一種利用電感式感應(yīng)的壓力傳感器及傳感方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于壓力傳感領(lǐng)域，尤其是涉及一種利用電感式感應(yīng)的壓力傳感器及傳感方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的感應(yīng)技術(shù)包括電阻式(開/關(guān))感應(yīng)，F(xiàn)SR(壓力)感應(yīng)、超聲波感應(yīng)、電容式感應(yīng)、霍爾感應(yīng)以及光學(xué)感應(yīng)。但是其中，電阻式感應(yīng)在污染環(huán)境中可靠性低，F(xiàn)SR感應(yīng)的分辨率受限，不能遠距感應(yīng)，超聲波感應(yīng)不適合近程感應(yīng)，電容式感應(yīng)過于敏感且選擇性差，霍爾感應(yīng)需要磁鐵和校正，光學(xué)感應(yīng)在污染環(huán)境中可靠性較低。
[0003]因此，具有廣闊應(yīng)用前景的電感式感應(yīng)進入人們的視線。電感式感應(yīng)的好處在于:不再需要磁鐵，非接觸式感應(yīng)帶來了搞可靠性，對環(huán)境污染物(灰塵、污垢等)不敏感，能實現(xiàn)亞微米級的分辨率，傳感器的成本低，電子設(shè)備可遠離傳感器布置。因此，市場需要一種新型的利用電感式感應(yīng)的傳感器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]導(dǎo)電物體與AC電磁(EM)場相接觸會引起磁場的場強變化，通過一個感應(yīng)裝置，比如電感，能夠檢測到此場強變化。典型地，一個電感器連同一個電容可構(gòu)成一個諧振器，又名LC電路/回路，其可用于產(chǎn)生一個EM場。對于LC回路，磁場干擾效應(yīng)體現(xiàn)為傳感器電感的明顯改變，這進一步體現(xiàn)在振蕩頻率的變化上。根據(jù)此原理，根據(jù)本發(fā)明的傳感器含有電感至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(LDC)，此LDC用于測量LC諧振器的振蕩頻率并進行數(shù)字轉(zhuǎn)換。該傳感器輸出一個與頻率成正比的數(shù)字值。當然，該頻率測量值還能被轉(zhuǎn)換為等效電感。
[0005]技術(shù)上說，AC電流流經(jīng)電感元件時會產(chǎn)生AC磁場。此時，如果導(dǎo)體，比如金屬物體，接近此導(dǎo)體時，該AC磁場會在該導(dǎo)體的表面引發(fā)一環(huán)流(渦流)。該渦流與導(dǎo)體的距離、尺寸和成分相關(guān)。
[0006]所述渦流會引發(fā)其自身的磁場，這個磁場與電感元件產(chǎn)生的原磁場相反。這樣，導(dǎo)體就相當于一個次級線圈，而電感元件則相當于一個初級線圈，兩者之間的耦合效應(yīng)與電感元件，以及導(dǎo)體的電阻率、距離、尺寸和形狀相關(guān)。
[0007]為減少驅(qū)動所述電感元件所需的電能，可在感應(yīng)器中添加了一個與電感元件并聯(lián)的電容，構(gòu)成一個諧振電路(LC回路)，在向電路注入能量時，所述諧振電路在與感應(yīng)器的電感值和并聯(lián)電容值相關(guān)的頻率上震蕩。
[0008]這樣，在測量時只需補償感應(yīng)器中的寄生損失，該寄生損失可由LC電路在運彳丁頻率上的AC串聯(lián)電阻&所代表。這樣，所構(gòu)成的振蕩器被限制在LC電路的諧振頻率上工作，并需要注入足夠的能量以補償串聯(lián)電阻&所造成的損失。
[0009]這樣，次級線圈所造成的磁場的電阻和電感可被模型化為初級線圈上與距離相關(guān)的電抗元件，如圖1所示，感應(yīng)器連同接近的導(dǎo)體整體上可被視為一個并聯(lián)L-C結(jié)構(gòu)，其等效并聯(lián)電阻為RP= L s_r/RsCse_，其中RP為目標距離為d時感應(yīng)器的并聯(lián)電容值；R s為感應(yīng)器的串聯(lián)電阻值；CSENS(]R為感應(yīng)器電容值，其為LC諧振器的電容值C TANK與并聯(lián)電容值C PAR的和山SE_為目標距離為d時感應(yīng)器的電感值。
[0010]可將RP視為感應(yīng)器驅(qū)動器的負載，該負載用于保持震蕩幅度。目標物體(導(dǎo)體)的位置會改變RP的值，反過來，根據(jù)的R 4直我們可以確定目標物體的位置。
[0011 ] 此外，根據(jù)測量的振蕩頻率fSENS(]R，還可計算出諧振器的電感值Lse_r= 1/
(2 π X f sensor) ^ CSENS0R °
[0012]由上可見，目標的位置/距離與計算出的RP和LS_R相關(guān)。
