정전용량과 와전류 센서 비교

기술 LT05-0011

일반 센서 기술 노트 LT05-0011

저작권 © 2009 Lion Precision. www.lionprecision.com

소개

용량 성 및 와전류 기술을 사용하는 비접촉 센서는 각각 다양한 응용 분야의 고유 한 장단점을 나타냅니다. 이 두 기술의 강점을 비교하면 응용 분야에 가장 적합한 기술을 선택할 수 있습니다.

비교표

아래에 세부 사항이있는 빠른 참조입니다.

••• 최선의 선택,  기능적 선택, - 옵션이 아님

인자

정전용량

와전류

더러운 환경 - •••
작은 목표 •••
넓은 범위 •••
얇은 재료 •••
다양한 소재 •••
다중 프로브 •••
프로브 장착 용이 •••
해상도 •••
대역폭 •••
비용 •••

센서 구성

그림 1. 용량 성 프로브 구성

용량 성 센서와 와전류 센서의 차이점을 이해하는 것은 센서의 구성 방식을 살펴 보는 것부터 시작합니다. 용량 성 프로브의 중앙에는 센싱 요소가 있습니다. 이 스테인레스 스틸 조각은 대상까지의 거리를 감지하는 데 사용되는 전기장을 생성합니다. 절연 층에 의해 감지 요소와 분리 된 보호 링은 스테인레스 스틸로 만들어져 있습니다. 가드 링은 감지 요소를 둘러싸고 전기장을 대상쪽으로 향하게합니다. 일부 전자 부품은 감지 요소와 보호 링에 연결됩니다. 이러한 내부 어셈블리는 모두 절연 층으로 둘러싸여 있으며 스테인리스 스틸 하우징으로 둘러싸여 있습니다. 하우징은 케이블의 접지 차폐에 연결됩니다 (그림 1).

그림 2. 와전류 프로브 구성

와전류 프로브의 주요 기능은 감지 코일입니다. 이것은 프로브 끝 근처의 와이어 코일입니다. 교류 전류가 코일을 통과하여 교류 자기장을 생성합니다. 이 필드는 대상까지의 거리를 감지하는 데 사용됩니다. 코일은 플라스틱과 에폭시로 캡슐화되어 있으며 스테인리스 스틸 하우징에 설치됩니다. 와전류 센서의 자기장은 초점을 맞추기 쉽지 않기 때문에

용량 성 센서의 전기장 인 에폭시 피복 코일은 강철 하우징에서 연장되어 전체 감지 장이 대상과 맞 물릴 수 있습니다 (그림 2).

스팟 크기, 대상 크기 및 범위

그림 3. 용량 성 프로브 스팟 크기

비접촉 센서 프로브의 감지 필드는 특정 영역에서 대상과 맞물립니다. 이 영역의 크기를 별색 크기라고합니다. 타겟은 스팟 크기보다 커야합니다. 그렇지 않으면 특수 보정이 필요합니다. 스팟 크기는 항상 프로브의 직경에 비례합니다. 용량 및 와전류 센서의 경우 프로브 직경과 스폿 크기의 비율이 크게 다릅니다. 이러한 스폿 크기는 최소 목표 크기가 다릅니다.

용량 성 센서는 감지를 위해 전기장을 사용합니다. 이 필드는 프로브의 가드 링에 의해 초점이 맞춰져 감지 요소 직경보다 스폿 크기가 약 30 % 더 큽니다 (그림 3). 감지 요소 직경에 대한 감지 범위의 일반적인 비율은 1 : 8입니다. 이는 모든 범위의 단위에 대해 감지 요소 직경이 500 배 더 커야 함을 의미합니다. 예를 들어, 4000µm의 감지 범위에는 4μm (XNUMXmm)의 감지 요소 직경이 필요합니다. 이 비율은 일반적인 교정에 사용됩니다. 고해상도 및 확장 된 범위 교정은이 비율을 변경합니다.

