Sensor de desplazamiento capacitivo

Los sensores de desplazamiento capacitivos son "dispositivos sin contacto capaces de medir con alta resolución la posición y/o el cambio de posición de cualquier objetivo conductor". ^[1] También pueden medir el espesor o la densidad de materiales no conductores . ^[2] Los sensores de desplazamiento capacitivos se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, incluido el procesamiento de semiconductores , el ensamblaje de equipos de precisión como unidades de disco , las mediciones de espesor de precisión, la metrología de máquinas herramienta y las pruebas de líneas de ensamblaje . Este tipo de sensores se pueden encontrar en instalaciones de mecanizado y fabricación en todo el mundo.

Teoría capacitiva básica

Dos placas conductoras paralelas idénticas de área separadas por un espacio de distancia tendrán una capacitancia de: ${\estilo de visualización A}$ ${\estilo de visualización d}$ ${\estilo de visualización C}$

C={\dfrac {\varepsilon _{0}\varepsilon _{r}A}{d}}

^[3]

donde es la constante permitividad del espacio libre y es la permitividad relativa (también llamada constante dieléctrica) del material en el espacio. $\varepsilon _{0}$ $\varepsilon _{r}$

Existen dos tipos generales de sistemas de detección de desplazamiento capacitivo. Un tipo se utiliza para medir el espesor de materiales conductores. El otro tipo mide el espesor de materiales no conductores o el nivel de un fluido.

Un sistema de detección capacitivo para materiales conductores utiliza un modelo similar al descrito anteriormente, pero en lugar de una de las placas conductoras, está el sensor , y en lugar de la otra, está el objetivo conductor que se va a medir. Dado que el área de la sonda y el objetivo permanecen constantes, y el dieléctrico del material en el espacio (generalmente aire) también permanece constante, "cualquier cambio en la capacitancia es resultado de un cambio en la distancia entre la sonda y el objetivo". ^[4] Por lo tanto, la ecuación anterior se puede simplificar a:

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

donde α indica una relación proporcional. Debido a esta relación proporcional, un sistema de detección capacitivo puede medir cambios en la capacitancia y traducir estos cambios en mediciones de distancia.

El funcionamiento del sensor para medir el espesor de materiales no conductores puede considerarse como el de dos condensadores en serie, cada uno con un dieléctrico (y una constante dieléctrica) diferente. La suma de los espesores de los dos materiales dieléctricos permanece constante, pero el espesor de cada uno puede variar. El espesor del material que se va a medir desplaza al otro dieléctrico. El espacio suele ser un espacio de aire ( ≈1) y el material tiene un dieléctrico más alto. A medida que el material se vuelve más grueso, la capacitancia aumenta y el sistema la detecta. $\varepsilon _{r}$

Un sensor para medir niveles de fluidos funciona como dos capacitores en paralelo con un área total constante. Nuevamente, la diferencia entre la constante dieléctrica del fluido y la constante dieléctrica del aire da como resultado cambios detectables en la capacitancia entre las sondas o placas conductoras.

Aplicaciones

Posicionamiento de precisión

Una de las aplicaciones más comunes de los sensores capacitivos es el posicionamiento de precisión. Los sensores de desplazamiento capacitivos se pueden utilizar para medir la posición de objetos a escala nanométrica . Este tipo de posicionamiento preciso se utiliza en la industria de semiconductores, donde es necesario posicionar obleas de silicio para su exposición. Los sensores capacitivos también se utilizan para enfocar previamente los microscopios electrónicos que se utilizan para probar y examinar las obleas.

Industria de las unidades de disco

En la industria de las unidades de disco, se utilizan sensores de desplazamiento capacitivos para medir el descentramiento (una medida de cuánto se desvía el eje de rotación de una línea fija ideal) de los husillos de las unidades de disco . Al conocer el descentramiento exacto de estos husillos, los fabricantes de unidades de disco pueden determinar la cantidad máxima de datos que se pueden colocar en las unidades. Los sensores capacitivos también se utilizan para garantizar que los platos de las unidades de disco sean ortogonales al husillo antes de que se escriban datos en ellos.

