WikiDer > Емкостной датчик перемещения

Capacitive displacement sensor

Емкостные датчики перемещения «являются бесконтактными устройствами, способными измерять с высоким разрешением положение и / или изменение положения любой проводящей цели».[1] Они также могут измерять толщину или плотность непроводящий материалы.[2] Емкостные датчики перемещения используются в широком спектре приложений, включая полупроводник обработка, сборка прецизионного оборудования, такого как Дисковый привод, прецизионные измерения толщины, станок метрология и сборочная линия тестирование. Эти типы датчиков можно найти в механическая обработка и производство объектов по всему миру.

Промышленный емкостный датчик

Основная емкостная теория

Емкость электрическое свойство, которое создается путем применения электрический заряд к двум проводящим объектам с зазором между ними. Простая демонстрация - две параллельные токопроводящие пластины одного профиля с зазором между ними и приложенным к ним зарядом. В этой ситуации емкость может быть выражена уравнение:

[3]

Где C - емкость, ε0 это диэлектрическая проницаемость свободного пространства постоянный, K это диэлектрическая постоянная материала в зазоре, А площадь пластин, а d расстояние между пластинами.

Существует два основных типа емкостных систем измерения смещения. Один тип используется для измерения толщины проводящих материалов. Другой тип измеряет толщину непроводящих материалов или уровень жидкости.

В емкостной сенсорной системе для проводящих материалов используется модель, аналогичная описанной выше, но вместо одной из проводящих пластин используется датчик, а вместо другого - проводящая цель, которую нужно измерить. Поскольку площадь зонда и цели остается постоянной, а диэлектрик материала в зазоре (обычно воздуха) также остается постоянным, «любое изменение емкости является результатом изменения расстояния между зондом и целью». [4] Следовательно, приведенное выше уравнение можно упростить до:

Где α указывает на пропорциональную зависимость. Благодаря этой пропорциональной зависимости емкостная сенсорная система способна измерять изменения емкости и преобразовывать эти изменения в измерения расстояния.

Датчик для измерения толщины непроводящих материалов можно представить как два последовательно соединенных конденсатора, каждый из которых имеет различную диэлектрическую проницаемость (и диэлектрическую постоянную). Сумма толщин двух диэлектрических материалов остается постоянной, но толщина каждого из них может варьироваться. Толщина измеряемого материала вытесняет другой диэлектрик. Зазор часто представляет собой воздушный зазор (диэлектрическая постоянная = 1), а материал имеет более высокий диэлектрический коэффициент. По мере того, как материал становится толще, емкость увеличивается и определяется системой.

Датчик для измерения уровня жидкости работает как два конденсатора параллельно с постоянной общей площадью. Снова разница в диэлектрической проницаемости жидкости и диэлектрической проницаемости воздуха приводит к обнаруживаемым изменениям емкости между проводящими зондами или пластинами.

Приложения

Точное позиционирование

Одно из наиболее распространенных применений емкостных датчиков - точное позиционирование. Емкостные датчики перемещения могут использоваться для измерения положения объектов вплоть до нанометр уровень. Этот тип точного позиционирования используется в полупроводниковой промышленности, где кремниевые пластины необходимо расположить для экспонирования. Емкостные датчики также используются для предварительной фокусировки электронные микроскопы используется при тестировании и исследовании пластин.

Дисковая промышленность

В индустрии дисководов емкостные датчики смещения используются для измерения биения (мера того, насколько ось вращения отклоняется от идеальной фиксированной линии) дисковода. шпиндели. Зная точное биение этих шпинделей, производители дисководов могут определить максимальный объем данных, который может быть помещен на диски. Емкостные датчики также используются для проверки того, что пластины дисковода ортогональный к шпинделю перед записью в них данных.

Прецизионные измерения толщины

Емкостные датчики перемещения можно использовать для очень точных измерений толщины. Емкостные датчики перемещения работают, измеряя изменения положения. Если положение эталонной детали известной толщины измеряется, впоследствии могут быть измерены другие части, и различия в положении могут использоваться для определения толщины этих частей.[5] Чтобы это было эффективно при использовании одного зонда, детали должны быть полностью плоскими и измеряться на идеально ровной поверхности. Если у измеряемой детали есть кривизна или же уродство, или просто не плотно прилегает к плоской поверхности, расстояние между измеряемой деталью и поверхностью, на которую она устанавливается, будет ошибочно учтено при измерении толщины. Эту ошибку можно устранить, используя два емкостных датчика для измерения одной детали. Емкостные датчики размещаются по обе стороны от измеряемой детали. При измерении деталей с обеих сторон кривизна и деформации учитываются в измерение и их влияние не включается в показания толщины.