그림 4. Eddy-Current 프로브 스팟 크기

와전류 센서는 프로브 끝을 완전히 둘러싸는 자기장을 사용합니다. 이는 비교적 큰 감지 필드를 만들어 프로브의 감지 코일 직경의 대략 4 배의 스팟 크기를 만듭니다 (그림 1). 와전류 센서의 경우, 감지 범위 대 감지 코일 직경의 비율은 3 : 500입니다. 이것은 모든 범위의 단위에 대해 코일 직경이 1500 배 더 커야 함을 의미합니다. 이 경우 동일한 1.5µm 감지 범위에는 XNUMXµm (XNUMXmm) 직경의 와전류 센서 만 필요합니다.

감지 기술을 선택할 때는 대상 크기를 고려하십시오. 작은 대상은 용량 감지가 필요할 수 있습니다. 대상이 센서의 스폿 크기보다 작아야하는 경우 특수 교정으로 인해 고유 한 측정 오류를 보상 할 수 있습니다.

감지 기술

용량 성 및 와전류 센서는 서로 다른 기술을 사용하여 대상의 위치를 ​​결정합니다. 정밀 변위 측정에 사용되는 용량 성 센서는 일반적으로 500kHz에서 1MHz 사이의 고주파 전기장을 사용합니다. 전기장은 감지 요소의 표면에서 방출됩니다. 감지 필드를 대상에 집중하기 위해 가드 링은 감지 요소의 필드를 대상을 제외한 모든 것에서 분리하는 별도의 동일한 전기장을 생성합니다 (그림 5).

그림 5. 용량 성 프로브 보호

전기장에서의 전류 흐름의 양은 감지 요소와 타겟 표면 사이의 커패시턴스에 의해 부분적으로 결정된다. 대상 및 감지 요소 크기가 일정하기 때문에 커패시턴스는 프로브와 대상 사이의 거리에 따라 결정됩니다. 간극의 재료가 변하지 않는다고 가정합니다. 프로브와 대상 사이의 거리가 변경되면 커패시턴스가 변경되어 감지 요소의 전류 흐름이 변경됩니다. 센서 전자 장치는이 전류 흐름의 크기에 비례하여 교정 된 출력 전압을 생성하여 목표 위치를 표시합니다.

와전류 센서는 전기장 대신 자기장을 사용하여 대상까지의 거리를 감지합니다. 감지 코일을 통해 교류를 통과시켜 감지가 시작됩니다. 이것은 코일 주위에 교번 자기장을 생성합니다. 이 교번 자기장이 전도성 타겟과 상호 작용할 때, 그것은 와전류 라 불리는 타겟 물질에 전류를 유도한다. 이 와전류는 감지 코일의 자기장과 반대되는 자기장을 생성합니다 (그림 6).

그림 6 자기장 유도
전도성 대상의 와전류

대상의 와전류가 감지 필드에 대향함에 따라 감지 코일의 임피던스가 변경됩니다. 임피던스 변화량은 프로브에서 대상과 감지 코일 사이의 거리에 따라 다릅니다. 임피던스에 의존하는 감지 코일의 전류 흐름은 프로브에 대한 대상의 위치를 ​​나타내는 출력 전압을 생성하도록 처리됩니다.

에러 소스

와전류 센서는 자기장의 변화를 사용하여 대상까지의 거리를 결정합니다. 정전 용량 센서는 정전 용량의 변화를 사용합니다. 자기장이나 정전 용량을 변경할 수있는 대상까지의 거리 외에 다른 요소가 있습니다. 이러한 요소는 응용 프로그램의 잠재적 오류 소스를 나타냅니다. 다행히 대부분의 경우 이러한 오류 소스는 두 기술에 따라 다릅니다. 애플리케이션에서 이러한 오류 소스의 존재와 크기를 이해하면 최상의 감지 기술을 선택하는 데 도움이됩니다.
이 기사의 나머지 부분에서는 이러한 오류 소스에 대해 설명하므로 응용 프로그램에 가장 적합한 선택을하고 최상의 결과를 얻을 수 있습니다.

