[发明专利]一种利用电感式感应的压力传感器及传感方法

说明书

技术领域

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

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。

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

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。

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。

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。

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。

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电路在运行频率上的AC串联电阻R_S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R_S所造成的损失。

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R_P＝L_SENSOR/R_SC_SENSOR，其中R_P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；C_SENSOR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；L_SENSOR为目标距离为d时感应器的电感值。

可将R_P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R_P的值，反过来，根据的R_P值我们可以确定目标物体的位置。

此外，根据测量的振荡频率f_SENSOR，还可计算出谐振器的电感值L_SENSOR＝1/(2π×f_SENSOR)²×C_SENSOR。

由上可见，目标的位置/距离与计算出的R_P和L_SENSOR相关。

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。

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：

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；

电感数字转换模块，与所述感应器的输出端相连；