용량 성 센서 작동 및 최적화 (용량 성 센서의 작동 방식 및 효과적인 사용법)

기술 LT03-0020

정전 식 센서 기술 노트 LT03-0020

저작권 © 2012 Lion Precision. www.lionprecision.com

개요

이 TechNote는 용량 성 센서 성능을 최적화하는 데 도움이되는 용량 성 센싱 개념과 이론을 검토합니다. 또한 Lion Precision 문헌 및 설명서 전체에서 사용되는 용량 감지 용어를 정의합니다.

용량 및 거리

비접촉 정전 용량 센서는 정전 용량이라는 전기적 특성의 변화를 측정하여 작동합니다. 캐패시턴스는 사이에 공간이있는 두 개의 전도성 물체가 전압 차이에 어떻게 반응하는지 설명합니다. 도체에 전압이 가해지면 도체 사이에 전기장이 생성되어 각 물체에 양전하와 음전하가 모이게됩니다 (그림 1). 전압의 극성이 바뀌면 전하도 바뀝니다.

용량 성 센서는 교류 전압을 사용하여 전하가 계속해서 자신의 위치를 ​​반전시킵니다. 전하의 이동은 센서에 의해 감지되는 교류 전류를 생성합니다 (그림 2). 양

전류 흐름은 커패시턴스에 의해 결정되고, 커패시턴스는 전도성 물체의 면적 및 근접성에 의해 결정된다. 더 크고 더 가까운 물체는 더 작고 먼 물체보다 더 큰 전류를 유발합니다. 커패시턴스는 또한 물체 사이의 갭에서 비전 도성 물질의 유형에 의해 영향을 받는다.

기술적으로, 커패시턴스는 물체의 표면적과 물체 사이의 재료의 유전 상수에 직접 비례하고 물체 사이의 거리에 반비례합니다 (그림 3).

그림 1
전도성 물체에 전압을 가하면 양전하가 발생합니다.
각 개체에 수집합니다. 이것은 물체 사이의 공간에 전기장을 만듭니다

그림 2
교류 전압을 가하면 물체 사이에서 전하가 앞뒤로 움직여 센서에 의해 감지되는 교류가 생성됩니다.

그림 3
커패시턴스는 면적, 거리 및 유전체 (도체 사이의 재료)에 의해 결정됩니다. 정전 용량
면적 또는 유전체가 증가하면 커패시턴스가 감소합니다.
거리가 증가 할 때

일반적인 정전 용량 감지 응용 분야에서 프로브 또는 센서는 전도성 물체 중 하나입니다. 대상 객체가 다른 것입니다. (용량 성 센서를 사용하여 플라스틱 및 기타 절연체를 감지하는 방법은 비전 도성 대상 섹션에서 설명합니다.) 센서와 대상의 크기는 재료와 재료의 크기가 일정하다고 가정합니다. 따라서 커패시턴스의 변화는 프로브와 타겟 사이의 거리 변화의 결과입니다. 커패시턴스의 해당 변화에 대한 특정 전압 변화를 생성하도록 전자 장치를 교정합니다. 이 전압은 거리의 특정 변화를 나타내도록 조정됩니다. 주어진 거리 변화량에 대한 전압 변화량을 민감도라고합니다. 일반적인 감도 설정은 1.0V / 100µm입니다. 즉, 거리가 100µm 변경 될 때마다 출력 전압이 정확히 1.0V로 변경됩니다. 이 교정으로 출력의 + 2V 변화는 대상이 프로브에 200µm 가까이 이동했음을 의미합니다.

전기장 집중

도체에 전압이 가해지면 전기장은 모든 표면에서 발산됩니다. 용량 성 센서에서 감지 전압은 프로브의 감지 영역에 적용됩니다 (그림 4, 5).

정확한 측정을 위해서는 감지 영역으로부터의 전기장이 프로브와 대상 사이의 공간 내에 포함되어야합니다. 전기장이 타겟의 다른 아이템 또는 다른 영역으로 확산 될 수 있다면, 다른 아이템의 위치 변화는 타겟 위치의 변화로서 측정 될 것이다.

이를 방지하기 위해“보호”라는 기술이 사용됩니다. 보호대를 만들려면 감지 영역의 뒷면과 측면이 감지 영역 자체와 동일한 전압을 유지하는 다른 도체로 둘러싸여 있습니다 (그림 4, 6).

