Medição de posição e deslocamento linear com sensores capacitivos e de corrente de Foucault

Nota geral de aplicação do sensor LA05-0060

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Resumo:

Praticamente todas as aplicações de sensor capacitivo e de corrente de Foucault são fundamentalmente uma medida do deslocamento (mudança de posição) de um objeto. Esta nota de aplicação detalha as especificidades de tal medição e o que é necessário para realizar medições confiáveis ​​em aplicações de micro e nano deslocamento.
Os sensores capacitivos trabalham em ambientes limpos e fornecem a mais alta precisão. Os sensores de corrente de Foucault podem trabalhar em ambientes molhados e sujos. Eles fornecem uma substituição econômica para interferômetros a laser quando as sondas podem ser montadas perto do objeto e os deslocamentos totais são pequenos.

Medição de deslocamento e posição linear com um sensor de deslocamento linear sem contato

Medição de deslocamento linear aqui se refere à medição da mudança de posição de um objeto. A medição linear de deslocamento sem contato, de alta resolução, de objetos condutores com sensores capacitivos e sensores de corrente de Foucault é especificamente o tópico desta Nota de Aplicação. Os sensores capacitivos também podem medir objetos não condutores. Uma discussão sobre a medição de objetos não condutores com sensores de deslocamento capacitivo pode ser encontrada em nosso Teoria do sensor capacitivo da operação TechNote (LT03-0020).

Termos e conceitos relacionados

Devido à natureza de alta resolução e curto alcance dos sensores de deslocamento capacitivo e de deslocamento por corrente de Foucault, isso às vezes é chamado de medição de micro-deslocamento e os sensores como um sensor de micro-deslocamento or transdutor de micro-deslocamento. Um sensor configurado para um medição de deslocamento linear às vezes é chamado de medidor de deslocamento or medidor de deslocamento.

Deslocamento versus posição absoluta

No nível micro e nano, sensores capacitivos e de deslocamento de corrente parasita

No nível micro e nano, os sensores de deslocamento capacitivo e de corrente de Foucault são mais adequados para medições de deslocamento (mudança de posição), em vez de medições de posição absoluta.

O deslocamento é uma medida da mudança de posição de um objeto. A posição absoluta é uma medida da distância precisa entre a superfície de medição do sensor e o objeto.

Os sensores capacitivos e de corrente de Foucault são usados ​​principalmente como sensores de deslocamento. Com o tempo (meses e anos), a calibração do sensor muda ligeiramente. Essa mudança é principalmente um deslocamento DC na saída do sensor. Há também uma ligeira mudança de CC em relação à temperatura. Esse deslocamento CC causará um pequeno erro na medição da posição absoluta que aumenta com o tempo. Esses erros são pequenos, mas no nível submícron, eles podem afetar a precisão.

Alterações na sensibilidade (ganho) do sensor são muito menores. A medição de mudanças de posição em tempo real requer uma sensibilidade consistente e não é afetada por mudanças de longo prazo no deslocamento CC da saída. Por esse motivo, os sensores de deslocamento capacitivo e de corrente de Foucault são geralmente usados ​​para medir a posição relativa (deslocamento), e não a posição absoluta, especialmente para micro-deslocamentos nos quais há necessidade de resolução no nível submícron ou nanométrico.

O deslocamento é geralmente medido como resultado de alguma variável.

O motivo típico para medir o deslocamento, especialmente o micro deslocamento, é determinar como um objeto responde a alguma condição de mudança. A medição de deslocamento geralmente está respondendo à pergunta: Até que ponto isso se move quando algo mais muda?

Deslocamento intencional: O objeto é intencionalmente movido por um sistema de posicionamento de controle de movimento. A medição de deslocamento sem contato indica a precisão do deslocamento pretendido do objeto.

Dimensão da peça: O sistema é configurado com uma peça “mestre” válida, após a qual a peça mestre é substituída por uma peça para teste. As diferenças nas dimensões da peça de teste em relação à peça mestre são indicadas como uma medida de deslocamento pelos sensores.

Temperatura: A posição do objeto é medida em uma temperatura inicial. A temperatura de interesse é alterada (geralmente ocorre naturalmente quando uma máquina opera) e uma medição de deslocamento indica a magnitude da mudança de posição devido à temperatura.

Vibração: As medições de deslocamento linear são feitas em tempo real usando sensores de deslocamento capacitivo ou de corrente de Foucault com um osciloscópio ou sistema de aquisição de dados para indicar os deslocamentos do objeto e suas frequências. Veja nossa Nota de Aplicação de Medição de Vibração para mais detalhes.

