Start
Baza wiedzy
Automatyka pomiarowa i inspekcyjna Działanie i optymalizacja czujnika pojemnościowego

Działanie i optymalizacja czujnika pojemnościowego

W niniejszym artykule dokonano przeglądu koncepcji i teorii detekcji pojemnościowej, aby pomóc w optymalizacji wydajności czujnika pojemnościowego. Zdefiniowano także terminy wykrywania pojemnościowego stosowane w literaturze oraz instrukcjach Lion Precision.

Pojemność i odległość

Bezstykowe czujniki pojemnościowe działają poprzez pomiar zmian właściwości elektrycznej zwanej pojemnością. Pojemność to cecha opisująca, w jaki sposób dwa obiekty przewodzące położone względem siebie w określonym odstępie reagują na przyłożoną różnicę napięć. Po przyłożeniu napięcia do przewodników powstaje między nimi pole elektryczne, które powoduje gromadzenie dodatnich i ujemnych ładunków na każdym z nich (rys. 1). Jeżeli polaryzacja przyłożonego napięcia zostanie odwrócona, ładunki również się odwrócą.

Czujniki pojemnościowe wykorzystują napięcie przemienne, które powoduje, że ładunki stale zmieniają swoje położenie. Zmiana położenia ładunków wytwarza przemienny prąd elektryczny wykrywany przez czujnik (rysunek 2). Ilość przepływanego prądu jest określana jako pojemność, która jednocześnie stanowi stosunek powierzchni oraz odległości pomiędzy obiektami przewodzącymi. Obiekty o większej powierzchni oraz położone bliżej siebie powodują przepływ większego prądu niż obiekty o mniejszej powierzchni i położone dalej od siebie. Na pojemność ma również wpływ rodzaj materiału nieprzewodzącego znajdującego się w szczelinie między przewodnikami.

Technicznie rzec ujmując, pojemność jest wprost proporcjonalna do powierzchni przewodników i stałej dielektrycznej materiału nieprzewodzącego i odwrotnie proporcjonalna do odległości pomiędzy przewodnikami (rys. 3).

W typowych zastosowaniach do wykrywania pojemnościowego funkcjonalny element czujnikowy stanowi jeden z obiektów przewodzących; drugi przewodnik stanowi natomiast obiekt, który ma zostać wykryty. (Używanie czujników pojemnościowych do wykrywania tworzyw sztucznych i innych izolatorów jest omówione, w dalszej części dokumentu w rozdziale dotyczącym wykrywania obiektów nieprzewodzących). Zakłada się, że rozmiary czujnika oraz obiektu wykrywanego są stałe, podobnie jak rodzaj materiału pomiędzy nimi. Dlatego każda zmiana pojemności jest wynikiem zmiany odległości pomiędzy czujnikiem a wykrywanym obiektem. Elektronika jest skalibrowana w taki sposób, aby możliwe było generowanie określonych zmian napięcia dla odpowiednich zmian pojemności. Napięcia te są skalowane w celu otrzymania określonych zmian odległości. Stosunek zmiany napięcia do danej wielkości zmiany odległości nazywa się czułością. Typowe ustawienie czułości wynosi 1,0 V/ 100 µm. Oznacza to, że przy każdej zmianie odległości o 100 µm następuje zmiana napięcia wyjściowego czujnika dokładnie o 1,0 V. Przy tej kalibracji zmiana +2 V na wyjściu oznacza, że wykrywany obiekt zbliżył się do czoła czujnika o 200 µm.  

Skupienie pola elektrycznego

Aby uzyskać dokładne pomiary, pole elektryczne z obszaru wykrywania czujnika musi mieścić się w przestrzeni pomiędzy przewodnikiem a obiektem wykrywanym. Jeśli pole elektryczne będzie miało możliwość rozprzestrzeniania się na inne przedmioty lub obszary wykrywanego obiektu (nieistotne z punktu widzenia pomiaru), zmiana ich położenia będzie rejestrowana przez czujnik.