전압이 감지 영역에 적용될 때 별도의 회로가 정확히 동일한 전압을 가드에 적용합니다. 감지 영역과 가드 사이의 전압 차이가 없기 때문에 이들 사이에는 전기장이 없습니다. 프로브 옆이나 뒤에있는 다른 도체는 감지 영역 대신 가드로 전기장을 형성합니다. 감지 영역의 보호되지 않은 전면 만 대상과 전기장을 형성 할 수 있습니다.

그림 4 용량 성 센서 프로브 구성 요소

그림 5
보호되지 않은 감지 영역 전기장을 보여주는 단면도

그림 6
감지 영역 전기장을 형성하는 가드 필드를 보여주는 장면 전환


대상 크기의 영향

특정 응용 분야에 맞는 프로브를 선택할 때 목표 크기를 고려해야합니다. 감지 전기장이 보호에 의해 초점이 맞춰지면 감지 영역의 투영 인 약간 원뿔형 필드가 생성됩니다. 표준 교정의 최소 목표 직경은 감지 영역 직경의 130 %입니다. 프로브가 타겟에서 멀어 질수록 최소 타겟 크기가 커집니다.

측정 범위

프로브가 유용한 범위는 감지 영역 크기의 함수입니다. 면적이 클수록 범위가 커집니다. 드라이버 전자 장치는 프로브에서 일정량의 정전 용량을 위해 설계되었습니다. 따라서, 더 작은 프로브는 원하는 양의 커패시턴스를 달성하기 위해 타겟에 상당히 근접해야합니다. 교정 중에 전자 장치를 조정할 수 있지만 조정 범위에는 제한이 있습니다.
일반적으로 프로브가 유용한 최대 간격은 감지 영역 직경의 약 40 %입니다. 표준 캘리브레이션은 일반적으로 그 간격을 그보다 훨씬 작게 유지합니다.

다중 채널 감지

종종 여러 개의 프로브로 대상을 동시에 측정합니다. 시스템이 변화하는 전기장을 측정하기 때문에 각 프로브의 여자 전압이 동기화되어야합니다. 그렇지 않으면 프로브가 서로 간섭합니다. 동기화되지 않은 경우 한 프로브는 전기장을 늘리려 고 시도하는 반면 다른 프로브는 전기장을 줄이려고하면 잘못된 판독 값을 제공합니다.

드라이버 전자 장치는 마스터 또는 슬레이브로 구성 할 수 있습니다. 마스터는 다중 채널 시스템에서 슬레이브에 대한 동기화를 설정합니다.

대상 재료의 효과

감지 전기장은 전도성 표면을 찾고 있습니다. 대상이 도체 인 경우 용량 성 센서는 특정 대상 재료의 영향을받지 않습니다. 센싱 전계는 도체의 표면에서 멈추기 때문에 목표 두께는 측정에 영향을 미치지 않습니다. .

비 도체 측정

그림 7
비전 도체는 전기장을 통해 고정 전도성 대상 뒤에 전기장을 통과시켜 측정 할 수 있습니다.

용량 성 센서는 전도성 대상의 위치 변화를 측정하는 데 가장 자주 사용됩니다. 그러나 용량 성 센서는 비전 도체의 존재, 밀도, 두께 및 위치를 측정하는 데 효과적 일 수 있습니다. 플라스틱과 같은 비전 도성 재료는 공기와 유전율이 다릅니다. 유전 상수는 비전 도성 물질이 두 도체 사이의 정전 용량에 어떻게 영향을 미치는지를 결정합니다. 프로브와 고정 기준 타겟 사이에 비전 도체를 삽입하면 감지 필드가 재료를 통해 접지 된 대상으로 전달됩니다 (그림 7). 비전 도성 물질의 존재는 유전체를 변화시키고 따라서 커패시턴스를 변화시킨다. 커패시턴스는 재료의 두께 또는 밀도와 관련하여 변할 것이다.

