一种利用电感式感应的压力传感器及传感方法
【技术领域】
[0001]本发明属于压力传感领域，尤其是涉及一种利用电感式感应的压力传感器及传感方法。
【背景技术】
[0002]现有的感应技术包括电阻式(开/关)感应，FSR(压力)感应、超声波感应、电容式感应、霍尔感应以及光学感应。但是其中，电阻式感应在污染环境中可靠性低，FSR感应的分辨率受限，不能远距感应，超声波感应不适合近程感应，电容式感应过于敏感且选择性差，霍尔感应需要磁铁和校正，光学感应在污染环境中可靠性较低。
[0003]因此，具有广阔应用前景的电感式感应进入人们的视线。电感式感应的好处在于:不再需要磁铁，非接触式感应带来了搞可靠性，对环境污染物(灰尘、污垢等)不敏感，能实现亚微米级的分辨率，传感器的成本低，电子设备可远离传感器布置。因此，市场需要一种新型的利用电感式感应的传感器。
【发明内容】
[0004]导电物体与AC电磁(EM)场相接触会引起磁场的场强变化，通过一个感应装置，比如电感，能够检测到此场强变化。典型地，一个电感器连同一个电容可构成一个谐振器，又名LC电路/回路，其可用于产生一个EM场。对于LC回路，磁场干扰效应体现为传感器电感的明显改变，这进一步体现在振荡频率的变化上。根据此原理，根据本发明的传感器含有电感至数字转换器(LDC)，此LDC用于测量LC谐振器的振荡频率并进行数字转换。该传感器输出一个与频率成正比的数字值。当然，该频率测量值还能被转换为等效电感。
[0005]技术上说，AC电流流经电感元件时会产生AC磁场。此时，如果导体，比如金属物体，接近此导体时，该AC磁场会在该导体的表面引发一环流(涡流)。该涡流与导体的距离、尺寸和成分相关。
[0006]所述涡流会引发其自身的磁场，这个磁场与电感元件产生的原磁场相反。这样，导体就相当于一个次级线圈，而电感元件则相当于一个初级线圈，两者之间的耦合效应与电感元件，以及导体的电阻率、距离、尺寸和形状相关。
[0007]为减少驱动所述电感元件所需的电能，可在感应器中添加了一个与电感元件并联的电容，构成一个谐振电路(LC回路)，在向电路注入能量时，所述谐振电路在与感应器的电感值和并联电容值相关的频率上震荡。
[0008]这样，在测量时只需补偿感应器中的寄生损失，该寄生损失可由LC电路在运彳丁频率上的AC串联电阻&所代表。这样，所构成的振荡器被限制在LC电路的谐振频率上工作，并需要注入足够的能量以补偿串联电阻&所造成的损失。
[0009]这样，次级线圈所造成的磁场的电阻和电感可被模型化为初级线圈上与距离相关的电抗元件，如图1所示，感应器连同接近的导体整体上可被视为一个并联L-C结构，其等效并联电阻为RP= L s_r/RsCse_，其中RP为目标距离为d时感应器的并联电容值；R s为感应器的串联电阻值；CSENS(]R为感应器电容值，其为LC谐振器的电容值C TANK与并联电容值C PAR的和山SE_为目标距离为d时感应器的电感值。
[0010]可将RP视为感应器驱动器的负载，该负载用于保持震荡幅度。目标物体(导体)的位置会改变RP的值，反过来，根据的R 4直我们可以确定目标物体的位置。
[0011 ] 此外，根据测量的振荡频率fSENS(]R，还可计算出谐振器的电感值Lse_r= 1/
(2 π X f sensor) ^ CSENS0R °
[0012]由上可见，目标的位置/距离与计算出的RP和LS_R相关。
[0013]在具体应用中，可在感应器中整合一个金属应变片，该金属应变片在外界压力作用下可产生形变，例如，在压力作用下靠近或远离LC谐振器，进而改变LC谐振器的振荡频率，根据以上原理可测量出外界压力的大小，即实现采用电感方式测量金属应变片(膜)的形变量来检测压力的高精度(亚微米级别)的非接触式测量。
[0014]基于以上所述的电感感测技术，本发明提出一种利用电感式感应的压力传感器，其包括:
[0015]感应器，包括具有预设谐振频率的LC谐振器以及可随外界压力产生形变并与该LC谐振器分离的金属应变片；
[0016]电感数字转换模块，与所述感应器的输出端相连；
[0017]微控制器模块，与所述电感数字转换模块的输出端相连；
[0018]参考时钟，提供参考时钟频率；以及
[0019]其中，所述电感数字转换模块进一步包括:
[0020]感应器驱动模块，与所述感应器相连，驱动并调节所述感应器的LC谐振器使其震荡幅度保持在恒定水平上；
[0021 ] 阻抗和电感测量模块，与所述感应器驱动模块相连，测量所述LC谐振器的阻抗和谐振频率；
[0022]阈值比较器，与所述阻抗和电感测量模块相连，将阻抗和电感测量模块的测量结果与预设的阈值进行比较；
[0023]高分辨率电感测量模块，与所述感应器驱动模块相连，测量所述LC谐振器的谐振频率；
[0024]寄存和逻辑器，与所述阻抗和电感测量模块以及高分辨率电感测量模块相连，暂存指令、数据和位址并对电感测量模块以及高分辨率电感测量模块的测量结果进行数字化转换；