Pressão: Rolamentos de ar e outros rolamentos de fluido podem operar com diferentes pressões de fluido. As medidas de deslocamento do objeto a diferentes pressões indicam o comportamento real da máquina à medida que a pressão muda em comparação com a operação pretendida.

Vestem: À medida que os rolamentos e os deslizamentos se desgastam, as medições de deslocamento sem contato das peças móveis indicam um aumento do movimento em direções não intencionais. Os movimentos rotativos mostram deslocamentos crescentes nos eixos X, Y e Z à medida que o objeto gira. Os slides lineares mostrarão deslocamentos crescentes nos dois eixos perpendiculares à direção da viagem.

As medidas de deslocamento linear são medidas relativas

As medidas lineares de deslocamento sem contato são medidas relativas e indicam a alteração da posição de um objeto de uma localização inicial em um ou mais eixos lineares. Um canal de sensor de posição ou deslocamento separado é necessário para cada eixo da medição de deslocamento linear.

Medição de deslocamento linear básico com sensores de deslocamento capacitivo e de corrente de Foucault

O sensor de deslocamento é montado em um dispositivo elétrico de modo que o objeto a ser medido esteja dentro da faixa de medição do sensor. Se o sensor incluir um ajuste de zero (deslocamento), o sensor poderá ser zerado nesse local para facilitar as interpretações das medições de deslocamento linear quando o objeto se mover. Se o ajuste a zero, se não for possível, a saída inicial do sensor de deslocamento é registrada e esse valor é subtraído das medições futuras para indicar a mudança de posição da posição inicial.

Cálculo do deslocamento a partir da saída do sensor de deslocamento

Os sensores para medir o deslocamento têm uma especificação de "sensibilidade" que especifica a quantidade de alteração na saída em relação a uma determinada alteração na posição de destino. Para sensores de saída de tensão analógica, esse valor é dado em Volts por unidade de distância ou comprimento (por exemplo, mm, polegada etc.). Para sensores de saída digital, esse valor é fornecido em Contagens por unidade de distância. Ao medir o deslocamento, essa sensibilidade é usada para calcular o deslocamento físico em relação à mudança na saída.

Fórmula para calcular o deslocamento a partir de uma saída do sensor:

Deslocamento = alteração / sensibilidade da saída

Sensores de saída de tensão analógica:

Mudança de Saída em Volts; Sensibilidade = Volts / Unidade de distância

Sensores de saída digital:

Mudança de saída nas contagens; Sensibilidade = contagens / unidade de distância

Erros e preocupações com micro-deslocamento

Sensores de deslocamento capacitivo de alto desempenho e sensores de deslocamento de corrente de Foucault são geralmente usados ​​para medir micro-deslocamentos. Ao medir deslocamentos no nível de micro-deslocamento, as fontes de erro que normalmente são inconseqüentes se tornam um fator mais significativo.

Efeitos térmicos na montagem

A expansão térmica e a contração do sistema de montagem que mantém os sensores de deslocamento sem contato ou o objeto alvo introduzirão erros na medição. À medida que o equipamento se expande ou contrai, o sensor pode se mover em direção ou se afastar do objeto alvo. O deslocamento é real e afetará a medição, mas não é um deslocamento causado por quaisquer condições que estejam sendo testadas. Os sistemas de montagem de sensores de deslocamento linear devem ser robustos, rígidos e tão termicamente estáveis ​​quanto possível. Em aplicações ultra-precisas, o ambiente é rigidamente controlado e / ou os sistemas de montagem são construídos a partir de invar ou outros materiais de expansão zero.

Montagem do sensor de micro-deslocamento

Além das preocupações térmicas, a estabilidade mecânica é mais complicada no nível micro. Os sensores de medição de deslocamento devem ser mantidos firmemente no lugar pelo sistema de montagem. Uma montagem simples do tipo parafuso de fixação pode não ser suficientemente estável ao medir o deslocamento no nível micro ou nano.

Existem diferentes métodos para montar um sensor de deslocamento linear cilíndrico e suave. O uso de um parafuso de fixação em uma montagem de furo passante mantém a sonda apenas em dois pontos - o parafuso de fixação e o ponto oposto ao parafuso de fixação. A sonda está livre para girar no eixo 90 ° do eixo do parafuso de fixação. Dependendo da largura da superfície contra a qual o parafuso de pressão empurra a sonda, a sonda também pode ser capaz de girar ao longo de seu eixo. Aumentar a força no parafuso de ajuste não aumentará a estabilidade da sonda nesses outros dois eixos.

Fixação de parafusos de fixação

A montagem do parafuso de fixação trava a sonda ao longo do eixo da sonda, mas ainda pode haver movimento nos outros dois eixos, especialmente nos níveis micro e nano.

