常见的电感式和电容式感测应用

1、电感式和电容式工作原理
- 1.1 电感式感测工作原理
- 1.2 电容式感测工作原理
2 FDC：电容式液位感测
- 2.1 电容技术在液位感测中的优势
- 2.2 电容式液位感测入门
3 LDC：电感式触控按钮
4 LDC：增量编码器和事件计数
5 LDC：金属接近传感器
- 5.1 金属接近检测中的电感技术优势
- 5.2 为金属接近应用选择电感式感测时应考虑的标准
- - 5.2.1 金属目标相对于电感线圈的运动

1、电感式和电容式工作原理

1.1 电感式感测工作原理

LDC 器件应用谐振感测原理。连接到 LDC 的传感器实质上是一个与电感器并联的固定电容器，此电感器通常是印
刷在 PCB 上的线圈，如图 1-1 所示。

固定电容器和电感线圈构成 LDC 运行所需的外部 LC 振荡电路。使用方程式 1 计算此 LC 振荡电路的固有谐振频
率。

当导电目标接近电感线圈时，导电目标表面会形成涡流。这些涡流的磁场会阻碍电感线圈的电流，从而降低系统
的电感并提高谐振感测频率。LDC 器件将谐振感测频率转换为数字值，以供用户查看。金属目标上的移频如图
1-2 所示。

1.2 电容式感测工作原理

TI 的 FDC1004 采用传统的开关电容法进行电容式感测。它包括一个有源屏蔽驱动器，有助于将磁场集中到所需
的方向。如果工程师只想监测液体的方向，而不想监测人手或该区域中其他寄生电容的附加影响，则这在液体感
测应用中非常有用。
液位感测系统的传感器电极由感测和接地电极组成。该器件测量两个电极之间的边缘电容，此电容随电介质（或
液位）的变化而变化

2 FDC：电容式液位感测

电容式液位感测允许采用非接触式液位感测，与容易生锈的机械式液位感测器相比，它能够提供更可靠的解决方
案。TI 的电容式液位感测解决方案包含一个有源屏蔽驱动器，可以减少外来物体（如人手）带来的干扰。工程师
可以通过采用异相技术的屏蔽驱动器来进一步稳定测量值并最大限度地提高 SNR。

常见应用包括：雨刷液和冷却液液位检测、咖啡机、冰箱、小油箱和 3D 打印机。

2.1 电容技术在液位感测中的优势

电容技术在液位感测应用中具有独特的优势：
• 非接触式解决方案，这与容易生锈的机械解决方案完全不同
• 灵活的系统设计，传感器可以是任何金属或导体，这对低成本的系统设计很有用
• 精确的液体高度分辨率 (< 1mm)
• 可以使用柔性 PCB 处理棘手的容器形状，并允许在各种表面形状上放置传感器

2.2 电容式液位感测入门

FDC1004 集成了有源屏蔽驱动器，因而成为液位感测的优选器件。

用于液位感测的关键 FDC1004 参数：
• 有源屏蔽驱动器，有助于聚焦电容式传感器的感测方向，并减少来自意外目标的干扰。
• 一个封装中的四个独立差分通道为差分和比例式测量提供了小尺寸解决方案：
– 液位感测器
– 参考传感器
– 环境传感器用于补偿环境变化（温度、湿度、容器上的压力等导致的）
• 每个通道的寄生电容补偿高达 100 pF，允许补偿来自长信号路径的外部干扰
• 高分辨率，可实现小于 1mm 的精度

3 LDC：电感式触控按钮

与传统的机械式按钮相比，非接触式电感式按钮由于按钮表面的磨损更少而具有更长的储存寿命。非接触式电感
式按钮还可在充满碎屑的环境中提供可靠的性能。传感器是一个 PCB 线圈，而目标是一个平坦的金属表面。当用
户按下电感式按钮时，金属会向 PCB 线圈偏转，这会记录为按下按钮。线圈可以检测施加在表面上的不同级别的
力，以实现多级别功能。

常见应用包括：汽车信息娱乐按钮，工业设备和 POS 终端上的按钮，以及智能手表和扬声器上的按钮。

4 LDC：增量编码器和事件计数

增量编码器可以在旋钮上检测旋钮位置的增减（音量旋钮）。即使设备关闭，绝对编码器也会跟踪旋钮的确切位
置（炉子上的温度旋钮）。

常见应用包括：电器（洗衣机、烘干机、冰箱、炉灶）上的旋钮、风扇转速计数，以及工业应用中的轮齿计数。
其他应用包括个人电子产品上的音量旋钮。

事件计数器用于检测速度并计算电机、风扇、流量计或齿轮的粗略位置。由于材料成本的原因，替代解决方案可
能成本高昂，而且在脏乱的环境中不稳定。

5 LDC：金属接近传感器

在某些应用中，电动工具和其他工业设备必须经常检测金属（例如管道探测仪）。基于电感的技术是金属检测的
理想选择，因为电感-数字转换器可以感测金属的存在或接近度。电感式传感器还可以检测弹簧的压缩程度，并可
以测量旋转系统的速度和位置（例如轮齿计数）。

常见应用包括：电动工具和管道探测仪中的金属检测，以及弹簧压缩检测。

5.1 金属接近检测中的电感技术优势

电感技术可以在金属接近检测中提供独特的优势：
• 不受污垢和灰尘影响
• 不受磁体影响且不需要磁体
• 传感器只是一个 PCB 线圈，目标是任何金属材料，因而尺寸小且成本较低

5.2 为金属接近应用选择电感式感测时应考虑的标准

虽然电感式感测具有独特的优点，但务必要了解金属接近检测的实现标准。以下是在考虑金属接近检测应用时需
要考虑的一些重要事项。

5.2.1 金属目标相对于电感线圈的运动

一般而言，z 轴（轴向感测）的运动可以比 x 轴和 y 轴的运动具有更高的灵敏度。
就线圈的形状而言，因为圆形线圈可为给定尺寸的电感器提供更高的 Q 系数，所以建议使用圆形线圈。对于因空
间限制而只允许使用较小线圈的应用，可以引入矩形线圈，但需要权衡感测距离等因素。

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