Kapacitní snímač posunu - Capacitive displacement sensor
Kapacitní snímače dráhy „jsou bezkontaktní zařízení schopná měřit polohu s vysokým rozlišením a / nebo měnit polohu jakéhokoli vodivého cíle“. Jsou také schopni měřit tloušťku nebo hustotu nevodivých materiálů. Kapacitní snímače posunu se používají v široké škále aplikací, včetně zpracování polovodičů , montáže přesných zařízení, jako jsou diskové jednotky , měření přesné tloušťky, metrologie obráběcích strojů a testování montážních linek . Tyto typy senzorů lze nalézt v obráběcích a výrobních zařízeních po celém světě.
Základní kapacitní teorie
Kapacita je elektrická vlastnost, která se vytváří působením elektrického náboje na dva vodivé objekty s mezerou mezi nimi. Jednoduchou ukázkou jsou dvě paralelní vodivé desky stejného profilu s mezerou mezi nimi a aplikovaným nábojem. V této situaci lze kapacitu vyjádřit rovnicí :
Kde C je kapacita, ε 0 je permitivita konstanty volného prostoru , K je dielektrická konstanta materiálu v mezeře, A je plocha desek a d je vzdálenost mezi deskami.
Existují dva obecné typy kapacitních systémů snímání posunutí. Jeden typ se používá k měření tloušťky vodivých materiálů. Druhý typ měří tloušťky nevodivých materiálů nebo hladinu kapaliny.
Kapacitní snímací systém pro vodivé materiály používá model podobný výše popsanému, ale místo jedné z vodivých desek je snímač a místo druhé je vodivý cíl, který se má měřit. Protože oblast sondy a cíle zůstává konstantní a dielektrikum materiálu v mezeře (obvykle vzduch) také zůstává konstantní, „jakákoli změna kapacity je výsledkem změny vzdálenosti mezi sondou a cílem.“ Výše uvedenou rovnici lze proto zjednodušit na:
Kde α označuje poměrný vztah. Díky tomuto proporcionálnímu vztahu je kapacitní snímací systém schopen měřit změny kapacity a převádět tyto změny v měření vzdálenosti.
Činnost snímače pro měření tloušťky nevodivých materiálů lze považovat za dva kondenzátory v sérii, z nichž každý má jiné dielektrikum (a dielektrickou konstantu). Součet tloušťek dvou dielektrických materiálů zůstává konstantní, ale tloušťka každého z nich se může měnit. Tloušťka měřeného materiálu vytlačuje druhé dielektrikum. Mezera je často vzduchová mezera (dielektrická konstanta = 1) a materiál má vyšší dielektrikum. Jak materiál zesiluje, zvyšuje se kapacita a systém ji snímá.
Senzor pro měření hladin kapaliny funguje jako dva kondenzátory paralelně s konstantní celkovou plochou. Rozdíl v dielektrické konstantě tekutiny a dielektrické konstantě vzduchu má opět za následek detekovatelné změny kapacity mezi vodivými sondami nebo deskami.
Aplikace
Přesné polohování
Jednou z nejběžnějších aplikací kapacitních senzorů je přesné polohování. Kapacitní senzory posunu lze použít k měření polohy objektů až na úroveň nanometrů . Tento typ přesného polohování se používá v polovodičovém průmyslu, kde je třeba pro expozici umístit křemíkové destičky . Kapacitní senzory se také používají k předběžnému zaostření elektronových mikroskopů používaných při testování a zkoumání destiček.
Průmysl diskových jednotek
V průmyslovém odvětví diskové mechaniky se kapacitní snímače posunu používají k měření házivosti (měřítko, kolik se osa otáčení odchyluje od ideální pevné linie) vřeten diskové mechaniky . Znalost přesného házení těchto vřeten umožňuje výrobcům diskových jednotek určit maximální množství dat, která lze na jednotky umístit. Kapacitní senzory se také používají k zajištění toho, aby talíře diskových jednotek byly kolmé na vřeteno, než se do nich zapíší data.
