Comparação de Sensores Capacitivos e de Corrente de Foucault

TECHNOTE LT05-0011

Sensor geral TechNote LT05-0011

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Introdução

Os sensores sem contato que utilizam tecnologias capacitivas e de corrente de Foucault representam uma mistura única de vantagens e desvantagens para uma variedade de aplicações. Essa comparação dos pontos fortes das duas tecnologias ajudará você a selecionar a melhor tecnologia para sua aplicação.

Tabela de comparação

Uma referência rápida com detalhes abaixo.

•• Melhor escolha, . Escolha funcional, - Não é uma opção

Fator

Capacitivo

Eddy-Current

Ambientes sujos - ••
Alvos pequenos •• .
Grande variedade . ••
Materiais finos •• .
Versatilidade do material •• .
Sondas múltiplas •• .
Facilidade de montagem da sonda •• .
Resolução •• .
Largura de Banda . ••
Custo . ••

Construção do sensor

Sonda Capacitiva

Figura 1. Construção da sonda capacitiva

A compreensão da diferença entre sensores capacitivos e de corrente de Foucault começa examinando como eles são construídos. No centro de uma sonda capacitiva está o elemento sensor. Este pedaço de aço inoxidável gera o campo elétrico que é usado para detectar a distância do alvo. Separado do elemento sensor por uma camada isolante está o anel de proteção, também feito de aço inoxidável. O anel de proteção envolve o elemento sensor e focaliza o campo elétrico em direção ao alvo. Alguns componentes eletrônicos estão conectados ao elemento sensor e ao anel de proteção. Todos esses conjuntos internos são cercados por uma camada isolante e envoltos em uma carcaça de aço inoxidável. A caixa está conectada à blindagem aterrada do cabo (Figura 1).

Bobina Sensora

Figura 2. Construção da sonda de corrente de Foucault

A principal peça funcional de uma sonda de corrente de Foucault é a bobina sensora. Esta é uma bobina de fio perto do final da sonda. A corrente alternada é passada através da bobina que cria um campo magnético alternado; esse campo é usado para detectar a distância do alvo. A bobina é encapsulada em plástico e epóxi e instalada em uma carcaça de aço inoxidável. Como o campo magnético de um sensor de corrente de Foucault não é tão facilmente focado quanto

No campo elétrico de um sensor capacitivo, a bobina coberta de epóxi se estende da carcaça de aço para permitir que todo o campo de detecção ative o alvo (Figura 2).

Tamanho do ponto, tamanho do alvo e alcance

Ponto de Sonda Capacitiva

Figura 3. Tamanho do ponto da sonda capacitiva

O campo de detecção da sonda de um sensor sem contato engata o alvo em uma determinada área. O tamanho dessa área é chamado de tamanho do ponto. O alvo deve ser maior que o tamanho do ponto ou será necessária uma calibração especial. O tamanho do ponto é sempre proporcional ao diâmetro da sonda. A relação entre o diâmetro da sonda e o tamanho do ponto é significativamente diferente para sensores capacitivos e de corrente de Foucault. Esses tamanhos de ponto diferentes resultam em tamanhos de alvo mínimos diferentes.

Sensores capacitivos usam um campo elétrico para detectar. Esse campo é focado por um anel de proteção na sonda, resultando em um tamanho de ponto cerca de 30% maior que o diâmetro do elemento sensor (Figura 3). Uma proporção típica da faixa de detecção para o diâmetro do elemento sensor é de 1: 8. Isso significa que, para cada unidade de faixa, o diâmetro do elemento sensor deve ser oito vezes maior. Por exemplo, um alcance de detecção de 500 µm requer um diâmetro do elemento sensor de 4000 µm (4 mm). Essa proporção é para calibrações típicas. Calibrações de alta resolução e faixa estendida alterarão essa proporção.

Ponto de sonda de corrente parasita

Figura 4. Tamanho do ponto da sonda de corrente de Foucault

Os sensores de corrente de Foucault usam campos magnéticos que cercam completamente o final da sonda. Isso cria um campo de detecção relativamente grande, resultando em um tamanho de ponto aproximadamente três vezes o diâmetro da bobina de detecção da sonda (Figura 4). Para sensores de corrente de Foucault, a proporção da faixa de detecção para o diâmetro da bobina é de 1: 3. Isso significa que, para cada unidade de faixa, o diâmetro da bobina deve ser três vezes maior. Nesse caso, a mesma faixa de detecção de 500 µm requer apenas um sensor de corrente parasita de 1500 µm (1.5 mm) de diâmetro.

