静電容量および渦電流センサーによる線形位置および変位測定

一般的なセンサーアプリケーションノートLA05-0060

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概要

実質的にすべての静電容量および渦電流センサーアプリケーションは、基本的にオブジェクトの変位(位置変化)の測定値です。 このアプリケーションノートでは、このような測定の詳細と、マイクロおよびナノ変位アプリケーションで信頼性の高い測定を行うために必要なものについて詳しく説明します。
静電容量センサーはクリーンな環境で動作し、最高の精度を提供します。 渦電流センサーは、濡れた汚れた環境で機能します。 プローブを対象物の近くに設置でき、総変位が小さい場合、レーザー干渉計の経済的な代替品となります。

非接触線形変位センサーによる線形変位および位置測定

線形変位測定 ここでは、オブジェクトの位置変化の測定を指します。 静電容量センサーと渦電流センサーを使用した導電性物体の線形高解像度非接触変位測定は、特にこのアプリケーションノートのトピックです。 静電容量センサーは、非導電性の物体も測定できます。 静電容量式変位センサーを使用した非導電性物体の測定に関する説明は、 静電容量式センサーの動作理論TechNote(LT03-0020).

関連する用語と概念

容量性変位センサーと渦電流変位センサーの高分解能、短距離特性のため、これは時々 微小変位測定 そしてセンサーとして 微小変位センサー or 微小変位トランスデューサ。 に設定されたセンサー 線形変位測定 時々呼ばれます 変位計 or 変位計.

変位と絶対位置

マイクロおよびナノレベルでは、静電容量式および渦電流式変位センサー

マイクロおよびナノレベルでは、容量性および渦電流変位センサーは、絶対位置測定ではなく、変位測定(位置の変化)に最適です。

変位は、オブジェクトの位置変化の測定値です。 絶対位置は、センサーの測定面と物体の間の正確な距離の測定値です。

静電容量および渦電流センサーは、主に変位センサーとして使用されます。 時間が経つと(月と年)、センサーのキャリブレーションはわずかに変化します。 このシフトは、主にセンサー出力のDCオフセットです。 また、温度に対してわずかなDCシフトがあります。 このDCオフセットにより、絶対位置測定に小さな誤差が生じ、時間の経過とともに増加します。 これらの誤差は小さいですが、サブミクロンレベルでは精度に影響する可能性があります。

センサーの感度(ゲイン)の変化ははるかに小さくなります。 位置のリアルタイムの変化を測定するには、一貫した感度が必要であり、出力のDCオフセットの長期的なシフトの影響を受けません。 このため、容量性および渦電流変位センサーは、通常、絶対位置ではなく相対位置(変位)を測定するために通常使用されます。特に、サブミクロンまたはナノメートルレベルの分解能が必要な微小変位の場合です。

変位は通常、何らかの変数の結果として測定されます。

変位、特に微小変位を測定する一般的な理由は、オブジェクトが変化する条件にどのように反応するかを判断することです。 変位測定は通常、他の何かが変化したときにこれがどこまで動くのかという質問に答えています。

意図的な変位: オブジェクトは、モーションコントロールポジショニングシステムによって意図的に移動されます。 非接触変位測定は、対象物の意図した変位の精度を示します。

部品寸法: システムは既知の良好な「マスター」部品で構成され、その後マスター部品がテスト用部品に置き換えられます。 マスターパーツに対するテストパーツの寸法の違いは、センサーによる変位測定として示されます。

温度: オブジェクトの位置は、初期温度で測定されます。 対象の温度が変更され(多くの場合、機械の動作中に自然に発生します)、変位測定は温度による位置変化の大きさを示します。

振動: 線形変位測定は、オブジェクトの変位とその周波数を示すために、オシロスコープまたはデータ収集システムを備えた静電容量式または渦電流式変位センサーを使用してリアルタイムで行われます。 ご覧ください 振動測定アプリケーションノート をご参照下さい。

