電感傳感是一項非接觸傳感技術，不僅可用來測量位置、運動以及目標物的成分，而且還可用來檢測彈簧的壓縮、擴張與扭曲度。
本文主要介紹ldc1000線圈設計，并對ldc1000工作原理及其結構進行了闡述。
ldc1000
LDC1000是TI推出的業界首顆電感數字轉換器，其能夠完成對LC網絡電感和阻抗的測量，從而實現電感傳感技術。在設計電感傳感系統時，除了要考慮相關的電路設計，更重要的是要考慮系統需求并設計相應的線圈。本文簡要介紹LDC1000的工作原理，重點討論各種線圈的設計要點。
ldc1000引腳圖
2、在裸露的模具連接墊（DAP）和設備的GND引腳之間有一個內部電連接。雖然DAP可以懸空，為了達到最佳性能，DAP應連接到與設備的GND引腳相同的電位。不使用作為該裝置的主要地面的DAP。設備接地引腳必須始終連接到地面。
ldc1000線圈自制設計及接法
工作原理
ldc1000結構圖
當LDC1000工作時，其輸出引腳向外置電感輸出高頻激勵信號，在電感附近會產生一個高頻磁場，此時當有金屬物接近時，高頻磁場就會在金屬物內部產生渦流效應，這種渦流電流會產生一個新的磁場進而影響原來的磁場，從而改變了原來LC網絡的電感值和阻抗，不同的接近距離，不同的金屬類型，不同的金屬尺寸都會產生不同大小的影響，從而通過電感和阻抗的改變，可以實現距離，金屬類型，尺寸大小等測量；而通過系統的設計，可以把測量的物理量擴展到距離、角度、位移、開關、力、形變、振動等等各種物理量，因此LDC1000的應用非常廣泛。
如Figure?2所示為LDC1000結構框圖，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是電感的等效串聯電阻，C是外接的諧振電容。LDC1000內部有一個高頻振蕩器，不斷輸出掃頻信號，當外部LC網絡發生諧振時，LC諧振回路的阻抗最大，此時輸出引腳處電壓最大，通過維持輸出引腳保持在某個最大電壓值，從而維持LC網絡總是處于諧振狀態。
線圈與系統設計
從理論上來講，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LDC的測量元件。由于PCB線圈具有低成本、高靈敏度、設計靈活、一致性優良等特點，因此大多數LDC應用中使用PCB線圈作為電感傳感器。?
上文中已經提到，LDC1000可以完成對LC并聯電路電感和阻抗的測量，但是由于阻抗易受溫度影響，而電感具有良好的穩定性，因此除了在金屬鑒別以外的大多數應用中，推薦使用電感作為測量參數。本文主要從電感角度出發，講述線圈設計要點。當然阻抗在靈敏度和噪聲等方面也有類似的特點，也可以以此作為參考。
在具體的系統設計中，需要考慮的參數有：PCB線圈幾何參數設計、目標物選擇以及諧振頻率選擇，其中PCB線圈幾何參數設計將決定感應距離，同時也會影響線圈的阻抗、Q值和自諧振頻率；目標物選擇會影響測量的靈敏度；而諧振頻率的選擇不僅影響到線圈的阻抗和Q值，并且還會影響LDC1000的采樣率和分辨率等等參數，下文將重點圍繞這三個參數詳細講述。??
PCB線圈幾何參數設計?
PCB線圈結構圖如下圖Figure?3所示，圖中以雙層板線圈為示例，從圖中可以看出，線圈幾何參數設計需要涉及到4個參數：線圈直徑（D）、線圈線徑（w）、線圈線距（s）以及線圈層數
對電感傳感來說，PCB線圈的直徑非常重要。因為PCB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距離，同時也決定了傳感器對于目標物距離變化的感應靈敏度。?