Ao selecionar uma tecnologia de detecção, considere o tamanho do alvo. Alvos menores podem exigir detecção capacitiva. Se o seu alvo precisar ser menor que o tamanho do ponto do sensor, a calibração especial poderá compensar os erros de medição inerentes.

Técnica de detecção

Sensores capacitivos e de correntes parasitas usam técnicas diferentes para determinar a posição do alvo. Sensores capacitivos usados ​​para medição de deslocamento de precisão usam um campo elétrico de alta frequência, geralmente entre 500 kHz e 1 MHz. O campo elétrico é emitido das superfícies do elemento sensor. Para focar o campo de detecção no alvo, um anel de guarda cria um campo elétrico separado, mas idêntico, que isola o campo do elemento de detecção de tudo, exceto do alvo (Figura 5).

Sonda Capacitiva

Figura 5. Proteção capacitiva da sonda

A quantidade de fluxo de corrente no campo elétrico é determinada em parte pela capacitância entre o elemento sensor e a superfície alvo. Como os tamanhos do alvo e do elemento sensor são constantes, a capacitância é determinada pela distância entre a sonda e o alvo, assumindo que o material no espaço não seja alterado. Alterações na distância entre a sonda e o alvo alteram a capacitância, que por sua vez altera o fluxo de corrente no elemento sensor. Os componentes eletrônicos do sensor produzem uma tensão de saída calibrada proporcional à magnitude desse fluxo de corrente, resultando em uma indicação da posição de destino.

Em vez de campos elétricos, os sensores de corrente de Foucault usam campos magnéticos para detectar a distância do alvo. A detecção começa passando a corrente alternada através da bobina de detecção. Isso cria um campo magnético alternado ao redor da bobina. Quando esse campo magnético alternado interage com o alvo condutor, induz uma corrente no material alvo chamada corrente de fuga. Essa corrente parasita produz seu próprio campo magnético que se opõe ao campo da bobina sensora (Figura 6).

Campo magnético

Figura 6 O campo magnético induz
Corrente parasita no alvo condutor

À medida que as correntes de Foucault no alvo se opõem ao campo sensor, a impedância da bobina sensor muda. A quantidade de alteração de impedância depende da distância entre o alvo e a bobina sensora na sonda. O fluxo de corrente na bobina sensora, que depende da impedância, é processado para criar a tensão de saída, que é uma indicação da posição do alvo em relação à sonda.

Fontes de erro

Sensores de corrente de Foucault usam alterações em um campo magnético para determinar a distância ao alvo; sensores capacitivos usam alterações de capacitância. Existem outros fatores além da distância do alvo que também podem alterar um campo magnético ou capacitância. Esses fatores representam possíveis fontes de erro no seu aplicativo. Felizmente, na maioria dos casos, essas fontes de erro são diferentes para as duas tecnologias. Compreender a presença e magnitude dessas fontes de erro em seu aplicativo ajudará você a escolher a melhor tecnologia de detecção.
O restante deste artigo explicará essas fontes de erro para que você possa fazer a melhor escolha para o seu aplicativo e obter os melhores resultados possíveis.

Contaminação de Gap

Contaminação de Gap

Figura 7 Contaminação por lacunas
cria mudança na diferença dielétrica

Em algumas aplicações, o espaço entre o sensor e o alvo pode ser contaminado por poeira, líquidos como refrigerante e outros materiais que não fazem parte da medição pretendida. Como o sensor reage à presença desses contaminantes é um fator crítico na escolha de sensores capacitivos ou de corrente de Foucault.

Os sensores capacitivos assumem que as alterações na capacitância entre o sensor e o alvo são o resultado de uma alteração na distância entre eles. Outro fator que afeta a capacitância é a constante dielétrica (ε) do material no espaço entre o alvo e o sensor. A constante dielétrica do ar é um pouco maior que um; se outro material, com uma constante dielétrica diferente, entrar no espaço do sensor / alvo, a capacitância aumentará e o sensor indicará erroneamente que o alvo se aproximou do sensor (Figura 7). Quanto maior a constante dielétrica do contaminante, maior o efeito no sensor. O óleo tem uma constante dielétrica entre 8 e 12. A água tem uma constante dielétrica muito alta de 80.

Devido à sensibilidade à constante dielétrica do material entre o sensor e o alvo, os sensores de deslocamento capacitivo devem ser usados ​​em um ambiente limpo ao medir a posição do alvo.

A sensibilidade dielétrica dos sensores capacitivos pode ser explorada para uso na detecção da espessura ou densidade de materiais não condutores. Para mais informações sobre este tipo de aplicação, consulte o nosso Teoria do sensor capacitivo TechNote.