Montagem da braçadeira

Uma montagem de braçadeira é uma montagem mais estável do que uma montagem de parafuso de fixação. Porém, nos níveis micro e nano, os erros de forma podem resultar em apenas um grampo de dois pontos, como uma montagem de parafuso de fixação.

Braçadeira de três pontos

Uma montagem de braçadeira de três pontos é inerentemente estável e não é afetada por pequenos erros de forma na redondeza.

Um esquema de montagem de sensor de deslocamento linear melhor, mas não perfeito, é uma montagem do tipo grampo. Este sistema de montagem pode estabilizar a sonda em todos os três eixos se o orifício de montagem e a sonda forem perfeitamente redondos. No entanto, qualquer excentricidade de qualquer parte resultará em um sistema de montagem de dois pontos semelhante ao sistema de parafuso de fixação.

Um sistema de montagem ideal usa um grampo de múltiplos pontos, com cada ponto cobrindo algum comprimento significativo ao longo do eixo da sonda. O sistema do grampo começa com uma configuração típica de montagem do grampo, mas também remove o material do furo de fixação entre três ou quatro pontos ao redor da circunferência do furo de montagem. Esse arranjo não é afetado pela excentricidade do furo de montagem ou pela excentricidade do sensor de medição de deslocamento linear sem contato - é estável nos três eixos.

Outras considerações exclusivas para sensores de deslocamento capacitivo

DiagramaO "tamanho do ponto" dos sensores de deslocamento capacitivo é de cerca de 130% do diâmetro da área de detecção. Por esse motivo, eles geralmente são imunes a qualquer objeto circundante e podem ser montados alinhados com a superfície do suporte de montagem. A única exceção são as calibrações que usam uma faixa de medição extremamente longa em relação ao tamanho da área de detecção; isso não se aplica a nenhuma calibração pronta para uso disponível para as sondas Lion Precision.

Considerações ambientais

As medições de deslocamento linear com sensor capacitivo devem ser feitas em um ambiente limpo. A medição de deslocamento será afetada por qualquer coisa (que não seja ar ou vácuo) no espaço entre a sonda capacitiva e o objeto que está sendo medido.

Diagrama

A montagem da sonda de corrente parasita deve permitir um espaço livre de metal ao redor da ponta pelo menos três vezes o diâmetro da sonda. A montagem embutida requer um contra furo.

Os sensores capacitivos têm alguma sensibilidade à temperatura, mas os sistemas são compensados ​​por mudanças de temperatura entre 20 ° C e 35 ° C com um desvio inferior a 0.04% FS / ° C.

Mudanças típicas na umidade não afetam significativamente as medições de deslocamento capacitivo. A umidade extrema afetará a saída, com o pior caso sendo a condensação na sonda ou no alvo.

Outras considerações exclusivas dos sensores de deslocamento de corrente de Foucault

Os sensores de deslocamento de corrente de Foucault usam um campo magnético que envolve o final da sonda. Como resultado, o "tamanho do ponto" dos sensores de deslocamento de corrente de Foucault é de cerca de 300% do diâmetro da sonda. Isso significa que qualquer objeto metálico dentro de três diâmetros da sonda afetará a saída do sensor.

Esse campo magnético também se estende ao longo do eixo da sonda em direção à parte traseira da sonda. Por esse motivo, a distância entre a face sensora da sonda e o sistema de montagem deve ser pelo menos 1.5 vezes o diâmetro da sonda. Os sensores de deslocamento com corrente de Foucault não podem ser montados alinhados com a superfície de montagem.

Se a interferência de objetos próximos à sonda for inevitável, uma calibração especial, idealmente feita com a sonda no dispositivo, deverá ser realizada.

Sondas múltiplas

Quando várias sondas são usadas com o mesmo alvo, elas devem ser separadas por pelo menos três diâmetros da sonda para evitar interferência entre os canais. Se isso for inevitável, são possíveis calibrações especiais de fábrica para minimizar a interferência.

Considerações ambientais

As medições de deslocamento linear com sensores de corrente de Foucault são imunes a materiais estranhos na área de medição. A grande vantagem dos sensores sem contato com corrente de Foucault é que eles podem ser usados ​​em ambientes bastante hostis. Todos os materiais não condutores são invisíveis para os sensores de corrente de Foucault. Até materiais metálicos, como cavacos de um processo de usinagem, são pequenos demais para interagir significativamente com os sensores.

Os sensores de corrente de Foucault têm alguma sensibilidade à temperatura, mas os sistemas são compensados ​​por mudanças de temperatura entre 15 ° C e 65 ° C com um desvio de menos de 0.01% FS / ° C.

Mudanças na umidade não afetam as medições de deslocamento de corrente de Foucault.

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