為了形象地說明這個問題，通過對5mm、10mm，14mm，20mm以及50mm共5種不同直徑的線圈進行測試，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）。測試時使用鋁合金6061作為目標物，且目標物的直徑大于等于線圈直徑，不斷改變目標物和線圈之間的距離，記錄距離變化時電感的變化，實驗結果如Figure?4所示：
圖中橫軸表示線圈距離目標物距離與線圈直徑的百分比比值，縱軸則是線圈當前電感值與線圈最大電感值（線圈附近無金屬物時的電感值）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曲線，Figure?4中5mm線圈在位移零點處相對其它線圈區別較大，這是因為5種線圈的厚度都是1.6mm，當線圈直徑很小時，線圈厚度所造成的零點位置的定義會有所誤差，因為在測試過程中都是以線圈直面目標物的那一面作為位移起始零點的。???????
從Figure?4中可以讀出以下信息：?
1,?對于PCB線圈而言，最大感應距離大約是線圈的直徑；??2,?隨著線圈和目標物距離的增大，靈敏度快速下降；?
3,?當線圈和目標物距離大于線圈半徑時，靈敏度已經嚴重下降，因此要想保持良好的靈敏度，線圈和目標物距離要小于直徑的一半，最好是直徑的四分之一。?
同時PCB的直徑也會影響線圈的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、層數以及工作頻率的情況下，直徑越大，Q值越高，同時阻抗也越大，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、線徑線距（在實際設計中線圈線徑與線距往往相同或者相近，所以這兩個參數一起論述）也會決定線圈的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。
線圈設計示例
假設一個系統待測距離范圍是1~3mm，要求測量分辨率為10μm，采樣速度為100Hz，具體設計步驟如下：?
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，最大待測距離應該小于線圈直徑的四分之一，所以線圈直徑應該大于12mm，這里取14mm；?
2,PCB層數選擇：由于14mm直徑線圈直徑相對較大，即使通過普通雙層PCB工藝也能夠實現kΩ級的阻抗，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。經測試，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Figure?4可以看出，對于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，假設噪聲位為2位（大量實驗結果顯示LDC1000電感測量噪聲位一般約為1~3位，因線圈阻抗、Q值以及系統條件不同而異），有效分辨率約為7.8位，因此在1~3mm的距離變化范圍內大約可以得到9微米的分辨率。???????
搭建系統，使用鋁合金作為目標金屬，系統測試結果如下圖所示：
橫軸為金屬目標物與線圈間的距離，主縱軸為線圈電感，第二縱軸為位移測量的分辨率。從測試結果來看，在1~3mm的距離變化范圍內，電感變化范圍為12μH~17μH，位移測量分辨率在1mm處約為3μm，在3mm處約為9μm，基本符合系統設計要求。另外由于采樣率約為1.7kHz，而系統需求為100Hz，因此可以使用數字滑動平均濾波器或者其它數字濾波方法進一步提高系統測量分辨率。?
特殊線圈應用?
PCB線圈由于具有設計靈活成本較低等等特點，因此廣泛應用于電感傳感系統中，但在有些情況下，PCB線圈不能夠滿足應用要求，這時可以使用一些非PCB線圈來滿足應用要求。例如在有些要求極小尺寸線圈的應用場合中，可以使用貼片電感來作為電感傳感器，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；另外在有些場合彈簧也可以作為電感傳感器應用于LDC1000中，彈簧的形變會產生電感的變化，通過檢測電感的變化就能感知力的變化或者位移的變化。總之一切具有電感特性的元件，包括線圈（導線線圈，PCB線圈，或者柔性PCB線圈等）、電感、彈簧等等都可以作為LDC的測量元件。?
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都具有良好的Q值，在大多數情況下，為了保證良好的分辨率，盡量選擇相對較低的諧振頻率，從而保證LDC1000具有足夠多的計數值，當然較低的諧振頻率也會降低LDC1000的轉換速度。而對于彈簧元件而言，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不到LDC1000要求的阻抗范圍，這時可以在彈簧上串聯一個固定的電感，然后再接入LDC1000，從而使得LC諧振電路的阻抗滿足LDC1000的要求，當然由于串聯了電感器，最終會犧牲系統的分辨率。
結語
關于ldc1000線圈制作設計就介紹到這了，如有不足之處之處歡迎指正。