정전용량 센서 위상 및 접지되지 않은 대상

정전 식 센서 기술 노트 LT03-0022

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개요

경우에 따라 접지되지 않은 대상이 측정 결과에 영향을 줄 수 있습니다. 이 기술 노트는 접지되지 않은 대상이 오류를 유발할 수있는시기와 크기를 결정하는 매개 변수를 검사합니다.

정전 식 센서 및 접지되지 않은 대상

개요

접지되지 않은 대부분의 대상은 접지에 대한 정전 용량이 큽니다. 이 경우 측정 오류가 없습니다. 대부분의 비 접지 대상 응용 프로그램의 경우입니다. 접지되지 않은 대상의 오류가 발생할 가능성이 가장 큰 대상은 대상이 작거나 다른 접지 된 물체와 거리가 멀 때입니다. 높은 해상도 교정은 표준 또는 확장 범위 교정보다 이러한 오류에 더 민감합니다.

접지되지 않은 대상의 증상

낮은 감도, 감소 된 스탠드 오프, 작업자의 손이 측정 영역 근처에 오면 출력이 달라집니다. 이 중 어느 것도 접지가 제대로되지 않았 음을 나타냅니다.

용량 감지에서 접지의 역할

정전 식 센서는 프로브 사이에 흐르는 전류량을 측정하여 작동합니다

감지 전류는 프로브 / 타겟 커패시턴스를 통해 접지로 흐릅니다.

감지 전류는 프로브 / 대상 정전 용량을 통해 접지로 흐릅니다. 커패시턴스 양 (대상의 근접성)에 따라 흐르는 전류량이 결정됩니다.

표면 및지면 감지 – 일반적으로 대상. 프로브와 타겟 사이의 커패시턴스가 클수록 (그들이 가까이있을수록) 전류 흐름이 커집니다. 드라이버 전자 장치는 감지 전류의 생성, 제어 및 측정을 담당합니다.

수학적 세부 사항

I = V / XC, XC = 1 / (2πFC)
여기서
I = 현재
V = 드라이버 전자 장치의 구동 전압
F = 드라이버 전자 장치의 구동 주파수
C = 커패시턴스

XC = 용량 성 리액턴스 (전류 흐름에 대한 저항)

정전 식 센서는 감지 전류의 모든 변화가 프로브 / 타겟의 변화로 인해 프로브 / 타겟 캐패시턴스의 변화의 결과라고 가정합니다.

접지되지 않은 타겟의 경우 감지 전류가 프로브 / 타겟 커패시턴스를 통과 한 다음 타겟 / 접지 커패시턴스를 통해 흐릅니다.

접지되지 않은 대상의 경우 감지 전류가 프로브 / 대상 정전 용량을 통과 한 다음 대상 / 접지 정전 용량을 통해 흐릅니다. 목표 / 접지 커패시턴스가 프로브 / 목표 캐패시턴스보다 100 배 이상 (또는 그 이상) 크면 측정에는 거의 영향을 미치지 않습니다.

접지되지 않은 목표

전류가 흐르도록 감지하려면 접지 경로를 찾아야합니다. 전류 흐름에 대한 저항을 변경하는 것은 측정에 영향을 미칩니다. 접지되지 않은 대상을 사용하는 경우 감지 전류가 접지로 이동하는 대체 경로와 저항 (X)의 양에 따라 달라집니다C) 도중에 발생합니다.

용량 성 접지

많은 타겟은 직접 접지되지는 않지만 접지에 대한 커패시턴스를 가지고 있습니다. 이 경우 감지 전류는 프로브 / 대상 커패시턴스를 통해 흐른 다음 대상 / 접지 커패시턴스를 통해 흐릅니다. 타겟 / 접지 커패시턴스가 프로브 / 타겟 커패시턴스보다 상당히 큰 경우 (> 100 배) 전류 흐름에 대한 저항의 총 변화는 무시할 수 있으며 측정에 영향을주지 않습니다. 타겟 / 접지 커패시턴스가 이보다 작 으면 측정에 영향을 미칩니다.

커패시턴스 추정

대략적으로 말하면, 프로브와 대상 간의 정전 용량은 약 1pF (피코 파라 드)입니다. 두 개의 평행 판 사이의 대략적인 정전 용량은 다음과 같습니다.