갭 오염

그림 7 갭 오염
갭 유전체에 변화를 일으킴

일부 응용 분야에서 센서와 대상 사이의 간격은 먼지, 냉각수와 같은 액체 및 의도 된 측정에 포함되지 않은 기타 물질에 의해 오염 될 수 있습니다. 센서가 이러한 오염 물질의 존재에 반응하는 방식은 용량 성 또는 와전류 센서를 선택하는 데 중요한 요소입니다.

용량 성 센서는 센서와 대상 사이의 정전 용량 변화가 센서 간의 거리 변화의 결과라고 가정합니다. 커패시턴스에 영향을 미치는 또 다른 요소는 타겟과 센서 사이의 갭에있는 물질의 유전 상수 (ε)입니다. 공기의 유전 상수는 7보다 약간 큽니다. 다른 유전 상수를 가진 다른 물질이 센서 / 타겟 갭에 들어가면 커패시턴스가 증가하고 센서는 타겟이 센서에 더 가까이 이동했음을 잘못 표시합니다 (그림 8). 오염 물질의 유전 상수가 높을수록 센서에 미치는 영향이 커집니다. 오일의 유전율은 12과 80 사이입니다. 물의 유전율은 XNUMX입니다.

센서와 타겟 사이의 재료의 유전 상수에 민감하기 때문에 정전 용량 변위 센서는 타겟 위치를 측정 할 때 깨끗한 환경에서 사용해야합니다.

용량 성 센서의 유전 감도는 비전 도성 재료의 두께 또는 밀도를 감지하는데 사용하기 위해 이용 될 수있다. 이러한 유형의 응용 프로그램에 대한 자세한 내용은 용량 성 센서 이론 기술 노트.

용량 성 센서와 달리 와전류 센서는 감지를 위해 자기장을 사용합니다. 자계는 먼지, 물 및 기름과 같은 비전 도성 오염 물질의 영향을받지 않습니다. 이러한 오염 물질은 와전류 센서와 대상 사이의 감지 영역으로 들어가므로 센서의 출력에는 영향을 미치지 않습니다.

이러한 이유로, 어플리케이션이 더럽거나 적대적인 환경과 관련된 경우 와전류 센서가 최선의 선택입니다. Lion Precision 와전류 프로브는 IP67 등급이며 비 부식성 액체에 완전히 담그어도 사용할 수 있습니다.

대상 두께

용량 성 및 와전류 센서는 목표 두께에 대한 요구 사항이 다릅니다. 용량 성 센서의 전기장은 재료에 큰 침투없이 대상의 표면에만 맞물립니다. 이 때문에 용량 성 센서는 재료 두께의 영향을받지 않습니다.

와전류 센서의 자기장은 재료의 와전류를 유도하기 위해 대상의 표면을 관통해야합니다. 재료가 너무 얇 으면 대상의 작은 와전류가 약한 자기장을 생성합니다. 이로 인해 센서의 감도가 감소하고 신호 대 잡음비가 작아집니다.

센서 자기장의 침투 깊이는 센서의 진동 자기장의 재료와 주파수에 따라 다릅니다. Lion Precision 와전류 센서는 일반적으로 1-2MHz의 주파수를 사용합니다. 표 1은 일부 일반적인 재료의 최소 두께를 보여줍니다.

자세한 내용은 최소 권장 대상 두께 기술 노트.

대상 재료 및 회전 대상

용량 성 및 와전류 센서는 대상 재료의 차이에 따라 다르게 반응합니다. 와전류 센서의 자기장은 표적을 관통하고 재료에서 와전류를 유도하여 프로브로부터 자기장과 대향하는 자기장을 생성한다. 와전류의 세기와 그에 따른 자기장은 재료의 투과성과 저항에 따라 달라집니다. 이러한 특성은 재료마다 다릅니다. 이들은 또한 열처리 또는 어닐링과 같은 상이한 처리 기술에 의해 변경 될 수있다. 예를 들어, 다르게 처리 된 두 개의 다른 동일한 알루미늄 조각은 다른 자기 특성을 가질 수있다. 알루미늄과 티타늄과 같은 다른 비자 성 물질들 사이에서 투과성과 저항률의 변화는 작을 수 있지만, 하나의 비자 성 물질에 대해 보정 된 고성능 와전류 센서는 다른 비자 성 물질과 함께 사용될 때 여전히 오류를 생성 할 것입니다.