Ao contrário dos sensores capacitivos, os sensores de corrente de Foucault usam campos magnéticos para a detecção. Os campos magnéticos não são afetados por contaminantes não condutores, como poeira, água e óleo. Quando esses contaminantes entram na área de detecção entre um sensor de corrente de Foucault e o alvo, a saída do sensor não é afetada.

Por esse motivo, um sensor de corrente de Foucault é a melhor opção quando o aplicativo envolve um ambiente sujo ou hostil. As sondas de corrente de Foucault da Lion Precision são classificadas em IP67 e podem até ser usadas completamente imersas em líquido não corrosivo.

Espessura alvo

Os sensores capacitivos e de corrente de Foucault têm requisitos diferentes para a espessura do alvo. O campo elétrico de um sensor capacitivo envolve apenas a superfície do alvo, sem penetração significativa no material. Por esse motivo, os sensores capacitivos não são afetados pela espessura do material.

O campo magnético de um sensor de corrente de Foucault deve penetrar na superfície do alvo para induzir correntes de Foucault no material. Se o material for muito fino, correntes de Foucault menores no alvo produzem um campo magnético mais fraco. Isso resulta no sensor com sensibilidade reduzida e uma menor relação sinal / ruído.

A profundidade de penetração do campo magnético do sensor depende do material e da frequência do campo magnético oscilante do sensor. Os sensores de corrente de Foucault da Lion Precision normalmente usam uma frequência de 1-2MHz. A Tabela 1 mostra espessuras mínimas para alguns materiais comuns.

Mais detalhes podem ser encontrados no TechNote de espessura mínima recomendada do alvo.

Materiais-alvo e metas rotativas

Os sensores capacitivos e de corrente de Foucault respondem de maneira diferente às diferenças no material alvo. O campo magnético de um sensor de corrente de Foucault penetra no alvo e induz uma corrente de Foucault no material que cria um campo magnético que se opõe ao campo da sonda. A força da corrente de Foucault e o campo magnético resultante dependem da permeabilidade e resistividade do material. Essas propriedades variam entre diferentes materiais. Eles também podem ser alterados por diferentes técnicas de processamento, como tratamento térmico ou recozimento. Por exemplo, duas peças de alumínio idênticas que foram processadas de maneira diferente podem ter propriedades magnéticas diferentes. Entre diferentes materiais não magnéticos, como alumínio e titânio, a variação de permeabilidade e resistividade pode ser pequena, mas um sensor de corrente de Foucault de alto desempenho calibrado para um material não magnético ainda produzirá erros quando usado com um material não magnético diferente.

As diferenças entre materiais não magnéticos como alumínio e titânio e materiais magnéticos como ferro ou aço são enormes. Embora a permeabilidade relativa do alumínio e titânio seja aproximadamente uma, a permeabilidade relativa do ferro pode chegar a 10,000.
Sensores de corrente de Foucault calibrados para materiais não magnéticos provavelmente não funcionarão quando usados ​​com materiais magnéticos. Ao usar sensores de corrente de Foucault para medições precisas, é fundamental que o sensor seja calibrado para o material específico usado na aplicação.
A alta permeabilidade de materiais magnéticos, como ferro e aço, também pode causar pequenos erros no sensor de corrente de Foucault na mesma peça de material. Dentro de qualquer material imperfeito, existem rachaduras microscópicas e variações de material. A permeabilidade do material muda ligeiramente em torno dessas áreas. Embora as alterações sejam relativamente pequenas, a permeabilidade extremamente alta dos materiais magnéticos permite que os sensores de corrente de Foucault de alta resolução detectem essas alterações. Esse problema é mais evidente nos alvos rotativos de materiais magnéticos.

Gráfico de runout

Figura 8 Gráfico de execução mostrando
runout real no azul,
e fuga elétrica de
sensor de corrente de Foucault em vermelho.

Um sensor de corrente de Foucault pode ser montado para medir o desvio de um eixo rotativo. Porém, mesmo que o eixo seja ideal, com absolutamente nenhum desvio, um sensor de corrente de Foucault de alta resolução detectará um padrão repetitivo de alterações à medida que o eixo gira (Figura 8). Essas alterações são resultado de pequenas variações no material. Esse fenômeno é bem conhecido e é chamado de desvio elétrico. Esses erros podem ser pequenos, geralmente na faixa de mícrons. Muitas aplicações de desvio de eixo, especialmente aquelas em ambientes hostis onde os sensores de corrente de Foucault são a norma, procuram erros muito maiores e, portanto, podem tolerar esses erros. Outras aplicações mais precisas precisarão usar técnicas para solucionar esses erros ou usar uma tecnologia de detecção diferente, como sensores capacitivos.