[0013]在具體應(yīng)用中，可在感應(yīng)器中整合一個金屬應(yīng)變片，該金屬應(yīng)變片在外界壓力作用下可產(chǎn)生形變，例如，在壓力作用下靠近或遠離LC諧振器，進而改變LC諧振器的振蕩頻率，根據(jù)以上原理可測量出外界壓力的大小，即實現(xiàn)采用電感方式測量金屬應(yīng)變片(膜)的形變量來檢測壓力的高精度(亞微米級別)的非接觸式測量。
[0014]基于以上所述的電感感測技術(shù)，本發(fā)明提出一種利用電感式感應(yīng)的壓力傳感器，其包括:
[0015]感應(yīng)器，包括具有預(yù)設(shè)諧振頻率的LC諧振器以及可隨外界壓力產(chǎn)生形變并與該LC諧振器分離的金屬應(yīng)變片；
[0016]電感數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，與所述感應(yīng)器的輸出端相連；
[0017]微控制器模塊，與所述電感數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的輸出端相連；
[0018]參考時鐘，提供參考時鐘頻率；以及
[0019]其中，所述電感數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊進一步包括:
[0020]感應(yīng)器驅(qū)動模塊，與所述感應(yīng)器相連，驅(qū)動并調(diào)節(jié)所述感應(yīng)器的LC諧振器使其震蕩幅度保持在恒定水平上；
[0021 ] 阻抗和電感測量模塊，與所述感應(yīng)器驅(qū)動模塊相連，測量所述LC諧振器的阻抗和諧振頻率；
[0022]閾值比較器，與所述阻抗和電感測量模塊相連，將阻抗和電感測量模塊的測量結(jié)果與預(yù)設(shè)的閾值進行比較；
[0023]高分辨率電感測量模塊，與所述感應(yīng)器驅(qū)動模塊相連，測量所述LC諧振器的諧振頻率；
[0024]寄存和邏輯器，與所述阻抗和電感測量模塊以及高分辨率電感測量模塊相連，暫存指令、數(shù)據(jù)和位址并對電感測量模塊以及高分辨率電感測量模塊的測量結(jié)果進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換；
[0025]通信接口，電感數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊通過所述通信接口與微控制器模塊相連。
[0026]優(yōu)選地，所述阻抗和電感測量模塊的測量和高分辨率電感測量模塊的測量異步進行。
[0027]優(yōu)選地，所述電感數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊還包括可變增益放大器。
[0028]優(yōu)選地，在此實施例中，所述通信接口為串行外設(shè)接口(SPI)。
[0029]此外，本發(fā)明還提出了一種利用電感式感應(yīng)的多路壓力傳感器，包括:
[0030]多個感應(yīng)器，每一個感應(yīng)器均包括具有預(yù)設(shè)諧振頻率的LC諧振器以及可隨外界壓力產(chǎn)生形變并與該LC諧振器分離的金屬應(yīng)變片；
[0031]電感數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，與所述感應(yīng)器的輸出端相連；
[0032]微控制器模塊，與所述電感數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的輸出端相連；
[0033]參考時鐘，提供參考時鐘頻率；以及
[0034]其中，所述電感數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊進一步包括:
[0035]多個感應(yīng)器驅(qū)動模塊，驅(qū)動并調(diào)節(jié)所述感應(yīng)器的LC諧振器使其震蕩幅度保持在恒定水平上；以及
[0036]通信接口，電感數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊通過所述通信接口與微控制器模塊相連；處理核心，含有:
[0037]阻抗和電感測量模塊，與所述感應(yīng)器驅(qū)動模塊相連，同時測量所述LC諧振器的阻抗和諧振頻率；
[0038]閾值比較器，與所述阻抗和電感測量模塊相連，將阻抗和電感測量模塊的測量結(jié)果與預(yù)設(shè)的閾值進行比較；
[0039]高分辨率電感測量模塊，與所述感應(yīng)器驅(qū)動模塊相連，測量所述LC諧振器的諧振頻率；
[0040]寄存和邏輯器，與所述阻抗和電感測量模塊以及高分辨率電感測量模塊相連，暫存指令、數(shù)據(jù)和位址并對電感測量模塊以及高分辨率電感測量模塊的測量結(jié)果進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換；