Толщину пластмассовых материалов можно измерить, поместив материал между двумя электродами на заданном расстоянии друг от друга. Они образуют тип конденсатора. Пластик, помещенный между электродами, действует как диэлектрик и вытесняет воздух (который имеет диэлектрическая постоянная из 1, отличается от пластика). Следовательно, емкость между электродами изменяется. Затем изменения емкости можно измерить и сопоставить с толщиной материала.[6]

Могут быть сконструированы цепи емкостных датчиков, способных обнаруживать изменения емкости порядка 10−5 пикофарады (10 аттофарад).

Непроводящие цели

Хотя емкостные датчики смещения чаще всего используются для определения изменений положения проводящих целей, их также можно использовать для определения толщины и / или плотности непроводящих целей.[4] Непроводящий объект, помещенный между зондом и проводящей мишенью, будет иметь диэлектрическую постоянную, отличную от диэлектрической проницаемости воздуха в зазоре, и, следовательно, изменит емкость между зондом и мишенью. (См. Первое уравнение выше) Анализируя это изменение емкости, можно определить толщину и плотность непроводящего материала.

Метрология станков

Емкостные датчики перемещения часто используются в метрологии. Во многих случаях датчики используются «для измерения ошибок формы производимой детали. Но они также могут измерять погрешности, возникающие в оборудовании, используемом для изготовления детали, практика, известная как метрология станков ».[7] Во многих случаях датчики используются для анализа и оптимизации вращения шпинделей в различных станках, примеры включают поверхностно-шлифовальные машины, токарные станки, фрезерные станки, и воздушный подшипник шпиндели.[8] Измеряя ошибки в самих машинах, а не просто измеряя ошибки в конечных продуктах, проблемы можно решать и устранять на более раннем этапе производственного процесса.

Тестирование сборочной линии

Емкостные датчики перемещения часто используются при тестировании сборочных конвейеров. Иногда они используются для проверки собранных деталей на однородность, толщину или другие конструктивные особенности. В других случаях они используются просто для поиска наличия или отсутствия определенного компонента, например клей.[9] Использование емкостных датчиков для тестирования деталей сборочной линии может помочь предотвратить проблемы с качеством в дальнейшем в процессе производства.

Сравнение с вихретоковыми датчиками смещения

Емкостные датчики перемещения имеют много общего с вихревой ток (или индуктивные) датчики перемещения; однако емкостные датчики используют электрическое поле в отличие от магнитное поле используются вихретоковыми датчиками [10][11] Это приводит к множеству различий между двумя сенсорными технологиями, наиболее заметными из которых являются то, что емкостные датчики, как правило, позволяют проводить измерения с более высоким разрешением, а датчики вихревых токов работают в грязной среде, а емкостные датчики - нет.[10]

Другие приложения емкостного измерения без смещения

  • Проверка влажности зерна
  • Влажность почвы
  • Влажность
  • Определение содержания воды в топливе
  • Датчики состава топлива (для гибкое топливо транспортных средств)
  • Емкостный тензодатчики

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Обзор емкостного датчика точности Lion, Обзор емкостное зондирование технологии от Lion Precision.
  2. ^ Джон С. Уилсон (2005). Справочник по сенсорной технологии. Newnes. п. 94. ISBN 0-7506-7729-5.
  3. ^ Пол Аллен Типлер (1982). Физика второе издание. Стоит издателям. С. 653–660. ISBN 0-87901-135-1.
  4. ^ а б Работа и оптимизация емкостных датчиков Как работают емкостные датчики и как их эффективно использовать, Подробное обсуждение теории емкостных датчиков от Lion Precision.
  5. ^ Емкостные измерения толщины, Учебное пособие по емкостным измерениям толщины.
  6. ^ Измеритель толщины пленки
  7. ^ Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса: инженерная точность в лабораторных проектах, Примеры достижений LLNL в области прецизионных измерений.
  8. ^ Эрик Р. Марш (2009). Метрология прецизионных шпинделей. Destech Pubns Inc. ISBN 1-60595-003-3.
  9. ^ Чувствительный клей на бумаге В архиве 2010-07-09 в Wayback Machine, Учебное пособие по использованию емкостных датчиков для определения клея.
  10. ^ а б Прецизионное сравнение емкостных вихревых токов Lion, Сравнение емкостной и вихретоковой технологии измерения от Lion Precision.
  11. ^ Руководство пользователя емкостных датчиков Siemens стр.54

внешняя ссылка