용량 성 및 와전류 센서를 사용한 선형 위치 및 변위 측정

일반 센서 애플리케이션 노트 LA05-0060

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개요:

사실상 모든 용량 성 및 와전류 센서 응용 제품은 기본적으로 물체의 변위 (위치 변경)의 척도입니다. 이 어플리케이션 노트는 이러한 측정의 세부 사항과 마이크로 및 나노 변위 응용 분야에서 신뢰할 수있는 측정을 수행하는 데 필요한 사항을 자세히 설명합니다.
정전 식 센서는 깨끗한 환경에서 작동하며 최고의 정밀도를 제공합니다. Eddy-Current 센서는 습하고 더러운 환경에서 작동 할 수 있습니다. 프로브를 물체 근처에 장착 할 수 있고 전체 변위가 작은 경우 레이저 간섭계를 경제적으로 대체합니다.

비접촉식 선형 변위 센서를 이용한 선형 변위 및 위치 측정

선형 변위 측정 여기서는 물체의 위치 변화를 측정합니다. 용량 성 센서 및 와전류 센서를 사용하는 전도성 물체의 선형 고분해능 비접촉 변위 측정은 특히이 애플리케이션 노트의 주제입니다. 용량 성 센서는 비전 도성 물체를 측정 할 수도 있습니다. 용량 성 변위 센서로 비전 도성 물체를 측정하는 것에 대한 논의는 용량 성 센서 작동 이론 기술 노트 (LT03-0020).

관련 용어 및 개념

용량 성 변위 센서 및 와전류 변위 센서의 고분해능, 단거리 특성으로 인해이를 때때로 미세 변위 측정 센서로 미세 변위 센서 or 미세 변위 트랜스 듀서. 센서 선형 변위 측정 때로는 변위 측정기 or 변위 게이지.

절대 위치와 변위

마이크로 및 나노 레벨에서 용량 성 및 와전류 변위 센서

마이크로 및 나노 레벨에서, 용량 성 및 와전류 변위 센서는 절대 위치 측정보다는 변위 측정 (위치 변경)에 가장 적합합니다.

변위는 물체의 위치 변화를 측정 한 것입니다. 절대 위치는 센서의 측정 표면과 물체 사이의 정확한 거리를 측정 한 것입니다.

용량 성 및 와전류 센서는 주로 변위 센서로 사용됩니다. 시간이 지남에 따라 (개월 및 년) ​​센서 보정이 약간 이동합니다. 이 시프트는 주로 센서 출력에서 ​​DC 오프셋입니다. 온도에 비해 약간의 DC 이동이 있습니다. 이 DC 오프셋은 시간이 지남에 따라 증가하는 절대 위치 측정에서 작은 오류를 발생시킵니다. 이러한 오차는 작지만 미크론 이하 수준에서는 정밀도에 영향을 줄 수 있습니다.

센서의 감도 (게인) 변화는 훨씬 작습니다. 위치의 실시간 변화를 측정하려면 일관된 감도가 필요하며 출력의 DC 오프셋의 장기적인 이동에 영향을받지 않습니다. 이러한 이유로, 용량 성 및 와전류 변위 센서는 일반적으로 절대 위치가 아닌 상대 위치 (변위)를 측정하는 데 사용되며, 특히 미크론 이하 또는 나노 미터 수준에서 분해능이 필요한 미세 변위의 경우에 사용됩니다.

변위는 일반적으로 일부 변수의 결과로 측정됩니다.

변위, 특히 미세 변위를 측정하는 일반적인 이유는 물체가 변화하는 조건에 어떻게 반응 하는지를 결정하기위한 것입니다. 변위 측정은 대개 다음과 같은 질문에 답합니다.

의도적 인 변위 : 물체는 모션 제어 포지셔닝 시스템에 의해 의도적으로 이동됩니다. 비접촉 변위 측정은 물체의 의도 된 변위의 정확도를 나타냅니다.

부품 치수 : 시스템은 정상으로 알려진 "마스터"부품으로 구성되고 그 후에 마스터 부품은 테스트 용 부품으로 교체됩니다. 마스터 부품에 대한 테스트 부품의 치수 차이는 센서에 의한 변위 측정으로 표시됩니다.

온도 : 물체의 위치는 초기 온도에서 측정됩니다. 관심있는 온도가 변경되고 (종종 기계가 작동함에 따라 자연스럽게 발생) 변위 측정은 온도로 인한 위치 변화의 크기를 나타냅니다.

진동: 선형 변위 측정은 물체 또는 변위의 변위를 표시하기 위해 오실로스코프 또는 데이터 수집 시스템과 함께 용량 성 또는 와전류 변위 센서를 사용하여 실시간으로 이루어집니다. 우리를 참조하십시오 진동 측정 애플리케이션 노트 자세한 내용은.