Mediciones de espesor de precisión

Los sensores de desplazamiento capacitivos se pueden utilizar para realizar mediciones de espesor muy precisas. Los sensores de desplazamiento capacitivos funcionan midiendo los cambios de posición. Si se mide la posición de una pieza de referencia de espesor conocido, se pueden medir posteriormente otras piezas y las diferencias de posición se pueden utilizar para determinar el espesor de estas piezas. ^[5] Para que esto sea efectivo utilizando una sola sonda, las piezas deben ser completamente planas y medirse sobre una superficie perfectamente plana. Si la pieza a medir tiene alguna curvatura o deformidad , o simplemente no se apoya firmemente contra la superficie plana, la distancia entre la pieza a medir y la superficie sobre la que se coloca se incluirá erróneamente en la medición del espesor. Este error se puede eliminar utilizando dos sensores capacitivos para medir una sola pieza. Los sensores capacitivos se colocan a cada lado de la pieza a medir. Al medir las piezas desde ambos lados, la curvatura y las deformidades se tienen en cuenta en la medición y sus efectos no se incluyen en las lecturas de espesor.

El espesor de los materiales plásticos se puede medir colocando el material entre dos electrodos separados por una distancia determinada. Estos forman un tipo de condensador. El plástico, cuando se coloca entre los electrodos, actúa como un dieléctrico y desplaza el aire (que tiene una constante dieléctrica de 1, diferente de la del plástico). En consecuencia, la capacitancia entre los electrodos cambia. Los cambios de capacitancia se pueden medir y correlacionar con el espesor del material. ^[6]

Se pueden construir circuitos con sensores capacitivos capaces de detectar cambios en la capacitancia del orden de 10 ⁻⁵ picofaradios (10 attofaradios).

Objetivos no conductores

Si bien los sensores de desplazamiento capacitivos se utilizan con mayor frecuencia para detectar cambios en la posición de los objetivos conductores, también se pueden utilizar para detectar el grosor o la densidad de los objetivos no conductores. ^[4] Un objeto no conductor colocado entre la sonda y el objetivo conductor tendrá una constante dieléctrica diferente a la del aire en el espacio y, por lo tanto, cambiará la capacitancia entre la sonda y el objetivo. (Vea la primera ecuación anterior) Al analizar este cambio en la capacitancia, se puede determinar el grosor y la densidad del no conductor.

Metrología de máquinas herramienta

Los sensores de desplazamiento capacitivos se utilizan a menudo en aplicaciones de metrología. En muchos casos, los sensores se utilizan "para medir errores de forma en la pieza que se está produciendo. Pero también pueden medir los errores que surgen en el equipo utilizado para fabricar la pieza, una práctica conocida como metrología de máquinas herramienta". ^[7] En muchos casos, los sensores se utilizan para analizar y optimizar la rotación de husillos en varias máquinas herramienta, los ejemplos incluyen rectificadoras de superficies , tornos , fresadoras y husillos con cojinetes de aire . ^[8] Al medir los errores en las propias máquinas, en lugar de simplemente medir los errores en los productos finales, los problemas se pueden abordar y solucionar antes en el proceso de fabricación.

Pruebas de línea de montaje

Los sensores de desplazamiento capacitivos se utilizan a menudo en las pruebas de la línea de montaje. A veces se utilizan para probar la uniformidad, el grosor u otras características de diseño de las piezas ensambladas. En otras ocasiones, se utilizan simplemente para buscar la presencia o ausencia de un determinado componente, como el pegamento . ^[9] El uso de sensores capacitivos para probar las piezas de la línea de montaje puede ayudar a evitar problemas de calidad en etapas posteriores del proceso de producción.

