Kapacitiv förskjutningssensor

Kapacitiva förskjutningssensorer "är beröringsfria anordningar som kan mäta högupplösta positioner och/eller positionsförändringar för alla ledande mål". De kan också mäta tjockleken eller densiteten hos icke-ledande material. Kapacitiva förskjutningssensorer används i en mängd olika applikationer, inklusive halvledarbearbetning , montering av precisionsutrustning såsom diskenheter , precisionstjockleksmätningar, verktygsmaskinsmätning och monteringslinjetestning . Dessa typer av sensorer finns i bearbetnings- och tillverkningsanläggningar runt om i världen.

Industriell kapacitiv sensor

Grundläggande kapacitiv teori

Kapacitans är en elektrisk egenskap som skapas genom att en elektrisk laddning appliceras på två ledande föremål med ett mellanrum mellan dem. En enkel demonstration är två parallella ledande plattor av samma profil med ett mellanrum mellan dem och en laddning applicerad på dem. I denna situation kan kapacitansen uttryckas med ekvationen :

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

₀ Där C är kapacitansen, ε är permittiviteten för det fria utrymmeskonstanten , K är dielektricitetskonstanten för materialet i gapet, A är plattornas area och d är avståndet mellan plattorna.

Det finns två generella typer av kapacitiva förskjutningsavkänningssystem. En typ används för att mäta tjocklekar av ledande material. Den andra typen mäter tjockleken på icke ledande material eller nivån på en vätska.

Ett kapacitivt avkänningssystem för ledande material använder en modell som liknar den som beskrivs ovan, men i stället för en av de ledande plattorna finns sensorn och i stället för den andra är det ledande målet som ska mätas. Eftersom arean av sonden och målet förblir konstant, och dielektrikumet hos materialet i gapet (vanligtvis luft) också förblir konstant, "är varje förändring i kapacitans ett resultat av en förändring i avståndet mellan sonden och målet." Därför kan ekvationen ovan förenklas till:

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

Där α indikerar ett proportionellt samband. På grund av detta proportionella förhållande kan ett kapacitivt avkänningssystem mäta förändringar i kapacitans och översätta dessa förändringar i avståndsmätningar.

Funktionen av sensorn för att mäta tjockleken hos icke-ledande material kan ses som två kondensatorer i serie, där var och en har olika dielektrikum (och dielektricitetskonstant). Summan av tjocklekarna på de två dielektriska materialen förblir konstant men tjockleken på var och en kan variera. Tjockleken på materialet som ska mätas förskjuter det andra dielektrikumet. Gapet är ofta ett luftgap, (dielektricitetskonstant = 1) och materialet har en högre dielektrikum. När materialet blir tjockare ökar kapacitansen och avkänns av systemet.

En sensor för mätning av vätskenivåer fungerar som två kondensatorer parallellt med konstant total yta. Återigen resulterar skillnaden i vätskans dielektriska konstant och luftens dielektriska konstant i detekterbara förändringar i kapacitansen mellan de ledande sonderna eller plattorna.

Ansökningar

Precisionspositionering

En av de vanligaste tillämpningarna av kapacitiva sensorer är precisionspositionering. Kapacitiva förskjutningssensorer kan användas för att mäta objekts position ner till nanometernivå . Denna typ av exakt positionering används i halvledarindustrin där kiselwafers måste placeras för exponering. Kapacitiva sensorer används också för att förfokusera elektronmikroskopen som används för att testa och undersöka wafers.

Skivenhetsindustrin

Inom skivdrivningsindustrin används kapacitiva förskjutningssensorer för att mäta utloppet (ett mått på hur mycket rotationsaxeln avviker från en idealisk fast linje) hos skivdrivningsspindlarna . Genom att känna till den exakta utmatningen av dessa spindlar kan tillverkare av skivenheter bestämma den maximala mängden data som kan placeras på enheterna. Kapacitiva sensorer används också för att säkerställa att skivenheterna är ortogonala mot spindeln innan data skrivs till dem.