Aby temu zapobiec, stosuje się tzw. technikę „ochronną”. Aby utworzyć osłonę, tył i boki elementu czujnikowego otoczone są innym przewodnikiem, który utrzymywany jest na takim samym poziomie napięcia co element czujnikowy (rys. 4 i 6).

Gdy napięcie zostanie przyłożone do elementu czujnikowego, oddzielny obwód przykłada dokładnie takie samo napięcie do osłony. Ponieważ nie ma różnicy napięcia między elementem czujnikowym a osłoną, to również nie występuje tam pole elektryczne. Wszelkie inne przewodniki znajdujące się obok lub za czujnikiem tworzą pole elektryczne z osłoną a nie z elementem czujnikowym. Jedynym obszarem niechronionym przez osłonę jest przód elementu czujnikowego, który może tworzyć pole elektryczne z obiektem wykrywanym.

 

Wielkość obiektu wykrywanego

Rozmiar obiektu wykrywanego ma podstawowe znaczenie przy wyborze czujnika w danej aplikacji. Kiedy pole elektryczne skupiane jest przez osłonę, tworzy ono lekko stożkowe pole, które stanowi rzut obszaru wykrywania. Minimalna średnica obiektu wykrywanego dla standardowej kalibracji czujnika wynosi 130% średnicy elementu czujnikowego. Im dalej czujnik znajduje się od obiektu wykrywanego tym zwiększa się jego minimalny, wymagany rozmiar.

Zakres pomiarowy

Zakres pomiarowy czujnika jest funkcją wielkości elementu czujnikowego. Im większa średnica elementu czujnikowego, tym większy zakres pomiarowy. Elektronika sterownika zaprojektowana jest dla określonej pojemności. W związku z tym mniejsza sonda musi znajdować się znacznie bliżej obiektu wykrywanego, aby osiągnąć pożądana pojemność. Elektronika jest regulowana podczas procesu kalibracji, i zakres regulacji jest ograniczony. Zasadniczo maksymalna szczelina, przy której czujnik działa prawidłowo wynosi około 40% średnicy elementu czujnikowego. Standardowe kalibracje zwykle utrzymują znacznie mniejszy odstęp od przedstawionego.

Wykrywanie wielokanałowe

Często obiekt jest mierzony jednocześnie przez kilka czujników. Ponieważ system mierzy zmieniające się pole elektryczne, napięcie wzbudzenia dla każdego czujnika musi zostać zsynchronizowane, w przeciwnym razie czujniki mogłyby się wzajemnie zakłócać. Gdyby nie były zsynchronizowane, jedna sonda zwiększałaby pole elektryczne podczas gdy druga próbowałaby je zmniejszyć, dając w ten sposób fałszywy wynik. Elektronika sterownika może zostać skonfigurowana jako master lub slave. W systemach wielokanałowych master ustawia synchronizację dla urządzeń slave.

Wpływ materiału obiektu wykrywanego

Pole elektryczne jest czułe na występowanie powierzchni przewodzącej. Materiał z jakiego wykonany jest obiekt nie ma wpływu na czujniki pojemnościowe, pod warunkiem, że jest przewodnikiem. Ze względu na to, że wytworzone pole elektryczne zatrzymuje się na powierzchni przewodnika, jego grubość nie wpływa na wartość pomiaru.

Pomiar obiektów nieprzewodzących

Czujniki pojemnościowe są najczęściej używane do pomiaru zmiany położenia obiektu przewodzącego. Ale mogą być również skuteczne w detekcji obecności oraz pomiarze gęstości, grubości i lokalizacji obiektów nieprzewodzących. Materiały nieprzewodzące takie jak tworzywa, mają inną stałą dielektryczną niż powietrze. Stała dielektryczna określa, w jaki sposób nieprzewodzący materiał wpływa na pojemność między dwoma przewodnikami. Kiedy między czujnikiem a obiektem przewodzącym zostanie wstawiony materiał nieprzewodzący, obszar wykrywania przechodzi przez ten materiał do uziemionego, stacjonarnego przewodnika (rys. 7). Obecność materiału nieprzewodzącego zmienia stałą dielektryczną i tym samym zmienia pojemność. Pojemność zmienia się w zależności od grubości lub gęstości materiału.

