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

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