정확성 극대화

이제 용량 성 센싱 작동 방식의 기본 사항을 살펴 봤으므로 용량 성 센서를 사용할 때 효과를 극대화하고 오류를 최소화하기위한 전략을 수립 할 수 있습니다. 정확도는 센서를 보정 한 것과 동일한 조건에서 측정해야합니다. 공장에서 보정 된 센서이든 사용 중에 보정 된 센서이든 반복 가능한 결과는 반복 가능한 조건에서 비롯됩니다. 거리가 측정에만 영향을 미치려면 다른 모든 변수는 일정해야합니다. 다음 섹션에서는 일반적인 오류 소스와이를 최소화하는 방법에 대해 설명합니다.

정확도 극대화 : 대상 크기

그림 9
크기가 작은 대상은 감지 필드가 대상의 측면으로 확장되어 오류가 발생합니다.

달리 명시되지 않는 한, 공장 교정은 감지 영역보다 상당히 큰 평평한 전도성 대상으로 수행됩니다. 이러한 방식으로 보정 된 센서는 감지 영역보다 30 % 이상 큰 평평한 대상을 측정 할 때 정확한 결과를 제공합니다. 목표 영역이 너무 작 으면 전기장이 목표 측면 주위를 감싸기 시작합니다. 즉, 전기장이 교정에서했던 것보다 더 멀리 연장되고 목표가 더 멀리 측정됩니다 (그림 9). 이 경우 프로브는 동일한 영점에 대해 대상에 더 가까워 야합니다. 이 거리는 원래 교정과 다르기 때문에 오류가 발생합니다. 프로브가 더 이상 평평한 표면을 측정하지 않기 때문에 오류가 발생합니다.

프로브와 대상 사이의 거리가 Z 축으로 간주되는 경우 소형화 된 대상의 추가 문제는 센서가 프로브의 X 및 Y 위치에 민감해진다는 것입니다. 간격을 변경하지 않으면 서 전기장의 적은 쪽이 대상의 중심으로 가고 측면이 더 많이 이동하기 때문에 프로브가 X 또는 Y 축으로 이동하면 출력이 크게 변경됩니다.

정확도 극대화 : 대상 모양

그림 10 구부러진 대상은 프로브가 더 가까이 있어야하고 감도에 영향을 미칩니다.

모양도 고려해야합니다. 프로브는 평평한 대상으로 보정되므로 곡면이있는 대상을 측정하면 오류가 발생합니다 (그림 10). 프로브는 대상까지의 평균 거리를 측정하기 때문에 XNUMXV의 간격은 시스템을 교정 할 때와 다릅니다. 곡면과 전기장의 다른 동작으로 인해 오류가 발생합니다. 평평하지 않은 대상을 측정해야하는 경우 시스템을 최종 대상 모양으로 공장 보정 할 수 있습니다. 또는 곡면이있는 평면 교정을 사용하는 경우 측정 값을 수정하기 위해 승수를 제공 할 수 있습니다.

정확도 극대화 : 표면 마무리

대상 표면이 완벽하게 매끄럽지 않은 경우 시스템은 센서의 스폿 크기로 덮여있는 영역의 평균을냅니다. 표면의 평균 위치 변화로 인해 프로브가 표면을 가로 질러 이동함에 따라 측정 값이 변경 될 수 있습니다. 이 오차의 크기는 표면 요철의 특성과 대칭에 따라 달라집니다.

정확도 극대화 : 병렬 처리

교정하는 동안 센서 표면은 대상 표면과 평행합니다. 프로브 또는 대상이 상당한 양으로 기울어지면 필드가 대상에 닿는 지점의 모양이 길어지고 대상과 필드의 상호 작용이 변경됩니다. 전기장의 동작이 다르기 때문에 측정 오류가 발생합니다. 높은 해상도에서는 몇 도라도 오류가 발생할 수 있습니다. 측정 용 픽스처를 설계 할 때는 병렬 처리를 고려해야합니다.

정확성 극대화 : 환경

Lion Precision 정전 용량 센서 시스템 22 ° C – 35 ° C (72 ° F – 95 ° F)의 온도로 인한 드리프트를 최소화하도록 보정됩니다. 이 온도 범위에서 오류는 풀 스케일의 0.5 % 미만입니다. 

더 문제가되는 것은 타겟과 고정구에 사용 된 거의 모든 재료가이 온도 범위에서 크게 팽창하고 수축한다는 것입니다. 이 경우 측정시 온도 관련 변화는 게이지 오류가 아닙니다. 대상과 프로브 사이의 간격이 실제로 변경됩니다. 신중한 고정구 설계는이 오류를 최소화하고 정확도를 최대화하기 위해 먼 길을갑니다.

