Kapazitive Sensorphasen und nicht geerdete Ziele

Kapazitiver Sensor TechNote LT03-0022

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Zusammenfassung

In einigen Fällen können ungeerdete Ziele die Messergebnisse beeinflussen. In dieser TechNote wird untersucht, wann ungeerdete Ziele Fehler verursachen können, und welche Parameter ihre Größe bestimmen.

Kapazitive Sensoren und ungeerdete Ziele

Zusammenfassung

Die meisten ungeerdeten Ziele haben eine große Kapazität zur Erde. In diesen Fällen liegen keine Messfehler vor. Dies ist bei der überwiegenden Mehrheit der ungeerdeten Zielanwendungen der Fall. Das größte Fehlerpotential bei ungeerdeten Zielen besteht darin, dass das Ziel klein ist oder einen erheblichen Abstand zu einem anderen geerdeten Objekt aufweist. Kalibrierungen mit höherer Auflösung sind anfälliger für diese Fehler als Kalibrierungen mit Standard- oder erweitertem Bereich.

Symptome eines ungeerdeten Ziels

Geringe Empfindlichkeit, geringerer Abstand, Leistung variiert, wenn die Hand des Bedieners in die Nähe des Messbereichs gebracht wird. Jedes dieser Ziele weist möglicherweise auf ein schlecht geerdetes Ziel hin.

Die Rolle des Bodens bei der kapazitiven Abtastung

Kapazitive Sensoren messen den elektrischen Strom, der zwischen den Sonden fließt

Der Erfassungsstrom fließt durch die Sonden- / Zielkapazität zur Erde.

Der Erfassungsstrom fließt durch die Sonden- / Zielkapazität zur Erde. Die Größe der Kapazität (Nähe des Ziels) bestimmt, wie viel Strom fließen wird.

Oberfläche und Boden abtasten - normalerweise das Ziel. Je größer die Kapazität zwischen der Sonde und dem Ziel ist (je näher sie sind), desto größer ist der Stromfluss. Die Treiberelektronik ist für die Erzeugung, Steuerung und Messung des Erfassungsstroms verantwortlich.

Die mathematischen Details

I = V / XCund XC = 1 / (2πFC)
wo:
I = aktuell
V = Spannung des Antriebs von der Treiberelektronik
F = Frequenz des Antriebs von der Treiberelektronik
C = Kapazität

XC = Kapazitive Reaktanz (Widerstand gegen Stromfluss)

Kapazitive Sensoren gehen davon aus, dass alle Änderungen des Erfassungsstroms auf eine Änderung der Kapazität der Sonde / des Ziels aufgrund einer Änderung der Sonde / des Ziels zurückzuführen sind

Bei nicht geerdeten Zielen fließt der Erfassungsstrom durch die Sonden- / Zielkapazität und dann durch die Ziel- / Erdungskapazität

Bei ungeerdeten Zielen fließt der Erfassungsstrom durch die Sonden- / Zielkapazität und dann durch die Ziel- / Bodenkapazität. Wenn die Ziel- / Bodenkapazität 100-mal (oder mehr) größer als die Sonden- / Zielkapazität ist, wird die Messung praktisch nicht beeinflusst.

Nicht geerdete Ziele

Damit der Strom fließen kann, muss ein Pfad zur Erde gefunden werden. Alles, was den Widerstand gegen den Stromfluss ändert, beeinflusst die Messung. Die Wirkung der Verwendung eines ungeerdeten Ziels hängt von dem Wechselweg ab, den der Erfassungsstrom zur Erde nimmt, und davon, wie viel Widerstand (XC) trifft es auf dem Weg.

Kapazitive Erdung

Viele Ziele sind zwar nicht direkt geerdet, haben jedoch eine Erdungskapazität. In diesem Fall fließt der Erfassungsstrom durch die Sonden- / Zielkapazität und dann durch die Ziel- / Massekapazität. Wenn die Ziel- / Massekapazität erheblich größer als die Sonden- / Zielkapazität ist (> 100-fach), ist die Gesamtänderung des Widerstands gegen den Stromfluss vernachlässigbar und die Messung bleibt unberührt. Wenn die Ziel- / Massekapazität kleiner als diese ist, wird die Messung beeinflusst.

Schätzung der Kapazität

Grob gesagt beträgt die Kapazität zwischen einer Sonde und dem Target etwa 1 pF (Picofarad). Die ungefähre Kapazität zwischen zwei parallelen Platten beträgt:

Metrisch: C = [8.86 x 10-15] [Fläche (mm ^ 2) / Lücke (mm)]
Zoll: C = [0.225 × 10 –12] [Fläche (Zoll × 2) / Lücke (Zoll)]

Beispiel: Zwei quadratische 1-Zoll-Platten mit einem Abstand von 0.001 Zoll haben eine Kapazität von 225 pF.

