電感式傳感系統(tǒng)如何完成測量

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道(文/李寧遠)電感式傳感器利用線圈自感或互感系數(shù)的變化來實現(xiàn)非電量電測。在很多應(yīng)用中都會有利用到電感式傳感器來對位移、壓力、振動、應(yīng)變、流量等參數(shù)進行測量，在機電控制系統(tǒng)中應(yīng)用得尤為廣泛。這不僅得益于它結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高，其抗干擾能力強及測量精度高也有很重要的優(yōu)勢點。感應(yīng)傳感器檢測金屬目標(biāo)與感應(yīng)線圈傳感器的接近程度，而電容傳感器檢測傳感器和電極之間的電容變化。

這一類傳感有兩個很重要的方向，一是非接觸式檢測，一是無磁體感應(yīng)。電感式傳感器模擬前端和電感數(shù)字(LDC)轉(zhuǎn)換器不受直流(DC)磁場的影響，無需使用磁體即可運行，能夠用于在位置感應(yīng)應(yīng)用中實現(xiàn)亞微米級精度。電感式傳感器非接觸式的特性，更能使其在惡劣環(huán)境中工作并保持可靠性。

電感式傳感系統(tǒng)如何完成測量

LDC器件采用諧振傳感原理進行工作。連接到LDC的傳感器本質(zhì)上是一個與電感器并聯(lián)的固定電容器，它通常是一個印刷在PCB上的線圈。固定電容器和感應(yīng)線圈形成LDC運行所需的外部LC電路。

(LDC運行，TI)

當(dāng)導(dǎo)電目標(biāo)接近感應(yīng)線圈時，會在導(dǎo)電目標(biāo)的表面形成渦流。渦流產(chǎn)生自己的磁場，這與傳感器電感器產(chǎn)生的原始磁場相反。由于與原始磁場相反，原始磁場會被削弱;與電感器自由空間電感相比，這同時會降低電感。這些渦流的磁場抵抗電感線圈的電流降低了系統(tǒng)的電感，增加了諧振傳感頻率。

LDC裝置可以將該諧振傳感頻率轉(zhuǎn)換為一個數(shù)字值。目標(biāo)位置的任何變動都會導(dǎo)致電感值 發(fā)生變化，進而導(dǎo)致諧振頻率發(fā)生變化。這樣，測量頻率變化可用于確定電感變化與目標(biāo)位置。各類LDC器件都使用這兩種原理中的一種或兩種來確定目標(biāo)位置的變化。

這里需要的補充的是根據(jù)固定公式給出的頻率諧振需要某個源的參考頻率，對于給定的采樣頻率，可以使用較高參考頻率的器件來提供較高的測量分辨率。如果LDC需要外部的振蕩器，最好選擇小于100psRMS抖動且頻率穩(wěn)定且占空比為50%的方波。

有些LDC器件可以獨立操作，無須MCU的支持，這需要LDC器件內(nèi)部集成算法，自動處理傳感器測量。這種內(nèi)部算法的集成還有一個優(yōu)勢點，即大幅度降低電源電流，這也是一個很有吸引力的地方。

電感式傳感應(yīng)用相關(guān)問題

首先我們關(guān)注的是采樣率(最大)，LDC器件的最大采樣率一般在4kSPS和180kSPS之間，4kSPS已經(jīng)是足夠高的采樣率了。電子信號的運動比起物理運動來說還是快得多的，在器件的每個采樣間隔里，被檢測設(shè)備能移動的距離并不遠。在采樣率能滿足的情況下，另一個制約的條件是有效分辨率。采樣率與有效分辨率的取舍要考慮到具體應(yīng)用場景。

并聯(lián)諧振阻抗是影響測量結(jié)果的一個重要因素。器件會通過對該并聯(lián)諧振阻抗測量進行縮放來匹配傳感器并聯(lián)諧振阻抗范圍，以此來優(yōu)化測量結(jié)果。并聯(lián)諧振阻抗是一個極容易受目標(biāo)溫度變化而變化的參數(shù)，如果目標(biāo)的溫度變化幅度較大，其偏移會不可避免地擴大。因此并聯(lián)諧振阻抗測量更適合一些溫度范圍有限的應(yīng)用。

在上面我們說到，大多數(shù)應(yīng)用不需要非常高的采樣率，采樣率越高，系統(tǒng)的響應(yīng)性就越快平均功率越高這是顯而易見的。因此考慮實際應(yīng)用情況，通過調(diào)整占空比使LDC進入非活躍模式能夠很明顯地節(jié)省電流。功耗受限的應(yīng)用會比較關(guān)注這個問題。內(nèi)部算法獨立操作的LDC器件不需要和MCU進行交互，以按選定的掃描速率定期對所有活動的通道進行采樣，然后自動返回到超低功耗模式，這也是一種降低功耗的好辦法。

多通道LDC感應(yīng)功耗

多通道LDC意味著能使用單個LDC器件來設(shè)計多傳感器系統(tǒng)，一般來說多通道LDC設(shè)備的峰值采樣率會較高，這是影響功耗其中的一點。在連續(xù)采樣模式下，這些多通道LDC設(shè)備的功耗通常在幾毫安的量級上，比霍爾效應(yīng)傳感功耗來得更低。對于給定的采樣率，測量的總轉(zhuǎn)換時間也會根據(jù)分辨率要求影響功耗，采樣時間、轉(zhuǎn)換時間、開關(guān)延遲、數(shù)據(jù)回讀等等都會影響功耗。

(占空比與LDC測量時間，TI)

總的來說，對于多通道LDC來說，占空比循環(huán)和時鐘門控是有效降低器件功耗的技術(shù)。為了保證流過設(shè)備的電流是最小值，使用外部振蕩器的LDC系統(tǒng)應(yīng)在LDC不主動轉(zhuǎn)換時關(guān)閉振蕩器是很有用的。

小結(jié)

LDC感應(yīng)器件可以應(yīng)用的方向不少，電感式觸控器件在可穿戴設(shè)備上和工業(yè)HMI上已經(jīng)代替了很多按鈕應(yīng)用;多通道LDC在監(jiān)測多個傳感器的系統(tǒng)上也是替代高分辨率差分傳感器的不錯選擇。

原文標(biāo)題：LDC電感式傳感應(yīng)用

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審核編輯：湯梓紅