이중 기술 필름 두께 측정

애플리케이션 노트 LA05-0010

저작권 © 2009 Lion Precision. www.lionprecision.com

개요

용량 성 감지 기술은 종이 또는 플라스틱과 같은 비전 도성 필름의 두께를 측정 할 수 있습니다. 공정은 두께의 큰 변화에 효과적이고 간단 할 수있다. 그러나, 두께를 미크론으로 해결하기 위해서는 종종 생산 환경에 존재하는 에러 소스를 제어하거나 보상해야합니다. 본질적인 문제는 용량 성 센서의 필름 두께 변화에 대한 낮은 감도와 센서와 전도성 타겟 사이의 간격 변화에 대한 높은 감도입니다. 용량 성 및 와전류 감지 기술을 함께 사용하면 일부 오류 원인을 완화 할 수 있습니다. 필름 두께의 미크론 해상도를 생성하기 위해서는 추가적인 기계적 및 계산 기술이 필요합니다.

용량 성 센서를 사용한 기본 필름 측정
비 도체 측정

그림 1. 비전 도체는 전기장을 통해 고정 된 전도성 대상 뒤에 전기장을 통과시켜 측정 할 수 있습니다.

정전 식 센서는 프로브 감지 영역과 접지 된 전도성 표면 사이의 정전 용량을 기준으로 측정합니다. 일반적인 정전 용량 감지 어플리케이션은 타겟이 프로브에 가까워 지거나 멀어 질 때 정전 용량의 변화를 측정합니다. 그러나 정전 용량은 프로브와 접지 된 전도성 표면 사이의 갭에서 재료의 유전 상수를 변경하여 변경됩니다 (그림 1). 대부분의 필름은 공기보다 유전 상수가 상당히 높습니다. 이로 인해, 프로브와 전도성 기준 표면 사이의 막 두께의 변화는 커패시턴스 및 센서의 출력 전압을 변화시킬 것이다. 신뢰할 수있는 결과를 얻으려면 프로브와 기준 표면 사이의 간격을 일정하게 유지해야합니다. 감도는 필름 두께의 변화보다 전도성 표면의 움직임에 훨씬 더 높기 때문에, 갭의 작은 변화는 필름 두께에서 큰 에러를 생성 할 것이다.

감도 고려 사항

선형 출력을 갖는 용량 성 센서는 필름 두께를 측정 할 때 선형 출력을 제공하지만 감도는 크게 줄어 듭니다. 전도성 타겟의 위치에서 수 미크론의 변화에 ​​대해 XNUMX 볼트의 변화를 생성하는 센서는 막 두께의 수 미크론의 변화에 ​​대해 단지 수 밀리 볼트의 변화를 생성 할 수있다. 막 두께에 대한 감도를 결정하는 요소 중 하나는 재료의 유전 상수 (ε)입니다. 유전율이 높을수록 감도가 높습니다. 아래 표에는 몇 가지 일반적인 재료의 유전 상수가 나와 있습니다.

자료

유전 상수 (ε)

공기 1
마일 라 3.1
네오프렌 6.7
폴리에틸렌 2.25
테플론 2.1

필름 두께에 대한 감도의 또 다른 중요한 요소는 정전 용량 센서의 보정 범위입니다. 필름 두께의 변화에 ​​대한 용량 성 센서의 감도는 센서의 범위에 반비례합니다. 필름 두께 변화에 대한 높은 감도는 용량 성 센서가 매우 작은 범위를 가지며 필름에 매우 근접해야합니다. 아래 차트는 용량 성 센서 범위와 두 개의 서로 다른 유전 상수에 대한 막 두께 변화에 대한 감도 간의 전형적인 관계를 보여줍니다.

용량 성 센서 범위에 대한 필름 감도

필름 두께에 대한 감도 보정

용량 성 센서는 일반적으로 전도성 타겟의 위치 변화에 대해 보정됩니다. 필름 두께의 변화에 ​​대한 용량 성 센서의 감도를 결정하려면 알려진 두께의 두 조각의 필름이 필요합니다. 각 조각은 센서와 기준면 사이의 틈에 배치되고 측정됩니다. 두 두께와 각각의 측정 값의 차이는 시스템의 감도입니다. 출력은 필름 두께와 관련하여 선형이기 때문에이 감도는 센서 범위 내의 모든 측정에 적용되어야합니다.

XNUMX 차 생산 오류 소스
금속 롤러

필름 생산 환경에서 필름이 금속 롤러를 통과 할 때 대부분의 두께 측정이 이루어집니다. 롤러는 용량 성 센서에 필요한 기준 표면을 제공하지만, 불완전한 베어링에서 회전하는 롤러의 불완전한 모양으로 인해 롤러가 회전함에 따라 롤러가 용량 성 프로브를 향하거나 멀어지게됩니다 (그림 2).

