电容式传感器定相和未接地目标

电容式传感器技术说明LT03-0022

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总结

在某些情况下,未接地的目标可能会影响测量结果。 本技术说明检查未接地的目标何时会导致错误以及确定其大小的参数。

电容式传感器和未接地目标

简介

大多数未接地的目标具有较大的对地电容。 在这些情况下,没有测量错误。 在大多数未接地的目标应用中就是这种情况。 未接地目标产生错误的最大可能是目标很小或与其他接地物体相距很远。 与标准或扩展量程范围的校准相比,更高分辨率的校准更容易受到这些错误的影响。

未接地目标的症状

灵敏度低,间距减小,将操作员的手靠近测量区域时输出会变化; 其中任何一个都可能表示目标接地不良。

接地在电容式检测中的作用

电容式传感器通过测量在探头之间流动的电流量来工作

感应电流通过探头/目标电容流到地。

感应电流通过探头/目标电容流到地。 电容的大小(接近目标)决定了将流过多少电流。

被测表面和地面——通常是目标。 探头和目标之间的电容越大(距离越近),电流就越大。 驱动器电子设备负责产生,控制和测量感应电流。

数学细节

I = V / XC和XC = 1 /(2πFC)
其中:
I = 电流
V =来自驱动器电子设备的驱动器电压
F =来自驱动器电子设备的驱动频率
C =电容

XC =电容电抗(对电流的电阻)

电容式传感器假定感应电流的所有变化都是由于探头/靶标之间距离的变化而导致的探头/靶标电容变化的结果

对于未接地的目标,感应电流流经探头/目标电容,然后流经目标/接地电容

对于未接地的目标,感应电流流经探头/目标电容,然后流经目标/接地电容。 如果目标/对地电容比探头/目标电容大100倍(或更多),则测量实际上不受影响。

未接地的目标

为了使感应电流能流动,它必须找到接地的路径。 任何改变电流电阻的因素都会影响测量。 使用未接地目标的影响取决于感应电流到达地面的替代路径以及多少电阻(XC)。

对地电容

许多目标虽然未直接接地,但具有对地电容。 在这种情况下,感应电流将流经探头/目标电容,然后流经目标/对地电容。 如果目标/对地电容远大于探头/目标电容(> 100倍),则对电流的总电阻变化可以忽略不计,并且测量不会受到影响。 如果目标/对地电容小于此值,则将影响测量。

估算电容

粗略地说,探头和目标之间的电容约为1pF(皮法拉)。 两个平行板之间的近似电容为:

公制 :C = [8.86 x10-15] [面积(mm ^ 2)/间隙(mm)]
英寸:C = [0.225 x10-12] [面积(inch ^ 2)/间隙(inch)]

示例:两个相距1“的0.001”方形板的电容为225pF。

典型的空气轴承主轴转子具有大约1000pF到地面,从而使测量误差基本为零。

偏移和灵敏度误差

当错误由未接地的目标引入时,它有两种形式:

偏移误差—零伏输出时绝对探头/目标距离的偏移,并且

灵敏度误差—相对于探头/目标距离的给定变化,输出电压变化量的差异。 因为电容测量通常相对于某个设定点,而不是绝对间隙测量,所以偏移误差通常不重要。 最大的担忧是灵敏度的变化,因为这会改变系统的相对测量值。

目标/对地电容变化

如果目标/对地电容足够小,会产生误差,并且会随时间变化,则电容的变化将在输出上显示为随时间变化的噪声。 当电容改变时,输出电压中将发生小的直流偏移。 电容的连续变化将在输出电压中产生相应的连续变化,这将显示为噪声。

未接地目标的解决方案

通过提供检测电流的返回路径,两通道测量可以消除对接地目标的需要,

两通道测量可以通过为感应电流提供返回路径来消除对接地目标的需要,但仅当两个通道彼此同步180°时才可以。

两通道异相测量

使用两个通道的系统进行测量,其中两个驱动器通道的180°异相同步。 在这种配置中,电流路径从一个探头流出,而在另一个探头流入。 接地不再是问题。简单的间隙测量仅需要一个通道的输出。 第二个通道仅提供检测电流的返回路径。 一些测量(例如,两个通道的厚度测量)可以同时使用两个通道。

两通道限制

针对未接地目标的两通道方法要求每个通道中的电流相同。 两个通道之间的任何差异都会在目标上留下残留电荷,并产生失调误差。 两个通道必须是相同型号的探头和电子设备,并且必须按照相同的规格进行校准。 另外,两个通道必须同步并且180°异相。 使用未相应配置的两个通道将无济于事。

在探头校准的不同点可能会发生小的相位变化。 如果一个传感器处于最小间隙,另一个传感器处于最大间隙,则相位差可能足以减少两通道方法对未接地目标的好处。 如果发生这种情况,当探头处于上述状态时,目标将开始表现出未接地目标的症状。

用电刷接地

接地的柔性导体通常可以用作“刷子”,以保持与原本不接地的目标的接地连接。 铜条或金属刷可以很好地解决此问题。

具体数据

下表显示了经过两次不同校准的未接地目标的具体结果。 两种校准均为高分辨率校准。 更高分辨率的校准可使探头更靠近目标。 这增加了探头/目标电容,进而增加了所需的目标/对地电容。

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