알루미늄 및 티타늄과 같은 비자 성 재료와 철 또는 강철과 같은 자성 재료의 차이는 엄청납니다. 알루미늄과 티타늄의 비 투자율은 대략 10,000이지만 철의 비 투자율은 XNUMX이 될 수 있습니다.
비자 성 물질에 대해 교정 된 와전류 센서는 자성 물질과 함께 사용될 때 전혀 작동하지 않을 것입니다. 정확한 측정을 위해 와전류 센서를 사용하는 경우 어플리케이션에 사용되는 특정 재료에 대해 센서를 교정하는 것이 중요합니다.
철 및 강철과 같은 자성 재료의 높은 투과성은 동일한 재료 내에서 작은 와전류 센서 오류를 유발할 수 있습니다. 불완전한 재료에는 미세한 균열과 재료 변형이 있습니다. 이 영역에서 재료의 투과성이 약간 변경됩니다. 변화는 비교적 작지만, 자성 물질의 투과성이 매우 높아서 고해상도 와전류 센서가 이러한 변화를 감지 할 수 있습니다. 이 문제는 자성 물질의 회전 대상에서 가장 분명합니다.

그림 8 런아웃 플롯
파란색의 실제 런아웃,
전기 런아웃
와전류 센서가 빨간색입니다.

와전류 센서를 장착하여 회전축의 런아웃을 측정 할 수 있습니다. 그러나 흔들림이 전혀없는 샤프트가 이상적 일지라도 고해상도 와전류 센서는 샤프트가 회전함에 따라 반복 가능한 변화 패턴을 감지합니다 (그림 8). 이러한 변화는 재료의 작은 변형으로 인한 것입니다. 이 현상은 잘 알려져 있으며 전기 런아웃이라고합니다. 이러한 오차는 종종 미크론 범위에서 작을 수 있습니다. 많은 샤프트 런아웃 응용 제품, 특히 와전류 센서가 표준 인 적대적인 환경의 응용 프로그램은 훨씬 더 큰 오류를 찾고 있으므로 이러한 오류를 견딜 수 있습니다. 더 정확한 다른 응용 분야에서는 이러한 오류를 해결하기위한 기술을 사용하거나 용량 성 센서와 같은 다른 감지 기술을 사용해야합니다.

용량 성 센서의 전기장은 대상을 접지에 대한 전도성 경로로 사용합니다. 모든 전도성 물질은이를 동일하게 제공하므로 용량 성 센서는 모든 전도성 물질을 동일하게 측정합니다. 용량 성 센서가 보정되면 성능 저하없이 모든 전도성 타겟과 함께 사용할 수 있습니다.

용량 성 센서의 전기장은 재료를 관통하지 않기 때문에 재료 내 변동이 측정에 영향을 미치지 않습니다. 용량 성 센서는 와전류 센서의 전기적 런아웃 현상을 나타내지 않으며 추가 오류없이 모든 전도성 물질의 회전 대상과 함께 사용할 수 있습니다.

와전류 센서는 어플리케이션의 타겟과 동일한 재료로 교정되어야하며 어플리케이션에서 전기적 런아웃 오류가 허용되지 않는 한 회전 자성 재료 타겟과 함께 사용해서는 안됩니다. 용량 성 센서는 일단 보정되면 재료 관련 오류없이 전도성 재료와 함께 사용할 수 있으며 회전 대상과 잘 작동합니다.

환경 매개 변수 : 온도 및 진공

감지 물리학의 차이와 드라이버 전자 장치의 관련 차이점으로 인해 용량 성 및 와전류 센서는 프로브 작동 온도 범위와 진공 호환성이 다릅니다.

