用FDC和LDC实现高精度非接触感测

电子发烧友网报道（文/李宁远）电容与电感是电路中的基础元件，二者都可以用于传感。电容式传感器FDC是以电容作为传感元件，将被测物理量或机械量转换成为电容变化量的一种转换装置，实际上就是一个具有可变参数的电容器，在位移、角度、振动、速度、压力等方面的测量应用颇多。
 
电感式传感器LDC则是利用线圈自感或互感系数的变化来实现非电量电测的一种装置，在机电控制系统中有着非常广泛的应用。
 
FDC：高鲁棒非接触测量
 
最典型的FDC由上下电极（极板）、绝缘体（电介质）和衬底构成，当薄膜受压力作用时，薄膜会发生一定的变形，带动上下电极之间的距离发生一定的变化，从而使电容发生变化，根据电容的变化得出对被测物体的传感。一般来说，任何基于电容的传感系统的鲁棒性对于可靠性和准确性都很重要，因此如何突破传统电容技术在鲁棒性方面的局限尤为重要。
 
第一个影响来自温度，FDC的上下电极间距很小，对结构尺寸的变化很敏感，温度可能引起的部件的相对位置变化会引发FDC测量不准的问题。因此选择稳定的材料并设置合理的上下电极间距是提高FDC鲁棒性的有效办法。
 
第二个是电容的边缘效应带来的非线性影响，电容在边缘处的不均匀电场分布会导致传感器灵敏度的下降，并使非线性程度加深。想在这一点上提高FDC的鲁棒性除了在传感器布局上做相应的设计，还需要用具有补偿功能的测量电路对输出电容进行非线性补偿。
 
还有一个限制因素则是电容避不开的寄生电容影响，如果FDC本身电容很大这种影响相对来说还小一点，如果FDC本身电容很小那寄生电容会严重影响传感器的电容特性。静电屏蔽是繁琐但有效地克服寄生电容的一种手段。
 
为了减轻FDC外部寄生电容的影响，此前TI提出过一种异相（OoP）技术，通过对称的传感器布局，以独特的方式使用电容数字转换器上的屏蔽驱动器来抵消外部电容的影响并稳定测量。当时采用异相（OoP）技术的FDC在绝对误差上相比传统电容技术有着数量级的提升，消除外部电容影响后FDC的鲁棒性有明显的质的飞跃。
 
FDC的非线性的这些缺点让其应用有一定的局限性，但总的来看，FDC结构简单、动态响应好还能实现非接触测量，是一类很实用的高精度传感器。
 
LDC的多面应用
 
LDC同样是一种非接触测量的传感手段，利用线圈自感或互感系数的变化来实现非电量电测，在自动化领域有着很多用例。而且因为LDC是无磁体感应，其模拟前端和转换器不受直流磁场的影响，无需磁体即可运行，能够用于在位置感应应用中实现亚微米级超高精度。
 
LDC器件可以应用的方向着实不少，电感式触控器件在可穿戴设备上和工业HMI上已经代替了很多机械按钮应用，LDC在触控按钮应用里不需要金属触点和垫圈这种活动部件，尺寸可以做到非常小，而且比机械式按钮在各种工况下更稳定，还能通过LDC进行压力检测以实现多级按钮功能。
 
多通道LDC在监测多个传感器的系统上也是替代高分辨率差分传感器的不错选择。多通道LDC能使用单个LDC器件来设计多传感器系统，在连续采样模式下，这些多通道LDC的功耗通常在几毫安的量级上，比霍尔效应传感功耗来得更低，很实用。
 
而在非动态的接近检测领域，LDC也一直都是性价比非常高的选择。这种LDC传感本质只是一个PCB线圈，成本很低。其感测距离与传感器线圈的尺寸直接相关，一般1um-10cm是LDC的可行感测范围。就大多数 LDC器件而言，在高精度高分辨率的应用里其最大感测范围一般是线圈直径的 50%，对于低精度低分辨率应用，这个范围可以扩大到线圈直径的100%。
 
这些LDC在各种应用中发挥着独特的优势，在自动化控制系统里起着重要的作用。
 
小结
 
这些常见的电容式、电感式传感在应用里都有着独特的优势，虽然各自的劣势让其应用范围有着局限性，但是随着材料、工艺和电子技术的发展，FDC和LDC在尽可能克服短板的同时将其非接触测量的优势进一步发挥了出来。