압력: 에어 베어링 및 기타 유체 베어링은 다른 유체 압력에서 작동 할 수 있습니다. 다른 압력에서 물체의 변위 측정은 의도 된 작동과 비교하여 압력이 변함에 따라 기계의 실제 동작을 나타냅니다.

입고 있다: 베어링과 슬라이드가 마모됨에 따라 움직이는 부품의 비접촉 변위 측정으로 의도하지 않은 방향으로의 움직임이 증가했음을 나타냅니다. 회전 동작은 객체가 회전함에 따라 X, Y 및 Z 축에서 변위가 증가 함을 보여줍니다. 선형 슬라이드는 이동 방향에 수직 인 두 축의 변위 증가를 보여줍니다.

선형 변위 측정은 상대 측정입니다

선형 비접촉 변위 측정은 상대 측정이며 하나 이상의 선형 축에서 초기 위치에서 물체의 위치 변화를 나타냅니다. 선형 변위 측정 축마다 별도의 변위 또는 위치 센서 채널이 필요합니다.

용량 성 및 와전류 변위 센서를 사용한 기본 선형 변위 측정

변위 센서는 측정 대상이 센서의 측정 범위 내에 있도록 고정구에 장착됩니다. 센서에 영점 (오프셋) 조정이 포함 된 경우, 물체가 움직일 때 선형 변위 측정을보다 쉽게 ​​해석 할 수 있도록이 위치에서 센서를 영점 조정할 수 있습니다. 만약 제로 조정이 가능하지 않다면, 변위 센서의 초기 출력이 기록되고 초기 값에서 위치의 변화를 나타 내기 위해 미래 측정에서 그 값을 뺍니다.

변위 센서 출력에서 ​​변위 계산

변위 측정을위한 센서에는 목표 위치의 주어진 변화에 대한 출력 변화량을 지정하는 "감도"사양이 있습니다. 아날로그 전압 출력 센서의 경우이 값은 거리 또는 길이 당 볼트 (예 : mm, 인치 등)로 표시됩니다. 디지털 출력 센서의 경우이 값은 거리 단위당 카운트로 제공됩니다. 변위를 측정 할 때이 감도는 출력 변화에 대한 물리적 변위를 계산하는 데 사용됩니다.

센서 출력에서 ​​변위를 계산하는 공식 :

변위 = 출력 변화 / 감도

아날로그 전압 출력 센서 :

볼트의 출력 변화; 감도 = 볼트 / 거리 단위

디지털 출력 센서 :

카운트의 출력 변화; 감도 = 카운트 / 거리 단위

미세 변위 오류 및 우려

고성능 용량 성 변위 센서 및 와전류 변위 센서는 일반적으로 미세 변위를 측정하는 데 사용됩니다. 미세 변위 레벨에서 변위를 측정 할 때 일반적으로 중요하지 않은 오차 소스가 더 중요한 요소가됩니다.

장착에 대한 열 영향

비접촉식 변위 센서 또는 대상 물체를 고정하는 장착 시스템의 열 팽창 및 수축으로 인해 측정에 오류가 발생할 수 있습니다. 고정구가 확장되거나 수축됨에 따라 센서가 대상 물체를 향하거나 멀어 질 수 있습니다. 변위는 실제 값이며 측정에 영향을 주지만 테스트되는 조건으로 인한 변위는 아닙니다. 선형 변위 센서 장착 시스템은 견고하고 견고하며 열적으로 안정적이어야합니다. 초정밀 응용 분야에서는 환경을 엄격하게 제어하거나 장착 시스템을 인바 또는 기타 제로 팽창 재료로 제작합니다.

미세 변위 센서 장착

열 문제 외에도 기계적 안정성은 마이크로 레벨에서 더 복잡합니다. 변위 측정 센서는 장착 시스템에 의해 제자리에 단단히 고정되어야합니다. 마이크로 나 나노 레벨에서 변위를 측정 할 때 간단한 고정 나사 타입 마운트는 충분히 안정적이지 않을 수 있습니다.

매끄러운 원통형 선형 변위 센서를 장착하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 스루 홀 마운트에 고정 나사를 사용하면 프로브가 고정 나사와 고정 나사 반대쪽의 두 지점에만 고정됩니다. 프로브는 고정 나사 축에서 90 ° 축으로 자유롭게 회전합니다. 고정 나사가 프로브를 누르는 표면의 너비에 따라 프로브가 축을 따라 회전 할 수도 있습니다. 고정 나사의 힘을 증가 시켜도 다른 두 축에서 프로브의 안정성이 증가하지는 않습니다.

고정 나사 장착 잠금 장치

고정 나사 장착은 프로브의 축을 따라 프로브를 고정하지만 다른 두 축, 특히 마이크로 및 나노 레벨에서 여전히 움직임이있을 수 있습니다.

