Capacitance-based测量

电容式传感器可根据其性能和预期用途分为两类。高分辨率传感器通常用于要求高精度、稳定性和低温漂移的位移和位置监测应用。这些传感器经常用于过程监测和闭环反馈控制系统。接近型电容传感器要便宜得多，通常用于检测零件的存在或用于计数应用。

一般定位可能是电容式传感器最常见的应用。如上所述，a的输出电容传感器与到目标的距离成正比。如果探头保持静止，放大器检测到的电容变化与目标位置直接相关。它们的高线性响应和低输出相移使它们非常适合应用于静态和主动反馈定位应用。

其他典型的职位申请包括:

• 显微镜聚焦
• 镜头对准
• 部分分析
• 应力分析

非接触式传感器是测量运动目标的理想选择，因为它们具有高频响应，并且不会通过增加质量来减弱目标的运动。典型的电容传感系统带宽超过20 kHz，使其成为高速应用的理想选择，如:

• 主轴径向跳动的分析
• 压电反馈定位
• 超声振动角
• 应力分析

厚度质量监控在生产过程中比在产品生产后的定期取样更适用于在线监测。通过这种方式，工艺调整可以“快速”进行，减少或消除不符合规格的产品的生产。在一些应用中，可以使用接触的方法，但是，他们是缓慢的，可以损坏产品，并容易磨损。非接触式传感器通常用于这些应用。

一个典型的应用程序由两个部分组成电容探针，在被测材料的两边各有一个。每个传感器输出的差异与被测材料的厚度直接相关。通过差分测量，材料在探针间隙内的任何位置移动都被抵消了。

典型的厚度测量使用电容探头

这是一个典型的厚度设置，a和B代表传感器输出。探针之间的间隙G等于A + B + T。如果将厚度已知的初始样品T放置在间隙内，则可以确定G，并在以后的计算中使用。由于厚度= G - (A + B)，而且G是常数，所以厚度可以简单地减去两个输出。

如果被测材料的背面可以参考某个固定平面，那么使用电容式传感器也可以成功地进行单面厚度测量。产品厚度与探头与材料表面之间的间隙成正比。

典型的厚度应用包括:

• 半导体晶片
• 计算机磁盘
• 制动转子
• 金属板
• 光伏晶片

虽然MTII的系统主要用于非接触测量位置、位移和振动，但它们也可以用于测量介质材料的厚度。爱游戏信誉当进行这些类型的测量时，探头表面和接地板之间要建立一个固定的间隙。如果在这个间隙中插入绝缘材料，即使探头面与接地面之间的距离保持不变，电容也会发生变化。这种变化将导致放大器输出电压的变化与介质厚度成正比。一旦根据被测量的特定材料确定了灵敏度因子，为了得到准确的结果，后续的测量样品具有相同的介电特性是很重要的。以下几种方法可用于测定介质厚度:

方法

当被测材料介电常数已知时:

如果将Accumeasure放大器和电容探头设置在系统工作范围内的任何气隙处，则具有特定介电常数的材料的厚度灵敏度因子可计算如下:

厚度敏感性因子=操作间隙/ (VoAir- (VoAir ÷ K))

例子:

如果固定工作间隙为0.020″，Vo(AIR)为10.00伏特，已知待测材料的介电常数K为3.00，则:

计算厚度敏感系数= 0.020″/(10.00-(10.00-3.00))= 0.003″/ Volt

因此，如果在间隙中引入一个厚度未知、介电常数相同的新样品，其厚度可计算为:

测试样品厚度=厚度敏感性因子x (Vo Air - Vo sample)

例如，如果测试样品的输出电压为6.50伏特，则:

测试样品厚度=(0.003″/Volts) x(10.00 - 6.50) = 0.01050″

方法B

当介电常数未知且无法获得已知厚度的样品时

如果介电常数是未知的或不确定的，可以用电容系统测量，方法是将材料的样品放置在操作间隙中，并调整探针直到刚好接触样品。这将用被测材料填充探头和接地面之间的空隙。读取输出电压，小心地将材料移走，而不改变间隙设置。在间隙没有材料的情况下再次读取输出电压。介电常数的计算方法如下:

