Емкостный датчик перемещения

Емкостные датчики перемещения представляют собой «бесконтактные устройства, способные с высоким разрешением измерять положение и / или изменение положения любой проводящей цели». ^[1] Они также способны измерять толщину или плотность непроводящих материалов. ^[2] Емкостные датчики смещения используются в самых разных областях, включая обработку полупроводников , сборку прецизионного оборудования, такого как дисководы , прецизионные измерения толщины, станков метрологию и испытания сборочных линий . Датчики такого типа можно встретить на обрабатывающих и производственных предприятиях по всему миру.

Основная емкостная теория

Емкость — это электрическое свойство, которое создается путем приложения электрического заряда к двум проводящим объектам с зазором между ними. Простая демонстрация — две параллельные проводящие пластины одного профиля с зазором между ними и нанесенным на них зарядом. В этой ситуации емкость можно выразить уравнением :

C={\dfrac {\varepsilon _{0}KA}{d}}

^[3]

Где C — емкость, ε ₀ — диэлектрическая проницаемость постоянной свободного пространства , K — диэлектрическая проницаемость материала в зазоре, A — 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.

Емкостная система измерения проводящих материалов использует модель, аналогичную описанной выше, но вместо одной из проводящих пластин находится датчик , а вместо другой - измеряемая проводящая мишень. Поскольку площади зонда и мишени остаются постоянными, а диэлектрик материала в зазоре (обычно воздуха) также остается постоянным, «любое изменение емкости является результатом изменения расстояния между зондом и мишенью». ^[4] Таким образом, приведенное выше уравнение можно упростить до:

C\propto {\dfrac {1}{d}}

Где α указывает на пропорциональную зависимость.Благодаря этому пропорциональному соотношению емкостная сенсорная система способна измерять изменения емкости и преобразовывать эти изменения в измерения расстояния.

Работу датчика для измерения толщины непроводящих материалов можно представить как работу двух последовательно соединенных конденсаторов, каждый из которых имеет свой диэлектрик (и диэлектрическую проницаемость). 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 проницаемость = 1), а материал имеет более высокую диэлектрическую проницаемость. По мере того, как материал становится толще, емкость увеличивается и регистрируется системой.

Датчик измерения уровня жидкости работает как два параллельно включенных конденсатора постоянной общей площади. Опять же, разница в диэлектрической постоянной жидкости и диэлектрической постоянной воздуха приводит к обнаруживаемым изменениям емкости между проводящими зондами или пластинами.

Приложения

Точное позиционирование

Одним из наиболее распространенных применений емкостных датчиков является точное позиционирование. Емкостные датчики перемещения можно использовать для измерения положения объектов на уровне нанометров . Этот тип точного позиционирования используется в полупроводниковой промышленности, где кремниевые пластины необходимо расположить для экспонирования. Емкостные датчики также используются для предварительной фокусировки электронных микроскопов, используемых при тестировании и исследовании пластин.

Дисководная индустрия

В индустрии дисковода емкостные датчики смещения используются для измерения биения (меры отклонения оси вращения от идеальной фиксированной линии) шпинделей дисковода . Зная точное биение этих шпинделей, производители дисководов могут определить максимальный объем данных, которые можно разместить на дисках. Емкостные датчики также используются для обеспечения того, чтобы пластины дисковода были ортогональны шпинделю перед записью на них данных.

Прецизионные измерения толщины

Емкостные датчики смещения можно использовать для очень точных измерений толщины. Емкостные датчики смещения работают, измеряя изменения положения. Если измеряется положение эталонной детали известной толщины, впоследствии можно измерить другие детали, а разницу в положении можно использовать для определения толщины этих деталей. ^[5] Для того чтобы использование одного датчика было эффективным, детали должны быть абсолютно плоскими и измеряться на идеально ровной поверхности. Если измеряемая деталь имеет какую-либо кривизну или деформацию или просто не плотно прилегает к плоской поверхности, расстояние между измеряемой деталью и поверхностью, на которой она расположена, будет ошибочно включено в измерение толщины. Эту ошибку можно устранить, если использовать два емкостных датчика для измерения одной детали. Емкостные датчики размещаются по обе стороны измеряемой детали. учитываются кривизна и деформации При измерении деталей с обеих сторон при измерении , и их влияние не учитывается при измерении толщины.

Толщину пластиковых 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 ( диэлектрическая проницаемость которого равна 1, в отличие от пластика). Следовательно, емкость между электродами изменяется. Затем изменения емкости можно измерить и сопоставить с толщиной материала. ^[6]

Могут быть построены схемы емкостных датчиков, способные обнаруживать изменения емкости порядка 10 раз. ⁻⁵ пикофарады (10 аттофарад).

Непроводящие цели

Хотя емкостные датчики смещения чаще всего используются для определения изменений положения проводящих целей, их также можно использовать для измерения толщины и/или плотности непроводящих целей. ^[4] Непроводящий объект, помещенный между зондом и проводящей мишенью, будет иметь другую диэлектрическую проницаемость, чем воздух в зазоре, и, следовательно, изменит емкость между зондом и мишенью. (См. первое уравнение выше). Анализируя это изменение емкости, можно определить толщину и плотность непроводника.