O campo elétrico de um sensor capacitivo usa o alvo como um caminho condutor para o solo. Todos os materiais condutores oferecem isso igualmente bem; portanto, os sensores capacitivos medem todos os materiais condutores da mesma forma. Uma vez calibrado, um sensor capacitivo pode ser usado com qualquer alvo condutor sem degradação no desempenho.

Como o campo elétrico de um sensor capacitivo não penetra no material, as variações no material não afetam a medição. Os sensores capacitivos não exibem o fenômeno de desvio elétrico dos sensores de corrente de Foucault e podem ser usados ​​com alvos rotativos de qualquer material condutor sem erros adicionais.

Os sensores de corrente de Foucault devem ser calibrados para o mesmo material que o alvo na aplicação e não devem ser usados ​​com alvos de material magnético em rotação, a menos que os erros de desvio elétrico sejam aceitáveis ​​na aplicação. Os sensores capacitivos, uma vez calibrados, podem ser usados ​​com qualquer material condutor, sem erros relacionados ao material, e funcionam bem com alvos rotativos.

Parâmetros ambientais: temperatura e vácuo

Devido a diferenças na física do sensor e as diferenças associadas na eletrônica do driver, os sensores capacitivos e de corrente de Foucault têm diferentes faixas de temperatura de operação da sonda e compatibilidade de vácuo.

As sondas capacitivas e de corrente de Foucault da Lion Precision possuem diferentes faixas de temperatura operacional. As sondas de corrente de Foucault, devido à sua tolerância a ambientes hostis, têm uma faixa de temperatura maior. As sondas padrão de corrente de Foucault, que usam cabos de poliuretano, têm uma faixa de operação de -25 a + 125 ° C. As sondas de alta temperatura, que usam cabos de teflon FEP, têm uma faixa de operação de -25 a + 200 ° C. As sondas capacitivas, que são afetadas pela condensação, têm apenas uma faixa de operação de +4 a +50 ° C. Os componentes eletrônicos do driver para as duas tecnologias de detecção têm uma faixa operacional de +4 a + 50 ° C.

As sondas capacitiva e de corrente de Foucault podem ser usadas em aplicações a vácuo. Os materiais nas sondas são selecionados para estabilidade estrutural e minimização de desgaseificação sob vácuo. As sondas compatíveis com vácuo são submetidas a um processo de limpeza extra e embalagem especial para remover materiais estranhos que podem ameaçar um ambiente delicado de vácuo.

Muitas aplicações de vácuo requerem controle preciso da temperatura. O consumo de energia da sonda, com sua contribuição associada à mudança de temperatura, é onde as tecnologias capacitiva e de corrente de Foucault diferem. Uma sonda capacitiva possui fluxo de corrente e consumo de energia extremamente pequenos. Uma sonda capacitiva típica consome menos de 40 µW de energia, contribuindo com pouco calor para a câmara de vácuo.

O consumo de energia em uma sonda de corrente de Foucault pode variar de 40µW a 1mW. Nessas potências mais altas, a sonda de corrente de Foucault contribuirá com mais calor para a câmara de vácuo e poderá perturbar os ambientes de vácuo de alta precisão. O consumo de energia em uma sonda de corrente de Foucault depende de muitos fatores; o tamanho da sonda por si só não é um bom indicador do consumo de energia. O consumo de energia de cada sensor de corrente de Foucault deve ser avaliado individualmente.
Os sensores capacitivos ou de corrente de Foucault podem funcionar bem em ambientes a vácuo. Em aspiradores sensíveis à temperatura, os sensores de corrente de Foucault podem contribuir com muito calor para a aplicação. Nessas aplicações, os sensores capacitivos serão uma escolha melhor.

Montagem da sonda

Interferência

Figura 9. A interferência ocorre quando
sondas de corrente de Foucault são
montado perto um do outro.

Devido às diferenças na forma e na natureza reativa dos campos de detecção dos sensores capacitivos e de corrente de Foucault, as tecnologias têm diferentes requisitos de montagem da sonda. As sondas de corrente de Foucault produzem campos magnéticos comparativamente grandes. O diâmetro do campo é pelo menos três vezes maior que o diâmetro da sonda e maior que três diâmetros para sondas grandes. Se várias sondas forem montadas próximas, os campos magnéticos irão interagir (Figura 9). Essa interação criará erros nas saídas do sensor. Se esse tipo de montagem for inevitável, sensores baseados em tecnologia digital, como a ECL202 pode ser calibrado especialmente para reduzir ou eliminar a interferência de sondas adjacentes.

