Webinarium Fraisa

Zapraszamy do uczestnictwa w darmowym webinarium organizowanym przez firmę Fraisa poruszającym tematykę wydajnej obróbki zgrubnej stali nierdzewnych oraz stopów niklu...
koszyk
Start
Baza wiedzy
Automatyka pomiarowa i inspekcyjna Pomiar przemieszczenia liniowego i położenia za pomocą czujników pojemnościowych i wiroprądowych

Pomiar przemieszczenia liniowego i położenia za pomocą czujników pojemnościowych i wiroprądowych

autor: dr inż. Maciej Szelewski data dodania: 30 listopad -1
Wstecz Wszystkie kategorie

Streszczenie

Praktycznie wszystkie zastosowania czujników pojemnościowych i wiroprądowych służą do wykonywania pomiaru przemieszenia (zmiany położenia) obiektu. Niniejszy artykuł opisuje specyfikę oraz zawiera informacje niezbędne do wykonania wiarygodnych pomiarów w aplikacjach mikro- i nano- przemieszczeń.

Czujniki pojemnościowe pracując w czystych warunkach środowiskowych zapewniają najwyższą precyzję pomiaru. Czujniki wiroprądowe mogą pracować w wilgotnym i zanieczyszczonym otoczeniu. Zapewniają również ekonomiczny zamiennik interferometrów laserowych, jeżeli możliwe jest zamontowanie czujnika blisko mierzonego obiektu a jego całkowite przemieszczenia są niewielkie.

Pomiar przemieszczenia liniowego i położenia za pomocą bezdotykowego czujnika przemieszczenia liniowego

Pomiar przemieszczenia liniowego odnosi się do pomiaru zmiany położenia obiektu. Tematem niniejszego artykułu jest, bezdotykowy pomiar w wysokiej rozdzielczości przemieszczenia liniowego obiektów przewodzących za pomocą czujników pojemnościowych i wiroprądowych. Czujniki pojemnościowe mogą mierzyć również obiekty nieprzewodzące. Informację na temat pomiaru obiektów nieprzewodzących czujnikiem pojemnościowym można znaleźć w artykule „Działanie i optymalizacja czujnika pojemnościowego (jak działają czujniki pojemnościowe i jak z nich efektywnie korzystać)”.

Powiązane pojęcia

Ze względu na wysoką rozdzielczość oraz niewielki zakres pomiaru pojemnościowych i wiroprądowych czujników przemieszczeń, określane są one mianem czujnika lub przetwornika mikro-przemieszczeń a sam pomiar określany jest jako pomiar mikro-przemieszczenia liniowego. Czujnik skonfigurowany do pomiaru przemieszczenia liniowego nazywany jest również miernikiem przemieszczenia.

Przemieszczenie a pozycja bezwzględna

Przemieszczenie jest miarą zmiany położenia obiektu. Pozycja bezwzględna to zmierzona dokładna odległość pomiędzy powierzchnią pomiarową czujnika a obiektem. 

Czujniki pojemnościowe i wiroprądowe są przede wszystkim stosowane jako czujniki przemieszczenia. Z czasem (miesiące i lata) kalibracja czujnika ulega przesunięciu. Jest ono wynikiem przesunięcia prądu stałego na wyjściu czujnika. Możliwe jest także niewielkie przesunięcie prądu stałego w wyniku zmian temperatury. To przesunięcie prądu stałego powoduje niewielki błąd w pomiarze położenia bezwzględnego, który rośnie z czasem. Błędy te są niewielkie, ale na poziomie pomiaru submikronowego mogą wpływać na jego precyzję.

Zmiany czułości (wzmocnienia) czujnika są znacznie mniejsze. Pomiar zmian pozycji obiektu
w czasie rzeczywistym wymaga stałej czułości i nie ma na nią wpływu długotrwałe przesunięcie prądu stałego na wyjściu. Z tego powodu pojemnościowe i wiroprądowe czujniki przemieszczenia są zwykle używane do pomiaru położenia lub przemieszczenia względnego a nie położenia bezwzględnego, szczególnie w przypadku pomiaru mikro-przemieszczeń
w których wymagana jest rozdzielczość submikronowa lub nanometrowa czujnika.

Zmierzone przemieszczenie jest zazwyczaj wynikową pewnej zmiennej

Typową przyczyną pomiaru przemieszczenia a w szczególności mikro-przesunięcia jest ustalenie wpływu zmieniających się warunków na zachowanie obiektu mierzonego. Pomiar przemieszczenia ma więc za zadanie odpowiedzieć na pytanie: Jak daleko przesuwa się obiekt gdy pewna zmienna ulega zmianie?

