LDC系列电感式传感器介绍

大家好 欢迎来到家电部分TI在线工业研讨会 我是Kim 那上一讲 我们谈到了会用五个主题 那我们首先讲的是电感式传感器 传感器是inductance-to-digital converter 是电感量到数字量的一个变化 在TI呢 这一类的产品 我们都是以LDC开头的一些物料 大家可以在网上找到它们的资料 那首先看看这样一个方案大概长什么样子 这个方案的主体是有三个部分组成 第一是这个传导体 第二是 PCB线圈组成的一个传感器 第三是我们的LDC的一个驱动器 那这样一个应用主要是可以做些什么东西呢 就是类似一些旋钮 一些开关 按键 以及一些旋转检测的 应用 以及一些金属检测 这样的一些应用 它的主体 主要用在家电里面用于类似于冰箱 洗衣机 抽油烟机 电磁炉 或者厨电这样的一些应用场合 那它能对你的系统能带来什么好处呢 我们举个例子 以这个抽油烟机为例 抽油烟机因为在这种高油烟的工作环境下 它的清洗是个大难题 如果你在工业设计上有一个非常好的设计 我能设计成一个一体化的金属板面 我的清洁 就会变得相对简单很多 或者是 一体化玻璃板面 也是一样的一个情况 因为LDC本身是作为这一个 金属的检测所以很容易可以做到一体化的金属 所以是比较适合于类似充电机这样的应用 同时呢 因为它本身是一个非接触式的传感 所以它是适合用在一些工业设计底下 不太适合做接触检测的一些场合 另外呢 它给你的系统带来一个低成本的传感器 因为它的传感器是用PCB线圈做成的 那它主体的应用场合大概是这些 然后呢 我们再来看下它的工作原理 大家可以通过这个动画可以看得比较清楚 这样的一个原理有三个结构组成 LDC 然后 LC的一个谐振网络以及这个金属导体 那可以看到这个金属导体在变化的时候呢 它感应到了LDC网络的这个磁感线 也是在变化的磁感线的变化会引起能量的变化 相当于说 我的金属在变化的时候 会引起LDC协作网络能量以及它的 旋转频率的变化 那我的LDC的驱动器 它是通过定时地去驱动这样一个网络 同时检测它的一个旋转频率 来感知我的这个金属的形变 那它的数学模型 大家可以看到右边 它的数学模型主要有几个部分组成 第一个是可变的一个阻抗 以及耦合系数 耦合系数在上面体现出来 就是距离的变化 那这个传导体的阻抗体现在 就是金属的面积金属与整个谐振网络的距离 以及金属的这个材质 那我的材质的变化大小的变化 距离的变化 都能引起这个谐振网络的变化 LDC可以通过测量这个频率来感知这个 这个金属的这些变化 它的基本原理就是这样子 下面呢 我给大家讲解一个例子 一个例子 我们叫touch metal 是一体化金属的按键 大家可以看到 一体化金属按键的主体 是两个部分 一个是PCB线圈 一个是一体化的一个金属 然后在这个金属上系统设计上只有一个要求 那就是我希望这个传感器的线圈上面 是一个允许金属形变的活动空间 那你可以通过开浅槽或垫垫片的方式 来达到这个目的 大家可以看到我们在使用这样的一个按键的时候 我手指按下去了 手指按下去的时候它会形成 使得这一个 金属与传感器线圈的距离 发生变化 像上面 我们刚才提到的耦合系数 显然是在变化的 耦合系数变化会引起这个谐振网络频率的变化 那这个变化呢能被我们的LDC感应出来 同时它会以一个频率数值的数据量 反馈给使用者 那目前 我们的LDC会根据不用的金属 不同的金属的厚度或者线圈的按钮的大小 会有不同的一些测量精度 那目前我们取到的一个比较好的精度 大概是5微米 它是能够被我们的LDC检测到的 因为LDC本身就有很高的频率 去测量这样的一个谐振网络 所以它能测量到一个非常小的谐振频率的变化 那这样的一体化金属的按键 适合什么样的应用呢就是刚才提到的类似于冰箱 类似于洗碗机 洗衣机 [听不清] 抽油烟机之类的一些应用 那这样的一个touch metal的这样的一个按键 