電感傳感是一項(xiàng)非接觸傳感技術(shù)，不僅可用來(lái)測(cè)量位置、運(yùn)動(dòng)以及目標(biāo)物的成分，而且還可用來(lái)檢測(cè)彈簧的壓縮、擴(kuò)張與扭曲度。
本文主要介紹ldc1000線圈設(shè)計(jì)，并對(duì)ldc1000工作原理及其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了闡述。
ldc1000
LDC1000是TI推出的業(yè)界首顆電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其能夠完成對(duì)LC網(wǎng)絡(luò)電感和阻抗的測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)電感傳感技術(shù)。在設(shè)計(jì)電感傳感系統(tǒng)時(shí)，除了要考慮相關(guān)的電路設(shè)計(jì)，更重要的是要考慮系統(tǒng)需求并設(shè)計(jì)相應(yīng)的線圈。本文簡(jiǎn)要介紹LDC1000的工作原理，重點(diǎn)討論各種線圈的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
ldc1000引腳圖
1、O：數(shù)字輸出，DI：數(shù)字輸入，P：電源，A：模擬
2、在裸露的模具連接墊（DAP）和設(shè)備的GND引腳之間有一個(gè)內(nèi)部電連接。雖然DAP可以懸空，為了達(dá)到最佳性能，DAP應(yīng)連接到與設(shè)備的GND引腳相同的電位。不使用作為該裝置的主要地面的DAP。設(shè)備接地引腳必須始終連接到地面。
ldc1000線圈自制設(shè)計(jì)及接法
工作原理
ldc1000結(jié)構(gòu)圖
當(dāng)LDC1000工作時(shí)，其輸出引腳向外置電感輸出高頻激勵(lì)信號(hào)，在電感附近會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高頻磁場(chǎng)，此時(shí)當(dāng)有金屬物接近時(shí)，高頻磁場(chǎng)就會(huì)在金屬物內(nèi)部產(chǎn)生渦流效應(yīng)，這種渦流電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的磁場(chǎng)進(jìn)而影響原來(lái)的磁場(chǎng)，從而改變了原來(lái)LC網(wǎng)絡(luò)的電感值和阻抗，不同的接近距離，不同的金屬類型，不同的金屬尺寸都會(huì)產(chǎn)生不同大小的影響，從而通過(guò)電感和阻抗的改變，可以實(shí)現(xiàn)距離，金屬類型，尺寸大小等測(cè)量；而通過(guò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以把測(cè)量的物理量擴(kuò)展到距離、角度、位移、開關(guān)、力、形變、振動(dòng)等等各種物理量，因此LDC1000的應(yīng)用非常廣泛。
如Figure?2所示為L(zhǎng)DC1000結(jié)構(gòu)框圖，圖中左邊LRC方框圖部分是外部電感和諧振電容的等效原理圖，L表示電感的電感值，RS是電感的等效串聯(lián)電阻，C是外接的諧振電容。LDC1000內(nèi)部有一個(gè)高頻振蕩器，不斷輸出掃頻信號(hào)，當(dāng)外部LC網(wǎng)絡(luò)發(fā)生諧振時(shí)，LC諧振回路的阻抗最大，此時(shí)輸出引腳處電壓最大，通過(guò)維持輸出引腳保持在某個(gè)最大電壓值，從而維持LC網(wǎng)絡(luò)總是處于諧振狀態(tài)。
線圈與系統(tǒng)設(shè)計(jì)
從理論上來(lái)講，所有具有電感特性的元件，包括線圈、電感、彈簧等等都可以作為L(zhǎng)DC的測(cè)量元件。由于PCB線圈具有低成本、高靈敏度、設(shè)計(jì)靈活、一致性優(yōu)良等特點(diǎn)，因此大多數(shù)LDC應(yīng)用中使用PCB線圈作為電感傳感器。?
上文中已經(jīng)提到，LDC1000可以完成對(duì)LC并聯(lián)電路電感和阻抗的測(cè)量，但是由于阻抗易受溫度影響，而電感具有良好的穩(wěn)定性，因此除了在金屬鑒別以外的大多數(shù)應(yīng)用中，推薦使用電感作為測(cè)量參數(shù)。本文主要從電感角度出發(fā)，講述線圈設(shè)計(jì)要點(diǎn)。當(dāng)然阻抗在靈敏度和噪聲等方面也有類似的特點(diǎn)，也可以以此作為參考。
在具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要考慮的參數(shù)有：PCB線圈幾何參數(shù)設(shè)計(jì)、目標(biāo)物選擇以及諧振頻率選擇，其中PCB線圈幾何參數(shù)設(shè)計(jì)將決定感應(yīng)距離，同時(shí)也會(huì)影響線圈的阻抗、Q值和自諧振頻率；目標(biāo)物選擇會(huì)影響測(cè)量的靈敏度；而諧振頻率的選擇不僅影響到線圈的阻抗和Q值，并且還會(huì)影響LDC1000的采樣率和分辨率等等參數(shù)，下文將重點(diǎn)圍繞這三個(gè)參數(shù)詳細(xì)講述。??
