用FDC和LDC實現高精度非接觸感測

電子發燒友網報道（文/李寧遠）電容與電感是電路中的基礎元件，二者都可以用于傳感。電容式傳感器FDC是以電容作為傳感元件，將被測物理量或機械量轉換成為電容變化量的一種轉換裝置，實際上就是一個具有可變參數的電容器，在位移、角度、振動、速度、壓力等方面的測量應用頗多。

電感式傳感器LDC則是利用線圈自感或互感系數的變化來實現非電量電測的一種裝置，在機電控制系統中有著非常廣泛的應用。

FDC：高魯棒非接觸測量

最典型的FDC由上下電極（極板）、絕緣體（電介質）和襯底構成，當薄膜受壓力作用時，薄膜會發生一定的變形，帶動上下電極之間的距離發生一定的變化，從而使電容發生變化，根據電容的變化得出對被測物體的傳感。一般來說，任何基于電容的傳感系統的魯棒性對于可靠性和準確性都很重要，因此如何突破傳統電容技術在魯棒性方面的局限尤為重要。

第一個影響來自溫度，FDC的上下電極間距很小，對結構尺寸的變化很敏感，溫度可能引起的部件的相對位置變化會引發FDC測量不準的問題。因此選擇穩定的材料并設置合理的上下電極間距是提高FDC魯棒性的有效辦法。

第二個是電容的邊緣效應帶來的非線性影響，電容在邊緣處的不均勻電場分布會導致傳感器靈敏度的下降，并使非線性程度加深。想在這一點上提高FDC的魯棒性除了在傳感器布局上做相應的設計，還需要用具有補償功能的測量電路對輸出電容進行非線性補償。

還有一個限制因素則是電容避不開的寄生電容影響，如果FDC本身電容很大這種影響相對來說還小一點，如果FDC本身電容很小那寄生電容會嚴重影響傳感器的電容特性。靜電屏蔽是繁瑣但有效地克服寄生電容的一種手段。

為了減輕FDC外部寄生電容的影響，此前TI提出過一種異相（OoP）技術，通過對稱的傳感器布局，以獨特的方式使用電容數字轉換器上的屏蔽驅動器來抵消外部電容的影響并穩定測量。當時采用異相（OoP）技術的FDC在絕對誤差上相比傳統電容技術有著數量級的提升，消除外部電容影響后FDC的魯棒性有明顯的質的飛躍。

FDC的非線性的這些缺點讓其應用有一定的局限性，但總的來看，FDC結構簡單、動態響應好還能實現非接觸測量，是一類很實用的高精度傳感器。

LDC的多面應用

LDC同樣是一種非接觸測量的傳感手段，利用線圈自感或互感系數的變化來實現非電量電測，在自動化領域有著很多用例。而且因為LDC是無磁體感應，其模擬前端和轉換器不受直流磁場的影響，無需磁體即可運行，能夠用于在位置感應應用中實現亞微米級超高精度。

LDC器件可以應用的方向著實不少，電感式觸控器件在可穿戴設備上和工業HMI上已經代替了很多機械按鈕應用，LDC在觸控按鈕應用里不需要金屬觸點和墊圈這種活動部件，尺寸可以做到非常小，而且比機械式按鈕在各種工況下更穩定，還能通過LDC進行壓力檢測以實現多級按鈕功能。

多通道LDC在監測多個傳感器的系統上也是替代高分辨率差分傳感器的不錯選擇。多通道LDC能使用單個LDC器件來設計多傳感器系統，在連續采樣模式下，這些多通道LDC的功耗通常在幾毫安的量級上，比霍爾效應傳感功耗來得更低，很實用。

而在非動態的接近檢測領域，LDC也一直都是性價比非常高的選擇。這種LDC傳感本質只是一個PCB線圈，成本很低。其感測距離與傳感器線圈的尺寸直接相關，一般1um-10cm是LDC的可行感測范圍。就大多數 LDC器件而言，在高精度高分辨率的應用里其最大感測范圍一般是線圈直徑的 50%，對于低精度低分辨率應用，這個范圍可以擴大到線圈直徑的100%。

這些LDC在各種應用中發揮著獨特的優勢，在自動化控制系統里起著重要的作用。

小結

這些常見的電容式、電感式傳感在應用里都有著獨特的優勢，雖然各自的劣勢讓其應用范圍有著局限性，但是隨著材料、工藝和電子技術的發展，FDC和LDC在盡可能克服短板的同時將其非接觸測量的優勢進一步發揮了出來。