Den är bara 4×5 mm stor, Texas Instruments nya induktans-till-digitalomvandlare (VDC). Tillsammans med en yttre resonanskretskänner den, med hög precision, av avståndet till ett metallföremål och kan till och med avgöra vilket metall det utgörs av. Avkänningsmetoden gör sensorn okänslig för smuts, damm och olja.

Kretsen utgör en helt ny kategori på marknaden och dess egenskaper överglänser de flesta andra tekniker för att känna av ett metallföremål och leverera precisa data om avståndet till det. Tag som exempel en kapacitiv avkänning, där känslighet och selektivitet är dåliga. En Halleffektgivare kräver en magnet och kalibrering. Optiska givare är otillförlitliga i smutsiga miljöer. Ultraljud kan inte användas för mycket små avstånd och tyckgivare ger begränsad upplösning och kan inte användas för större avstånd.
Texas Instruments nya typ av omvandlare, där kretsen LDC1000 är först ut på marknaden, ger exempelvis på 1 mm avstånd till metallföremålet en upplösning som är en bråkdel av en tusendels millimeter. Intressant är att mätmetoden medger avkänning på upp till 1 m avstånd.
Egenskaperna hos den nya sensorn är så intressanta att en hel rad nya möjligheter till tillämpningar öppnar sig, framför allt inom industri- och bilelektronik, men också i medicinska tillämpningar, i konsumentprodukter mm. Eftersom principen bygger på att registrera virvelströmmar kan den avslöja sprickor i den avkända metallen och kan avslöja exempelvis sprickor i flygplansvingar eller turbinblad.

Så funkar den
Här ser vi blockschemat för den nya typen av omvandlarkrets:

Den nya LDC-omvandlaren ansluts till en spole för avkänning, med en parallell kondensator för att ge en resonanskrets. Frekvensen kan ligga mellan 5 kHz och 5 MHz.
LDC-omvandlaren känner av virvelförluster i det metallföremål man skall mäta mot. Upplösningen är 16 bit. Mätningen av induktansen görs med 24 bit upplösning. Data levereras på utgången via ett SPI-gränssnitt.
Så hur fungerar den egentligen?

John Baldwin, ansvarig för området Sensor Signal Path hos Texas Instruments, ville ogärna berätta några detaljer under pressvisningen, utan hänvisade till databladet.

– Det rör sig om en 80 år gammal princip som vi utnyttjar på ett nytt, av oss patenterat sätt. Våra ingenjörer kom på det vid en industritillämpning och vi vidareutvecklade tekniken och skapade en helt ny kategori av sensorkretsar.

Virvelströmmar
Låt oss då se på vad databladet förtäljer:
En växelström som flyter genom en spole kommer att generera ett alternerande magnetfält. Om ett ledande material, såsom ett metallobjekt, förs i närheten av spolen, kommer magnetfältet att inducera cirkulerande strömmar (virvelströmmar) på metallobjektets yta. Virvelströmmarna är en funktion av avståndet, storlek och på objektets sammansättning.
Dessa virvelströmmar genererar sedan ett eget magnetfält, i motfas mot det ursprungliga fält som spolen genererat. Denna mekanism kan bäst jämföras med en transformator, där spolen utgår primärlindningen och virvelströmmen utgör sekundärlindningen.

Den induktiva kopplingen mellan de båda kärnorna beror på avstånd och form. Resistans och induktans i den sekundära kärnan (virvelströmmen) dyker därför upp som en avståndsberoende resistiv och induktiv komponent på primärsidan (primärspole).
I ekvivalentschemat nedan tecknas primärspolen som en induktans Ls i serie med en resistiv förlust, R_s. I ekvivalentschemat överförs också induktans och förlustresistans i sekundärkretsen till primärkretsen som därför består av L_s + L_(d) och R_s + R_(d).


Resonanskrets
Men att generera ett magnetfält kräver en hel del energi. Genom att lägga en lämplig kondensator, parallellt med spolen  åstadkommer man en resonanskrets, vilket höjer impedansen radikalt. Vid resonans kommer därför effektförbrukningen bara att bestämmas av Rs + R(d).
LDC100 mäter dock inte serieresistansen direkt. I stället mäter kretsen den ekvivalenta parallellresonansimpedansen (Rp(d) vilken fås ur ekvationen R_p(d)=1/[R_s+R_(d)]×[L_s+L_(d)]/C.

Mätekniken
Induktans-till-digitalomvandlaren LDC1000 mäter samtidigt impedans och resonansfrekvens i den anslutna LC-kretsen. Oscillatorsignalen regleras med en slinga till konstant amplitud. Under tiden registrerar kretsen den tillförda effekten till resonanskretsen.
Genom att övervaka hur mycket effekt som matas in i resonatorn kan kretsen räkna ut R_p. Värdet översätts till ett digitalt tal vars invers är proportionellt mot R_p.
LDC1000 mäter dessutom oscillatorfrekvensen. Värdet talar om den aktuella induktansen i LC-kretsen (C är förstås konstant). Oscillatorfrekvensen matas ut som ett digitalt värde.
LDC100 klarar en rad kombinationer av L och C, med oscillatorfrekvenser mellan 5 kHz och 5 MHz och med ett R_p mellan 798 ohm och 3,93 Mohm.
Spolen kan exempelvis bestå av en spiralslinga på ett kretskort, en spole på en ferritkärna. Spolen kan också utgöras av en spiral som trycks ihop, t ex en fjäder i en våg. Möjligheterna är onekligen många med denna helt nya krets på marknaden.
Säkert finns liknande tillämpningar i diskret utförande på marknaden. Intressant är dock att Texas Instruments LDC1000 utgör en färdig lösning som kostar 2,95 dollar i 1000-kvantiteter. Kretsen är kapslad i en 4×5 mm SON-kapsel.

Här ser vi hur en linjär avståndsgivare kan åstadkommas med en lämplig profil hos metallobjektet.


Roterande givare.

Filed under: Nordisk Teknik