그림 2. 불완전한 베어링의 불완전한 롤러는 용량 성 센서에 중대한 오류 원인을 만듭니다.

스캔

많은 필름 응용 프로그램에서 웹 전체의 필름 두께를 스캔해야합니다. 이것은 일반적으로 센서를 웹을 가로 질러 롤러와 평행하게 움직여서 수행됩니다. 스캔 시스템의 메커니즘도 불완전하며 스캔 중에 롤러 센서 간격이 변경됩니다 (그림 3).

그림 3. 불완전한 스캐너 메커니즘으로 인해 정전 용량 센서에 중대한 오류 소스가 생성됨

 

용량 성 센서는 전도성 타겟의 움직임에 훨씬 민감하기 때문에, 롤러와 센서 사이의 갭의 이러한 변화에서 필름 두께의 변화가 손실된다.

와전류 센서로 롤러 및 스캔 문제 해결

와전류 센서는 필름이나 다른 비 도체를 감지 할 수 없습니다. 와전류 센서를 사용하여 롤러와 용량 성 센서 사이의 간격 변화를 모니터링 할 수 있습니다. 와전류 센서에 의해 측정 된 갭 변화는 용량 성 센서에 의해 측정 된 변화로부터 차감되어 막 두께만을 측정 할 수있다 (도 4).

정전 용량 및 와전류 센서를 사용한 차동 측정으로 시스템의 갭 변경 오류 제거

불완전한 센서

용량 성 및 와전류 센서가 이상적이라면 이중 기술 필름 두께 센서가 이상적인 솔루션이되고 필름 두께 측정이 단순화됩니다. 용량 성 센서의 필름 두께 변화에 대한 감도가 비교적 낮기 때문에, 용량 성 및 와전류 센서에서 일반적으로 중요하지 않은 작은 오류는 필름 두께 측정에 중요한 요소가됩니다. 필름 두께 측정에 이중 기술 센서 솔루션을 사용하려면 용량 성 및 와전류 센서의 오류 소스를 필요한 최소 필름 두께 해상도보다 작은 레벨로 제어해야합니다. 어플리케이션에 2mV로 표시되는 필름 두께의 10µm 변화 측정이 필요한 경우 오류 소스는 10mV보다 훨씬 작아야합니다. 중요하지 않은 비접촉 감지에 공통적 인 몇 가지 오류 소스가 있습니다. 그들 각각은 아래에 설명되어 있습니다.

센서 오류 소스

센서 오차 소스는 필름 두께의 작은 변화에 대한 센서의 감도보다 더 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 이중 기술 시스템을 사용할 때 정전 용량 및 와전류 센서에 대해 오류의 극성이 다른 경우 오류의 크기가 두 배로 증가 할 수 있습니다.

선형성 오류

모든 변위 센서는 작은 선형성 오차를 나타냅니다. 측정 지점 간의 감도가 센서 범위에서 일치하지 않으면 선형성 오류가 발생합니다. 용량 성 및 와전류 센서에 대한 일반적인 선형성 오류 사양은 풀 스케일 범위의 ± 0.2 %입니다. 최악의 시나리오에서, 용량 성 및 와전류 센서는 각각의 범위의 동일한 지점에서 반대 극성 선형성 오차를 가질 것이다. 이로 인해 전체 스케일의 0.4 %의 결합 오차가 발생합니다. 0-10V 출력의 경우 해당 지점의 오류 전압은 40mV입니다. 이 섹션의 끝 부분에있는 상대 오차 크기 차트를 참조하면 40mV는 차트에 나열된 가장 민감한 범위의 필름 두께에서 5µm 오차와 거의 동일하고 가장 민감한 (가장 큰 간격) 교정의 경우 20µm 오차와 같습니다. 이 시스템은 필름 두께의 1 또는 2µm 변화를 안정적으로 측정 할 수 없습니다. 시스템을 "마스터 링"하면이 오류를 크게 줄일 수 있습니다. 열 드리프트에 대해 논의한 후 마스터 링에 대해 논의합니다.

열 드리프트

모든 변위 센서는 작은 열 드리프트를 나타냅니다. 온도 변화는 일부 전자 부품에서 프로브 구조와 전기 드리프트의 기계적 변화를 유발합니다. 이들은 일반적으로 매우 작지만 필름 두께 측정과 ​​관련된 낮은 감도로 인해 중요 할 수 있습니다. 열 드리프트는 주로 출력에서 ​​DC 시프트입니다. 감도 (게인)가 영향을받을 수 있지만이 효과는 DC 시프트보다 훨씬 작습니다. 용량 성 및 와전류 센서의 일반적인 열 드리프트 사양은 ± 0.04 % Full-Scale / ° C입니다. 두 개의 센서를 사용하는 경우, 각각의 열 드리프트가 반대가되어 잠재적 오류를 0.08 % Full-Scale / ° C로 두 배로 증가시킬 수 있습니다. 3 ° C 변경시 출력은 24mV로 변경 될 수 있습니다. 이것은 가장 민감한 범위의 경우 3µm의 필름 두께와 가장 민감한 범위의 경우 10µm 이상에 해당합니다.

