Pojemnościowy czujnik przemieszczenia

Pojemnościowe czujniki przemieszczenia „są urządzeniami bezkontaktowymi zdolnymi do pomiaru w wysokiej rozdzielczości położenia i/lub zmiany położenia dowolnego celu przewodzącego”. Są również w stanie zmierzyć grubość lub gęstość nieprzewodzących . Pojemnościowe czujniki przemieszczenia są wykorzystywane w wielu różnych zastosowaniach, w tym w półprzewodników , montażu precyzyjnego sprzętu, takiego jak napędy dysków , precyzyjnych pomiarach grubości, metrologii obrabiarek i testowaniu linii montażowych . Tego typu czujniki można znaleźć w zakładach obróbki skrawaniem i produkcji na całym świecie.

Przemysłowy czujnik pojemnościowy

Podstawowa teoria pojemnościowa

Pojemność to właściwość elektryczna, która jest tworzona przez przyłożenie ładunku elektrycznego do dwóch przewodzących obiektów z przerwą między nimi. Prostą demonstracją są dwie równoległe płytki przewodzące o tym samym profilu z przerwą między nimi i przyłożonym do nich ładunkiem. W tej sytuacji pojemność można wyrazić równaniem :

0 Gdzie C to pojemność, ε to przenikalność stałej wolnej przestrzeni , K to stała dielektryczna materiału w szczelinie, A to powierzchnia płytek, a d to odległość między płytkami.

Istnieją dwa ogólne typy pojemnościowych systemów wykrywania przemieszczenia. Jeden typ służy do pomiaru grubości materiałów przewodzących. Drugi typ mierzy grubość materiałów nieprzewodzących lub poziom płynu.

Pojemnościowy system wykrywania materiałów przewodzących wykorzystuje model podobny do opisanego powyżej, ale zamiast jednej z płytek przewodzących znajduje się czujnik, a zamiast drugiej mierzony jest przewodzący cel. Ponieważ powierzchnia sondy i celu pozostaje stała, a dielektryk materiału w szczelinie (zwykle powietrza) również pozostaje stały, „każda zmiana pojemności jest wynikiem zmiany odległości między sondą a celem”. Dlatego powyższe równanie można uprościć do:

Gdzie α oznacza zależność proporcjonalną. Dzięki tej proporcjonalnej zależności pojemnościowy system wykrywania jest w stanie mierzyć zmiany pojemności i przekładać te zmiany na pomiary odległości.

Działanie czujnika do pomiaru grubości materiałów nieprzewodzących można sobie wyobrazić jako dwa połączone szeregowo kondensatory, z których każdy ma inny dielektryk (i stałą dielektryczną). Suma grubości dwóch materiałów dielektrycznych pozostaje stała, ale grubość każdego z nich może się zmieniać. Grubość mierzonego materiału wypiera drugi dielektryk. Szczelina jest często szczeliną powietrzną (stała dielektryczna = 1), a materiał ma wyższy dielektryk. Gdy materiał staje się grubszy, pojemność wzrasta i jest wykrywana przez system.

Czujnik do pomiaru poziomu płynów działa jak dwa równolegle połączone kondensatory o stałej powierzchni całkowitej. Ponownie różnica stałej dielektrycznej płynu i stałej dielektrycznej powietrza powoduje wykrywalne zmiany pojemności między przewodzącymi sondami lub płytkami.

Aplikacje

Precyzyjne pozycjonowanie

Jednym z bardziej powszechnych zastosowań czujników pojemnościowych jest precyzyjne pozycjonowanie. Pojemnościowe czujniki przemieszczenia mogą być używane do pomiaru położenia obiektów z dokładnością do nanometra . Ten rodzaj precyzyjnego pozycjonowania jest stosowany w przemyśle półprzewodników, gdzie płytki krzemowe muszą być ustawione w celu naświetlenia. Czujniki pojemnościowe są również wykorzystywane do wstępnego ogniskowania mikroskopów elektronowych używanych do testowania i badania płytek.

Przemysł dysków

W branży napędów dysków pojemnościowe czujniki przemieszczenia są używane do pomiaru bicia (miara tego, jak bardzo oś obrotu odbiega od idealnej stałej linii) wrzecion napędów dysków . Znając dokładne bicie tych wrzecion, producenci dysków są w stanie określić maksymalną ilość danych, które można umieścić na dyskach. Czujniki pojemnościowe służą również do upewnienia się, że talerze napędu dysków są ustawione prostopadle do wrzeciona przed zapisaniem na nich danych.