PCB線圈幾何參數(shù)設(shè)計(jì)?
PCB線圈結(jié)構(gòu)圖如下圖Figure?3所示，圖中以雙層板線圈為示例，從圖中可以看出，線圈幾何參數(shù)設(shè)計(jì)需要涉及到4個(gè)參數(shù)：線圈直徑（D）、線圈線徑（w）、線圈線距（s）以及線圈層數(shù)
對(duì)電感傳感來(lái)說(shuō)，PCB線圈的直徑非常重要。因?yàn)镻CB線圈直徑很大程度上決定了線圈附近磁力線的分布，因此也就決定了傳感器的有效感應(yīng)距離，同時(shí)也決定了傳感器對(duì)于目標(biāo)物距離變化的感應(yīng)靈敏度。?
為了形象地說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)5mm、10mm，14mm，20mm以及50mm共5種不同直徑的線圈進(jìn)行測(cè)試，其中5mm線圈使用4層板，其它使用雙層板，線徑和線距都是6mil（本文中所有PCB線圈均使用1.6mm板厚、1oz銅厚工藝）。測(cè)試時(shí)使用鋁合金6061作為目標(biāo)物，且目標(biāo)物的直徑大于等于線圈直徑，不斷改變目標(biāo)物和線圈之間的距離，記錄距離變化時(shí)電感的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如Figure?4所示：
圖中橫軸表示線圈距離目標(biāo)物距離與線圈直徑的百分比比值，縱軸則是線圈當(dāng)前電感值與線圈最大電感值（線圈附近無(wú)金屬物時(shí)的電感值）的比值。從圖中可以看出，5種不同直徑的線圈有著相似的位移電感響應(yīng)曲線，F(xiàn)igure?4中5mm線圈在位移零點(diǎn)處相對(duì)其它線圈區(qū)別較大，這是因?yàn)?種線圈的厚度都是1.6mm，當(dāng)線圈直徑很小時(shí)，線圈厚度所造成的零點(diǎn)位置的定義會(huì)有所誤差，因?yàn)樵跍y(cè)試過(guò)程中都是以線圈直面目標(biāo)物的那一面作為位移起始零點(diǎn)的。???????
從Figure?4中可以讀出以下信息：?
1,?對(duì)于PCB線圈而言，最大感應(yīng)距離大約是線圈的直徑；??2,?隨著線圈和目標(biāo)物距離的增大，靈敏度快速下降；?
3,?當(dāng)線圈和目標(biāo)物距離大于線圈半徑時(shí)，靈敏度已經(jīng)嚴(yán)重下降，因此要想保持良好的靈敏度，線圈和目標(biāo)物距離要小于直徑的一半，最好是直徑的四分之一。?
同時(shí)PCB的直徑也會(huì)影響線圈的Q值、阻抗以及自諧振頻率，下圖Figure?5給出了不同直徑線圈Q值及阻抗隨頻率的變化圖。
從Figure?5和Table?1中可以看出，在同樣線徑、層數(shù)以及工作頻率的情況下，直徑越大，Q值越高，同時(shí)阻抗也越大，然而線圈的直徑越大，?其自諧振頻率越低。
除了直徑大小外，PCB層數(shù)、線徑線距（在實(shí)際設(shè)計(jì)中線圈線徑與線距往往相同或者相近，所以這兩個(gè)參數(shù)一起論述）也會(huì)決定線圈的Q值、阻抗以及自諧振頻率。下圖Figure?6和Figure?7依次給出不同PCB層數(shù)線圈Q值及阻抗隨頻率變化圖、不同線徑線距線圈Q值及阻抗隨頻率變化圖。
線圈設(shè)計(jì)示例
假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)待測(cè)距離范圍是1~3mm，要求測(cè)量分辨率為10μm，采樣速度為100Hz，具體設(shè)計(jì)步驟如下：?