Метрология станков

Емкостные датчики перемещения часто используются в метрологии. Во многих случаях датчики используются «для измерения ошибок формы производимой детали. Но они также могут измерить погрешности, возникающие в оборудовании, используемом для изготовления детали, — эта практика известна как метрология станков». ^[7] Во многих случаях датчики используются для анализа и оптимизации вращения шпинделей в различных станках, например, плоскошлифовальных , токарных , фрезерных станках и шпинделях с пневматическими подшипниками . ^[8] Измеряя ошибки в самих машинах, а не просто измеряя ошибки в конечной продукции, можно решать и устранять проблемы на более ранних этапах производственного процесса.

Тестирование сборочной линии

Емкостные датчики перемещения часто используются при тестировании сборочных линий. Иногда их используют для проверки собранных деталей на однородность, толщину или другие конструктивные особенности. В других случаях их используют просто для поиска наличия или отсутствия определенного компонента, например клея . ^[9] Использование емкостных датчиков для проверки деталей сборочной линии может помочь предотвратить проблемы с качеством на дальнейших этапах производственного процесса.

Сравнение с вихретоковыми датчиками смещения

Емкостные датчики смещения имеют много общего с вихретоковыми (или индуктивными) датчиками смещения; однако емкостные датчики используют электрическое поле, а не магнитное поле, используемое датчиками вихревых токов. ^[10]^[11] Это приводит к множеству различий между двумя технологиями измерения, причем наиболее заметные различия заключаются в том, что емкостные датчики обычно способны выполнять измерения с более высоким разрешением, а вихретоковые датчики работают в загрязненной среде, а емкостные датчики этого не делают. ^[10]

Другие применения емкостных датчиков без смещения

Проверка влажности зерна
Влажность почвы
Влажность
Обнаружение содержания воды в топливе
Датчики состава топлива (для автомобилей с гибким топливом )
Емкостные тензодатчики

См. также

Ссылки

^ Обзор емкостного датчика Lion Precision , обзор емкостных датчиков технологии от Lion Precision.
^ Джон С. Уилсон (2005). Справочник по сенсорным технологиям . Ньюнес. п. 94. ИСБН 0-7506-7729-5 .
^ Пол Аллен Типлер (1982). Физика Второе издание . Стоит издательства. стр. 653–660. ISBN 0-87901-135-1 .
^ Jump up to: ^а ^б Работа и оптимизация емкостных датчиков. Как работают емкостные датчики и как их эффективно использовать. Архивировано 2 декабря 2015 г. на Wayback Machine . Подробное обсуждение теории емкостных датчиков от Lion Precision.
^ Измерение емкостной толщины , Учебное пособие по измерению емкостной толщины.
^ Измеритель толщины пленки
^ Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса: Инженерная точность в лабораторных проектах , Примеры достижений LLNL в области точных измерений.
^ Эрик Р. Марш (2009). Прецизионная метрология шпинделя . Destech Pubns Inc. ISBN 1-60595-003-3 .
^ Обнаружение клея на бумаге. Архивировано 9 июля 2010 г. в Wayback Machine . Учебное пособие по использованию емкостных датчиков для обнаружения клея.
^ Jump up to: ^а ^б Сравнение емкостных вихревых токов Lion Precision . Сравнение емкостных и вихретоковых технологий измерения от Lion Precision.
^ Руководство пользователя емкостных датчиков Siemens стр. 54.

Внешние ссылки

Медицинская техника — мониторинг пациентов с использованием емкостных датчиков
Емкостные датчики для управления движением . Учебное пособие по емкостным датчикам для приложений нанопозиционирования
Теория емкостных датчиков. Архивировано 2 декабря 2015 г. на Wayback Machine . Как работают емкостные датчики и как их эффективно использовать.

[LionCapOverview-1] Обзор емкостного датчика Lion Precision , обзор емкостных датчиков технологии от Lion Precision.

[SensorTechHandbook-2] Джон С. Уилсон (2005). Справочник по сенсорным технологиям . Ньюнес. п. 94. ИСБН 0-7506-7729-5 .

[Physics-3] Пол Аллен Типлер (1982). Физика Второе издание . Стоит издательства. стр. 653–660. ISBN 0-87901-135-1 .

[LionCapTheory-4] Jump up to: ^а ^б Работа и оптимизация емкостных датчиков. Как работают емкостные датчики и как их эффективно использовать. Архивировано 2 декабря 2015 г. на Wayback Machine . Подробное обсуждение теории емкостных датчиков от Lion Precision.

[LionCapThickness-5] Измерение емкостной толщины , Учебное пособие по измерению емкостной толщины.

[6] Измеритель толщины пленки

[LLNL-7] Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса: Инженерная точность в лабораторных проектах , Примеры достижений LLNL в области точных измерений.

[PrecisionSpindleMetrology-8] Эрик Р. Марш (2009). Прецизионная метрология шпинделя . Destech Pubns Inc. ISBN 1-60595-003-3 .

[LionGlue-9] Обнаружение клея на бумаге. Архивировано 9 июля 2010 г. в Wayback Machine . Учебное пособие по использованию емкостных датчиков для обнаружения клея.

[CapVEddy-10] Jump up to: ^а ^б Сравнение емкостных вихревых токов Lion Precision . Сравнение емкостных и вихретоковых технологий измерения от Lion Precision.

[Siemens-11] Руководство пользователя емкостных датчиков Siemens стр. 54.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]