静電容量センサーと渦電流センサーの比較

テクノートLT05-0011

一般センサーTechNote LT05-0011

著作権©2009 Lion Precision。 www.lionprecision.com

賃貸システムの概要

静電容量技術と渦電流技術を使用した非接触センサーは、それぞれさまざまなアプリケーションの長所と短所のユニークな組み合わせを表しています。 このXNUMXつの技術の長所を比較することで、アプリケーションに最適な技術を選択できます。

比較表

以下の詳細を含むクイックリファレンス。

•• 最良の選択、  機能選択、  オプションではない

因子

静電容量方式

渦電流

汚れた環境 ••
小さなターゲット ••
広い範囲 ••
薄い素材 ••
素材の多様性 ••
複数のプローブ ••
プローブの取り付けが簡単 ••
分解能 ••
応答周波数 ••
コスト ••

センサー構造

図1.容量性プローブの構造

静電容量センサーと渦電流センサーの違いを理解するには、それらがどのように構成されているかを見ることから始めます。 静電容量式プローブの中心には検出素子があります。 このステンレス鋼片は、ターゲットまでの距離を感知するために使用される電界を生成します。 絶縁層によって検出素子から分離されているのは、同じくステンレス鋼製のガードリングです。 ガードリングは検出素子を囲み、電界をターゲットに向けて集束します。 いくつかの電子部品が検出素子とガードリングに接続されています。 これらの内部アセンブリはすべて、絶縁層で囲まれ、ステンレススチールハウジングに入れられています。 ハウジングは、ケーブルの接地シールドに接続されています(図1)。

図2.渦電流プローブの構造

渦電流プローブの主要な機能部品は、検知コイルです。 これは、プローブの端近くのワイヤのコイルです。 交流電流がコイルに流れ、交流磁場が発生します。 このフィールドは、ターゲットまでの距離を検知するために使用されます。 コイルは、プラスチックとエポキシでカプセル化され、ステンレス鋼のハウジングに取り付けられています。 渦電流センサーの磁場は、簡単に焦点を合わせられないため

静電容量センサーの電界では、エポキシで覆われたコイルが鋼製のハウジングから伸びており、すべての検知フィールドがターゲットに係合します(図2)。

スポットサイズ、ターゲットサイズ、および範囲

図3.容量性プローブのスポットサイズ

非接触センサーのプローブの検知フィールドは、特定の領域でターゲットに作用します。 この領域のサイズは、スポットサイズと呼ばれます。 ターゲットはスポットサイズよりも大きくする必要があります。そうしないと、特別なキャリブレーションが必要になります。スポットサイズは常にプローブの直径に比例します。 プローブの直径とスポットサイズの比率は、静電容量センサーと渦電流センサーで大きく異なります。 これらの異なるスポットサイズは、異なる最小ターゲットサイズになります。

静電容量センサーは、検知に電界を使用します。 このフィールドは、プローブ上のガードリングによって集束され、検出素子の直径よりもスポットサイズが約30%大きくなります(図3)。 検出範囲と検出素子の直径の一般的な比率は1:8です。 これは、範囲のすべての単位で、検出素子の直径が500倍大きくなければならないことを意味します。 たとえば、4000µmの検出範囲では、4µm(XNUMXmm)の検出素子直径が必要です。 この比率は一般的なキャリブレーション用です。 高解像度および拡張範囲のキャリブレーションは、この比率を変更します。

図4.渦電流プローブのスポットサイズ

渦電流センサーは、プローブの端を完全に囲む磁場を使用します。 これにより、比較的大きな検出フィールドが作成され、スポットサイズがプローブの検出コイル直径の約4倍になります(図1)。 渦電流センサーの場合、検知範囲と検知コイルの直径の比は3:500です。 つまり、範囲のすべての単位で、コイルの直径は1500倍大きくなければなりません。 この場合、同じ1.5µmの検知範囲で必要なのは、直径XNUMXµm(XNUMXmm)の渦電流センサーだけです。