클램프 마운트

클램프 마운트는 고정 나사 마운트보다 안정적인 마운트입니다. 그러나 마이크로 및 나노 레벨에서 형태 오류는 고정 나사 마운트와 매우 유사한 XNUMX 점 클램프 만 초래할 수 있습니다.

XNUMX 점 클램프

XNUMX 점 클램프 마운트는 본질적으로 안정적이며 진원도의 작은 형태 오차에 영향을받지 않습니다.

완벽하지만 완벽하지는 않은 선형 변위 센서 장착 방식은 클램프 타입 장착입니다. 이 장착 시스템은 장착 구멍과 프로브가 완전히 둥글면 세 축 모두에서 프로브를 안정화시킬 수 있습니다. 그러나 두 부품의 편심으로 인해 세트 스크류 시스템과 유사한 XNUMX 점 장착 시스템이 생성됩니다.

최적의 마운팅 시스템은 각 점이 프로브 축을 따라 상당한 길이를 덮는 다점 클램프를 사용합니다. 클램프 시스템은 일반적인 클램프 장착 구성으로 시작하지만 장착 구멍 둘레의 XNUMX 개 또는 XNUMX 개 지점 사이에서 클램핑 구멍에서 재료를 제거합니다. 이 배열은 장착 구멍의 편심 또는 비접촉식 선형 변위 측정 센서의 편심의 영향을받지 않으며 세 축 모두에서 안정적입니다.

용량 성 변위 센서에 고유 한 기타 고려 사항

도표용량 성 변위 센서의 "점 크기"는 감지 영역 직경의 약 130 %입니다. 이러한 이유로 일반적으로 주변 물체에 영향을받지 않으며 장착 브래킷 표면과 동일 높이에 장착 할 수 있습니다. 감지 영역의 크기에 비해 매우 긴 측정 범위를 사용하는 교정은 예외입니다. 이는 Lion Precision 프로브에 사용할 수있는 상용 교정에는 적용되지 않습니다.

환경 고려 사항

정전 용량 센서를 사용한 선형 변위 측정은 깨끗한 환경에서 이루어져야합니다. 변위 측정은 용량 성 프로브와 측정 대상 물체 사이의 공간 (공기 또는 진공 이외)에 영향을받습니다.

도표

와전류 프로브 장착은 프로브 직경의 XNUMX 배 이상인 팁 주위에 금속이없는 공간을 허용해야합니다. 매립형 장착에는 카운터 보어가 필요합니다.

용량 성 센서는 온도에 어느 정도 민감하지만 시스템은 20 % FS / ° C 미만의 드리프트로 35 ° C와 0.04 ° C 사이의 온도 변화에 대해 보상됩니다.

습도의 일반적인 변화는 용량 성 변위 측정에 큰 영향을 미치지 않습니다. 습도가 너무 높으면 프로브 나 대상에 최악의 응축 현상이 발생하여 출력에 영향을줍니다.

와전류 변위 센서에 고유 한 기타 고려 사항

와전류 변위 센서는 프로브의 끝을 에워싸는 자기장을 사용합니다. 결과적으로 와전류 변위 센서의 "점 크기"는 프로브 직경의 약 300 %입니다. 즉, 프로브에서 XNUMX 개의 프로브 직경 내에있는 금속 물체가 센서 출력에 영향을 미칩니다.

이 자기장은 프로브의 축을 따라 프로브의 후면을 향하여 연장됩니다. 이러한 이유로 프로브의 감지면과 마운팅 시스템 사이의 거리는 프로브 직경의 1.5 배 이상이어야합니다. Eddy-Current 변위 센서는 장착 표면과 같은 높이로 장착 할 수 없습니다.

프로브 근처에 방해가되는 물체를 피할 수없는 경우, 픽스처의 프로브로 이상적으로 수행되는 특수 교정을 수행해야합니다.

다중 프로브

여러 개의 프로브를 동일한 대상과 함께 사용하는 경우 채널 간 간섭을 방지하기 위해 프로브 직경을 XNUMX 개 이상 분리해야합니다. 이것이 불가피한 경우, 간섭을 최소화하기 위해 특수한 공장 교정이 가능합니다.

환경 고려 사항

와전류 센서를 사용한 선형 변위 측정은 측정 영역의 이물질에 영향을받지 않습니다. 와전류 비접촉 센서의 가장 큰 장점은 오히려 적대적인 환경에서 사용할 수 있다는 것입니다. 모든 비전 도성 재료는 와전류 센서에 보이지 않습니다. 가공 공정의 칩과 같은 금속 재료도 센서와 크게 상호 작용하기에는 너무 작습니다.

Eddy-Current 센서는 온도에 어느 정도 민감하지만 시스템은 15 % FS / ° C 미만의 드리프트로 65 ° C와 0.01 ° C 사이의 온도 변화에 대해 보상됩니다.

습도 변화는 와전류 변위 측정에 영향을 미치지 않습니다.

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