Zwiększenie dokładności

Teraz, gdy omówione zostały podstawy działania czujników pojemnościowych, można opracować strategie zwiększenia skuteczności i zmniejszenia błędów podczas ich stosowania. Dokładność wymaga, aby pomiary były wykonywane w takich samych warunkach, w których czujnik został skalibrowany. Niezależnie od tego, czy jest to czujnik skalibrowany fabrycznie, czy podczas użytkowania, konsekwencją powtarzalnych warunków są powtarzalne wyniki pomiaru. Jeżeli na pomiar ma wpływać tylko odległość, wszystkie pozostałe parametry muszą pozostać stałe. W dalszej części omówiono typowe źródła błędów i sposoby ich zmniejszenia.

Zwiększenie dokładności: rozmiar obiektu wykrywanego

O ile nie określono inaczej, kalibracji fabrycznych dokonuje się przy użyciu płaskiego obiektu przewodzącego, który jest znacznie większy niż średnica elementu czujnikowego. Skalibrowany w ten sposób czujnik da dokładne wyniki podczas pomiaru płaskiego obiektu większego o ponad 30% od średnicy elementu czujnikowego. Jeśli obszar docelowy jest zbyt mały, pole elektryczne zacznie rozchodzić się wokół obiektu mierzonego, co oznacza, że wyjdzie ono poza obszary objęte wcześniejszą kalibracją (rys. 9). W takim przypadku czujnik musi znajdować się bliżej obiektu mierzonego dla tego samego punktu odniesienia. Ponieważ odległość ta różni się od pierwotnej kalibracji, podczas pomiaru zostanie popełniony błąd. Błąd pojawia się również w sytuacji, gdy czujnik nie mierzy płaskiej powierzchni.

Jeżeli odległość między czujnikiem a wykrywanym obiektem jest uważana za oś Z, to dodatkowym problemem obiektu o nieprawidłowych wymiarach jest to, że czujnik staje się wrażliwy na lokalizację X oraz Y. Bez zmiany odstępu, sygnał wyjściowy czujnika ulegnie zmianie jeśli czujnik zostanie przesunięty w osi X lub Y, ponieważ mniej pola elektrycznego będzie docierało do środka wykrywanego obiektu, a więcej rozproszy się na boki.

 

Zwiększenie dokładności: kształt obiektu wykrywanego

Ponieważ czujniki są skalibrowane w stosunku do powierzchni płaskiej, to pomiar obiektu o zakrzywionej powierzchni spowoduje błędy (rys. 10). Ze względu na to, że czujnik mierzy średnią odległość do powierzchni, przerwa przy wystąpieniu napięcia równego 0 V będzie inna niż podczas kalibracji systemu. Błędy pojawią się również z powodu różne zachowanie pola elektrycznego na zakrzywionej powierzchni. W przypadkach, w których należy zmierzyć niepłaski obiekt, system można skalibrować fabrycznie w odniesieniu do wzorcowego obiektu mierzonego. Alternatywnie, gdy stosuje się kalibrację płaską do pomiaru zakrzywionych powierzchni, można zastosować mnożniki w celu skorygowania wartości pomiaru.

Zwiększenie dokładności: wykończenie powierzchni

Gdy powierzchnia pomiarowa nie jest idealnie gładka, czujnik uśrednia pomiary na tym obszarze w zależności od rozmiaru obszaru wykrywania czujnika. Wartość pomiaru może się zmieniać w miarę przesuwania czujnika w stosunku do obiektu ze względu na zmianę średniego położenia powierzchni. Wielkość tego błędu zależy od charakteru i symetrii nieregularności mierzonego obszaru.