Zamierzone przesunięcie: Obiekt mierzony jest celowo przemieszczany przez system sterownia ruchem pozycjonującym. Bezstykowy pomiar przemieszczenia wskazuje dokładność zamierzonego przemieszczenia obiektu.

Wymiar części: System jest skonfigurowany na podstawie części wzorcowej, po czym część wzorcowa zastępowana jest przez część testową. Różnice w wymiarach części testowej w stosunku do części wzorcowej są wskazywane przez czujnik jako pomiar przemieszczenia.

Temperatura: Pozycja obiektu jest mierzona w temperaturze początkowej. Temperatura będąca przedmiotem zainteresowania jest zmieniana (efekt ten występuje w warunkach rzeczywistych podczas pracy maszyny), a pomiar przemieszczenia wskazuje wielkość zmiany położenia z powodu zmiany temperatury.

Wibracje: Pomiary przemieszczeń liniowych są wykonywane w czasie rzeczywistym za pomocą czujników przemieszczeń pojemnościowych lub wiroprądowych w połączeniu z oscyloskopem lub systemem akwizycji danych w celu wskazania przemieszczeń obiektu i częstotliwości. Aby uzyskać więcej informacji odsyłamy do artykułu „Pomiar wibracji; Czujnik wibracji; Dokładny pomiar drgań”.

Ciśnienie: Łożyska powietrzne i inne w których stosuje się płyn, mogą działać przy różnych ciśnieniach płynu. Pomiary przemieszczenia obiektu przy różnych ciśnieniach wskazują rzeczywiste zachowanie maszyny w porównaniu do zamierzonego działania.

Zużycie: W miarę zużycia łożysk i prowadnic, bezstykowe pomiary przemieszczenia części ruchomych wskazują na zwiększony ruch w niezamierzonych kierunkach. Ruchy obrotowe pokażą rosnące przemieszczenia w osiach X, Y i Z w miarę obracania się obiektu. Prowadnice liniowe będą wykazywać rosnące przemieszczenia w dwóch osiach prostopadłych do kierunku jazdy.

Pomiary przemieszczenia liniowego są pomiarami względnymi

Bezstykowe pomiary przemieszczenia liniowego są pomiarami względnymi i wskazują zmianę położenia obiektu w odniesieniu do początkowej lokalizacji w jednej lub kilku osiach.
W pomiarach przemieszczenia liniowego wymagany jest osobny kanał czujnika dla każdej kontrolowanej osi.

Podstawowy pomiar przemieszczenia liniowego za pomocą pojemnościowych i wiroprądowych czujników przemieszczenia

Czujnik przemieszczenia wymaga zamontowania w uchwycie tak, aby mierzony obiekt znajdował się w zakresie pomiarowym czujnika. Jeżeli czujnik ma funkcję regulacji zera (offset, przesunięcie), można wyzerować go w miejscu pomiaru, aby ułatwić interpretację wyników pomiaru przemieszczenia liniowego podczas ruchu obiektu. Jeżeli korekta zera nie jest możliwa, zapisywana jest wartość wyjściowa czujnika przemieszczenia. Wartość ta odejmowana jest od kolejnych wykonywanych pomiarów w celu uzyskania zmiany położenia od wartości początkowej.

Obliczanie przemieszczenia na podstawie wielkości uzyskanej na wyjściu czujnika przemieszczenia

Czujniki do pomiaru przesunięcia charakteryzuje parametr nazywany czułością, która określa stosunek zmiany wielkości wartości wyjściowej czujnika w stosunku do zmiany położenia obiektu mierzonego. W przypadku czujników o  analogowych wyjściach napięciowych wartość ta podawana jest w woltach na jednostkę odległości lub długości np. mm. W przypadku czujników z wyjściami cyfrowymi wartość ta podawana jest w liczbach na jednostkę odległości. Podczas pomiaru przesunięcia czułość wykorzystywana jest do obliczenia fizycznego przesunięcia obiektu względem zmiany wartości wyjściowej czujnika.

Wzór do obliczenia przesunięcia na wyjściach czujnika

Czujniki z analogowymi wyjściami napięciowymi

Czujniki z wyjściami cyfrowymi

Błędy i problemy związane z pomiarem przesunięcia

Wysokowydajnościowe, pojemnościowe i wiroprądowe czujniki przemieszczenia są zwykle używane do pomiaru mikro-przemieszczeń. Przy pomiarze na takim poziomie rozdzielczości, źródła błędów, które zwykle są nieistotne, stają się bardziej znaczącym czynnikiem.