Precyzyjne pomiary grubości

Pojemnościowe czujniki przemieszczenia mogą służyć do wykonywania bardzo precyzyjnych pomiarów grubości. Pojemnościowe czujniki przemieszczenia działają na zasadzie pomiaru zmian położenia. Jeśli mierzone jest położenie części odniesienia o znanej grubości, można następnie zmierzyć inne części, a różnice w położeniu można wykorzystać do określenia grubości tych części. Aby było to skuteczne przy użyciu pojedynczej sondy, części muszą być całkowicie płaskie i mierzone na idealnie płaskiej powierzchni. Jeśli mierzona część ma jakąkolwiek krzywiznę lub deformację lub po prostu nie opiera się mocno o płaską powierzchnię, odległość między mierzoną częścią a powierzchnią, na której jest umieszczona, zostanie błędnie uwzględniona w pomiarze grubości. Ten błąd można wyeliminować, stosując dwa czujniki pojemnościowe do pomiaru pojedynczej części. Czujniki pojemnościowe są umieszczane po obu stronach mierzonej części. Mierząc części z obu stron, krzywizny i odkształcenia są uwzględniane w pomiarze, a ich efekty nie są uwzględniane w odczytach grubości.

Grubość tworzyw sztucznych można mierzyć, umieszczając materiał między dwiema elektrodami w określonej odległości od siebie. Tworzą one rodzaj kondensatora. Tworzywo sztuczne umieszczone między elektrodami działa jak dielektryk i wypiera powietrze (które ma stałą dielektryczną równą 1, inną niż tworzywo sztuczne). W konsekwencji zmienia się pojemność między elektrodami. Zmiany pojemności można następnie zmierzyć i skorelować z grubością materiału.

Można zbudować obwody czujników pojemnościowych, które są w stanie wykryć zmiany pojemności rzędu 10-5 pikofaradów ( 10 attofaradów).

Cele nieprzewodzące

Chociaż pojemnościowe czujniki przemieszczenia są najczęściej używane do wykrywania zmian położenia celów przewodzących, mogą być również używane do wykrywania grubości i/lub gęstości celów nieprzewodzących. Nieprzewodzący przedmiot umieszczony między sondą a przewodzącym obiektem będzie miał inną stałą dielektryczną niż powietrze w szczelinie, a zatem zmieni pojemność między sondą a obiektem. (Patrz pierwsze równanie powyżej) Analizując tę ​​​​zmianę pojemności, można określić grubość i gęstość materiału nieprzewodzącego.

Metrologia obrabiarek

Pojemnościowe czujniki przemieszczenia są często używane w zastosowaniach metrologicznych. W wielu przypadkach czujniki są używane „do pomiaru błędów kształtu produkowanej części. Ale mogą również mierzyć błędy powstające w sprzęcie używanym do produkcji części, co jest praktyką znaną jako metrologia obrabiarek”. W wielu przypadkach czujniki wykorzystywane są do analizy i optymalizacji obrotów wrzecion w różnych obrabiarkach, np. w szlifierkach do płaszczyzn , tokarkach , frezarkach czy wrzecionach z łożyskami powietrznymi . Mierząc błędy w samych maszynach, zamiast po prostu mierzyć błędy w produktach końcowych, problemy można rozwiązywać i naprawiać na wcześniejszym etapie procesu produkcyjnego.

Testowanie linii montażowej

Pojemnościowe czujniki przemieszczenia są często używane w testach linii montażowych. Czasami są one używane do testowania zmontowanych części pod kątem jednolitości, grubości lub innych cech konstrukcyjnych. W innych przypadkach są one używane po prostu do wyszukiwania obecności lub braku określonego składnika, takiego jak klej . Używanie czujników pojemnościowych do testowania części linii montażowej może pomóc w zapobieganiu problemom z jakością na dalszych etapach procesu produkcyjnego.

Porównanie z czujnikami przemieszczenia wiroprądowymi

Pojemnościowe czujniki przemieszczenia mają wiele podobieństw do czujników przemieszczenia wiroprądowych (lub indukcyjnych); jednak czujniki pojemnościowe wykorzystują pole elektryczne , w przeciwieństwie do pola magnetycznego używanego przez czujniki prądów wirowych. Prowadzi to do wielu różnic między tymi dwiema technologiami wykrywania, przy czym najbardziej zauważalną różnicą jest to, że czujniki pojemnościowe są generalnie zdolne do pomiarów o wyższej rozdzielczości, a wiroprądowe czujniki prądowe działają w zanieczyszczonym środowisku, podczas gdy czujniki pojemnościowe nie.

Inne zastosowania czujników pojemnościowych bez przemieszczenia

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Capacitive_displacement_sensor&oldid=1026685857 ”