K= Vo AIR/Vo Sample

在得知介电常数后，可用A法测量同一材料的额外样品。

介电材料是那些性能更像绝缘体而不是导体的材料。以下是一些常见塑料、橡胶、玻璃和液体的介电常数列表:

• 能够在低于1微英寸(<25nm)的测量分辨率，成本是其他高性能技术的一小部分
• 大多数都是“被动的”设计，允许它们在极端环境中使用，同时仍然保持稳定性
• 传感器可以很容易地定制，允许它们适应各种应用程序或设置
• 它们不受目标成分的影响，对所有导电目标都同样有效，不像涡流探测器
• 它们不受超声波噪音、光照条件、湿度和温度的影响

• 非接触式

  电容式位移传感器设计为非接触式。也就是说，他们能够在不接触物体的情况下精确测量物体的位置或位移。因此，被测物体不会被扭曲或损坏，目标运动也不会受到抑制。此外，它们可以测量高频运动，因为传感器的任何部分都不需要与物体保持接触，这使它们成为振动测量或高速生产线应用的理想选择。

  范围/距离

  a的范围电容传感器是由传感器的直径或面积决定的。面积越大，测量范围就越大。测量范围通常从探头接触目标时开始指定。在这一点上，放大器的输出为零伏。当间隙增加到等于电容系统的全量程测量范围时，放大器输出为10伏(Vdc)。理论上，探头可以在这两个极端之间的任何地方工作，但是，不建议在间隙的10%以下工作。也就是说，理想的操作或隔离距离是在5Vdc到7Vdc之间，这将允许目标移动到更近或更远的探头，而不会超出范围。图3(下)是一个简单的图，显示了一个典型电容传感器的范围、输出电压和推荐的间隔。

  所有的MTII的Accumeasure测量传感器都有一个内置的直流电压偏置。一旦接通，输出电压可以改变多达10伏，只需简单地调整电位器。如果您的数据采集或监控系统需要-5Vdc至+5Vdc输入，或者需要从某个固定电压点进行相对测量，这是理想的。

  电容探头工作范围

  

  决议

  位移传感器的分辨率被定义为一个特定系统能够可靠测量的最小距离变化量。电容传感器提供极高的分辨率和稳定性，通常超过昂贵和复杂的激光干涉仪系统。由于它们能够探测到这样的小运动，它们已成功应用于许多高要求的测量应用，包括计算机磁盘驱动器跳动、显微镜聚焦和高度复杂的光刻工具中的纳米定位。

  决定分辨率的主要因素是系统的电噪声。如果传感器和目标之间的距离是恒定的，由于系统的“白”噪声，电压输出仍然会有轻微的波动。假设，没有外部信号处理，一个人不能检测到电压输出的位移小于仪器的随机噪声。因此，大多数分辨率值是基于噪声的峰值来表示的，可以用以下公式表示:分辨率=灵敏度X噪声

  灵敏度简单地说就是测量范围除以电容放大器的电压输出摆动。从公式中可以看出，对于固定的灵敏度，分辨率完全取决于系统的噪声。噪音越低，分辨率越高!

  值得注意的是，一些制造商根据峰值噪声或均方根噪声来指定分辨率，结果宣称其分辨率分别是峰值噪声的2倍和6倍。虽然这是一种可接受的方法，但它有一定的误导性，因为大多数用户没有能力破译电压变化小于峰值噪声值。

  噪声的大小取决于系统带宽。这是因为噪声通常是随机分布在广泛的频率范围内，通过滤波限制带宽将消除一些不需要的更高的频率波动。所有MTII的Accumeasure电容系统都有插入式低通滤波器，便于在现场进行调整。

  放大器输出噪声与20kHz低通滤波器

  

  带有100Hz低通滤波器的放大器输出噪声

  