圧力: エアベアリングおよびその他の流体ベアリングは、異なる流体圧力で動作できます。 さまざまな圧力での物体の変位測定は、圧力が意図した操作と比較して変化するときの機械の実際の動作を示します。

着る: ベアリングとスライドが摩耗すると、可動部品の非接触変位測定は、意図しない方向への動きの増加を示します。 回転運動では、オブジェクトが回転するにつれて、X、Y、Z軸の変位が増加します。 リニアスライドは、移動方向に垂直なXNUMXつの軸の変位が増加することを示します。

線形変位測定は相対測定です

線形の非接触変位測定は相対測定であり、XNUMXつまたは複数の線形軸の初期位置からのオブジェクトの位置の変化を示します。 線形変位測定の各軸には、個別の変位または位置センサーチャネルが必要です。

容量性および渦電流変位センサーを使用した基本的な線形変位測定

変位センサーは、測定対象物がセンサーの測定範囲内に収まるように固定具に取り付けられます。 センサーにゼロ(オフセット)調整が含まれる場合、この位置でセンサーをゼロにして、オブジェクトが移動したときの線形変位測定値の解釈を容易にすることができます。 ゼロ調整が不可能な場合、変位センサーの初期出力が記録され、その値が将来の測定値から差し引かれて、初期位置からの位置の変化が示されます。

変位センサー出力からの変位の計算

変位を測定するためのセンサーには、目標位置の特定の変化に対する出力の変化量を指定する「感度」仕様があります。 アナログ電圧出力センサーの場合、この値は距離単位または長さ(mm、インチなど)あたりのボルトで指定されます。 デジタル出力センサーの場合、この値は距離単位ごとのカウントで与えられます。 変位を測定する場合、この感度を使用して、出力の変化に対する物理的変位を計算します。

センサー出力から変位を計算する式:

変位=出力の変化/感度

アナログ電圧出力センサー:

ボルトの出力の変化; 感度=ボルト/距離の単位

デジタル出力センサー:

カウントの出力の変更。 感度=カウント/距離の単位

微小変位エラーと懸念

高性能の容量性変位センサーと渦電流変位センサーは通常、微小変位の測定に使用されます。 微小変位レベルで変位を測定する場合、通常は重要ではない誤差源がより重要な要因になります。

取り付けに対する熱の影響

非接触変位センサーまたは対象物を保持する取り付けシステムの熱膨張および収縮により、測定に誤差が生じます。 フィクスチャが伸縮すると、センサーがターゲットオブジェクトに向かって、またはターゲットオブジェクトから離れる場合があります。 変位は実際のものであり、測定に影響しますが、テスト対象の条件によって生じる変位ではありません。 線形変位センサー取り付けシステムは、堅牢で堅く、可能な限り熱的に安定している必要があります。 超精密用途では、環境は厳しく制御され、および/または取り付けシステムはインバーまたは他のゼロ膨張材料から構築されます。

微小変位センサーの取り付け

熱に関する懸念に加えて、機械的安定性はミクロレベルではより複雑です。 変位測定センサーは、取り付けシステムによって所定の位置にしっかりと保持する必要があります。 マイクロまたはナノレベルで変位を測定する場合、単純な止めネジタイプのマウントは十分に安定しない場合があります。

滑らかな円筒形リニア変位センサーを取り付けるには、さまざまな方法があります。 スルーホールマウントで止めネジを使用すると、プローブは止めネジと止めネジの反対側の90点でのみ保持されます。 プローブは、止めねじ軸からXNUMX°の軸で自由に回転します。 止めネジがプローブを押す表面の幅によっては、プローブもその軸に沿って回転できる場合があります。 止めねじの力を増やしても、これらの他のXNUMXつの軸でのプローブの安定性は向上しません。

止めねじ取り付けロック

止めネジを取り付けると、プローブの軸に沿ってプローブがロックされますが、他のXNUMXつの軸、特にマイクロレベルとナノレベルでの動きが残っている可能性があります。

