非接触式传感器的厚度测量

一般传感应用笔记LA05-0021

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概要:

详细介绍了两种非接触式测量导电目标的厚度的方法:单通道(良好)和双通道(最佳)。 提供针对常见错误的警告。

单通道测量法

单通道厚度测量假定部件是平坦的,并且相对于参考位置完全固定。

图1 –单通道厚度测量假设零件是平坦的,并且相对于参考位置就位。

单通道厚度测量(图1)测量被测零件顶面的位置,同时将零件放在参考面上。 与许多非接触式应用一样,过程中的测量是相对于参考的测量。 建立一个已知的厚度作为参考点,并且所有后续测量都指示与该参考点的偏差量。

单通道测量的基本过程

1。 将已知厚度的一个零件放在参考面上。

图2-变形的零件,基准面或基准与零件之间的异物会在单通道系统中产生厚度测量误差。

图2 –零件和基准面的形变,或基准与零件之间的异物都会在单通道系统中产生厚度测量误差。

2。 调整传感器以测量零件的顶面。 传感器应放置在其测量范围的中心附近,以允许与参考测量值有正偏差和负偏差。

3。 如果可能的话,如果测量显示可用,则将传感器输出调整为零伏或显示的读数为零。 否则,记录“主要”测量值以供测量测试零件时参考使用。

4。 将参考零件替换为要测量的零件。

5。 从显示屏上读取厚度偏差或计算与输出电压的偏差。

精度限制

单通道方法假定零件相对于参考表面是完美平坦的。 零件或参考表面的任何变形都会导致厚度测量错误。 此外,零件和参考表面之间的任何异物(包括空气)也会产生误差(图2)。

双通道测量法

双通道系统通过测量零件底部和顶部表面位置的变化来补偿零件或静止表面的变形。

图3 –双通道系统通过测量零件底部和顶部表面的位置变化来补偿零件或静止表面的变形。

双通道厚度测量将要测量的零件放置在两个传感器之间(图3)。 零件的每一侧均由单独的传感器测量。 来自两个传感器的测量值之和提供了厚度的最终测量值(图4)。 如果零件朝一个传感器移动,那么它将远离另一个。 传感器输出的变化将相互抵消。 这消除了由于单通道变形和/或与参考表面接触问题而导致的错误。

可以使用安装在静止表面中的一个传感器来测量零件,或者可以将零件悬挂在两个传感器之间。

与许多非接触式测量应用一样,测量值是相对于参考值的测量。 建立一个已知的厚度作为参考点,并且所有后续测量都指示与该参考点的偏差量。

双通道测量基本流程

两个传感器通道的总和通过消除传感器之间零件位置的变化而产生“仅厚度”输出。

图4 –两个传感器通道的总和通过消除传感器之间零件位置的变化而产生“仅厚度”输出。

1。 将已知厚度的一部分放在两个传感器之间。

2。 调整传感器位置以测量零件的顶部和底部表面。 传感器应放置在测量范围中心附近,以允许与基准测量值有正负偏差。

3。 如果可能,在使用具有求和功能的测量显示时,将传感器输出调整为零伏,显示读数为零(请参见下面的建议)。

4。 将参考零件替换为要测量的零件。

5。 通过求和功能从显示屏读取厚度偏差,或通过将两个输出电压相加并转换为尺寸单位来计算偏差。

双通道示例

所示示例使用两个针对10V / 1mm校准的传感器。 条件1将1mm厚的目标设置为0伏特的参考。 条件2显示了将1mm厚目标移近一个传感器的效果。 条件3显示了厚度为1.5mm的测试零件的非中心测量。

双通道示例

重要注意事项

进行高分辨率厚度测量的最大挑战之一是探头安装系统的设计以及测试材料在测量区域中的放置方式。

 单个探针系统中,探头和目标表面之间距离的任何变化,都将被记录为厚度的变化。 双探头系统中两个探头之间的距离变化将记录为厚度变化。 在精确的亚微米水平上进行测量时,探头安装系统的无法用肉眼识别的运动,都将使测量结果产生偏差。

刚性探头的安装和测试材料的位置对于获得精确的结果至关重要。 探头或材料的任何振动,热膨胀/收缩或其他运动都会妨碍可靠的结果。 不要掉以轻心。 如果要测量微米,则必须控制探头位置的稳定性要好于微米。

有问题的例子:

热的材料

常见的厚度测量应用是在加工过程中监测材料厚度。 有时这意味着材料很热。 除了所有关于探头和运输过程中材料位置稳定性的问题外(见下文),热的材料还会加热探头。 所有非接触式探头对温度变化都具有一定的敏感性。 探头温度的变化将意味着厚度测量值的变化。

必须考虑并传感器的热规格,并在应用中计算; 由于热变化引起的位移必须小于所需的厚度测量精度。

在更极端的情况下,探头可能会被加热超过其环境极限并被损坏。 应用时必须考虑探头的环境规格。

通过滚轮的物料厚度

滚子跳动

滚轮的跳动(滚轮转动时的径向位移)使厚度测量成为一个挑战,因为引入的误差通常大于所需的厚度测量精度。

在材料经过滚轮时测量其厚度,这是一个艰巨的挑战。

滚轮的“跳动”(旋转时表面的径向运动)几乎总是大于厚度测量所需的精度。

单探头测量法

除非滚轮的跳动明显小于厚度测量的精度,否则在滚轮上方直接使用单个探头监测材料的顶面将无法正常工作。 这是罕见的。 如果极端跳动较大,则滚轮跳动可能会大于探头的测量范围,尤其是在探头较小的情况下。

如果测量值在范围内,则可以补偿滚轮跳动。 该系统可以测量辊子的跳动,并从厚度测量值中减去它。 但是,监测滚轮跳动的探头必须与厚度探头靠近且位于同一角度位置,因为跳动在滚轮上的所有位置均不一致。

双探头测量法

解决滚轮跳动问题的一种方法是使用双探头测量方法,该方法中,在滚轮之前或之后立即将物料悬浮。 原则上,这是一个合理的想法。 然而,材料仍会因滚轮跳动以及支撑材料的其他机构中的不稳定性或跳动而偏转。 当材料在探头之间的间隙中上下移动时,双探头方法将误差最小化,但是这些移动一定不能超出探头的测量范围。