[0025]通信接口，电感数字转换模块通过所述通信接口与微控制器模块相连。
[0026]优选地，所述阻抗和电感测量模块的测量和高分辨率电感测量模块的测量异步进行。
[0027]优选地，所述电感数字转换模块还包括可变增益放大器。
[0028]优选地，在此实施例中，所述通信接口为串行外设接口(SPI)。
[0029]此外，本发明还提出了一种利用电感式感应的多路压力传感器，包括:
[0030]多个感应器，每一个感应器均包括具有预设谐振频率的LC谐振器以及可随外界压力产生形变并与该LC谐振器分离的金属应变片；
[0031]电感数字转换模块，与所述感应器的输出端相连；
[0032]微控制器模块，与所述电感数字转换模块的输出端相连；
[0033]参考时钟，提供参考时钟频率；以及
[0034]其中，所述电感数字转换模块进一步包括:
[0035]多个感应器驱动模块，驱动并调节所述感应器的LC谐振器使其震荡幅度保持在恒定水平上；以及
[0036]通信接口，电感数字转换模块通过所述通信接口与微控制器模块相连；处理核心，含有:
[0037]阻抗和电感测量模块，与所述感应器驱动模块相连，同时测量所述LC谐振器的阻抗和谐振频率；
[0038]阈值比较器，与所述阻抗和电感测量模块相连，将阻抗和电感测量模块的测量结果与预设的阈值进行比较；
[0039]高分辨率电感测量模块，与所述感应器驱动模块相连，测量所述LC谐振器的谐振频率；
[0040]寄存和逻辑器，与所述阻抗和电感测量模块以及高分辨率电感测量模块相连，暂存指令、数据和位址并对电感测量模块以及高分辨率电感测量模块的测量结果进行数字化转换；
[0041]多路器，连接感应器驱动模块和处理核心，为活动通道排序。
[0042]优选地，所述阻抗和电感测量模块的测量和高分辨率电感测量模块的测量异步进行。
[0043]优选地，所述电感数字转换模块还包括可变增益放大器。
[0044]优选地，在此实施例中，所述通信接口为两线式串行总线(I2C)。
[0045]再此外，本发明还提出了一种利用电感式感应的压力传感方法，包括以下步骤:
[0046](1)提供具有预设谐振频率的感应器；
[0047](2)通过感应器驱动模块向所述感应器提供AC电流以产生磁场；
[0048](3)在金属应变片随外界压力产生形变时，通过感应器驱动模块调节感应器的振荡幅度使其保持在恒定水平上；
[0049](4)监测注入感应器中的能量，计算所述感应器的等效并联电阻RP;
[0050](5)通过与参考频率fREF的比较获得感应器的振荡频率f SENSOR；
[0051](6)对测量出的等效并联电阻RP和振荡频率f SENS(]R进行数字化转换；
[0052](7)将等效并联电阻RP和振荡频率f S_R的测量结果和预设的阈值进行比较，输出开关信号。
[0053]根据本发明的利用电感感测技术的传感器可实现对线性/角位置、位移、运动、压缩、振动、金属成分以及市面上包括汽车、消费类、计算机、工业、医疗和通信应用在内的很多其他应用的高精度测量。电感感测技术能够以低于其他竞争对手解决方案的成本提供更为出色的性能和可靠性。
【附图说明】
[0054]根据下文的详细描述并结合附图，本发明的特征、特性以及优势会将会变得更加显而易见，其中相同的附图标记表示相同的特征，并且其中:
[0055]图1为LC谐振器的并联电学模型；
[0056]图2为根据本发明的利用电感式感应的传感器的原理框图；
[0057]图3为根据本发明的利用电感式感应的多路传感器的原理框图；
[0058]图4为根据本发明的利用电感式感应的传感方法的流程图。
【具体实施方式】
[0059]如图2所述，在一个优选实施例中，根据本发明的利用电感式感应的传感器包括感应器1、电感数字转换模块2、微控制器模块3以及参考时钟4，其中感应器1由LC谐振器11和金属应变片12组成，电感数字转换模块2由感应器驱动模块21、阻抗和电感测量子模块22、阈值比较器23、高分辨率电感测量模块24、寄存和逻辑器25以及通信接口 26组成。
[0060]工作中，电感数字转换模块2能够同时测量连接的感应器1中LC谐振器11的阻抗RP和振荡频率f SENS0R,即通过使用谐振器感应导电材料的接近和移动，使得其能够用于直接测量物理系统的变化。
[0061]根据本发明的传感器通过闭环调节谐振器的振荡幅度使其保持在恒定电平上，同时监测谐振器的能量消耗，进而算出感应器的阻抗和振荡频率，即通过监测注入谐振器中的能量/电流I，所述传感器能够计算出所述谐振器的等效并联电阻，RP，并对其进行数字化处理后作为数字值返回。
[0062]此外，所述传感器的阈值比较器模块能够对阻抗和电感测量子模块(RP+L)的转换结果和可编程的阈值进行比较，即通过对测出的感应器频率和提供的参考频率进行比较，给出开关信号。测出的传感器频率fSENS(]R可用于测定LC电路的电感L SENS0RO
[0063]具体地，本发明的感应器1含有LC谐振器11和金属应变片12，其中，LC谐振器1