Ein typischer luftgelagerter Spindelläufer hat etwa 1000 pF gegen Masse, wodurch der Messfehler im Wesentlichen Null wird.

Offset- und Empfindlichkeitsfehler

Wenn ein Fehler durch ein nicht geerdetes Ziel ausgelöst wird, gibt es zwei Formen:

Offset-Fehler- eine Verschiebung der absoluten Sonden- / Zielentfernung bei einer Ausgangsspannung von null Volt und

Empfindlichkeitsfehler—Eine Änderung des Änderungsbetrags der Ausgangsspannung in Bezug auf eine gegebene Änderung der Sonden- / Zielentfernung. Da kapazitive Messungen im Gegensatz zu absoluten Spaltmessungen normalerweise relativ zu einem bestimmten Sollwert sind, ist der Offset-Fehler normalerweise ohne Bedeutung. Das größte Problem sind Änderungen der Empfindlichkeit, da dies die relativen Messungen mit dem System verändert.

Variierende Target- / Bodenkapazität

Wenn die Ziel- / Bodenkapazität klein genug ist, um Fehler zu erzeugen, und sie sich mit der Zeit ändert, erscheint die Varianz der Kapazität als zeitvariantes Rauschen am Ausgang. Wenn sich die Kapazität ändert, tritt eine kleine Gleichstromverschiebung in der Ausgangsspannung auf. Kontinuierliche Änderungen der Kapazität erzeugen eine entsprechende kontinuierliche Änderung der Ausgangsspannung, die als Rauschen auftritt.

Lösungen für ungeerdete Ziele

Zweikanalmessungen können die Notwendigkeit eines geerdeten Ziels beseitigen, indem ein Rückweg für den Erfassungsstrom bereitgestellt wird.

Zweikanalmessungen können die Notwendigkeit eines geerdeten Ziels beseitigen, indem ein Rückweg für den Erfassungsstrom bereitgestellt wird, jedoch nur, wenn die beiden Kanäle im Abstand von 180 ° synchronisiert sind.

Zweikanalige, phasenverschobene Messung

Nehmen Sie Messungen mit einem zweikanaligen System vor, bei dem zwei Antriebskanäle um 180 ° phasenverschoben synchronisiert sind. In dieser Konfiguration ist der aktuelle Pfad "out" von einer Sonde und "in" zur anderen. Die Erdung ist kein Problem mehr. Eine einfache Spaltmessung erfordert nur die Ausgabe eines Kanals. Der zweite Kanal liefert nur einen Rückweg für den Erfassungsstrom. Einige Messungen, z. B. die Zweikanaldicke, können beide Kanäle verwenden.

Zweikanalige Einschränkungen

Die zweikanalige Annäherung an ungeerdete Ziele erfordert, dass der Stromfluss in jedem Kanal identisch ist. Jede Differenz zwischen den beiden Kanälen belässt eine Restladung auf dem Ziel und erzeugt einen Versatzfehler. Beide Kanäle müssen dasselbe Sondenmodell und dieselbe Elektronik aufweisen und nach denselben Spezifikationen kalibriert sein. Außerdem müssen die beiden Kanäle synchronisiert und um 180 ° phasenverschoben sein. Die Verwendung von zwei nicht entsprechend konfigurierten Kanälen ist nicht vorteilhaft.

An verschiedenen Stellen der Sondenkalibrierung können kleine Phasenänderungen auftreten. Befindet sich ein Sensor in der minimalen Lücke und der andere in der maximalen Lücke, kann die Phasendifferenz ausreichen, um die Vorteile der zweikanaligen Annäherung an ungeerdete Ziele zu verringern. In diesem Fall zeigt das Ziel das Verhalten eines ungeerdeten Ziels, wenn sich die Sonden in diesem Zustand befinden.

Erdung mit Bürsten

Ein geerdetes Stück flexibler Leiter kann oft als "Bürste" verwendet werden, um eine Erdverbindung zu einem ansonsten nicht geerdeten Ziel aufrechtzuerhalten. Hierfür eignen sich Kupferstreifen oder eine Metallbürste.

Spezifische Daten

Die folgenden Tabellen zeigen spezifische Ergebnisse von nicht geerdeten Zielen mit zwei verschiedenen Kalibrierungen. Beide Kalibrierungen sind Kalibrierungen mit höherer Auflösung. Kalibrierungen mit höherer Auflösung halten die Sonde näher am Ziel. Dies erhöht die Sonden- / Zielkapazität, was wiederum die erforderliche Ziel- / Bodenkapazität erhöht.

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