検知技術を選択するときは、目標サイズを考慮してください。 ターゲットが小さい場合、静電容量センシングが必要になる場合があります。 ターゲットをセンサーのスポットサイズよりも小さくする必要がある場合は、固有の測定誤差を特別なキャリブレーションで補正できる場合があります。

センシング技術

静電容量センサーと渦電流センサーは、さまざまな手法を使用してターゲットの位置を決定します。 精密変位測定に使用される静電容量センサーは、通常500 kHz〜1MHzの高周波電界を使用します。 電界は、検出素子の表面から放出されます。 検出フィールドをターゲットに集中させるために、ガードリングは、検出要素のフィールドをターゲット以外のすべてから分離する、別個の同一の電界を作成します(図5)。

図5.容量性プローブの保護

電界に流れる電流の量は、部分的には、検知素子とターゲット表面の間の静電容量によって決まります。 ターゲットと検出素子のサイズは一定であるため、ギャップ内の材料が変化しないと仮定すると、静電容量はプローブとターゲット間の距離によって決まります。 プローブとターゲットの間の距離が変化すると、静電容量が変化し、それにより検出素子の電流が変化します。 センサーの電子回路は、この電流の大きさに比例する較正された出力電圧を生成し、その結果、目標位置が示されます。

渦電流センサーは電界ではなく、磁場を使用してターゲットまでの距離を感知します。 検知は、検知コイルに交流電流を流すことから始まります。 これにより、コイルの周囲に交番磁界が作成されます。 この交番磁場が導電性ターゲットと相互作用すると、ターゲット材料に渦電流と呼ばれる電流が誘導されます。 この渦電流は、検出コイルの磁場に対抗する独自の磁場を生成します(図6)。

図6磁場が誘導する
導電性ターゲットの渦電流

ターゲット内の渦電流が検知場に対抗すると、検知コイルのインピーダンスが変化します。 インピーダンスの変化量は、ターゲットとプローブ内の検知コイルの間の距離に依存します。 インピーダンスに依存する検出コイルの電流は、プローブに対するターゲットの位置を示す出力電圧を生成するために処理されます。

エラーの原因

渦電流センサーは、磁場の変化を使用してターゲットまでの距離を決定します。 静電容量センサーは静電容量の変化を使用します。 ターゲットまでの距離以外にも、磁場や静電容量を変化させる要因があります。 これらの要因は、アプリケーションの潜在的なエラーソースを表します。 幸いなことに、ほとんどの場合、これらのエラーソースはXNUMXつのテクノロジーで異なります。 アプリケーションでこれらのエラーソースの存在と大きさを理解すると、最適なセンシングテクノロジーを選択するのに役立ちます。
この記事の残りの部分では、アプリケーションに最適な選択を行い、可能な限り最高の結果を得ることができるように、これらのエラーソースについて説明します。

ギャップ汚染

図7ギャップ汚染
ギャップ誘電体に変化をもたらす

用途によっては、センサーとターゲット間のギャップが、ほこり、クーラントなどの液体、および意図した測定の一部ではない他の材料によって汚染される可能性があります。 センサーがこれらの汚染物質の存在にどのように反応するかは、静電容量センサーまたは渦電流センサーを選択する際の重要な要素です。

静電容量センサーは、センサーとターゲット間の静電容量の変化は、それらの間の距離の変化の結果であると想定しています。 静電容量に影響するもう7つの要因は、ターゲットとセンサーの間のギャップ内の材料の誘電率(ε)です。 空気の誘電率は8よりわずかに大きいです。 誘電率の異なる別の材料がセンサー/ターゲットギャップに入ると、静電容量が増加し、センサーはターゲットがセンサーに近づいたことを誤って示します(図12)。 汚染物質の誘電率が高いほど、センサーへの影響は大きくなります。 オイルの誘電率は80〜XNUMXです。水の誘電率はXNUMXです。

センサーとターゲット間の材料の誘電率に対する感度のため、ターゲット位置を測定するときは、クリーンな環境で容量性変位センサーを使用する必要があります。

静電容量センサーの誘電感度は、非導電性材料の厚さまたは密度の検出に使用できます。 このタイプのアプリケーションの詳細については、 静電容量センサー理論のテクニカルノート。