공기의 유전 상수는 습도의 영향을받습니다. 습도가 증가함에 따라 유전 상수가 증가합니다. 습도는 프로브 구성 재료와도 상호 작용할 수 있습니다. 실험 데이터에 따르면 50 % RH에서 80 % RH로 변경하면 전체 스케일의 최대 0.5 % 오류가 발생할 수 있습니다.

Lion Precision 프로브 재료는 이러한 오류를 최소화하기 위해 선택되지만 최대한 정밀해야하는 응용 분야에서는 온도 및 습도 제어가 표준 관행입니다. 국제 표준에 따르면 20 ° C에서 측정을 수행하거나 20 ° C에서 "실제 길이"로 수정해야합니다.

공장 교정

Lion Precision의 정전 용량 센서 교정 시스템은 에어 베어링 스핀들 및 슬라이드 설계 분야의 세계적인 리더 인 Professional Instruments와 협력하여 설계되었습니다. 최첨단 디자인은 위치 정확도가 0.012µm 미만인 정밀 모션 제어 전자 장치에 의해 구동됩니다.
교정 시스템은 NIST 추적 가능한 레이저 간섭계를 통해 정기적으로 인증됩니다. 교정 중에 사용되는 측정 장비 (디지털 미터 및 신호 발생기)도 NIST 추적 가능 표준에 따라 교정됩니다. 추적 성 검증을 위해 이러한 각 장비에 대한 교정 정보가 파일에 보관됩니다.

기술자는 교정 시스템을 사용하여 정전 용량 센서까지 알려진 거리에서 교정 대상을 정확하게 배치합니다. 이 지점에서의 측정 값을 수집하고 보정 시스템으로 감도와 선형성을 분석합니다. 데이터 분석은 주문 사양을 충족하도록 교정중인 시스템을 조정하는 데 사용됩니다.

감도와 선형성이 보정 된 후, 용량 성 센서 시스템은 온도 보상 회로망이 보정되어 22 ° C ~ 35 ° C의 온도 범위에서 드리프트를 최소화하는 환경 챔버에 배치됩니다. 분해능에 영향을 미치는 대역폭 및 출력 노이즈도 측정합니다.

교정이 완료되면 교정 인증서가 생성됩니다. 이 인증서는 주문 시스템과 함께 제공되고 보관됩니다. 교정 인증서는 ISO 4.8-10012의 섹션 1을 준수합니다.

감도

민감도 – 선의 기울기는 민감도입니다. 이 경우 1V / 0.05mm.

감도는 대상과 용량 성 센서 사이의 간격 변화로 인해 출력 전압이 얼마나 변하는지를 나타냅니다. 일반적인 감도는 1V / 0.1mm입니다. 즉, 간격이 0.1mm 씩 변경 될 때마다 출력 전압이 1V로 변경됩니다. 출력 전압이 간격 크기에 대해 표시 될 때 선의 기울기는 감도입니다.

감도 오류

민감도 오류 – 실제 측정의 기울기가 이상적인 기울기에서 벗어납니다.

교정하는 동안 센서의 감도가 설정됩니다. 감도가 이상적인 값에서 벗어날 때이를 감도 오류, 게인 오류 또는 스케일링 오류라고합니다. 감도는 선의 기울기이므로 감도 오차는 보통 기울기의 백분율로 표시됩니다. 이상적인 기울기와 실제 기울기를 비교합니다.

오프셋 오류

상수 값을 추가하면 오프셋 오류가 발생합니다

오프셋 오류 – 모든 측정에 상수 값이 추가됩니다.

시스템의 출력 전압 용량 성 센서 시스템은 일반적으로 설정 중에 "제로화"되어 원래 교정과의 오프셋 편차를 제거합니다. 그러나 시스템이 영점 조정 된 후 오프셋 오류가 변경되면 측정에 오류가 발생합니다. 온도 변화는 오프셋 오류의 주요 요인입니다. Lion Precision 시스템은 온도 관련 오프셋 오류를 보상하여 0.04 % FS / ° C 미만으로 유지합니다.

