谐振感应位移传感器

谐振感应位移传感是一种非接触式的直线位移和旋转位移传感技术.它是工业标准LVDT(线性传感)和RVDT(旋转传感)的发展。

关键的区别在于复杂的线圈绕组被用传统的PCB技术建造的传感器板所取代。印刷线圈在印刷电路板上显着地降低了成本，并允许传感器与其他电路紧密集成。

图1：50 mm线性谐振电感传感器

与LVDTs和RVDT不同，移动元件不需要与感测线圈仔细地对齐。相反，磁耦合谐振器标记目标的位移。这有一个独特的电子签名，类似于音叉的振动。这种振动很容易与传感器附近的金属和其他物品区别开来，否则传感器会和目标一起被检测到。

图2：TDK-EPC制作的谐振感应传感器目标

用于制造目标电感的线圈可以像上面所示的那样缠绕，或者印刷在PCB上。绕组产生更高的质量因数，这意味着更大的信号，因此更高的分辨率和更好的抗电磁干扰。

图3：简单谐振电感传感器的等效电路

谐振感应位移传感器利用线圈对目标内部的谐振腔进行能量化，并检测其返回的信号。线圈的数量和形状取决于应用和传感几何。Wacom公司生产的平板电脑中使用的数字化器能感觉到笔内谐振器相对于显示器后面的感应板的位移。这可能是17英寸宽，包括一个x/y阵列可能50线圈。然而，对于感应线性和旋转位移，需要的线圈数目要少得多。实际最小值为3，如上面的等效电路所示。

谐振感应式位移传感器所需的处理电子学必须感测目标和传感器线圈之间的耦合因子(上图中的kCOS和kSIN)。位移是根据这些值计算的。这种计算通常是按比例计算的，因此绝对信号电平、Q因子和温度的影响最小。

常用的两种不同的耦合因素检测方法是：连续回波法和脉冲回波法。为了连续工作，电子处理器将电流驱动到传感器的励磁线圈中，并连续测量谐振腔在传感器线圈中产生的EMF。为了帮助将谐振器的信号从附近金属的信号中分离出来，以及从激励到传感器线圈的直接突破，处理器采用了同步检测。检测的电相位与不想要的信号相距90°，从而消除它们。然而，由于单位的变化和温度的变化，对相位的精确控制是很困难的，而残余突破会导致不精确和漂移。

脉冲回波检测在高质量的系统中得到了广泛的应用，因为它将谐振腔的信号与不需要的信号清晰地分离开来。处理电子学首先产生激励波形，其包括在谐振器频率处的若干个电流周期。这种电流会在谐振器中产生振荡。然后移除电流。谐振器中的振荡开始衰减。电子处理检测由传感器板的传感器线圈中的衰减振荡引起的EMF。这些EMF与谐振器和传感器线圈之间所需的耦合因子成正比。

图4：脉冲回波询问

如上所述，传感器板有不同的尺寸和几何形状。这些细节决定了耦合因子与位移之间的关系，因此也决定了处理器内部所需的计算。最简单的线圈结构之一是产生耦合因子和位移之间的正弦关系，其中COS和SIN线圈处于(空间)相位正交。这可以通过下面所示的线圈布局来实现。

图5：具有正弦传感器线圈图案的线性传感器

围绕传感器周长的激励线圈“照亮”谐振腔(KEX)与位移无关。正弦线圈产生正弦耦合因子的变化，COS线圈的正交等效。在这种情况下，位移的计算使用“4象限逆切线”。这相当于测量(kCOS，kSIN)矢量的角度(PR)，如下所示。

图6：正弦图案传感器的位移计算

这种计算是比率法的，因为它只取决于两个耦合因子kCOS和kSIN的相对值。如果两者都加倍或减半，角度PR保持不变。这就产生了对电源电压、线圈电阻、温度和加工电子学灵敏度的影响。

谐振电感位移传感器的处理电子学理想地实现在诸如来自剑桥IC的CAM 204中央跟踪单元(CTU)芯片上。这可以与各种不同的线性和旋转传感器一起使用。谐振感应位移传感的一个吸引人的特点是单片测量多轴的能力，如下所示。这种安排产生了一个特别经济有效的解决方案，因为相同的芯片可以感测多轴。

图7：采用单处理器芯片的多轴谐振式位移传感器系统

下表总结了谐振感应位移传感器的优缺点。