Comparación con sensores de desplazamiento por corrientes de Foucault

Los sensores de desplazamiento capacitivos comparten muchas similitudes con los sensores de desplazamiento de corrientes de Foucault (o inductivos); sin embargo, los sensores capacitivos utilizan un campo eléctrico en lugar del campo magnético utilizado por los sensores de corrientes de Foucault ^[10]^[11] Esto conduce a una variedad de diferencias entre las dos tecnologías de detección, siendo las diferencias más notables que los sensores capacitivos generalmente son capaces de realizar mediciones de mayor resolución, y los sensores de corrientes de Foucault funcionan en entornos sucios, mientras que los sensores capacitivos no. ^[10]

Otras aplicaciones de detección capacitiva sin desplazamiento

Prueba del contenido de humedad del grano
Humedad del suelo
Humedad
Detección del contenido de agua en los combustibles
Sensores de composición de combustible (para vehículos de combustible flexible )
Células de carga capacitivas

Véase también

Referencias

^ Descripción general del sensor capacitivo Lion Precision, una descripción general de la tecnología de detección capacitiva de Lion Precision.
^ Jon S. Wilson (2005). Manual de tecnología de sensores. Newnes. pág. 94. ISBN 0-7506-7729-5.
^ Paul Allen Tipler (1982). Física, segunda edición . Worth Publishers. págs. 653-660. ISBN. 0-87901-135-1.
^ ab Funcionamiento y optimización del sensor capacitivo Cómo funcionan los sensores capacitivos y cómo utilizarlos de forma eficaz Archivado el 2 de diciembre de 2015 en Wayback Machine , Un análisis en profundidad de la teoría de los sensores capacitivos de Lion Precision.
^ Mediciones de espesor capacitivas, un tutorial sobre mediciones de espesor capacitivas.
^ Medidor de espesor de película
^ Laboratorio Nacional Lawrence Livermore: Ingeniería de precisión en proyectos de laboratorio, ejemplos de avances realizados por el LLNL en el campo de la medición de precisión.
^ Eric R. Marsh (2009). Metrología de husillos de precisión . Destech Pubns Inc. ISBN 1-60595-003-3.
^ Detección de pegamento en papel Archivado el 9 de julio de 2010 en Wayback Machine , Un tutorial sobre el uso de sensores capacitivos para la detección de pegamento.
^ ab Comparación de corrientes de Foucault capacitivas de Lion Precision, una comparación entre la tecnología de detección de corrientes de Foucault capacitivas y capacitivas de Lion Precision.
^ Manual de usuario de sensores capacitivos Siemens p.54

Enlaces externos

Ingeniería médica: monitorización de pacientes mediante sensores capacitivos
Sensores capacitivos para control de movimiento: tutorial sobre sensores capacitivos para aplicaciones de nanoposicionamiento
Teoría de los sensores capacitivos Archivado el 2 de diciembre de 2015 en Wayback Machine - Cómo funcionan los sensores capacitivos y cómo utilizarlos de manera eficaz

[LionCapOverview-1] Descripción general del sensor capacitivo Lion Precision, una descripción general de la tecnología de detección capacitiva de Lion Precision.

[SensorTechHandbook-2] Jon S. Wilson (2005). Manual de tecnología de sensores. Newnes. pág. 94. ISBN 0-7506-7729-5.

[Physics-3] Paul Allen Tipler (1982). Física, segunda edición . Worth Publishers. págs. 653-660. ISBN. 0-87901-135-1.

[LionCapTheory-4] Funcionamiento y optimización del sensor capacitivo Cómo funcionan los sensores capacitivos y cómo utilizarlos de forma eficaz Archivado el 2 de diciembre de 2015 en Wayback Machine , Un análisis en profundidad de la teoría de los sensores capacitivos de Lion Precision.

[LionCapThickness-5] Mediciones de espesor capacitivas, un tutorial sobre mediciones de espesor capacitivas.

[6] Medidor de espesor de película

[LLNL-7] Laboratorio Nacional Lawrence Livermore: Ingeniería de precisión en proyectos de laboratorio, ejemplos de avances realizados por el LLNL en el campo de la medición de precisión.

[PrecisionSpindleMetrology-8] Eric R. Marsh (2009). Metrología de husillos de precisión . Destech Pubns Inc. ISBN 1-60595-003-3.

[LionGlue-9] Detección de pegamento en papel Archivado el 9 de julio de 2010 en Wayback Machine , Un tutorial sobre el uso de sensores capacitivos para la detección de pegamento.

[CapVEddy-10] Comparación de corrientes de Foucault capacitivas de Lion Precision, una comparación entre la tecnología de detección de corrientes de Foucault capacitivas y capacitivas de Lion Precision.

[Siemens-11] Manual de usuario de sensores capacitivos Siemens p.54