오류를 줄이기위한 마스터 링

이중 기술 필름 두께 측정에서 생성 된 대부분의 오류는 두 센서 간의 오류 차이로 인해 발생합니다. 두 센서의 오류를 일치시킬 수 있으면 측정 값을 수학적으로 결합하면 오류가 거의 XNUMX으로 줄어 듭니다. 이것은 "마스터 링"이라는 프로세스에 의해 달성 될 수 있습니다. 마스터 링에는 생산 중 센서 성능에 대한 테스트 및 보상이 포함됩니다. 이 작업은 수동으로 수행 할 수 있지만 일반적으로 컴퓨터 제어 시스템의 자동화 부분입니다.

선형성 오류를 줄이기위한 마스터 링

선형성 오류 (또는 다른 감도 오류)를 줄이려면 필름에서 센서를 옮기고 롤러와 센서 사이의 간격이 변경 될 때 센서를 교정해야합니다. 이는 센서를 위아래로 움직이는 메커니즘으로 수행 할 수 있거나 여러 높이 타겟을 센서 아래의 여러 위치로 이동할 수 있습니다. 서로 다른 간격에 대해 각 센서에서 데이터가 수집됩니다. 룩업 테이블을 사용하거나 다항식을 계산하여 두 센서를 수학적으로 보정하여 서로 다른 간격에서 동일한 결과를 생성합니다. 선형성과 감도는 변화에 민감하지 않기 때문에 마스터 링 프로세스를 자주 수행 할 필요는 없습니다.

열 드리프트 오류를 ​​줄이기위한 마스터 링

열 오류를 줄이면 필름이없는 롤러를 측정하기 위해 필름에서 센서를 옮기기 만하면됩니다. 필름을 벗어난 동안 센서의 출력은 수학적으로 XNUMX으로 설정되고 측정이 다시 시작됩니다. 열 드리프트가 발생하면 필름을 끌 때 두 센서를 모두 XNUMX으로 재설정하여 제거합니다. 이 작동의 빈도는 설비의 열 환경과 센서의 열 안정성에 의해 결정됩니다. 빈번하거나 큰 온도 변화는 더 자주 마스터 링해야합니다.

센서 전기 노이즈

센서를 포함한 모든 전기 장치는 출력에서 ​​소량의 전기 노이즈를 생성합니다. 다른 오차 소스와 마찬가지로이 노이즈는 매우 작지만 필름 두께의 작은 변화 (미크론)를 측정 할 때 중요해질 수 있습니다. 전기적 노이즈는 넓은 주파수 범위에 분포됩니다. 이러한 이유로 저역 통과 필터 또는 저 대역폭 센서는 일부 잡음을 제거하여이 오류 원인을 줄일 수 있습니다. 실제 분해능 값은 특정 센서 및 교정에 따라 다르지만 용량 성 센서의 일반적인 노이즈 값은 0.004kHz 대역폭에서 15 % Full-Scale, 0.002Hz에서는 100 %입니다. 0-10V 출력에서는 0.2mV입니다. Eddy-Current 센서는 0.008kHz에서 약 15 % Full-Scale 및 0.004Hz에서 100 %의 일반적인 분해능 값을 갖습니다. 0-10V 출력에서는 0.4mV입니다.

상대 오차 크기

아래 차트는 필름 두께의 1µm 변화에 대한 센서의 전압 변화와 마스터 링되지 않은 이중 기술 감지 시스템에 대한 최악의 시나리오에서 가능한 오류 전압을 보여줍니다.

필름 감도 및 오류 소스의 크기는 일반화 된 근사치입니다. 특정 값은 최종 시스템 구성에 따라 다릅니다.

센서 대상 영역

인접한 용량 성 및 와전류 센서를 사용하는 것이 효과적 일 수 있지만 감지 영역의 위치 차이는 시스템의 오류 원인이됩니다. 용량 성 센서와 전도성 타겟 사이의 간격 변화는 와전류 센서 위치에서의 간격 변화와 일치하지 않습니다. 미크론의 막 두께 해상도가 필요한 경우,이 오차는 엄청날 수 있습니다. 이중 기술 두께 시스템의 이상적인 적용을 위해서는 용량 성 및 와전류 센서가 동일한 위치를 측정해야합니다. 이를 위해서는 센서가 동심이어야합니다. 특별히 설계된 이중 기술 프로브가이를 가능하게합니다.