선형성 오류

선형성 오류 – 측정 데이터가 직선이 아닙니다.

감도는 두 데이터 포인트간에 약간 씩 다를 수 있습니다. 이 변형을 선형성 오류라고합니다. 선형성 사양은 출력이 직선과 얼마나 다른지 측정합니다.

선형성 오차를 계산하기 위해 교정 데이터는 포인트에 가장 잘 맞는 직선과 비교됩니다. 이 직선 기준선은 최소 제곱 피팅이라는 기법을 사용하여 교정 데이터에서 계산됩니다. 이 이상적인 선에서 가장 멀리 떨어져있는 교정 곡선 지점의 오 차량은 선형성 오차입니다. 선형성 오류는 일반적으로 전체 스케일의 백분율로 표시됩니다. 최악의 지점에서의 오차가 0.001mm이고 교정의 전체 스케일 범위가 1mm 인 경우 선형성 오차는 0.1 %입니다.
선형성 오류는 민감도의 오류를 설명하지 않습니다. 선의 기울기가 아니라 선의 직진도를 측정 한 것입니다. 총 민감도 오류가있는 시스템은 매우 선형적일 수 있습니다.

에러 밴드

오차 대역은 선형성과 감도 오차의 조합을 설명합니다. 교정 된 범위에서 최악의 절대 오차를 측정 한 것입니다. 오차 대역은 특정 간격에서의 출력 전압을 예상 값과 비교하여 계산됩니다. 이 비교에서 최악의 오류는 시스템의 오류 대역으로 표시됩니다.


(㎜)

기대하는
가치관
(VDC)

실제
가치관
(VDC)

오류
(㎜)

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

오차 대역 – 교정 차트의 예상 값에서 측정 된 값의 최악의 편차입니다. 이 경우 오차 대역은 -0.010mm입니다.

대역폭

대역폭은 출력이 -3dB로 떨어지는 주파수로 정의됩니다. 이 주파수를 차단 주파수라고도합니다. 신호 레벨의 -3dB 감소는 실제 출력 전압의 약 70 % 감소와 같습니다. 15kHz 대역폭을 사용하면 저주파수에서 ± 1V를 변경하면 0.7kHz에서 ± 15V 만 변경됩니다. 고속 모션 출력은 고속 모션 감지 이외에 서보 제어 피드백 시스템에 사용될 때 위상 마진을 극대화합니다. 일부 드라이버는 해상도 또는 응답 시간을 최대화하기 위해 선택 가능한 대역폭을 제공합니다.

해상도

그림 14
15kHz 센서의 소음

분해능은 시스템이 수행 할 수있는 가장 신뢰할 수있는 최소 측정치입니다. 측정 시스템의 해상도는 측정에 필요한 최종 정확도보다 높아야합니다. 0.02µm 내의 측정 값을 알아야하는 경우 측정 시스템의 분해능이 0.02µm보다 높아야합니다. 
분해능의 주요 결정 요소는 전기 노이즈입니다. 출력 전압에 전기 노이즈가 발생하여 출력에 순간적인 작은 오류가 발생합니다. 프로브 / 타겟 갭이 완벽하게 일정하더라도 드라이버의 출력 전압에는 약간의 노이즈가 있지만 갭이 변하고 있음을 나타내는 것으로 보입니다. 이 노이즈는 전자 부품에 내재되어 있으며 최소화 할 수는 있지만 절대 제거 할 수는 없습니다.
드라이버의 출력 노이즈가 0.002V이고 감도가 10V / 1mm 인 경우 출력 노이즈는 0.000,2mm (0.2µm)입니다. 즉, 출력은 0.2µm의 오차를 가질 수 있습니다.

그림 15
100Hz 센서의 소음

출력의 노이즈 양은 대역폭과 직접 관련이 있습니다. 일반적으로 노이즈는 광범위한 주파수에 균일하게 분산됩니다. 출력 전에 더 높은 주파수를 필터링하면 노이즈가 적고 해상도가 향상됩니다 (그림 14, 15). 해상도 사양을 검사 할 때 사양이 적용되는 대역폭을 알아야합니다. 우리를 참조하십시오 완전한 기사 해상도와 대역폭 간의 관계와 데이터 시트에서 정확한 정보를 얻는 방법에 대해 설명합니다.

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