Non-Contacting Capacitive Sensor with 4-Electrodes for Measuring Small Displacement

미소변위 측정용 비접촉식 4-전극형 전기용량 센서

Non-contacting capacitive sensors, based on principle of the cross capacitor, for measuring small displacement less than $1.95{\pm}0.5\;mm$ have been fabricated and characterized. To overcome disadvantages of the existed capacitive sensors with 2-electrodes and 3-electrodes, the new sensor is consisted of 4-electrodes which are formed two electrode(high, low) and 2 guard electrodes on a sapphire plate with diameter 17 mm and thickness 0.7 mm, and are symmetrically situated with a constant gap of 0.2 mm between the electrodes. This sensor can be used for measuring both metallic and non-metallic target without ground connection, and is evaluated to the correlation coefficient of 0.9987 for the range of $1.95{\pm}0.5\;mm$ and that of 0.9995 for $1.95{\pm}0.25\;mm$ range.

Cross capacitor 원리를 이용하여 $1.95{\pm}0.5\;mm$ 이하의 미소변위를 비접촉으로 정확하게 측정할 수 있는 새로운 전기용량 센서를 설계 제작하였다. 전극의 구조는 센서와 측정 대상체가 각각 하나의 전극으로 작용하여야 하는 기존의 2-전극형 및 3-전극형 센서들이 지니고 있는 단점을 보완하기 위하여 2개의 전극(high, low전극)을 센서의 면에 형성한 4-전극형 센서로 제작하였다. 센서의 전극은 직경 17 mm 두께 0.7 mm인 사파이어 평행원판위에 구리를 사용하여 전극간 간격유지를 0.2 mm로 일정하게 함과 동시에 완전대칭을 이루도록 제작하였다. 따라서 이 센서는 측정대상체가 금속, 비금속에 관계없이 센서와 측정대상체와의 미소변위 및 간격을 측정 할 수가 있다. 측정범위 $1.95{\pm}0.5\;mm$에서의 correlation coefficient는 0.9987, $1.95{\pm}0.25\;mm$에서는 0.9995로 측정되었다.