O campo magnético de uma sonda de corrente de Foucault também se estende cerca de um diâmetro e meio atrás da sonda. Quaisquer objetos metálicos nesta área, geralmente montagem de hardware, interagirão com o campo e afetarão a saída do sensor (Figura 10). Se o hardware de montagem próximo for inevitável, os sensores poderão ser calibrados com o hardware de montagem no local, o que compensará o efeito do hardware.

Montando hardware

Figura 10. O hardware de montagem pode
interferir com a corrente de Foucault
sonda campo magnético.

Os campos elétricos das sondas capacitivas são emitidos apenas a partir da superfície frontal da sonda. O campo tem uma forma levemente cônica, resultando em um tamanho de ponto cerca de 30% maior que o diâmetro da área de detecção. O hardware de montagem próximo ou outros objetos raramente estão na área de campo e, portanto, não afetam a calibração do sensor. Quando vários sensores capacitivos independentes são usados ​​com o mesmo alvo, o campo elétrico de uma sonda pode estar tentando adicionar carga ao alvo, enquanto outro sensor está tentando remover a carga (Figura 11).

Essa interação conflitante com o alvo criará erros nas saídas dos sensores. Esse problema é facilmente resolvido pela sincronização dos sensores. A sincronização define o sinal de acionamento de todos os sensores na mesma fase, para que todas as sondas adicionem ou removam carga simultaneamente e a interferência seja eliminada. Todos os sistemas de múltiplos canais da Lion Precision são sincronizados, eliminando qualquer preocupação com essa fonte de erro.

Capacitivo não sincronizado

Figura 11. Capacitivo não sincronizado
sensores irão interferir quando
usado no mesmo alvo.

Quando um aplicativo requer o uso de várias sondas com um alvo comum, os sensores capacitivos sincronizados são fáceis de usar. Se a aplicação requer tecnologia de corrente de Foucault, deve-se tomar cuidado especial no plano de montagem e pode ser necessária calibração especial.

Resumo

Há muitos fatores a serem considerados ao escolher entre sensores de deslocamento capacitivo e de corrente de Foucault. Qualquer aplicação que envolva contaminantes da área de medição, como líquidos ou resíduos, requer detecção de correntes de Foucault. Sensores capacitivos requerem um ambiente limpo.

Alvos pequenos serão medidos mais facilmente com sensores capacitivos devido ao tamanho comparativamente pequeno do campo de detecção capacitivo. Quando a detecção de corrente de Foucault é necessária, calibração especial pode ser usada com pequenos alvos.
Para o mesmo tamanho de sonda capacitiva ou de corrente de Foucault, a sonda de corrente de Foucault terá uma faixa de medição maior.

Como as sondas capacitivas interagem com a superfície do alvo, a espessura do material não é um fator nas medições capacitivas. Os sensores de corrente de Foucault têm requisitos mínimos de espessura do alvo.

Os sensores capacitivos não têm sensibilidade para o material alvo, desde que seja condutor. Os sensores de corrente de Foucault são sensíveis às diferenças de material e devem ser calibrados com o material de destino do aplicativo.

Ao usar várias sondas, os sensores capacitivos devem ser sincronizados, mas podem ser montados juntos sem interferência. Mesmo quando sincronizadas, as sondas de corrente de Foucault interagirão se montadas próximas. Quando isso é inevitável, a calibração especial pode ser usada, mas só está disponível com sensores digitais como o Lion Precision ECL202.

O pequeno campo de detecção de uma sonda capacitiva, que é direcionado apenas ao alvo, impede que ele detecte ferramentas de montagem ou objetos próximos. O amplo campo de detecção circundante da corrente de Foucault pode detectar o hardware de montagem ou outros objetos se estiverem muito perto da área de detecção.
Duas outras especificações diferem entre as duas tecnologias: resolução e largura de banda. Os sensores capacitivos têm resoluções mais altas que os sensores de corrente de Foucault, tornando-os uma melhor escolha para aplicações precisas e de alta resolução.

A maioria dos sensores capacitivos e de corrente de Foucault tem larguras de banda de 10 a 15kHz, mas alguns sensores de corrente de Foucault (ECL101) têm larguras de banda de até 80 kHz.

Outra diferença entre as tecnologias é o custo. De um modo geral, os sensores de corrente de Foucault são de menor custo.

Essa análise das diferenças entre as tecnologias de sensor capacitivo e de corrente de Foucault ajudará a determinar qual é a melhor opção para sua aplicação. Por favor contato para obter mais ajuda na seleção do melhor sensor.

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