Precisionsmätningar av tjocklek

Kapacitiva förskjutningssensorer kan användas för att göra mycket exakta tjockleksmätningar. Kapacitiva förskjutningssensorer fungerar genom att mäta förändringar i position. Om positionen för en referensdel med känd tjocklek mäts, kan andra delar mätas i efterhand och skillnaderna i position kan användas för att bestämma tjockleken på dessa delar. För att detta ska vara effektivt med en enda sond måste delarna vara helt plana och uppmätta på en perfekt plan yta. Om delen som ska mätas har någon krökning eller deformitet , eller helt enkelt inte vilar stadigt mot den plana ytan, kommer avståndet mellan delen som ska mätas och ytan den placeras på felaktigt att inkluderas i tjockleksmätningen. Detta fel kan elimineras genom att använda två kapacitiva sensorer för att mäta en enda del. Kapacitiva sensorer placeras på vardera sidan av den del som ska mätas. Genom att mäta delarna från båda sidorna, beaktas krökning och deformiteter i mätningen och deras effekter ingår inte i tjockleksavläsningarna.

Plastmaterialens tjocklek kan mätas med materialet placerat mellan två elektroder på ett visst avstånd från varandra. Dessa bildar en typ av kondensator. Plasten när den placeras mellan elektroderna fungerar som ett dielektrikum och tränger undan luft (som har en dielektricitetskonstant på 1, annorlunda än plasten). Följaktligen ändras kapacitansen mellan elektroderna. Kapacitansförändringarna kan sedan mätas och korreleras med materialets tjocklek.

Kapacitiva sensorkretsar kan konstrueras som kan detektera förändringar i kapacitans i storleksordningen 10 ⁻⁵ picofarads (10 attofarads).

Icke-ledande mål

Även om kapacitiva förskjutningssensorer oftast används för att känna av förändringar i positionen för ledande mål, kan de också användas för att känna av tjockleken och/eller densiteten för icke-ledande mål. Ett icke-ledande föremål placerat mellan sonden och det ledande målet kommer att ha en annan dielektricitetskonstant än luften i gapet och kommer därför att ändra Kapacitansen mellan sonden och målet. (Se den första ekvationen ovan) Genom att analysera denna förändring i kapacitans kan tjockleken och densiteten för icke-ledaren bestämmas.

Verktygsmaskinsmätning

Kapacitiva förskjutningssensorer används ofta i metrologiapplikationer. I många fall används sensorer "för att mäta formfel i den del som produceras. Men de kan också mäta felen som uppstår i utrustningen som används för att tillverka delen, en praxis som kallas verktygsmaskinsmätning”. I många fall används sensorerna för att analysera och optimera rotationen av spindlar i olika verktygsmaskiner, exempel är ytslipmaskiner , svarvar , fräsmaskiner och luftlagerspindlar . Genom att mäta fel i själva maskinerna, snarare än att bara mäta fel i slutprodukterna, kan problem hanteras och åtgärdas tidigare i tillverkningsprocessen.

Monteringslinjetestning

Kapacitiva förskjutningssensorer används ofta vid löpande bandtestning. Ibland används de för att testa sammansatta delar för enhetlighet, tjocklek eller andra designegenskaper. Vid andra tillfällen används de för att helt enkelt leta efter närvaron eller frånvaron av en viss komponent, till exempel lim . Att använda kapacitiva sensorer för att testa monteringsbandsdelar kan bidra till att förhindra kvalitetsproblem längre fram i produktionsprocessen.

Jämförelse med virvelströmsförskjutningssensorer

Kapacitiva förskjutningssensorer har många likheter med virvelströmssensorer (eller induktiva) förskjutningssensorer; kapacitiva sensorer använder dock ett elektriskt fält i motsats till magnetfältet som används av virvelströmssensorer. Detta leder till en mängd olika skillnader mellan de två avkänningsteknologierna, med de mest anmärkningsvärda skillnaderna är att kapacitiva sensorer i allmänhet kan mäta högre upplösning, och virvel strömsensorer fungerar i smutsiga miljöer medan kapacitiva sensorer inte gör det.

Andra icke-förskjutande kapacitiva avkänningsapplikationer

Testa fukthalten i spannmål
Markfuktighet
Fuktighet
Upptäcka vatteninnehåll i bränslen
Bränslesammansättningssensorer (för flexbränslefordon )
Kapacitiva lastceller

Se även

externa länkar

Medicinsk teknik - Patientövervakning med kapacitiva sensorer
Kapacitiva sensorer för rörelsekontroll - Handledning om kapacitiva sensorer för nanopositioneringsapplikationer
Kapacitiv sensorteori – hur kapacitiva sensorer fungerar och hur man använder dem effektivt