  带宽

  系统的带宽或截止频率通常定义为输出衰减为-3dB的点。这大约等于输出电压降为实际值的30%。换句话说，如果目标在5kHz处以1mm的振幅振动，而电容传感器的带宽为5kHz，则实际传感器输出为1mm X 70% = 0.70mm。所有MTII的系统都提供了带宽曲线，可以用于在高频应用中校正这种衰减。MTII的应用工程师通常会选择一个截止频率高于应用程序要求的滤波器，以防止输出的任何衰减。此外，这种较高的设置提供更少的相移电容传感器输出，使它们理想地用于闭环反馈系统。

  推或范围扩展

  典型的电容放大器系统工作在一个特定的电容范围内，限制了它们测量大运动或在舒适的距离操作的能力。为了克服这个问题，MTII发明了一种专利电路，只需对元件进行微小的修改，就可以调整范围，以满足更广泛的客户需求。例如，一个测量范围为1/2mm的小直径探头可以被“推”到1mm甚至2mm的测量范围。这使得MTII的电容探头可以用于空间有限或测量目标很小的应用场合。然而，重要的是要注意，推入探针应该有足够的保护宽度来维持所需的性能，如上所述。此外，推入传感器还会放大系统噪声，降低探头分辨率。噪声的增加与推力成正比;2 X Push = 2 X Noise。

  空间分辨率

  电容探头尖端与被测物体之间建立的电场通常大于探头尖端的直径。这是因为在尖端和保护元件之间有一个环氧间隙。磁场直径等于D + 1x环氧间隙。在进行测量时，电容探头提供的距离等于光斑区域内的平均表面位置。它们不能准确地检测比光斑大小小的特征的位置，但可以重复测量粗糙表面。正因为如此，探针尖端应该总是比您试图测量的最小特征小25%。较小的传感器可以分辨物体上较小的特征。

  电容式传感器的有效光斑大小

  

  线性

  所有MTII Accumeasure电容传感器在满量程测量范围(FSR)上通常有0-10Vdc的输出。在理想世界中，这个输出是完全线性的，在任何一点都不会偏离直线。然而，在现实中，这条定义系统线性的线会有轻微的偏差。通常，线性度指定为满量程测量范围的百分比。在校准期间，放大器的输出与一个高度精确的标准输出进行比较，并注意到差异。MTII的Accumeasure电容探头提供当今最高的线性度。大多数系统超过+/-0.05%的FSR，有些达到+/-0.01%或更好。

  精度是线性度、分辨率、温度稳定性和漂移的函数，线性度是主要因素。幸运的是，MTII电容式传感器的线性响应是非常可重复的。校准报告提供的数据可以用便宜的计算机和校正软件对系统的非线性进行校正。

  稳定

  稳定是各种不同的内部和外部因素的作用。对于短期或相对测量来说，应用程序的稳定性通常不是问题。然而，如果需要长时间的高精度，在设计夹具、选择组件和指定建筑材料时必须谨慎。

  温度通常是影响稳定性的最大因素。温度波动不仅会引起电子漂移，还会引起夹具和探头的膨胀和收缩。对于关键应用，MTII使用高质量的电容器，电阻和电感，特别设计的稳定性，以最大限度地减少电子影响。为了减少机械影响，探头可以由特殊的低热系数材料制造，如Invar和MTII的应用工程师可以提供夹具设计帮助。还可以提供热校正系数并用于实时补偿。

  有源电容探头系统不应用于高稳定性应用，因为传感器周围的任何局部温度变化都会导致漂移。

  校准

  对于低端近距离传感器，由于传感器的线性度不是关键，因此校准通常并不重要。大多数高性能的设计本质上是线性的，大约为全量程测量范围的+/-0.2%。一些电容制造商提供具有这种性能的传感器，然而，它们通常不适合高精度应用。在放大器电路中增加可调断点线性化可以提高性能。

  在校准过程中，记录放大器的输出与目标的位置。根据该数据生成一条最佳拟合直线。然后将每个记录的点与生成的直线进行比较，计算并绘制出百分比偏差。根据结果可以进行调整，将偏差提高到可接受的范围内。