静電容量センサーとは異なり、渦電流センサーは磁場を使用して検知します。 磁場は、ほこり、水、油などの非導電性汚染物質の影響を受けません。 これらの汚染物質は、渦電流センサーとターゲットの間の検知エリアに入るため、センサーの出力は影響を受けません。

このため、アプリケーションに汚れた環境または敵対的な環境が含まれる場合、渦電流センサーが最適です。 Lion Precision渦電流プローブの定格はIP67であり、非腐食性の液体に完全に浸して使用することもできます。

ターゲット厚

静電容量センサーと渦電流センサーには、ターゲットの厚さに対する要件が異なります。 静電容量センサーの電界はターゲットの表面のみに作用し、材料への著しい浸透はありません。 このため、静電容量センサーは材料の厚さの影響を受けません。

渦電流センサーの磁場は、材料に渦電流を誘導するためにターゲットの表面を貫通する必要があります。 材料が薄すぎる場合、ターゲットの渦電流が小さくなると、磁場が弱くなります。 これにより、センサーの感度が低下し、S / N比が小さくなります。

センサーの磁場の侵入の深さは、センサーの振動磁場の材料と周波数に依存します。 Lion Precisionの渦電流センサーは通常、1〜2MHzの周波数を使用します。 表1は、いくつかの一般的な材料の最小厚さを示しています。

詳細は 最小推奨ターゲット厚TechNote。

ターゲット材料と回転ターゲット

静電容量および渦電流センサーは、ターゲット材料の違いに対して異なる反応を示します。 渦電流センサーの磁場はターゲットを貫通し、材料に渦電流を誘導し、プローブからの磁場に対抗する磁場を作成します。 渦電流の強さと結果として生じる磁場は、材料の透磁率と抵抗率に依存します。 これらの特性は材料によって異なります。 また、熱処理やアニーリングなどのさまざまな処理技術によって変更することもできます。 たとえば、異なる方法で処理されたXNUMXつの他の同一のアルミニウム片は、異なる磁気特性を持つ場合があります。 アルミニウムやチタンなどの異なる非磁性材料間では、透磁率と抵抗率の変動は小さい場合がありますが、XNUMXつの非磁性材料用に較正された高性能渦電流センサーは、異なる非磁性材料と使用するとエラーが発生します。

アルミニウムやチタンなどの非磁性​​材料と鉄や鉄などの磁性材料の違いは非常に大きいです。 アルミニウムとチタンの相対透磁率は約10,000ですが、鉄の相対透磁率はXNUMXにもなります。
非磁性材料用に較正された渦電流センサーは、磁性材料とともに使用した場合、まったく機能しません。 正確な測定に渦電流センサーを使用する場合、センサーをアプリケーションで使用される特定の材料に合わせて較正することが重要です。
鉄や鋼などの磁性材料の高い透磁率は、同じ材料内で小さな渦電流センサーエラーを引き起こす可能性もあります。 不完全な材料の中には、微小な亀裂や材料のばらつきがあります。 材料の透過性は、これらの領域の周囲でわずかに変化します。 変化は比較的小さいものの、磁性材料の非常に高い透磁率により、高分解能の渦電流センサーがこれらの変化を検出できます。 この問題は、磁性材料の回転ターゲットで最も顕著です。

図8ランアウトプロット
青の実際の振れ、
およびからの電気的振れ
赤の渦電流センサー。

回転軸の振れを測定するために、渦電流センサーを取り付けることができます。 しかし、シャフトが理想的で、振れがまったくない場合でも、高解像度の渦電流センサーは、シャフトが回転するにつれて変化の繰り返しパターンを検出します(図8)。 これらの変更は、素材のわずかな変動の結果です。 この現象はよく知られており、電気的振れと呼ばれます。 これらの誤差は小さく、多くの場合ミクロン単位です。 特に渦電流センサーが一般的な敵対的な環境での多くの軸振れアプリケーションは、はるかに大きなエラーを探しているため、これらのエラーを許容できます。 他のより正確なアプリケーションでは、これらのエラーに対処するための技術を使用するか、静電容量センサーなどの異なるセンシング技術を使用する必要があります。