1,直徑選擇：由于示例要求較高的分辨率，為了保證良好的靈敏度，最大待測(cè)距離應(yīng)該小于線圈直徑的四分之一，所以線圈直徑應(yīng)該大于12mm，這里取14mm；?
2,PCB層數(shù)選擇：由于14mm直徑線圈直徑相對(duì)較大，即使通過(guò)普通雙層PCB工藝也能夠?qū)崿F(xiàn)kΩ級(jí)的阻抗，為了降低成本，因此在此使用雙層PCB板；?
3,線徑線距選擇：為了盡量提高線圈阻抗，這里使用4mil線徑和線距。?
因此使用14mm直徑、4mil線徑和線距的雙層板線圈作為示例線圈，線圈電感約為20μH，為了保證較好的Q值和阻抗，這里使用100pF電容作為諧振電容，諧振頻率3.5MHz，既能夠滿足LDC1000工作條件，又具有一定的裕量。經(jīng)測(cè)試，線圈諧振阻抗為14kΩ，Q值為36，
Response?Time取6144，所以采樣率約為1.7kHz，理論分辨率約為12.2位，而通過(guò)Figure?4可以看出，對(duì)于14mm直徑的線圈而言，1~3mm的距離變化范圍可以得到全量程約20%的電感變化范圍，所以有效的理論分辨率約為9.8位，假設(shè)噪聲位為2位（大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示LDC1000電感測(cè)量噪聲位一般約為1~3位，因線圈阻抗、Q值以及系統(tǒng)條件不同而異），有效分辨率約為7.8位，因此在1~3mm的距離變化范圍內(nèi)大約可以得到9微米的分辨率。???????
搭建系統(tǒng)，使用鋁合金作為目標(biāo)金屬，系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如下圖所示：
橫軸為金屬目標(biāo)物與線圈間的距離，主縱軸為線圈電感，第二縱軸為位移測(cè)量的分辨率。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，在1~3mm的距離變化范圍內(nèi)，電感變化范圍為12μH~17μH，位移測(cè)量分辨率在1mm處約為3μm，在3mm處約為9μm，基本符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。另外由于采樣率約為1.7kHz，而系統(tǒng)需求為100Hz，因此可以使用數(shù)字滑動(dòng)平均濾波器或者其它數(shù)字濾波方法進(jìn)一步提高系統(tǒng)測(cè)量分辨率。?
特殊線圈應(yīng)用?
PCB線圈由于具有設(shè)計(jì)靈活成本較低等等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于電感傳感系統(tǒng)中，但在有些情況下，PCB線圈不能夠滿足應(yīng)用要求，這時(shí)可以使用一些非PCB線圈來(lái)滿足應(yīng)用要求。例如在有些要求極小尺寸線圈的應(yīng)用場(chǎng)合中，可以使用貼片電感來(lái)作為電感傳感器，例如一顆封裝為0603的貼片電感即可用于一些極小空間范圍的接近傳感；另外在有些場(chǎng)合彈簧也可以作為電感傳感器應(yīng)用于LDC1000中，彈簧的形變會(huì)產(chǎn)生電感的變化，通過(guò)檢測(cè)電感的變化就能感知力的變化或者位移的變化?？傊磺芯哂须姼刑匦缘脑?，包括線圈（導(dǎo)線線圈，PCB線圈，或者柔性PCB線圈等）、電感、彈簧等等都可以作為L(zhǎng)DC的測(cè)量元件。?
和PCB線圈不同，電感一般都帶有磁芯，其在較寬的頻帶頻段范圍內(nèi)都具有良好的Q值，在大多數(shù)情況下，為了保證良好的分辨率，盡量選擇相對(duì)較低的諧振頻率，從而保證LDC1000具有足夠多的計(jì)數(shù)值，當(dāng)然較低的諧振頻率也會(huì)降低LDC1000的轉(zhuǎn)換速度。而對(duì)于彈簧元件而言，很多彈簧由于其Q值和阻抗都很低，因此要選擇盡量高的諧振頻率，提高Q值和阻抗，有些彈簧在最高的諧振頻率下可能也達(dá)不到LDC1000要求的阻抗范圍，這時(shí)可以在彈簧上串聯(lián)一個(gè)固定的電感，然后再接入LDC1000，從而使得LC諧振電路的阻抗?jié)M足LDC1000的要求，當(dāng)然由于串聯(lián)了電感器，最終會(huì)犧牲系統(tǒng)的分辨率。
結(jié)語(yǔ)
關(guān)于ldc1000線圈制作設(shè)計(jì)就介紹到這了，如有不足之處之處歡迎指正。