측정 항목 : C = [8.86 x10-15] [Area (mm ^ 2) / Gap (mm)]
인치 : C = [0.225 x10-12] [면적 (인치 ^ 2) / 갭 (인치)]

예 : 1 개의 0.001 ″ 정사각형 플레이트, 225 ″ 간격의 정전 용량은 XNUMXpF입니다.

일반적인 에어 베어링 스핀들 로터의 접지는 약 1000pF이므로 측정 오류가 거의 없습니다.

오프셋 및 감도 오류

접지되지 않은 대상에서 오류가 발생하면 두 가지 형태로 나타납니다.

오프셋 오류-제로 볼트 출력에서 ​​절대 프로브 / 대상 거리의 이동

감도 오류— 프로브 / 목표 거리의 주어진 변화에 대한 출력 전압 변화량의 변화. 용량 성 측정은 일반적으로 절대 간격 측정과 달리 일부 설정 점을 기준으로하기 때문에 오프셋 오차는 일반적으로 영향을 미치지 않습니다. 가장 큰 관심사는 감도의 변화입니다. 시스템으로 수행되는 상대적인 측정이 변경되기 때문입니다.

다양한 목표 / 접지 용량

목표 / 접지 커패시턴스가 오류를 생성하기에 충분히 작고 시간에 따라 변하는 경우 커패시턴스의 분산은 출력에서 ​​시변 노이즈로 나타납니다. 커패시턴스가 변경되면 출력 전압에서 작은 DC 시프트가 발생합니다. 커패시턴스의 지속적인 변화는 노이즈로 표시되는 출력 전압의 해당하는 지속적인 변화를 만듭니다.

접지되지 않은 대상을위한 솔루션

XNUMX 채널 측정은 감지 전류에 대한 복귀 경로를 제공하여 접지 된 타겟의 필요성을 제거 할 수 있습니다.

180 채널 측정은 감지 전류에 대한 리턴 경로를 제공함으로써 접지 대상의 필요성을 제거 할 수 있지만 두 채널이 XNUMX ° 떨어져 동기화 된 경우에만 가능합니다.

XNUMX 채널 위상차 측정

180 개의 드라이브 채널이 XNUMX ° 위상차로 동기화되는 XNUMX 채널 시스템으로 측정하십시오. 이 구성에서 전류 경로는 한 프로브에서 "출력"되고 다른 프로브에서 "입력"입니다. 접지는 더 이상 문제가되지 않습니다. 간단한 갭 측정에는 한 채널의 출력 만 필요합니다. 두 번째 채널은 감지 전류를위한 리턴 경로 만 제공합니다. XNUMX 채널 두께와 같은 일부 측정은 두 채널을 모두 사용할 수 있습니다.

XNUMX 채널 제한

비 접지 타겟에 대한 180 채널 접근 방식은 각 채널의 전류 흐름이 동일해야합니다. 두 채널 간의 차이가 있으면 대상에 잔류 전하가 남고 오프셋 오류가 발생합니다. 두 채널 모두 동일한 모델 프로브 및 전자 장치 여야하며 동일한 사양으로 교정해야합니다. 또한 두 채널을 동기화해야하며 XNUMX도 위상이 맞지 않아야합니다. 적절하게 구성되지 않은 두 개의 채널을 사용하면 도움이되지 않습니다.

프로브 교정의 다른 지점에서 작은 위상 변화가 발생할 수 있습니다. 하나의 센서가 최소 간격에 있고 다른 센서가 최대 간격에 있으면 위상차로 충분하지 않은 대상에 대한 XNUMX 채널 접근의 이점을 줄일 수 있습니다. 이 경우 프로브가이 상태에있을 때 대상이 접지되지 않은 대상의 동작을 나타 내기 시작합니다.

브러쉬로 접지

접지 된 유연한 도체 조각은 종종 접지되지 않은 대상과의 접지 연결을 유지하기위한 "브러시"로 사용될 수 있습니다. 구리 스트립이나 금속 브러시가 잘 작동합니다.

특정 데이터

아래의 표는 두 가지 다른 보정으로 접지되지 않은 대상의 특정 결과를 보여줍니다. 두 가지 교정 모두 더 높은 분해능 교정입니다. 고분해능 교정은 프로브를 대상에 더 가깝게 유지합니다. 이는 프로브 / 타겟 캐패시턴스를 증가시켜 필요한 타겟 / 접지 캐패시턴스를 증가시킵니다.

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