静電容量センサーの電界は、ターゲットを接地への伝導経路として使用します。 すべての導電性材料はこれを同様に提供するため、静電容量センサーはすべての導電性材料を同じように測定します。 静電容量センサーが較正されると、性能を低下させることなく、任意の導電性ターゲットで使用できます。

静電容量センサーの電界は材料を貫通しないため、材料内の変動は測定に影響しません。 静電容量式センサーは、渦電流センサーの電気的振れ現象を示さず、追加のエラーなしで任意の導電性材料の回転ターゲットで使用できます。

渦電流センサーは、アプリケーションのターゲットと同じ材料に合わせてキャリブレーションする必要があります。また、アプリケーションで電気的な振れ誤差が許容される場合を除き、回転する磁性材料のターゲットには使用しないでください。 静電容量センサーは、キャリブレーションが完了すると、材料に関連するエラーなしで任意の導電性材料で使用でき、回転ターゲットで適切に機能します。

環境パラメーター:温度と真空

センシング物理学の違いと関連するドライバー電子機器の違いにより、静電容量センサーと渦電流センサーのプローブ動作温度範囲と真空適合性は異なります。

Lion Precisionの容量性プローブと渦電流プローブの動作温度範囲は異なります。 過酷な環境に対する耐性のため、渦電流プローブの温度範囲は広くなっています。 ポリウレタンケーブルを使用する標準渦電流プローブの動作範囲は、-25〜+ 125°Cです。 テフロンFEPケーブルを使用する高温プローブの動作範囲は-25〜+ 200°Cです。 凝縮の影響を受ける容量性プローブの動作範囲は+4〜+50°Cのみです。 両方のセンシングテクノロジーのドライバーエレクトロニクスの動作範囲は+4〜+ 50°Cです。

容量性プローブと渦電流プローブの両方を真空アプリケーションで使用できます。 プローブ内の材料は、構造安定性と真空下でのガス放出を最小限に抑えるために選択されます。 真空対応プローブは、繊細な真空環境を脅かす可能性のある異物を除去するために、特別な洗浄プロセスと特別なパッケージングが行われます。

多くの真空アプリケーションでは、正確な温度制御が必要です。 プローブの消費電力と、それに伴う温度変化への寄与は、容量技術と渦電流技術の違いです。 容量性プローブの電流は非常に小さく、消費電力は非常に小さくなります。 一般的な容量性プローブの消費電力は40µW未満で、真空チャンバーへの熱の寄与はほとんどありません。

渦電流プローブの消費電力は、40µWから最大1mWまで変化します。 これらの高出力では、渦電流プローブは真空室により多くの熱を与え、高精度の真空環境を乱す可能性があります。 渦電流プローブの消費電力は多くの要因に依存しています。 プローブサイズだけでは、消費電力を予測することはできません。 各渦電流センサーの消費電力は個別に評価する必要があります。
真空環境では、静電容量式または渦電流式のセンサーがうまく機能します。 温度に敏感な真空では、渦電流センサーがアプリケーションに過剰な熱を与える可能性があります。 これらのアプリケーションでは、静電容量センサーの方が適しています。

プローブの取り付け

図9.干渉が発生するのは
渦電流プローブは
互いに近くに取り付けられます。

静電容量センサーと渦電流センサーの検知フィールドの形状と反応性の違いにより、テクノロジーには異なるプローブ取り付け要件があります。 渦電流プローブは、比較的大きな磁場を生成します。 フィールドの直径は、プローブの直径の少なくとも9倍で、大きなプローブの場合はXNUMXつの直径よりも大きくなります。 複数のプローブが近接して取り付けられている場合、磁場は相互作用します(図XNUMX)。 この相互作用により、センサー出力にエラーが発生します。 この種の取り付けが避けられない場合、次のようなデジタル技術に基づくセンサー ECL202 隣接するプローブからの干渉を低減または除去するために、特別に較正することができます。

