Точні безконтактні датчики переміщення

Зміст:

Вступ
Індуктивні датчики на основі вихрових струмів
Ємнісні датчики
Лазерні триангуляційні датчики
Конфокальні датчики
Порівняння всіх принципів

Вступ

Безконтактні датчики переміщення все частіше використовуються для вирішення складних вимірювальних завдань і застосовуються в тих випадках, коли високочутливі поверхні не допускають будь-якого контакту, а датчики повинні працювати без зносу. Як і ємнісні та конфокальні датчики, датчики на основі технології вихрових струмів і лазерної триангуляції також добре зарекомендували себе в численних застосуваннях. Безконтактні датчики доступні в багатьох різних версіях. Однак, якщо ці датчики повинні забезпечувати високу точність результатів, їх асортимент значно зменшується.

Для класифікації датчиків у діапазоні високої точності компанія Micro-Epsilon розробила такі критерії:

• Лінійність < 0.2 % FSO
• Роздільна здатність < 0.005 % FSO
• Швидкість вимірювання більше ніж 5 кГц
• Температурна стабільність < 0.05 % FSO/K

FSO = Повний вихідний сигнал

Як спеціаліст у галузі безконтактного вимірювання переміщення, компанія Micro-Epsilon пропонує широкий спектр високоточних сенсорних технологій. Незважаючи на це обмеження, на ринку все ще існує безліч продуктів, з яких необхідно вибрати відповідний датчик для конкретного застосування. У цьому технічному довіднику пояснюється принцип роботи окремих датчиків, що спрощує вибір серед різних типів.

Слід враховувати, що досягнута точність залежить не лише від самого датчика, а й від комбінації точного датчика з високоякісною електронікою для обробки сигналів.

Принцип вимірювання вихровими струмами

Принцип роботи вихрових струмів належить до індуктивних методів вимірювання. Суть методу полягає у відборі енергії з коливального контуру для генерації вихрових струмів у провідних матеріалах. Котушка живиться змінним струмом, створюючи навколо себе магнітне поле. Відповідно до закону індукції Фарадея, при потраплянні в це поле електропровідного об’єкта в ньому виникають вихрові струми.

Згідно з правилом Ленца, магнітне поле, створене вихровими струмами, спрямоване протилежно до поля котушки, що призводить до зміни її імпедансу. Зміна імпедансу залежить від відстані та може фіксуватися як зміна амплітуди сигналу котушки датчика, яка вимірюється контролером.

Переваги датчиків вихрового струму:

• Можливість використання на всіх електропровідних об’єктах з феромагнітними та неферомагнітними властивостями
• Невеликі розміри датчиків
• Високий діапазон температур завдяки спеціальним матеріалам, що використовуються в конструкції датчиків
• Стійкість до бруду, пилу, вологи, мастила, діелектричних матеріалів у вимірювальному зазорі та високого тиску
• Висока точність вимірювання

Обмеження:

• Вихідний сигнал і лінійність залежать від електричних і магнітних характеристик матеріалу об’єкта вимірювання
• Необхідна індивідуальна лінеаризація і калібрування
• Довжина кабелю датчика обмежена 15 м
• Діаметр датчика і ефективний діаметр точки вимірювання збільшуються із збільшенням діапазону вимірювання

Характеристики eddyNCDT

Ємнісний принцип вимірювання

Принцип ємнісного вимірювання базується на принципі роботи ідеального конденсатора пластинчастого типу. При протіканні через вимірювальний конденсатор змінного струму сталої частоти, амплітуда змінної напруги на конденсаторі є пропорційною відстані до вимірюваного об’єкта (заземленого електрода).

Завдяки конструктивному виконанню датчиків у вигляді конденсаторів з екрануючим (захисним) кільцем (guard ring), вдається досягти майже ідеальної лінійної залежності вихідного сигналу від відстані.

Втім, для забезпечення стабільності вимірювань необхідна постійна діелектрична проникність середовища між датчиком та об’єктом. Ємнісні датчики також дозволяють здійснювати вимірювання ізольованих матеріалів. За допомогою відповідної електронної схемотехніки можливо отримати лінійний вихідний сигнал і при вимірюваннях ізоляторів.

Переваги ємнісних датчиків:

• Постійна чутливість і лінійність для всіх провідних об’єктів
• Висока температурна стабільність, оскільки корпус виготовлений з інвару, а датчик закріплений на прилеглому боці
• Також застосовується для ізоляційних матеріалів
• Висока геометрична гнучкість з точки зору конструкції датчика (вимірювальний електрод) Нанометрова роздільна здатність

Обмеження:

• Чутливість до змін діелектричних властивостей у зоні вимірювання (однак можливі вимірювання з мікронною точністю навіть у запилених і вологих умовах)
• Зі збільшенням діапазону вимірювання збільшуються діаметр сенсора та ефективна зона вимірювання

Характеристики capaNCDT

Лазерна триангуляція

У лазерних триангуляційних датчиках лазерний діод формує вузький промінь, який спрямовується на поверхню об’єкта. Відбитий промінь через оптичну систему (лінзу) фокусується на приймальному елементі — матриці CCD/CMOS або позиційно-чутливому елементі (PSD). Положення світлової плями на приймальному елементі визначається кутом відбиття та, відповідно, відстанню до об’єкта.

Інтенсивність відбитого сигналу залежить від оптичних властивостей поверхні матеріалу (відбиття, структура, колір). Для компенсації цих змін у аналогових PSD-датчиках та цифрових моделях серій 1320/1420 реалізоване регулювання чутливості. У більш просунутих цифрових моделях серій 1750 та 2300 на базі CCD застосовується система RTSC / Advanced RTSC (Real-Time Surface Compensation), яка в режимі реального часу коригує амплітуду сигналу, стабілізуючи точність вимірювань навіть при змінних властивостях поверхні.