[0041]多路器，連接感應(yīng)器驅(qū)動模塊和處理核心，為活動通道排序。
[0042]優(yōu)選地，所述阻抗和電感測量模塊的測量和高分辨率電感測量模塊的測量異步進行。
[0043]優(yōu)選地，所述電感數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊還包括可變增益放大器。
[0044]優(yōu)選地，在此實施例中，所述通信接口為兩線式串行總線(I2C)。
[0045]再此外，本發(fā)明還提出了一種利用電感式感應(yīng)的壓力傳感方法，包括以下步驟:
[0046](1)提供具有預(yù)設(shè)諧振頻率的感應(yīng)器；
[0047](2)通過感應(yīng)器驅(qū)動模塊向所述感應(yīng)器提供AC電流以產(chǎn)生磁場；
[0048](3)在金屬應(yīng)變片隨外界壓力產(chǎn)生形變時，通過感應(yīng)器驅(qū)動模塊調(diào)節(jié)感應(yīng)器的振蕩幅度使其保持在恒定水平上；
[0049](4)監(jiān)測注入感應(yīng)器中的能量，計算所述感應(yīng)器的等效并聯(lián)電阻RP;
[0050](5)通過與參考頻率fREF的比較獲得感應(yīng)器的振蕩頻率f SENSOR；
[0051](6)對測量出的等效并聯(lián)電阻RP和振蕩頻率f SENS(]R進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換；
[0052](7)將等效并聯(lián)電阻RP和振蕩頻率f S_R的測量結(jié)果和預(yù)設(shè)的閾值進行比較，輸出開關(guān)信號。
[0053]根據(jù)本發(fā)明的利用電感感測技術(shù)的傳感器可實現(xiàn)對線性/角位置、位移、運動、壓縮、振動、金屬成分以及市面上包括汽車、消費類、計算機、工業(yè)、醫(yī)療和通信應(yīng)用在內(nèi)的很多其他應(yīng)用的高精度測量。電感感測技術(shù)能夠以低于其他競爭對手解決方案的成本提供更為出色的性能和可靠性。
【附圖說明】
[0054]根據(jù)下文的詳細描述并結(jié)合附圖，本發(fā)明的特征、特性以及優(yōu)勢會將會變得更加顯而易見，其中相同的附圖標記表示相同的特征，并且其中:
[0055]圖1為LC諧振器的并聯(lián)電學(xué)模型；
[0056]圖2為根據(jù)本發(fā)明的利用電感式感應(yīng)的傳感器的原理框圖；
[0057]圖3為根據(jù)本發(fā)明的利用電感式感應(yīng)的多路傳感器的原理框圖；
[0058]圖4為根據(jù)本發(fā)明的利用電感式感應(yīng)的傳感方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0059]如圖2所述，在一個優(yōu)選實施例中，根據(jù)本發(fā)明的利用電感式感應(yīng)的傳感器包括感應(yīng)器1、電感數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊2、微控制器模塊3以及參考時鐘4，其中感應(yīng)器1由LC諧振器11和金屬應(yīng)變片12組成，電感數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊2由感應(yīng)器驅(qū)動模塊21、阻抗和電感測量子模塊22、閾值比較器23、高分辨率電感測量模塊24、寄存和邏輯器25以及通信接口 26組成。
[0060]工作中，電感數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊2能夠同時測量連接的感應(yīng)器1中LC諧振器11的阻抗RP和振蕩頻率f SENS0R,即通過使用諧振器感應(yīng)導(dǎo)電材料的接近和移動，使得其能夠用于直接測量物理系統(tǒng)的變化。
[0061]根據(jù)本發(fā)明的傳感器通過閉環(huán)調(diào)節(jié)諧振器的振蕩幅度使其保持在恒定電平上，同時監(jiān)測諧振器的能量消耗，進而算出感應(yīng)器的阻抗和振蕩頻率，即通過監(jiān)測注入諧振器中的能量/電流I，所述傳感器能夠計算出所述諧振器的等效并聯(lián)電阻，RP，并對其進行數(shù)字化處理后作為數(shù)字值返回。
[0062]此外，所述傳感器的閾值比較器模塊能夠?qū)ψ杩购碗姼袦y量子模塊(RP+L)的轉(zhuǎn)換結(jié)果和可編程的閾值進行比較，即通過對測出的感應(yīng)器頻率和提供的參考頻率進行比較，給出開關(guān)信號。測出的傳感器頻率fSENS(]R可用于測定LC電路的電感L SENS0RO
[0063]具體地，本發(fā)明的感應(yīng)器1含有LC諧振器11和金屬應(yīng)變片12，其中，LC諧振器1