Lion Precision 용량 성 및 와전류 프로브는 작동 온도 범위가 다릅니다. 와전류 프로브는 적대적인 환경에 대한 허용 오차로 인해 온도 범위가 더 큽니다. 폴리 우레탄 케이블을 사용하는 표준 와전류 프로브의 작동 범위는 -25 ~ + 125 ° C입니다. 테프론 FEP 케이블을 사용하는 고온 프로브의 작동 범위는 -25 ~ + 200 ° C입니다. 응결의 영향을받는 용량 성 프로브의 작동 범위는 +4 ~ + 50 ° C입니다. 두 감지 기술을위한 드라이버 전자 장치의 작동 범위는 +4 ~ + 50 ° C입니다.

용량 성 및 와전류 프로브는 모두 진공 응용 분야에서 사용할 수 있습니다. 프로브의 재료는 구조적 안정성을 위해 선택되고 진공 상태에서 가스 배출을 최소화합니다. 진공 호환 프로브는 추가 진공 청소 프로세스 및 특수 포장을 거쳐 섬세한 진공 환경을 위협 할 수있는 이물질을 제거합니다.

많은 진공 응용 분야에서는 정밀한 온도 제어가 필요합니다. 온도 변화에 관련된 프로브의 전력 소비는 용량 및 와전류 기술이 다른 곳입니다. 용량 성 프로브는 전류 흐름과 소비 전력이 매우 작습니다. 일반적인 용량 성 프로브는 40µW 미만의 전력을 소비하여 진공 챔버에 적은 열을 제공합니다.

와전류 프로브의 전력 소비는 40µW에서 1mW까지 다양합니다. 이러한 높은 전력에서 와전류 프로브는 진공 챔버에 더 많은 열을 제공하고 고정밀 진공 환경을 방해 할 수 있습니다. 와전류 프로브의 전력 소비는 많은 요인에 따라 다릅니다. 프로브 크기만으로는 전력 소비를 예측하는 데 적합하지 않습니다. 각 와전류 센서의 전력 소비는 개별적으로 평가해야합니다.
용량 성 또는 와전류 센서는 진공 환경에서 잘 작동 할 수 있습니다. 온도에 민감한 진공에서 와전류 센서는 애플리케이션에 너무 많은 열을 제공 할 수 있습니다. 이러한 응용 분야에서는 용량 성 센서가 더 나은 선택입니다.

프로브 장착

그림 9. 간섭이 발생할 때
와전류 프로브는
서로 가까이 장착되어 있습니다.

용량 성 및 와전류 센서의 감지 필드의 모양과 반응 특성의 차이로 인해이 기술에는 프로브 장착 요구 사항이 다릅니다. 와전류 프로브는 비교적 큰 자기장을 생성합니다. 필드 직경은 프로브 직경보다 9 배 이상 크고 큰 프로브의 경우 XNUMX보다 큽니다. 여러 프로브를 서로 가까이 장착하면 자기장이 상호 작용합니다 (그림 XNUMX). 이 상호 작용으로 센서 출력에 오류가 발생합니다. 이러한 유형의 장착을 피할 수없는 경우와 같은 디지털 기술 기반 센서 ECL202 인접한 프로브의 간섭을 줄이거 나 없애도록 특별히 보정 할 수 있습니다.

와전류 프로브로부터의 자기장은 또한 프로브 뒤에서 약 10 직경으로 연장된다. 일반적으로 하드웨어를 장착하는이 영역의 금속 물체는 필드와 상호 작용하여 센서 출력에 영향을 미칩니다 (그림 XNUMX). 근처의 장착 하드웨어를 피할 수없는 경우 장착 하드웨어를 사용하여 센서를 보정하여 하드웨어의 영향을 보상 할 수 있습니다.

그림 10. 장착 하드웨어 캔
와전류를 방해하다
프로브 자기장.