Wpływ temperatury na elementy montażowe

Rozszerzalność cieplna i kurczenie się systemu montażowego, na którym instalowane są bezstykowe czujniki przemieszczenia lub obiekt mierzony, wprowadzają błędy pomiarowe.
W miarę rozszerzania się lub kurczenia elementów montażowych, czujnik może przesuwać się do lub od obiektu mierzonego. Przemieszczenie to jest rzeczywiste i wpłynie na wartość pomiaru, jednakże jest ono niezależne od warunków, które są testowane przez czujniki. Systemy mocowania czujnika przemieszczenia liniowego muszą być solidne, sztywne i stabilne temperaturowo. W ultra-precyzyjnych zastosowaniach środowisko pomiaru jest ściśle kontrolowane i/lub systemy montażowe są wykonane z inwaru lub innych materiałów o zerowej rozszerzalności cieplnej.

Montaż czujnika mikro-przemieszczenia

Dodatkowo, do problemów związanych ze stabilnością temperaturową elementów montażowych, dochodzi stabilność samej mechaniki systemów mocowań, która na poziomie skali mikro jest dużo bardziej skomplikowana. Czujniki do pomiaru przemieszczenia muszą być mocno i stabilnie zamocowane przez system montażowy. Proste mocowanie za pomocą śrub ustalających może okazać się niewystarczająco stabilne podczas pomiaru przemieszczenia na poziomie skali mikro lub nano.

Istnieją różne metody montażu cylindrycznego czujnika przemieszczenia liniowego o gładkiej powierzchni. Użycie śruby ustalającej w uchwycie z otworami przelotowymi utrzymuje czujnik tylko w dwóch punktach – śrubie ustalającej i punkcie naprzeciwko śruby ustalającej. Sensor może się swobodnie obracać w osi 90° od osi śruby ustalającej. W zależności od szerokości powierzchni, do której śruba ustalająca dopycha czujnik, sonda może również obracać się wzdłuż własnej osi. Zwiększenie siły na śrubie ustalającej nie zwiększy stabilności sondy w pozostałych dwóch osiach.

 

Rysunek po prawej stronie pokazuje montaż za pomocą śruby ustalającej, który blokuje ruch czujnika wzdłuż własnej osi, jednakże nadal może dochodzić do ruchu w pozostałych dwóch osiach szczególnie na poziomie mikro i nano przesunięć.

Rys. 3 Montaż za pomocą śruby.

Mocowanie zaciskowe jest stabilniejszym rodzajem montażu niż mocowanie za pomocą śruby ustalającej. Jednakże błędy kształtu otworu montażowego lub obudowy na poziomie mikro i nano mogą skutkować tylko dwupunktowym zaciskiem, tak samo jak w przypadku śruby ustalającej.

Zaciskowe mocowanie trzypunktowe jest stabilne i nie mają na nie wpływu niewielkie błędy okrągłości.

Lepszym, ale nie idealnym sposobem montażu czujnika przemieszczenia liniowego jest mocowanie typu zaciskowego. Przedstawiony system montażu może ustabilizować sondę we wszystkich trzech osiach, jeżeli zarówno otwór montażowy jak i obudowa czujnika są „idealnie okrągłe”. Jednak każda mimośrodowość którejkolwiek z mocowanych części spowoduje podparcie dwupunktowe podobne do tego z wykorzystaniem śruby ustalającej.

Optymalny system montażu wykorzystuje zacisk wielopunktowy, przy czym każdy punkt styku podpiera znaczną część obudowy wzdłuż osi czujnika. System zaciskowy rozpoczyna się od typowej konfiguracji mocowania zaciskowego, ale usuwa również materiał z otworu mocującego między trzema lub czterema punktami styku na obwodzie otworu mocującego. Na takie ustawienie nie ma wpływu mimośrodowość otworu montażowego ani mimośrodowość bezstykowego czujnika pomiaru przesunięcia liniowego – montaż jest stabilny we wszystkich trzech osiach.