• 目标材料及接地

  电容测量系统模拟一个平行板电容，传感器作为一个板，被测目标作为另一个板。为了在两个极板之间产生电场，目标必须由导电材料制成。目标的组成或厚度并不重要，允许它们用于许多不适合用于涡流型传感器的应用。事实上，表面甚至可以有几百欧姆厘米。

  为了完成电容电路，目标应接地回放大器。为了获得最佳性能，需要一个导电路径，然而，电容耦合目标可以很好地工作，如果电容是0.01 μf或更高。电容耦合目标的一个例子是在空气轴承上旋转的轴。理论上，空气轴承是非接触的，但元件之间的间隙很小，而且它们的面积相对较大，从而产生高电容路径。全世界已经有成千上万的成功应用程序安装在这种类型的地面上。

  如果目标接地较差，系统容易受到外部噪声和干扰。在设计地面回程路径时应注意。如果不能接地，MTII的推/拉电容探头是一个很好的选择。第ix节提供了关于这些独特电容传感器的更多信息。

  目标的大小

  通量的线间建立的电场探头和目标总是把电容传感器正常(90度),其表面和其表面总是进入目标正常(见图2),如果被测目标足够大,传感器是在范围内,传感区域内的场将是一致的和线性的。如果目标不够大，以支持的领域，它将倾向于围绕边缘和进入法线的目标侧。这种场畸变会通过降低传感器的线性度和改变其测量范围而产生测量误差。由于这一点，原来的工厂校准不能再使用，并需要一个现场校准，然而，准确性可能仍然受到影响。

  太小而无法支持电场的目标也可以从横向运动中提供虚假的位移信号。电容式传感器通常用于测量间隙或传感器轴方向上的运动。如果目标足够大，任何横向运动都不会扭曲电场，然而，如果电场缠绕在目标周围，任何横向运动都会改变电场的形状，导致输出改变，即使间隙保持不变。一般来说，目标应该比电容传感器大30-50%。

  由于目标尺寸不足造成的视场畸变

  

  目标形状

  电容探头将测量传感器区域下到目标的平均距离。如果一个倾斜的或弯曲的目标被测量，电场将被扭曲，精度降低。当传感器校准到平坦目标时，当探头与目标接触时，输出电压理论上为零。当测量弯曲或倾斜的表面时，这是不正确的，因为表面会阻止探针完全接触目标。其结果将是零点从其在MTII的原始校准偏移，这将显示为测量中的偏移，而不是灵敏度变化。为了克服这两个问题，可以对灵敏度变化进行就地校准，但是，传感器的测量范围可能会减小。如果应用条件可以在我们的实验室复制，MTII可以执行定制的校准。一般来说，弯曲目标的直径应该是感应元件的10倍电容传感器．

  空间分辨率

  电容式传感器相对于其测量范围有较大的传感面积。如上所述，这些类型的传感器对问题的表面进行平均测量。如果该表面具有比传感元件小的特征，则该特征可能无法被检测到，或者传感器输出可能无法相应响应。当观察一个台阶状物体时，探头的尺寸会影响传感器的输出。直径越小的传感器电压变化越剧烈。

  类似地，输出将取决于表面粗糙度。如果粗糙度在一个区域内发生变化，当目标在探头下平移时，电容传感器的输出也会发生变化，因为到表面的平均距离发生了变化。传感器输出位移的大小取决于表面粗糙度的大小。

  空间分辨率

  

  环境条件

  电容随到目标距离的变化而变化。电容还取决于间隙中材料的介电特性。因此，在探针和靶之间使用均匀的非导电材料是很重要的。在大多数应用中，这种材料是空气，然而，许多次油或一些其他介电流体被成功地使用。如果它不是均匀的，或者如果间隙中的介电特性发生了变化，那么精度就会受到影响。这通常不是改变空气特性的问题，因为影响很小。例如，空气的介电常数变化约为相对湿度的1.4 ppm/%。这表示传感器输出中小于1mv的电位偏移量，相对湿度变化为50%。必须小心避免由其他材料引起的电介质变化，并确保灰尘和碎片不堆积在电容探头缝隙中。