クランプマウント

クランプマウントは、止めネジマウントよりも安定したマウントです。 しかし、マイクロレベルとナノレベルでは、フォームエラーにより、止めネジマウントのようにXNUMX点クランプしかできません。

XNUMX点クランプ

XNUMX点クランプマウントは本質的に安定しており、真円度の小さな形状誤差の影響を受けません。

優れた、しかし完全ではない線形変位センサーの取り付けスキームは、クランプタイプのマウントです。 この取り付けシステムは、取り付け穴とプローブが完全に丸い場合、XNUMX軸すべてでプローブを安定させることができます。 ただし、いずれかの部品に偏心があると、止めねじシステムと同様のXNUMX点取り付けシステムになります。

最適な取り付けシステムは、プローブの軸に沿ったかなりの長さを各ポイントがカバーするマルチポイントクランプを使用します。 クランプシステムは、一般的なクランプ取り付け構成から始まりますが、取り付け穴の周囲のXNUMX点またはXNUMX点の間のクランプ穴から材料を除去します。 この配置は、取り付け穴の偏心や非接触線形変位測定センサーの偏心の影響を受けません。XNUMX軸すべてで安定しています。

容量性変位センサーに固有のその他の考慮事項

ダイアグラム容量性変位センサーの「スポットサイズ」は、検知エリアの直径の約130%です。 このため、一般的に周囲の物体の影響を受けず、取り付けブラケットの表面と同一平面に取り付けることができます。 唯一の例外は、検知エリアのサイズに対して非常に長い測定範囲を使用するキャリブレーションです。 これは、Lion Precisionプローブで利用可能な既製のキャリブレーションには適用されません。

環境への配慮

静電容量センサーを使用した線形変位測定は、クリーンな環境で行う必要があります。 変位測定は、静電容量プローブと測定対象物の間の空間にあるもの(空気または真空以外)の影響を受けます。

ダイアグラム

渦電流プローブの取り付けでは、プローブの直径の少なくともXNUMX倍のチップの周囲に金属のないスペースが必要です。 フラッシュ取り付けには、座ぐりが必要です。

静電容量センサーは温度に対してある程度の感度がありますが、システムは20°C〜35°Cの温度変化に対して0.04%FS /°C未満のドリフトで補償されます。

湿度の典型的な変化は、容量性変位測定に大きな影響を与えません。 極端な湿度は出力に影響し、最悪の場合はプローブまたはターゲットに結露が生じます。

渦電流変位センサーに固有のその他の考慮事項

渦電流変位センサーは、プローブの端を巻き込む磁場を使用します。 その結果、渦電流変位センサーの「スポットサイズ」は、プローブ直径の約300%です。 これは、プローブからXNUMXつのプローブ直径内にある金属物体がセンサー出力に影響することを意味します。

この磁場は、プローブの軸に沿ってプローブの後方に向かって広がります。 このため、プローブの検出面と取り付けシステム間の距離は、プローブ直径の少なくとも1.5倍でなければなりません。 渦電流変位センサーは、取り付け面と同一平面に取り付けることはできません。

プローブの近くの干渉物が避けられない場合、フィクスチャ内のプローブで理想的に行われる特別なキャリブレーションを実行する必要があります。

複数のプローブ

同じターゲットで複数のプローブを使用する場合、チャネル間の干渉を防ぐために、少なくともXNUMXつのプローブ直径でプローブを分離する必要があります。 これが避けられない場合は、干渉を最小限に抑えるために、特別な工場較正が可能です。

環境への配慮

渦電流センサーによる線形変位測定は、測定エリア内の異物の影響を受けません。 渦電流非接触センサーの大きな利点は、かなり厳しい環境で使用できることです。 すべての非導電性材料は、渦電流センサーには見えません。 機械加工プロセスからの切りくずなどの金属材料でさえ、センサーと大きく相互作用するには小さすぎます。

渦電流センサーは温度に対してある程度の感度がありますが、システムは15%FS /°C未満のドリフトで65°Cと0.01°Cの間の温度変化を補償します。

湿度の変化は、渦電流変位測定には影響しません。

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