Inne uwagi dotyczące pojemnościowego czujnika przemieszczenia

„Rozmiar plamki” pojemnościowych czujników przemieszczenia wynosi około 130% średnicy elementu czujnikowego. Z tego powodu są one zasadniczo odporne na otaczające przedmioty i mogą być montowane równo z powierzchnią wspornika montażowego. Jedynym wyjątkiem jest kalibracja, która wykorzystuje wyjątkowo duży zakres pomiarowy w stosunku do wielkości elementu czujnikowego; nie dotyczy to gotowych kalibracji dostępnych dla czujników Lion Precision.

Uwagi środowiskowe

Pomiary przemieszczenia liniowego za pomocą czujnika pojemnościowego należy wykonywać w czystym otoczeniu. Na pomiar przemieszczenia wpłynąć może wszystko (oprócz powietrza lub próżni) co znajdzie się w przestrzeni pomiędzy czołem czujnika pojemnościowego a mierzonym obiektem.

Czujniki pojemnościowe wykazują wrażliwość na temperaturę. Z tego powodu są one kompensowane przy zmianach temperatur pomiędzy 20°C a 35°C wykazując dryft temperaturowy mniejszy niż 0,04% pełnego zakresu pomiarowego/°C.

Typowe zmiany wilgotności nie mają znaczącego wpływu na pojemnościowe pomiary przemieszczenia. Ekstremalna zmiana wilgotności wpłynie na pracę czujnika przy czym najgorszym przypadkiem jest kondensacja pary wodnej na elemencie czujnikowym lub obiekcie wykrywanym.

Inne uwagi dotyczące wiroprądowego czujnika przemieszczenia

Wiroprądowe czujniki przemieszczenia wykorzystują pole magnetyczne otaczające końcówkę sondy. W rezultacie „rozmiar plamki” czujników wiroprądowych wynosi około 300% średnicy sondy. Oznacza to, że wszystkie metalowe części znajdujące się w promieniu trzech średnic sondy wpłyną na wielkość pomiaru na wyjściu sensora.

Pole magnetyczne rozchodzi się również wzdłuż osi sensora w kierunku jego tylnej części. Z tego powodu odległość między powierzchnią czujnikową sondy a systemem montażowym musi być co najmniej 1,5 razy większa niż średnica elementu czujnikowego. Wiroprądowych czujników przemieszczenia nie można montować równo z powierzchnią montażową.

Montaż czujnika wiroprądowego musi zapewnić przestrzeń wolną od części metalowych wokół końcówki sensora, która wynosi co najmniej trzy średnice sondy.

Jeżeli wpływ innych elementów na działanie czujnika jest nieunikniony, należy przeprowadzić specjalną kalibrację uwzględniającą dodatkowe obiekty np. system montażowy.

Systemy wieloczujnikowy

Gdy wiele czujników używanych jest do pomiaru tego samego obiektu, muszą być one oddalone od siebie o wartość równą co najmniej trzech średnic sąsiadujących ze sobą sond, aby zapobiec zakłóceniom pomiędzy poszczególnymi kanałami. Jeżeli jest to niemożliwe, można przeprowadzić specjalną kalibrację fabryczną w celu zminimalizowania zakłóceń.

Uwagi środowiskowe

Pomiary przemieszczeń liniowych za pomocą czujników wiroprądowych są odporne na ciała obce w przestrzeni pomiarowej. Wielką zaletą bezstykowych czujników wiroprądowych jest możliwość ich stosowania w nieprzyjaznym środowisku. Wszystkie nieprzewodzące materiały nie wpływają na końcowy wynik pomiaru. Materiały metalowe o niewielkich wymiarach (takie jak wióry powstałe podczas procesu obróbki) nie oddziałują znacząco na pomiar czujnikami wiroprądowymi.

Czujniki wiroprądowe wykazują pewną wrażliwość na temperaturę, jednakże są kompensowane w zakresie temperatur od 15°C do 65°C wykazując dryft mniejszy niż 0,01% pełnego zakresu pomiarowego/°C.

Zmiany wilgotności nie mają wpływu na pomiary wiroprądowymi czujnikami przemieszczenia.

 

 

*dokument opracowano na podstawie materiałów firmy Lion Precision – https://www.lionprecision.com/linear-position-and-displacement-measurement-with-capacitive-and-eddy-current-sensors/

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.

Wydarzenia w ITA

W najbliższym czasie nie planujemy żadnych wydarzeń, ale możesz zapisać się do naszego newslettera, a my poinformujemy Cię o nadchodzących wydarzeniach.

ITA spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Sp. k.
ul. Poznańska 104, Skórzewo,  
60-185 Poznań
fax: +48612225801

Obserwuj nas

created by: montownia.com