測定対象が非接地時の測定への影響と対策

静電容量センサーTechNote LT03-0022

著作権©2013 Lion Precision。 www.lionprecision.com

サマリー

場合によっては、接地されていないターゲットが測定結果に影響する場合があります。 このテクニカルノートでは、接地されていないターゲットがエラーを引き起こす可能性がある場合と、その大きさを決定するパラメータを調べます。

静電容量センサーと非接地ターゲット

シノプシス

ほとんどの接地されていないターゲットは、接地に対して大きな静電容量を持っています。 これらの例では、測定エラーはありません。 これは、大部分の固定されていないターゲットアプリケーションの場合です。 接地されていないターゲットからのエラーの最大の可能性は、ターゲットが小さいか、他の接地されたオブジェクトからかなり離れている場合です。 より高い分解能のキャリブレーションは、標準または拡張レンジのキャリブレーションよりもこれらのエラーの影響を受けやすくなります。

接地されていないターゲットの症状

低感度、スタンドオフの減少、出力は、オペレーターの手を測定エリアに近づけると変化します。 これらのいずれかは、十分に接地されていないターゲットを示している可能性があります。

静電容量センシングにおけるグラウンドの役割

静電容量センサーは、プローブの間に流れる電流の量を測定することで機能します

検出電流は、プローブ/ターゲットの静電容量を介してグランドに流れます。

検出電流は、プローブ/ターゲット容量を介してグランドに流れます。 静電容量(ターゲットの近接)の量によって、流れる電流の量が決まります。

表面と地面の検出-通常はターゲット。 プローブとターゲットの間の静電容量が大きいほど(近くにあるほど)、電流が大きくなります。 ドライバ電子機器は、検出電流の作成、制御、および測定を担当します。

数学的詳細

I = V / XC、およびXC = 1 /(2πFC)
ここで、
I =電流
V =ドライバーエレクトロニクスからの駆動電圧
F =ドライバーエレクトロニクスからの駆動周波数
C =静電容量

XC =容量性リアクタンス(電流に対する抵抗)

静電容量センサーは、検出電流のすべての変化が、プローブ/ターゲットの変化によるプローブ/ターゲットの静電容量の変化の結果であると想定しています

接地されていないターゲットの場合、検出電流はプローブ/ターゲットの静電容量を流れ、次にターゲット/接地の静電容量を流れます。

接地されていないターゲットの場合、検出電流はプローブ/ターゲットの静電容量を通り、次にターゲット/グランドの静電容量を流れます。 ターゲット/グランド静電容量がプローブ/ターゲット静電容量の100倍(またはそれ以上)であれば、測定は実質的に影響を受けません。

接地されていないターゲット

流れる電流を検知するには、接地への経路を見つける必要があります。 電流の流れに対する抵抗を変化させるものはすべて、測定に影響します。 接地されていないターゲットを使用した場合の効果は、検出電流が接地に至る代替経路と抵抗値(XC)途中で遭遇します。

容量性接地

多くのターゲットは、直接接地されていませんが、接地容量があります。 この場合、検出電流はプローブ/ターゲットの静電容量を流れ、次にターゲット/グランドの静電容量を流れます。 ターゲット/グラウンド静電容量がプローブ/ターゲット静電容量よりもかなり大きい場合(> 100倍)、電流の流れに対する抵抗の全体的な変化は無視でき、測定は影響を受けません。 ターゲット/グランド容量がこれよりも小さい場合、測定に影響します。

静電容量の推定

大まかに言って、プローブとターゲットの間の静電容量は約1pF(ピコファラッド)です。 XNUMXつの平行プレート間のおおよその静電容量は次のとおりです。

メトリック:C = [8.86 x10-15] [面積(mm ^ 2)/ギャップ(mm)]
インチ:C = [0.225 x10-12] [面積(インチ^ 2)/ギャップ(インチ)]

例:1インチ離れた0.001つの225インチの正方形プレートの静電容量はXNUMXpFです。

一般的なエアベアリングスピンドルローターは、接地に対して約1000pFであるため、測定誤差は本質的にゼロになります。

オフセットおよび感度エラー

接地されていないターゲットによってエラーが発生すると、次のXNUMXつの形式になります。

オフセット誤差-ゼロボルト出力での絶対プローブ/ターゲット距離のシフト、および

感度誤差-プローブ/ターゲット距離の所定の変化に対する出力電圧の変化量の変化。 容量性測定は通常、絶対ギャップ測定とは対照的に、いくつかの設定点に関連しているため、オフセット誤差は通常は重要ではありません。 最大の懸念は、システムで行われる相対的な測定値を変更するため、感度の変更です。

さまざまなターゲット/グランド容量

ターゲット/グランド静電容量がエラーを生成するのに十分小さく、時間とともに変動する場合、静電容量の変動は出力に時間変動ノイズとして現れます。 容量が変化すると、出力電圧にわずかなDCシフトが発生します。 キャパシタンスの連続的な変化は、ノイズとして現れる出力電圧の対応する連続的な変化を作成します。

非接地ターゲットのソリューション

XNUMXチャネル測定では、検出電流のリターンパスを提供することにより、接地されたターゲットの必要性を排除できます。

180チャンネル測定では、XNUMXつのチャンネルがXNUMX°離れて同期している場合にのみ、検知電流のリターンパスを提供することにより、接地されたターゲットの必要性を排除できます。

XNUMXチャネルの位相外れ測定

180つのドライブチャネルがXNUMX°位相がずれて同期しているXNUMXチャネルシステムで測定を行います。 この構成では、現在のパスはXNUMXつのプローブから「出て」、もう一方のプローブから「入って」います。 接地はもはや問題ではありません。 単純なギャップ測定では、XNUMXつのチャネルからの出力のみが必要です。 XNUMX番目のチャネルは、検出電流のリターンパスのみを提供します。 XNUMXチャネルの厚さなどの一部の測定では、両方のチャネルを使用できます。

XNUMXチャネルの制限

非接地ターゲットへの180チャネルアプローチでは、各チャネルの電流が同一である必要があります。 XNUMXつのチャネルの差により、ターゲットに残留電荷が残り、オフセットエラーが発生します。 両方のチャンネルは、同じモデルのプローブと電子機器であり、同じ仕様にキャリブレーションされている必要があります。 また、XNUMXつのチャネルは同期し、位相がXNUMX°ずれている必要があります。 それに従って構成されていないXNUMXつのチャネルを使用することは有益ではありません。

プローブのキャリブレーションのさまざまなポイントで小さな位相変化が発生する可能性があります。 一方のセンサーが最小ギャップにあり、もう一方のセンサーが最大ギャップにある場合、位相差は接地されていないターゲットへのXNUMXチャネルアプローチの利点を減らすのに十分である可能性があります。 これが発生すると、プローブがこの状態になると、ターゲットは接地されていないターゲットの動作を示し始めます。

ブラシで接地

柔軟な導体の接地部分は、「ブラシ」としてよく使用され、それ以外の場合は接地されていないターゲットへの接地接続を維持します。 これには、銅のストリップまたは金属ブラシが適しています。

特定のデータ

以下の表は、XNUMXつの異なるキャリブレーションを使用した非接地ターゲットの特定の結果を示しています。 両方のキャリブレーションは、高解像度キャリブレーションです。 高解像度のキャリブレーションでは、プローブをターゲットに近づけます。 これにより、プローブ/ターゲットの静電容量が増加し、必要なターゲット/グランド静電容量が増加します。

このビデオをダウンロードします(右クリック> [リンク/ターゲットに名前を付けて保存]): MPG (48M)| mp4 (10M)