  影响电容式传感器精度的最常见的环境问题是温度。不仅电子学表现出温度漂移，而且探头的膨胀和收缩和固定改变了探头的间隙。所有MTII的Accumeasure放大器的温度稳定性小于满量程测量范围的+/-0.1%，温度变化为40ºF至104ºF(4ºC至40ºC)。MTII的标准电容传感器由不锈钢制成，其热膨胀系数小于200ppm/摄氏度。定制探头由高度稳定的材料制造，如英瓦尔，可用于极端稳定的应用。工程上也可以调整组件的温度系数，以满足高稳定性应用的要求。MTI还生产能够工作在500ºC以上的高温探头。

  卡具

  重要的是，固定电容传感器的夹具是稳定的。温度变化会引起膨胀和收缩，从而改变到目标的距离。夹具应该用合适的材料制成，以减少这种影响。夹具支撑也应尽可能短，并应避免长悬臂，不仅减少温度问题，也减少振动。

  大多数电容传感器是圆柱形的，可以使用环氧树脂、固定螺丝或“Vee”块进行固定。每一种方法都是可以接受的，但是，必须注意确保电容探头垂直于目标，不能移动。为了获得最佳性能，还建议将探头的外部接地，因此理想情况下，夹具应接地。此外，将电容传感器安装在尽可能靠近传感面的位置将最大限度地减少膨胀和收缩误差。其他形状的探头也可以提供，MTII可以提供定制的法兰或安装设计。

  同步

  如果需要对单个目标进行不止一次测量，则放大器应同步以减少可能的干扰。同步是通过确保驱动电子器件的振荡器相位一致来实现的。当同相时，“拍”频率可以在传感器输出上看到。当测量点的数量可以满足一个机箱(如双通道Accumeasure 9000或多通道系统:Accumeasure 1500或Accumeasure 500)时，这不是一个问题，因为所有电容放大器都是由同一个振荡器驱动的。如果需要多个机箱，一个机箱应该作为主机箱，使其他机箱同步为“从机箱”。MTII的Accumeasure传感器线有配置任何放大器作为一个主或从。

  电缆

  当电场离开传感器时，包围它的“守卫”是非常重要的。除了提高线性度和精度外，还用于减少噪声和外部干扰。每个电容探头由同轴电缆驱动。电缆的屏蔽用来将电压传递给保护装置，您可以回想起与传感器信号相同的电位和相位。这消除了可能在中心导体和电缆屏蔽之间产生的任何杂散电容，或可能靠近电缆的任何其他部分。通过设计，它不仅减少了放大器上的电容负载，而且还保持其恒定，因此放大器看到的任何变化只与探头间隙变化有关。需要注意的是，普通同轴电缆不能提供足够的保护，需要特殊电缆。

  典型的电容探头的电缆长度约为8英尺(2.4米)。增加额外的电缆是常见的，但是，噪声会增加。通常，当使用特殊处理的30pf/ft低噪声电缆时，每增加一英尺电缆将增加大约0.05mV的噪声。额外的电缆也会增加传感器放大器的电容负载，所以应该仔细考虑电缆长度。

  推/拉技术

  为了获得最佳性能，标准电容式传感器要求目标接地。电流从探头面流向目标，再返回到放大器，从而完成电路。产生的电容被监测并与探针间隙相关。然而，电接地目标的测量可能会受到目标电导率或地面路径的变化的影响。为了消除这些变化的影响，MTII开发了一种独特的Accumeasure传感器，称为推拉式。在本设计中，每个探头由两个电容传感器组成，内置于一个探头体中。

  每个传感器在相同的电压下驱动，然而，信号之间有180度的相移。这种转换允许当前路径通过目标表面而不是通过目标到地面，消除了任何因地面不佳而造成的误差。此外，该技术还可以测量高阻目标，允许在半绝缘和半导电目标上使用电容传感器。

  MTII的推/拉电容传感器