용량 성 프로브의 전기장은 프로브의 전면에서만 방출됩니다. 필드는 약간 원뿔 모양으로되어 감지 영역 직경보다 약 30 % 더 큰 스팟 크기가됩니다. 근처의 장착 하드웨어 또는 기타 물체는 필드 영역에 거의 존재하지 않으므로 센서 교정에 영향을 미치지 않습니다. 여러 개의 독립적 인 용량 성 센서를 동일한 대상과 함께 사용하는 경우 한 프로브의 전기장이 대상에 전하를 추가하려고하는 반면 다른 센서는 전하를 제거하려고 할 수 있습니다 (그림 11).

대상과의 충돌로 인해 센서 출력에 오류가 발생합니다. 이 문제는 센서를 동기화하여 쉽게 해결할 수 있습니다. 동기화는 모든 프로브가 동시에 전하를 추가 또는 제거하고 간섭이 제거되도록 모든 센서의 구동 신호를 동일한 위상으로 설정합니다. 모든 Lion Precision 다중 채널 시스템이 동기화되므로이 오류 소스에 대한 우려가 없습니다.

그림 11. 비동기식 용량
센서가 방해 할 때
동일한 대상에 사용됩니다.

어플리케이션에 공통 대상이있는 여러 프로브를 사용해야하는 경우 동기화 된 용량 성 센서를 쉽게 사용할 수 있습니다. 어플리케이션에 와전류 기술이 필요한 경우, 장착 계획에서 특별한주의를 기울여야하며 특별한 교정이 필요할 수 있습니다.

개요

용량 성 및 와전류 변위 센서 중에서 선택할 때 고려해야 할 많은 요소가 있습니다. 액체 또는 폐기물과 같은 측정 영역 오염 물질과 관련된 모든 응용 분야에는 와전류 감지가 필요합니다. 용량 성 센서는 깨끗한 환경이 필요합니다.

용량 성 센싱 필드의 크기가 비교적 작기 때문에 용량 성 센서로 작은 타겟을보다 쉽게 ​​측정 할 수 있습니다. 와전류 감지가 필요한 경우 작은 대상에 대해 특수 교정을 사용할 수 있습니다.
동일한 크기의 용량 성 또는 와전류 프로브의 경우 와전류 프로브의 측정 범위가 더 큽니다.

용량 성 프로브는 대상의 표면과 상호 작용하므로 재료 두께는 용량 성 측정에 영향을 미치지 않습니다. 와전류 센서에는 최소 목표 두께 요구 사항이 있습니다.

용량 성 센서는 전도성이있는 대상 물질에 민감하지 않습니다. 와전류 센서는 재료 차이에 민감하며 응용 프로그램의 대상 재료에 맞게 보정해야합니다.

여러 개의 프로브를 사용하는 경우 용량 성 센서를 동기화해야하지만 간섭없이 서로 가까이 장착 할 수 있습니다. 동기화 된 경우에도 와전류 프로브는 서로 가까이 장착되면 상호 작용합니다. 피할 수없는 경우 특수 보정을 사용할 수 있지만 Lion Precision과 같은 디지털 센서에서만 사용할 수 있습니다 ECL202.

정전 용량 프로브의 작은 감지 필드는 대상에만 향하고있어 장착 하드웨어 또는 주변 물체를 감지하지 못합니다. 와전류의 넓은 주변 감지 필드는 감지 영역에 너무 가까이있는 경우 장착 하드웨어 또는 기타 물체를 감지 할 수 있습니다.
두 기술 간에는 해상도와 대역폭이라는 두 가지 사양이 다릅니다. 용량 성 센서는 와전류 센서보다 높은 분해능을 가지므로 고해상도의 정밀한 어플리케이션에 더 적합합니다.

대부분의 정전 용량 및 와전류 센서는 10-15kHz의 대역폭을 갖지만 일부 와전류 센서 (ECL101) 대역폭이 80kHz에 이릅니다.

기술의 또 다른 차이점은 비용입니다. 일반적으로 와전류 센서는 비용이 저렴합니다.

용량 성 및 와전류 감지 기술의 차이점을 검토하면 어떤 기술이 애플리케이션에 가장 적합한 지 결정하는 데 도움이됩니다. 부디 문의 주세요 최고의 센서를 선택하는 데 도움이됩니다.

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