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 que incluyen procesamiento de semiconductores , ensamblaje de equipos de precisión como unidades de disco , mediciones de espesor de precisión, metrología de máquinas herramienta y pruebas de líneas de ensamblaje . Estos tipos de sensores se pueden encontrar en mecanizado y fabricación. instalaciones en todo el mundo.
Teoría capacitiva básica
La capacitancia es una propiedad eléctrica que se crea aplicando una carga eléctrica a dos objetos conductores con un espacio entre ellos. Una demostración simple son dos placas conductoras paralelas del mismo perfil con un espacio entre ellas y una carga aplicada. En esta situación, la capacitancia se puede expresar mediante la ecuación :
Donde C es la capacitancia, ε 0 es la permitividad de la constante de espacio libre , K es la constante dieléctrica del material en el espacio, A es el área de las placas yd es la distancia entre las placas.
Hay dos tipos generales de sistemas de detección de desplazamiento capacitivos. Un tipo se utiliza para medir espesores de materiales conductores. El otro tipo mide espesores de materiales no conductores o el nivel de un fluido.
Un sistema de detección capacitiva 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 del otro, 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 el resultado de un cambio en la distancia entre la sonda y el objetivo". [4] Por lo tanto, la ecuación anterior se puede simplificar a:
Donde α indica una relación proporcional. Debido a esta relación proporcional, un sistema de detección capacitiva es capaz de 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 se puede considerar como 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 a medir desplaza al otro dieléctrico. El espacio es a menudo un espacio de aire (constante dieléctrica = 1) y el material tiene un dieléctrico más alto. A medida que el material se vuelve más grueso, la capacitancia aumenta y es detectada por el sistema.
Un sensor para medir los niveles de fluidos funciona como dos condensadores en paralelo con un área total constante. Nuevamente, la diferencia en 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 los objetos hasta el nivel nanométrico . Este tipo de posicionamiento preciso se utiliza en la industria de los semiconductores, donde las obleas de silicio deben colocarse para su exposición. Los sensores capacitivos también se utilizan para preenfocar los microscopios electrónicos utilizados para probar y examinar las obleas.
Industria de unidades de disco
En la industria de la unidad de disco, los sensores de desplazamiento capacitivos se utilizan para medir el descentramiento (una medida de cuánto se desvía el eje de rotación de una línea fija ideal) de los ejes de la unidad de disco . Al conocer la excentricidad exacta de estos ejes, 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 la unidad de disco sean ortogonales al eje antes de que se escriban los datos.
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 parte de referencia de espesor conocido, otras partes pueden medirse posteriormente y las diferencias de posición pueden usarse para determinar el espesor de estas partes. [5] Para que esto sea efectivo usando una sola sonda, las piezas deben ser completamente planas y medidas en una superficie perfectamente plana. Si la pieza a medir presenta 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 ambos lados de la pieza a medir. Al medir las piezas desde ambos lados, la curvatura y las deformaciones 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 a 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 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 de sensores capacitivos que sean capaces de detectar cambios en la capacitancia del orden de 10-5 picofaradios (10 attofaradios).
Blancos 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 y / 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. (Consulte la primera ecuación anterior) Al analizar este cambio en la capacitancia, se puede determinar el grosor y la densidad del no conductor.
Metrología de máquina 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 se producen en los equipos utilizados para fabricar la pieza, práctica conocida como metrología de máquina-herramienta ”. [7] En muchos casos, los sensores se utilizan para analizar y optimizar la rotación de los husillos en varias máquinas herramienta, por ejemplo , amoladoras de superficie , 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 tratar y solucionar antes en el proceso de fabricación.
Prueba de línea de montaje
Los sensores de desplazamiento capacitivos se utilizan a menudo en pruebas de líneas 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 para buscar simplemente la presencia o ausencia de un determinado componente, como el pegamento . [9] El uso de sensores capacitivos para probar piezas de la línea de ensamblaje puede ayudar a prevenir problemas de calidad en el proceso de producción.
Comparación con los sensores de desplazamiento de corrientes parásitas
Los sensores de desplazamiento capacitivos comparten muchas similitudes con los sensores de desplazamiento de corrientes parásitas (o inductivos); sin embargo, los sensores capacitivos usan un campo eléctrico en contraposición al campo magnético usado por los sensores de corrientes parásitas [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 Las mediciones de mayor resolución y los sensores de corrientes parásitas 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
- La humedad del suelo
- Humedad
- Detección de contenido de agua en combustibles
- Sensores de composición de combustible (para vehículos de combustible flexible )
- Células de carga capacitivas
Ver también
- Sensor de proximidad
- Detección capacitiva
- Lista de sensores
- Sensor inductivo
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. pag. 94. ISBN 0-7506-7729-5.
- ^ Paul Allen Tipler (1982). Segunda edición de física . Digno de los editores. págs. 653–660. ISBN 0-87901-135-1.
- ^ a b Operación y optimización del sensor capacitivo Cómo funcionan los sensores capacitivos y cómo usarlos de manera efectiva , una discusión en profundidad de la teoría del sensor capacitivo de Lion Precision.
- ^ Mediciones capacitivas de espesor , tutorial sobre medidas capacitivas de espesor.
- ^ Medidor de espesor de película
- ^ Laboratorio nacional Lawrence Livermore: precisión de ingeniería en proyectos de laboratorio , ejemplos de avances realizados por LLNL en el campo de la medición de precisión.
- ^ Eric R. Marsh (2009). Metrología de husillo de precisión . ISBN de Destech Pubns Inc. 1-60595-003-3.
- ^ Sensing Glue on Paper Archivado 2010-07-09 en Wayback Machine . Un tutorial sobre el uso de sensores capacitivos para la detección de pegamento.
- ^ a b Comparación de corrientes de Foucault capacitivas de Lion Precision , una comparación entre la tecnología de detección de corrientes de Foucault capacitiva y de Lion Precision.
- ^ Manual de usuario para 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 del sensor capacitivo : cómo funcionan los sensores capacitivos y cómo usarlos de manera efectiva