性誤差と呼ばれます。 直線性の仕様は、出力が直線からどれだけ変化するかの測定値です。

直線性誤差を計算するために、キャリブレーションデータは、ポイントに最適な直線と比較されます。 この直線の基準線は、最小二乗近似と呼ばれる手法を使用して、キャリブレーションデータから計算されます。 この理想的な線から最も遠い検量線上の点での誤差の量が直線性誤差です。 直線性誤差は通常、フルスケールのパーセントで表されます。 最悪のポイントでの誤差が0.001mmで、キャリブレーションのフルスケール範囲が1mmの場合、直線性誤差は0.1%になります。
線形性誤差は感度の誤差を考慮しないことに注意してください。 これは線の直線性の尺度であり、線の勾配ではありません。 総感度誤差のあるシステムは、非常に線形になる可能性があります。

エラーバンド

エラーバンドは、線形性と感度のエラーの組み合わせを考慮します。 これは、校正範囲内の最悪の場合の絶対誤差の測定値です。 エラーバンドは、特定のギャップでの出力電圧を期待値と比較することで計算されます。 この比較からの最悪の場合のエラーは、システムのエラー帯域としてリストされます。

ギャップ
(MM)

期待

(VDC)

実際

(VDC)

エラー
(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

エラーバンド–キャリブレーションチャートの期待値からの測定値の最悪の場合の偏差。 この場合、エラーバンドは-0.010mmです。

応答周波数

帯域幅は、出力が-3dBに低下する周波数として定義されます。 この周波数はカットオフ周波数とも呼ばれます。 信号レベルの-3dBの低下は、実際の出力電圧の約70%の低下に相当します。 15kHzの帯域幅では、低周波数で±1Vの変化は0.7kHzで±15Vの変化しか生じません。 高周波運動の検知に加えて、高速応答出力は、サーボ制御フィードバックシステムで使用される場合、位相マージンを最大化します。 一部のドライバーは、解像度または応答時間を最大化するために選択可能な帯域幅を提供します。

分解能

図14
15kHzセンサーからのノイズ

解像度は、システムが実行できる最小の信頼できる測定として定義されます。 測定システムの分解能は、測定に必要な最終精度よりも優れている必要があります。 0.02µm以内の測定値を知る必要がある場合、測定システムの分解能は0.02µmより優れている必要があります。 
解像度の主な決定要因は電気ノイズです。 出力電圧に電気的ノイズが現れ、出力に小さな瞬間誤差が生じます。 プローブ/ターゲットのギャップが完全に一定である場合でも、ドライバーの出力電圧には、ギャップが変化していることを示すと思われる、わずかではあるが測定可能なノイズがあります。 このノイズは電子部品に固有のものであり、最小限に抑えることはできますが、排除することはできません。
ドライバの感度が0.002V / 10mmで1Vの出力ノイズがある場合、0.000,2mm(0.2µm)の出力ノイズがあります。 これは、任意の時点で、出力の誤差が0.2µmになる可能性があることを意味します。

図15
100Hzセンサーからのノイズ

出力のノイズ量は帯域幅に直接関係します。 一般的に、ノイズは広範囲の周波数に均一に分布しています。 出力の前に高い周波数をフィルタリングすると、ノイズが少なくなり、解像度が向上します(図14、15)。 解像度の仕様を調べる場合、仕様が適用される帯域幅を知ることが重要です。 ご覧ください 完全な記事 解像度と帯域幅の関係、およびデータシートから正確な情報を確実に取得する方法について説明します。

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