Розрахунок відстані до об’єкта виконується на основі геометричного положення світлової плями на матриці. Обробка даних здійснюється вбудованим або зовнішнім контролером, після
чого результати передаються через доступні аналогові або цифрові інтерфейси в систему керування.

Переваги:

• Малий діаметр вимірювальної плями
• Велика відстань між об’єктом вимірювання та датчиком
• Великі діапазони вимірювання
• Менша залежність від типу матеріалу

Обмеження:

• На точність вимірювання впливають характеристики поверхні
• Необхідне чисте середовище в траєкторії променя
• Великі розміри датчика порівняно з конфокальними, ємнісними та вихрострумовими датчиками
• Для відбивних поверхонь потрібні спеціальні моделі або спеціальне вирівнювання датчика

Характеристики optoNCDT

Принцип конфокального хроматичного вимірювання

Поліхроматичне світло (біле світло), сформоване джерелом світла в блоці обробки, передається до датчика через оптичне волокно. Оптична система датчика побудована таким чином, що за рахунок контрольованої хроматичної аберації світловий пучок в осьовому (поздовжньому) напрямку розкладається на спектр монохроматичних компонент. Ця оптична система фокусує промінь на поверхню об’єкта. Залежно від відстані до об’єкта, у фокусній зоні опиняється певна довжина хвилі (спектральний колір).

У процесі вимірювання використовується лише та довжина хвилі, яка точно сфокусована на досліджуваній поверхні. Відбитий від цієї точки світловий потік за допомогою оптичної системи спрямовується на світлочутливий сенсорний елемент, де визначається та аналізується відповідна спектральна складова. Під час заводського калібрування кожній довжині хвилі зіставляється конкретне значення відстані.

Даний принцип забезпечує можливість проведення точних вимірювань практично на будь-яких типах поверхонь. Крім того, для прозорих матеріалів можливе виконання вимірювання товщини, при якому обробляється спектральна інформація, відбита від другої (задньої) поверхні матеріалу.

Переваги конфокальних датчиків:

• Надзвичайно висока роздільна здатність в нанометровому діапазоні
• Вимірювання, незалежне від поверхні
• Надзвичайно малий, постійний розмір плями
• Компактний шлях проходження променя
• Одностороннє вимірювання товщини прозорих об’єктів вимірювання
• Можливий радіальний напрямок вимірювання
• Не застосовуються правила безпеки щодо лазерів, оскільки використовується біле світло

Обмеження:

• Обмежена відстань між датчиком і об’єктом вимірювання
• Необхідне чисте середовище на шляху проходження променя

Характеристики confocalDT

Словник термінів і визначень

Температурна стабільність

Температурна стабільність вказує на можливу похибку вимірювання в процентах на одиницю (K або °C). Ця похибка пов’язана з фізичним розширенням вбудованих компонентів або впливом температури на електронні компоненти.
Цей ефект призводить до незначного відхилення результатів при різних температурах.

Діапазон вимірювання

Діапазон вимірювання описує простір датчика, в якому має знаходитися об’єкт вимірювання, щоб були дотримані задані технічні характеристики. Крайні межі цього простору називаються початком і кінцем діапазону вимірювання.

Діапазон температур (під час роботи)

Діапазон температур навколишнього середовища, в якому датчик може працювати без постійних змін його робочих характеристик.

Роздільна здатність

Роздільна здатність описує найменшу можливу зміну величини, яку можна надійно виміряти за допомогою датчика. На практиці роздільна здатність визначається відношенням сигнал/шум з урахуванням отриманого частотного спектра.

Нелінійність >> Лінійність

Максимальне відхилення між ідеальною лінійною характеристикою та реальною характеристикою називається нелінійністю або лінійністю. Цей показник подається у відсотках від діапазону
вимірювання (% FSO).

Точність

Точність описує максимальну похибку вимірювання з урахуванням усіх факторів, що впливають на реальне значення вимірювання. До цих факторів належать лінійність, роздільна здатність, температурна стабільність, довготривала стабільність та статистична похибка (яку можна усунути за допомогою розрахунків).

Частота дискретизації

Частота дискретизації — це частота, з якою аналогові сигнали дискретизуються в часі під час аналого-цифрового перетворення.

Час відгуку

Час відгуку — це час, необхідний датчику для підвищення вихідного сигналу від 10 % до 90 % від значення. У цифрових вимірювальних приладах це час, необхідний для виведення стабільного значення вимірювання.

Відтворюваність

Кількісна специфікація відхилення взаємонезалежних вимірювань, які визначаються за однакових умов.

Співвідношення сигнал/шум

Якість переданого корисного сигналу можна визначити за допомогою співвідношення сигнал/шум.
Шум виникає при будь-якій передачі даних. Чим більша різниця між шумом і корисним сигналом, тим стабільніше можна відтворити передану інформацію з сигналу. Якщо під час цифрового дискретизування потужність шуму і потужність корисного сигналу стають занадто близькими, може бути виявлено неправильне значення і пошкоджено інформацію.

Критерії застосування та дані про продуктивність

У таблиці нижче наведено чотири технології вимірювання, описані в цій технічній публікації. Розглянуті методи представляють лише технологічний базовий принцип. Різні принципи дають можливість безлічі варіантів застосування та модифікацій.
Всі технології вимірювання мають різні переваги та обмеження. Щоб спростити вибір одного з принципів, їх слід порівняти між собою.