Přesná měření tloušťky
Kapacitní senzory posunu lze použít k velmi přesnému měření tloušťky. Kapacitní senzory posunu pracují měřením změn polohy. Pokud se měří poloha referenční části známé tloušťky, lze následně měřit další součásti a rozdíly v poloze lze použít ke stanovení tloušťky těchto částí. Aby to bylo efektivní pomocí jediné sondy, musí být díly zcela ploché a měřené na dokonale rovném povrchu. Pokud má měřený díl nějaké zakřivení nebo deformaci nebo jednoduše neleží pevně na rovném povrchu, bude vzdálenost mezi měřeným dílem a povrchem, na který je umístěn, chybně zahrnuta do měření tloušťky. Tuto chybu lze eliminovat pomocí dvou kapacitních senzorů k měření jedné součásti. Kapacitní senzory jsou umístěny na obou stranách měřené části. Měřením dílů z obou stran se při měření zohledňuje zakřivení a deformace a jejich účinky nejsou zahrnuty do hodnot tloušťky.
Tloušťku plastových materiálů lze měřit s materiálem umístěným mezi dvěma elektrodami v určité vzdálenosti od sebe. Ty tvoří typ kondenzátoru. Pokud je plast umístěn mezi elektrodami, působí jako dielektrikum a vytlačuje vzduch (který má dielektrickou konstantu 1, odlišnou od plastu). V důsledku toho se změní kapacita mezi elektrodami. Změny kapacity lze poté měřit a korelovat s tloušťkou materiálu.
Mohou být konstruovány obvody kapacitních senzorů, které jsou schopné detekovat změny kapacity řádově 10 −5 pikofarád (10 attofaradů).
Nevodivé cíle
Zatímco senzory kapacitního posunu se nejčastěji používají ke snímání změn polohy vodivých cílů, lze je také použít ke snímání tloušťky a / nebo hustoty nevodivých cílů. Nevodivý předmět umístěný mezi sondou a vodivým cílem bude mít jinou dielektrickou konstantu než vzduch v mezeře, a proto bude měnit kapacitu mezi sondou a cílem. (Viz první rovnice výše) Analýzou této změny kapacity lze určit tloušťku a hustotu nevodiče.
Metrologie obráběcích strojů
Kapacitní snímače posunu se často používají v metrologických aplikacích. V mnoha případech se senzory používají „k měření tvarových chyb ve vyráběném dílu. Mohou však také měřit chyby vznikající v zařízeních použitých k výrobě součásti, což je praxe známá jako metrologie obráběcích strojů “. V mnoha případech se senzory používají k analýze a optimalizaci otáčení vřeten v různých obráběcích strojích, například povrchové brusky , soustruhy , frézky a vřetena se vzduchovým ložiskem . Měřením chyb na samotných strojích lze namísto pouhého měření chyb ve finálních produktech vyřešit problémy a opravit je dříve ve výrobním procesu.
Testování montážní linky
Kapacitní senzory posunu se často používají při testování na montážní lince. Někdy se používají k testování rovnoměrnosti, tloušťky nebo jiných konstrukčních vlastností sestavených dílů. Jindy se používají k jednoduchému hledání přítomnosti nebo nepřítomnosti určité součásti, například lepidla . Použití kapacitních senzorů k testování dílů montážní linky může pomoci zabránit dalším problémům s kvalitou ve výrobním procesu.
Srovnání se senzory posunu vířivými proudy
Kapacitní senzory posunu sdílejí mnoho podobností se senzory posunu vířivými proudy (nebo indukčními); kapacitní senzory však používají elektrické pole na rozdíl od magnetického pole používaného senzory vířivých proudů. To vede k řadě rozdílů mezi dvěma snímacími technologiemi, přičemž nejvýznamnější rozdíly spočívají v tom, že kapacitní senzory jsou obecně schopné měření s vyšším rozlišením a proudové senzory pracují ve špinavém prostředí, zatímco kapacitní senzory ne.
Další aplikace kapacitního snímání bez přemístění
- Testování obsahu vlhkosti v zrnu
- Půdní vlhkost
- Vlhkost vzduchu
- Detekce obsahu vody v palivech
- Senzory složení paliva (pro vozidla s flexibilním palivem )
- Kapacitní snímače zatížení
Viz také
Reference
externí odkazy
- Lékařské inženýrství - monitorování pacientů pomocí kapacitních senzorů
- Kapacitní senzory pro řízení pohybu - výuka kapacitních senzorů pro nanopoziční aplikace
- Teorie kapacitních senzorů - Jak fungují kapacitní senzory a jak je efektivně používat