用FDC和LDC實現(xiàn)高精度非接觸感測

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠）電容與電感是電路中的基礎(chǔ)元件，二者都可以用于傳感。電容式傳感器FDC是以電容作為傳感元件，將被測物理量或機械量轉(zhuǎn)換成為電容變化量的一種轉(zhuǎn)換裝置，實際上就是一個具有可變參數(shù)的電容器，在位移、角度、振動、速度、壓力等方面的測量應(yīng)用頗多。

電感式傳感器LDC則是利用線圈自感或互感系數(shù)的變化來實現(xiàn)非電量電測的一種裝置，在機電控制系統(tǒng)中有著非常廣泛的應(yīng)用。

FDC：高魯棒非接觸測量

最典型的FDC由上下電極（極板）、絕緣體（電介質(zhì)）和襯底構(gòu)成，當薄膜受壓力作用時，薄膜會發(fā)生一定的變形，帶動上下電極之間的距離發(fā)生一定的變化，從而使電容發(fā)生變化，根據(jù)電容的變化得出對被測物體的傳感。一般來說，任何基于電容的傳感系統(tǒng)的魯棒性對于可靠性和準確性都很重要，因此如何突破傳統(tǒng)電容技術(shù)在魯棒性方面的局限尤為重要。

第一個影響來自溫度，F(xiàn)DC的上下電極間距很小，對結(jié)構(gòu)尺寸的變化很敏感，溫度可能引起的部件的相對位置變化會引發(fā)FDC測量不準的問題。因此選擇穩(wěn)定的材料并設(shè)置合理的上下電極間距是提高FDC魯棒性的有效辦法。

第二個是電容的邊緣效應(yīng)帶來的非線性影響，電容在邊緣處的不均勻電場分布會導(dǎo)致傳感器靈敏度的下降，并使非線性程度加深。想在這一點上提高FDC的魯棒性除了在傳感器布局上做相應(yīng)的設(shè)計，還需要用具有補償功能的測量電路對輸出電容進行非線性補償。

還有一個限制因素則是電容避不開的寄生電容影響，如果FDC本身電容很大這種影響相對來說還小一點，如果FDC本身電容很小那寄生電容會嚴重影響傳感器的電容特性。靜電屏蔽是繁瑣但有效地克服寄生電容的一種手段。

為了減輕FDC外部寄生電容的影響，此前TI提出過一種異相（OoP）技術(shù)，通過對稱的傳感器布局，以獨特的方式使用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器上的屏蔽驅(qū)動器來抵消外部電容的影響并穩(wěn)定測量。當時采用異相（OoP）技術(shù)的FDC在絕對誤差上相比傳統(tǒng)電容技術(shù)有著數(shù)量級的提升，消除外部電容影響后FDC的魯棒性有明顯的質(zhì)的飛躍。

FDC的非線性的這些缺點讓其應(yīng)用有一定的局限性，但總的來看，F(xiàn)DC結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)好還能實現(xiàn)非接觸測量，是一類很實用的高精度傳感器。

LDC的多面應(yīng)用

LDC同樣是一種非接觸測量的傳感手段，利用線圈自感或互感系數(shù)的變化來實現(xiàn)非電量電測，在自動化領(lǐng)域有著很多用例。而且因為LDC是無磁體感應(yīng)，其模擬前端和轉(zhuǎn)換器不受直流磁場的影響，無需磁體即可運行，能夠用于在位置感應(yīng)應(yīng)用中實現(xiàn)亞微米級超高精度。

LDC器件可以應(yīng)用的方向著實不少，電感式觸控器件在可穿戴設(shè)備上和工業(yè)HMI上已經(jīng)代替了很多機械按鈕應(yīng)用，LDC在觸控按鈕應(yīng)用里不需要金屬觸點和墊圈這種活動部件，尺寸可以做到非常小，而且比機械式按鈕在各種工況下更穩(wěn)定，還能通過LDC進行壓力檢測以實現(xiàn)多級按鈕功能。

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。多通道LDC能使用單個LDC器件來設(shè)計多傳感器系統(tǒng)，在連續(xù)采樣模式下，這些多通道LDC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，很實用。

而在非動態(tài)的接近檢測領(lǐng)域，LDC也一直都是性價比非常高的選擇。這種LDC傳感本質(zhì)只是一個PCB線圈，成本很低。其感測距離與傳感器線圈的尺寸直接相關(guān)，一般1um-10cm是LDC的可行感測范圍。就大多數(shù) LDC器件而言，在高精度高分辨率的應(yīng)用里其最大感測范圍一般是線圈直徑的 50%，對于低精度低分辨率應(yīng)用，這個范圍可以擴大到線圈直徑的100%。

這些LDC在各種應(yīng)用中發(fā)揮著獨特的優(yōu)勢，在自動化控制系統(tǒng)里起著重要的作用。

小結(jié)

這些常見的電容式、電感式傳感在應(yīng)用里都有著獨特的優(yōu)勢，雖然各自的劣勢讓其應(yīng)用范圍有著局限性，但是隨著材料、工藝和電子技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)DC和LDC在盡可能克服短板的同時將其非接觸測量的優(yōu)勢進一步發(fā)揮了出來。