渦電流プローブからの磁場も、プローブの後ろで直径約10倍に広がります。 この領域にある金属物体(通常は取り付け金具)は、フィールドと相互作用し、センサー出力に影響します(図XNUMX)。 近くの取り付けハードウェアが避けられない場合は、取り付けハードウェアを使用してセンサーを較正し、ハードウェアの影響を補正できます。

図10.取り付け金具
渦電流を妨げる
プローブ磁場。

容量性プローブの電界は、プローブの前面からのみ放出されます。 フィールドはわずかに円錐形であり、スポットサイズは検出エリアの直径よりも約30%大きくなります。 近くの取り付けハードウェアまたは他のオブジェクトがフィールド領域にあることはめったにないため、センサーのキャリブレーションには影響しません。 複数の独立した静電容量センサーが同じターゲットで使用されている場合、11つのプローブからの電界がターゲットに電荷を追加しようとしている間に、別のセンサーが電荷を除去しようとしています(図XNUMX)。

ターゲットとのこの競合する相互作用により、センサーの出力にエラーが発生します。 この問題は、センサーを同期することで簡単に解決できます。 同期により、すべてのセンサーの駆動信号が同じ位相に設定されるため、すべてのプローブが同時に電荷を追加または除去し、干渉が排除されます。 Lion Precisionの複数チャネルシステムはすべて同期されているため、このエラーソースに関する心配はありません。

図11.非同期容量
センサーは次の場合に干渉します
同じターゲットで使用されます。

アプリケーションが共通のターゲットで複数のプローブを使用する必要がある場合、同期容量センサーは使いやすいです。 用途に渦電流技術が必要な場合は、取り付け計画に特別な注意を払う必要があり、特別なキャリブレーションが必要になる場合があります。

サマリー

静電容量式または渦電流式の変位センサーを選択する際に考慮すべき多くの要因があります。 液体や廃棄物などの測定エリアの汚染物質を含むアプリケーションでは、渦電流センシングが必要です。 静電容量センサーにはクリーンな環境が必要です。

容量性感知フィールドのサイズが比較的小さいため、容量性センサーを使用すると、小さなターゲットをより簡単に測定できます。 渦電流センシングが必要な場合、小さなターゲットで特別なキャリブレーションを使用できます。
同じサイズの容量性プローブまたは渦電流プローブの場合、渦電流プローブの測定範囲は広くなります。

静電容量プローブはターゲットの表面と相互作用するため、材料の厚さは静電容量測定の要素ではありません。 渦電流センサーには、最小ターゲット厚要件があります。

静電容量センサーは、導電性である限り、ターゲット材料に対して感度がありません。 渦電流センサーは材料の違いに敏感であり、アプリケーションのターゲット材料に合わせて較正する必要があります。

複数のプローブを使用する場合、静電容量センサーは同期​​する必要がありますが、干渉することなく互いに近接して取り付けることができます。 同期していても、渦電流プローブは互いに近くに取り付けられていると相互作用します。 これが避けられない場合、特別なキャリブレーションを使用できますが、Lion Precisionなどのデジタルセンサーでのみ利用可能です ECL202.

静電容量式プローブの小さな検知フィールドは、ターゲットのみに向けられているため、取り付け金具や近くの物体を検知できません。 渦電流の周囲の大きなセンシングフィールドは、センシングエリアに近すぎる場合、取り付けハードウェアまたはその他のオブジェクトを検出できます。
他のXNUMXつの仕様は、解像度と帯域幅というXNUMXつのテクノロジーで異なります。 静電容量センサーは、渦電流センサーよりも高い分解能を備えているため、高分解能で正確なアプリケーションに適しています。

ほとんどの静電容量センサーと渦電流センサーの帯域幅は10〜15kHzですが、一部の渦電流センサー(ECL101)最大80kHzの帯域幅があります。

技術間の別の違いはコストです。 一般的に、渦電流センサーは低コストです。

静電容量センシング技術と渦電流センシング技術の違いのこのレビューは、どの技術がアプリケーションに最適かを判断するのに役立ちます。 お願いします 当社までご連絡ください。 最適なセンサーを選択するためのヘルプが必要です。

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