有好几个好处第一个 我不仅用来感知这一个 按键是否按下去了 我还可以感知按键下面的这个力度 因为我们是模拟量的一个检测 所以是连续可测的 另外呢 因为我有一边是金属 这个金属其实可以跟我系统的大地连在一起 整个EMI和防水的效果 其实都会非常好 另外一个 与电容传感器的一些对比 就是因为它使用的是距离的变化 来测量的 不像电容依靠的是人体 本身的一个感应量来做测量 所以它是可以戴着手套去操作的 总体来说呢Touch-on-metal 设计的一体化金属 一体化板面的[听不清]的设计 我们看一下LDC13 14 这样的物料是如何实现我们刚才说的那种测试的 首先 LDC13系列是有12和14 分别是两风道和四风道的器件 它能感知谐振码的纹路 是1K赫兹到10兆赫兹的这个非常宽范围 那大家可以看到它的一个内部结构 有几个主体部分一个是谐振网络的驱动前端 然后有一个是系统的总时钟 这个谐振前端呢通过激励一定的电流 去给这个谐振电路充电 充满电之后呢让这个LC网络自然谐振 然后还是通过AP线 检测这个谐振网络的频率 然后谐振网络呢会返回来跟我们的系统时钟进行对比 来测量到我这个谐振网络 频率到底在哪一个位置 从而通过[听不清]接口给用户输出一个相对的频率量 所以这样一个应用是非常容易实现的 而且 因为类似按键的这样一个应用呢 不需要快速的响应 因为是可以通过两路或四路 这样的应用能够外挂成多个按键 来给你的系统带来比较好的智能控制 同时呢 因为传感器是依赖于 普通的PCB 稳定性是比较高的 不会随我的温度或老化 有太明显的一个变化 那像我们的这种电感式传感器呢 我们有非常多的一个路标 目前呢 在市场上已经可以看得到 已经量产的有LDC161x 131x 以及LDC8051这样的一些器件 那么它覆盖5伏和3.3伏的一些电轨 也覆盖到汽车级的一些应用 有连续的模拟量的检测 分别是一些低精度和高精度 也有简单的开关量的检测 那我们如何开启电感式传感器的应用呢 首先在TI呢 有很多参考设计 大家可以看到 有很多 主体是两个部分 一个做的是旋钮 一部分做的是按键 大家可以看到我们刚才举例的案例 就是这种一体化的板面的按键 旋钮或者这种1度的转盘 或者简单的这种用开关量做的计数 水流的计算 那我们看了参考设计之后呢 我们可能在使用这样的一个电感式传感器的时候 难点就是我如何设计我的线圈 或者我如何知道我的线圈应该设计多少 那你可以在TI 官网上找到WEBBENCH 这个工具 底下有这个传感器线圈的设计 那大家进去可以看到 他会告诉你 你应该选择的一个线圈的形状 然后你可能希望检测这个距离有多大 然后检测的这个距离的精度有多高 然后我允许的 上面的这个金属 我大概允许它有多宽 然后选择什么通用的 那个金属 点击开启后 它会帮你生成一个 设计所需要的一个线圈 或者你可以找到我们TI 的接入支持 来帮你一起探讨这个结构以及线圈的设计 那这里面 给大家强调几点 几个参考设计第一个是我们的TIDA-01102 可以看到是一个刚才提到的一体化 金属板面的一个按键 这下面是一组16个线圈阵列 中间是用PCB做的一个隔板 那这样的按键是一个一体化的金属 然后可做成16个按键 通过一个LDC 要利用[听不清] 另外呢 还有类似于一些旋钮 那旋钮这一段呢 我们做的是一种 非接触式的旋钮 就是我们保证这样的一个ID设计是一个一体化的板面 大家可以看到我们通过四个线圈感应一个E形的 金属片 感应一个E形的金属片 我们通过旋转这个E形的金属片 我四个线圈感应出来的这个 电感量的变化来感知它的旋转的角度 还有一些简单的应用 比如水流的流量计 那在结构上可能不太方便去做 这个接触式的一些检测 那它可以做非接触式的检测 我通过线圈装在外部感应 它里面的这个转子 以及上面金属的变化 就来做一个计数 来感知它的流量以及方向 最后 还是我们的在线资源 谢谢大家