Fases do Sensor Capacitivo e Alvos não Aterrados

Sensor capacitivo TechNote LT03-0022

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Resumo

Em alguns casos, metas não aterradas podem afetar os resultados da medição. Esta nota técnica examina quando destinos não aterrados podem causar erros e os parâmetros que determinam sua magnitude.

Sensores capacitivos e alvos não aterrados

Sinopse

A maioria dos alvos não aterrados possui uma grande capacitância para aterrar. Nesses casos, não há erros de medição. É o caso da grande maioria dos aplicativos de destino não aterrados. O maior potencial para erros de alvos não aterrados é quando o alvo é pequeno ou a uma distância significativa de qualquer outro objeto aterrado. Calibrações de resolução mais alta são mais suscetíveis a esses erros do que calibrações padrão ou de faixa estendida.

Sintomas de um alvo não aterrado

Baixa sensibilidade, diminuição do afastamento, a saída varia quando a mão do operador é aproximada da área de medição; qualquer um destes pode indicar um alvo mal fundamentado.

O papel do solo na detecção capacitiva

Os sensores capacitivos funcionam medindo a quantidade de corrente elétrica que flui entre os sensores

A corrente de detecção flui para o solo através da sonda / capacitância alvo. A quantidade de capacitância (proximidade do alvo) determina quanta corrente fluirá.

sentindo a superfície e o solo - geralmente o alvo. Quanto maior a capacitância entre a sonda e o alvo (quanto mais próximos eles estão), maior o fluxo de corrente. A eletrônica do driver é responsável por criar, controlar e medir a corrente de detecção.

Os detalhes matemáticos

I = V / XCe XC = 1 / (2πFC)
em que:
I = Atual
V = Tensão do inversor dos componentes eletrônicos do driver
F = Frequência da unidade dos componentes eletrônicos do driver
C = Capacitância

XC = Reatância capacitiva (resistência ao fluxo de corrente)

Os sensores capacitivos assumem que todas as alterações na corrente de detecção são o resultado de uma alteração na capacitância da sonda / alvo devido a uma alteração na sonda / alvo

Com alvos não aterrados, a corrente de detecção flui através da sonda / capacitância alvo e depois através da capacitância alvo / terra. Se a capacitância alvo / terra for 100 vezes (ou mais) maior que a capacitância sonda / alvo, a medição não será afetada.

Alvos não aterrados

Para detectar a corrente fluir, ela deve encontrar um caminho para o solo. Qualquer coisa que altere a resistência ao fluxo atual afetará a medição. O efeito do uso de um alvo não aterrado depende do caminho alternativo que a corrente de detecção leva ao solo e quanta resistência (XC) encontra ao longo do caminho.

Aterramento capacitivo

Muitos alvos, embora não diretamente aterrados, têm uma capacitância para o aterramento. Nesse caso, a corrente de detecção fluirá pela capacitância da ponta de prova / alvo e, em seguida, pela capacitância alvo / terra. Se a capacitância alvo / terra for consideravelmente maior do que a capacitância sonda / alvo (> 100 vezes), a mudança total na resistência ao fluxo de corrente é insignificante e a medição permanece inalterada. Se a capacitância alvo / terra for menor que isso, a medição será afetada.

Estimando a capacitância

Grosso modo, a capacitância entre uma sonda e o alvo é de cerca de 1pF (picofarad). A capacitância aproximada entre duas placas paralelas é:

Métrica: C = [8.86 x10-15] [Área (mm ^ 2) / Intervalo (mm)]
Polegada: C = [0.225 x10-12] [Área (polegada ^ 2) / intervalo (polegada)]

Exemplo: Duas placas quadradas de 1 ", separadas por 0.001" têm uma capacitância de 225pF.

Um rotor de fuso com rolamento de ar típico tem cerca de 1000pF no solo, tornando o erro de medição praticamente zero.

Erros de deslocamento e sensibilidade

Quando um erro é introduzido por um destino não aterrado, ele se apresenta de duas formas:

erro de deslocamento—Uma mudança na distância absoluta da sonda / alvo na saída de zero volts, e

erro de sensibilidade—Uma alteração na quantidade de variação da tensão de saída em relação a uma determinada alteração na distância da sonda / alvo. Como as medições capacitivas geralmente são relativas a algum ponto de ajuste em oposição às medições de gap absoluto, o erro de deslocamento geralmente não tem conseqüências. A maior preocupação é com as alterações na sensibilidade, pois isso mudará as medidas relativas feitas com o sistema.

Alvo variável / capacitância do solo

Se a capacitância alvo / terra for pequena o suficiente para gerar erros e variar com o tempo, a variação da capacitância aparecerá como ruído de variação temporal na saída. Quando a capacitância muda, um pequeno deslocamento DC ocorrerá na tensão de saída. Mudanças contínuas na capacitância criarão uma mudança contínua correspondente na tensão de saída que aparecerá como ruído.

Soluções para destinos não aterrados

As medições de dois canais podem eliminar a necessidade de um alvo aterrado, fornecendo um caminho de retorno para a corrente de detecção, mas somente quando os dois canais estão sincronizados a 180 ° de distância.

Medição fora de fase de dois canais

Faça medições com um sistema de dois canais no qual dois canais do inversor são sincronizados 180 ° fora de fase. Nesta configuração, o caminho atual é "fora" de uma sonda e "in" para a outra. O aterramento não é mais um problema. Uma simples medição de gap requer apenas a saída de um canal. O segundo canal fornece apenas um caminho de retorno para a corrente de detecção. Algumas medições, como espessura de dois canais, podem fazer uso dos dois canais.

Limitações de dois canais

A abordagem de dois canais para destinos não aterrados exige que o fluxo atual em cada canal seja idêntico. Qualquer diferença entre os dois canais deixará uma carga residual no alvo e criará um erro de deslocamento. Ambos os canais devem ter o mesmo modelo de sonda e componentes eletrônicos e calibrados com as mesmas especificações. Além disso, os dois canais devem estar sincronizados e 180 ° fora de fase. Usar dois canais não configurados adequadamente não será benéfico.

Pequenas mudanças de fase podem ocorrer em diferentes pontos da calibração das sondas. Se um sensor está no intervalo mínimo e o outro no intervalo máximo, a diferença de fase pode ser suficiente para reduzir os benefícios da abordagem de dois canais para alvos não aterrados. Se isso acontecer, o alvo começará a exibir comportamentos de um alvo não aterrado quando as sondas estiverem nessa condição.

Aterramento com escovas

Uma peça aterrada de condutor flexível pode frequentemente ser usada como uma “escova” para manter uma conexão de aterramento a um alvo não aterrado. Tiras de cobre ou uma escova de metal funcionarão bem para isso.

Dados específicos

As tabelas abaixo mostram resultados específicos de alvos não aterrados com duas calibrações diferentes. Ambas as calibrações são de maior resolução. Calibrações de resolução mais alta mantêm a sonda mais próxima do alvo. Isso aumenta a capacitância da sonda / alvo, que por sua vez aumenta a capacitância alvo / terra necessária.

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