Zwiększenie dokładności: równoległość

Podczas kalibracji, powierzchnia czoła czujnika jest równoległa do powierzchni docelowej. Jeśli czujnik lub obiekt wykrywany, zostanie przechylony o jakąkolwiek znaczącą wartość kąta, kształt miejsca na które pada obszar wykrywania czujnika, wydłuża się i tym samym zmienia interakcję obszaru wykrywania z mierzoną powierzchnią. Ze względu na różne zachowanie pola elektrycznego zostaną wprowadzone błędy pomiaru. Przy wysokich rozdzielczościach, nawet kilka stopni nachylenia może wprowadzać istotny błąd. Przy projektowaniu czujnika do pomiaru należy zwrócić szczególną uwagę na równoległość.

Zwiększenie dokładności: środowisko

Systemy czujników pojemnościowych Lion Precision są kompensowane pod kątem zminimalizowania wpływu spowodowanego temperaturą od 22°C do 35°C. W tym zakresie temperatur błędy są mniejsze o 0,5% w stosunku do skali pomiaru.

Bardziej kłopotliwym problemem jest to, że materiały konstrukcyjne urządzeń oraz obiektów wykrywanych wykazują znaczne rozszerzenie się i kurczenie w przedstawionym powyżej zakresie temperatur. Gdy tak się dzieje, zmiany pomiaru związane z temperaturą nie są błędem miernika. Są to prawdziwe zmiany w przestrzeni pomiędzy obiektem mierzonym a sondą. Staranne projektowanie osprzętu znacznie przyczynia się do minimalizacji tego błędu i zwiększenia dokładności pomiaru.

Na stałą dielektryczną powietrza ma natomiast wpływ jego wilgotność. Wraz ze wzrostem wilgotności rośnie stała dielektryczna. Wilgotność może również oddziaływać z materiałami konstrukcyjnymi czujnika. Dane eksperymentalne pokazują, że zmiany od 50% RH do 80% RH mogą powodować błędy do 0,5% w stosunku do skali pomiaru.

Materiały konstrukcyjne czujników Lion Precision są dobierane w celu zminimalizowania błędów spowodowanych przez temperaturę i wilgotność. Natomiast w aplikacjach wymagających najwyższej precyzji kontrola temperatury i wilgotności jest standardową praktyką. Normy międzynarodowe określają, że pomiary należy wykonywać w temperaturze 20°C lub gdy taka temperatura nie jest zapewniona, to wprowadzać odpowiednie korekty.

Kalibracja fabryczna

System kalibracji czujników pojemnościowych Lion Precision został zaprojektowany we współpracy z Professional Instruments, światowym liderem w dziedzinie wrzecion łożysk powietrznych i konstrukcji ślizgowych. Jego najnowocześniejszy projekt napędzany jest z wykorzystaniem precyzyjnego sterowania ruchem z dokładnością pozycjonowania mniejszą niż 0,012 µm.

System kalibracji jest regularnie certyfikowany interferometrem laserowym z możliwością śledzenia. Sprzęt pomiarowy używany podczas kalibracji (mierniki cyfrowe i generatory sygnałów) są również kalibrowane zgodnie z standardami NIST (National Institute of Standards and Technology). Informacje dotyczące kalibracji każdego z tych urządzeń są przechowywane w dokumentach w celu weryfikacji.

Technicy używają systemu kalibracji do precyzyjnego pozycjonowania wzorca kalibracyjnego w konkretnych odległościach od czujnika pojemnościowego. W tych punktach zbierane są pomiary, a czułość i liniowość systemu są analizowane przez system. Analiza danych służy do dostosowania kalibrowanego sytemu do specyfikacji zamówienia.

Po skalibrowaniu czułości i liniowości, czujniki pojemnościowe umieszcza się w komorze środowiskowej, w której obwód kompensacji temperatury jest kalibrowany w celu zminimalizowania zmian temperatury w zakresie od 22°C do 35°C.

Po zakończeniu kalibracji generowane jest świadectwo kalibracji. Certyfikat wysyłany jest z zamówionym czujnikiem i archiwizowany. Świadectwa wzorcowania są zgodne z ISO 10012-1 rozdział 4.8.

Czułość

Czułość określa stosunek zmiany napięcia wyjściowego czujnika do zmiany odległości pomiędzy obiektem wykrywanym a czujnikiem. Najczęściej czułość czujników pojemnościowych wynosi 1 V/0,1 mm. Oznacza to, że wraz ze zmianą odległości między czujnikiem a obiektem o wartość 0,1 mm, napięcie wyjściowe zmienia się o 1 V. Wykreślając charakterystykę zależności odległości od wartości napięcia wyjściowego, czułość określana jest jako nachylenie otrzymanej charakterystyk.

Błąd czułości

Czułość czujnika ustawiana zostaje podczas procesu kalibracji. Błąd czułości, wzmocnienia lub skalowania to parametr opisujący wartość o jaką czułość czujnika odbiega od wartości idealnej (ustalonej podczas procesu kalibracji). Ponieważ czułość opisywana jest jako nachylenie charakterystyki, to błąd czułości stanowi procentową wartość tego nachyleni.

Błąd przesunięcia- offset

Błąd przesunięcia występuje, gdy do każdego wykonanego pomiaru dodawana jest stała wartość napięcia wyjściowego czujnika. Systemy czujników pojemnościowych są zwykle „zerowane” podczas konfiguracji, eliminując tym samym wszelkie odchylenia i przesunięcia od krzywej kalibracji. Istnieje jednak możliwość, że błąd przesunięcia zmieni się po wyzerowaniu systemu i zostanie wprowadzony do wyników pomiarów. Głównym czynnikiem wprowadzającym do systemu błąd przesunięcia jest zmiana temperatury. Systemy Lion Precision są kompensowane pod kątem błędów przesunięcia związanych z temperaturą, aby utrzymać je poniżej 0,04% pełnego zakresu pomiarowego/°C

Błąd liniowości

Czułość może się nieznacznie różnić między dowolnymi dwoma punktami danych znajdującymi się na charakterystyce przetwarzania. Ta odmiana błędu nazywana jest błędem liniowości. Liniowość jest miarą tego jak bardzo dane na wyjściu czujnika różnią się od charakterystyki idealnej.

Aby obliczyć błąd liniowości, dane kalibracyjne są porównywane z linią prostą o najlepszym dopasowaniu do punktów pomiarowych. Linia odniesienia obliczana jest na podstawie danych kalibracyjnych przy użyciu techniki zwanej metodą najmniejszych kwadratów. Błąd w punkcie krzywej kalibracyjnej, który jest najdalej oddalony od linii idealnej to błąd liniowości. Błąd liniowości jest zwykle wyrażany w procentach w odniesieniu do pełnej skali pomiarowej. Jeżeli błąd w najbardziej oddalonym punkcie wynosi 0,001 mm, a pełny zakres pomiarowy czujnika wynosi 1 mm to błąd liniowości wynosi 0,01%.

Należy pamiętać, że błąd liniowości nie uwzględnia błędów czułości. Jest on miarą prostoliniowości charakterystyki przetwarzania a nie jej nachylenia. System z dużymi błędami czułości może być jednocześnie bardzo liniowy.

Pasmo pomiarowe

Szerokość pasma pomiarowego jest zdefiniowana jako częstotliwość, w której wartości wyjściowe spadają do -3 dB. Częstotliwość ta nazywana jest częstotliwością odcięcia. Spadek poziomu sygnału o -3 dB odpowiada około 70% faktycznemu spadkowi napięcia wyjściowego czujnika. Przy szerokości pasma 15 kHz zmiana ±1 V przy niskiej częstotliwości spowoduje zmianę o ±0,7 V. Oprócz wykrywania ruchu o wysokiej częstotliwości, szybko reagujące wyjścia maksymalizują margines fazy, gdy używane są w systemach sprzężenia zwrotnego serwosterowania. Niektóre sterowniki zapewniają możliwość wyboru przepustowości w celu zwiększenia rozdzielczości lub czasu reakcji.

Rozdzielczość

Rozdzielczość jest definiowana jako najmniejszy wiarygodny pomiar, jaki jest możliwy do wykonania za pomocą danego systemu pomiarowego. Rozdzielczość układu pomiarowego musi być lepsza niż końcowa dokładność wymagana podczas pomiaru. Jeżeli potrzebny jest pomiar z dokładnością w granicach 0,02 µm, wówczas rozdzielczość systemu pomiarowego musi być wyższa niż 0,02 µm. Podstawowym czynnikiem determinującym rozdzielczość jest poziom szumów elektrycznych, powodujących niewielkie, chwilowe błędy na wyjściu.

Nawet gdy odległość czujnik-obiekt jest idealnie stała, napięcie wyjściowe sterownika ma niewielki, ale mierzalny poziom szumu, który błędnie może sugerować, że odległość czujnik-obiekt się zmienia. Szum ten jest nieodłącznym elementem komponentów elektronicznych i można go jedynie zminimalizować, ale nigdy całkowicie wyeliminować. Jeśli urządzenie ma szum wyjściowy 0,002 V i czułość 10 V/ 1 mm to całkowity błąd wnoszony przez szumy wynosi 0,0002 mm (0,2 µm). Oznacza to, że w dowolnym momencie na wyjściu może wystąpić błąd o wartości 0,2 µm.

Poziom szumów na wyjściu jest bezpośrednio związany z jego przepustowością. Mówiąc ogólnie, szum rozkłada się równomiernie na szeroki zakres częstotliwości. Jeżeli wyższe częstotliwości zostaną przefiltrowane przed wyjściem, wynikiem będzie mniej szumów i lepsza rozdzielczość. Podczas sprawdzania w specyfikacji wartości rozdzielczości, bardzo ważna jest wiedza na temat przepustowości, do której odnoszą się informacje podane w specyfikacji. Odsyłamy do dokumentu technicznego na temat zależności pomiędzy rozdzielczością a przepustowością oraz w jaki sposób uzyskać interesujące nas informacje ze specyfikacji technicznych.

Pasmo błędów

Pasmo błędów stanowi kombinację błędów liniowości i czułości. Wyznaczane jest poprzez porównanie napięć wyjściowych z wartością oczekiwaną. Największa znaleziona wartość błędu określana jest jako pasmo błędów systemu – tabela poniżej.

Szczelina (mm)
Wartość oczekiwana (VDC)
Wartość zmierzona (VDC)
Błąd (mm)
0.50
-10.000
-9.800
-0.010
0.75
-5.000
-4.900
-0.005
1.00
0.000
0.000
0.000
1.25
5.000
5.000
0.000
1.50
10.000
10.100
0.005

Treść powyższego artykułu korzysta z ochrony udzielanej przez przepisy ustawy z dnia 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych (j.t. Dz. U. z 2006 r. Nr 90, poz. 631 ze zm.). Każdy z Klientów zobowiązany jest do poszanowania praw autorskich pod rygorem odpowiedzialności cywilnoprawnej oraz karnej wynikającej z przepisów tej ustawy. Treść artykułu – w całości bądź jakiejkolwiek części – może być wykorzystywana tylko w zakresie dozwolonego użytku osobistego. Wykorzystanie tego artykułu - w całości bądź jakiejkolwiek części - do innych celów a w szczególności - komercyjnych, w tym kopiowanie, publiczne odtwarzanie, lub udostępnianie osobom trzecim w jakikolwiek inny sposób, może następować tylko pod warunkiem uzyskania wyraźnego pisemnego zezwolenia ITA i na warunkach określonych przez ITA. W celu uzyskania zgody na wykorzystanie zawartości Strony, należy skontaktować się z ITA za pośrednictwem formularza kontaktowego dostępnego w zakładce Kontakt. Korzystanie z powyższej treści w celu innym niż do użytku osobistego, a więc do kopiowania, powielania, wykorzystywania w innych publikacjach w całości lub w części bez pisemnej zgody ITA jest zabronione i podlega odpowiedzialności cywilnoprawnej oraz karnej wynikającej z przepisów ustawy o prawie autorskim i prawach pokrewnych.

ITA spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Sp. k. ul. Poznańska 104, Skórzewo,  
60-185 Poznań

Kontakt

+48612225800 +48612225800