CN102176060B - 电感式接近开关传感器 - Google Patents
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Abstract
一种电感式接近开关传感器，包括线圈检测电路单元、信号处理电路单元、朝向被检测物布置的检测线圈单元以及为检测线圈单元提供激励信号的激励电路单元，所述信号处理电路单元与线圈检测电路单元的输出端相连。本发明具有结构简单紧凑、成本低廉、工作稳定可靠、适用范围广、测量精度高等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及到传感器的设计领域，特指一种电感式接近开关传感器。
背景技术
如图1所示，电感式接近开关传感器采用的是感应电涡流原理。当带有高频电流的线圈靠近被测金属时，线圈上的高频电流在被探测金属上产生感应电涡流，该感应电涡流又反过来影响线圈的等效电感量，传感器线圈电感量的大小与线圈和被测金属表面的重合面积、被测金属的几何尺寸、线圈到被测金属面的垂直距离、扁平线圈的几何形状、几何尺寸、圈数、电导率、磁导率等参数相关。
电感式接近开关的有效动作距离与检测物体的大小、厚度、材料均有相应关系：检测体面积越大，材料越厚则检测距离越大，当材料厚度增大到一定尺寸后，距离将不再按比例增加，一般标准检测体可选用与检测线圈等面积，检测物体在厚度上一般要求大于3mm以上，不会影响检测距离：检测物体的材质最好采用导磁率最好的铁，如选用其他金属材料则会影响其检测距离。
在固定除重合面积外的后七个参数后，线圈和被测金属平行表面的重合面积就与线圈的电感量产生了单值函数关系，由于线圈和被测金属平行表面的重合面积与它们之间的相对平行位移大小单值相关，从而位移值与线圈的电感量产生了单值函数关系。线圈等效电感变化会使高频振荡电路发生衰减，该信号被后级整形、放大和解调处理后，与预设值进行比较，以此转换成开关量信号输出，由此识别出有无金属物件的接近。线圈、振荡电路及被测金属板就构成了变面积电感式接近开关。在实际工程应用中，变面积型电感式接近开关一般用于沿着与感应面平行方向运动的场合下的金属物体的检测。
同理，在固定除线圈到被测金属面的垂直距离外的七个参数后，线圈和被测金属的距离就与线圈的等效电感量产生了单值函数关系，对线圈的等效电感量进行处理后，就构成了变距离电涡流接近开关。实际工程应用中，变距离式接近开关一般用于沿基准轴运动时的金属物体检测。
但在有些特殊情况下，需要对上述两种检测原理综合起来才能达到精确检测的目的。如图2所示，在使用变面积电感式接近开关时，传感器检测线圈与被检测物的距离h随时在变化、不同被检测物的宽度L1≠L2、不同被检测物的厚度W1≠W2或者不同检测物由不同材质的金属制成，这时该种类型的传感器就很难将传感器与被检测物的相对水平位置准确的识别出来。
此外，为了提高检测的分辨率，工程中需要尽量减小接近开关传感器探头的安装距离。然而，如果两个普通电感式接近开关安装距离过小会导致相互影响，从而无法正常工作。这样在区分度要求较高的工况下，普通型接近开关传感器就无法使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、工作稳定可靠、适用范围广、测量精度高的电感式接近开关传感器。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种电感式接近开关传感器，其特征在于：包括线圈检测电路单元、信号处理电路单元、朝向被检测物布置的检测线圈单元以及为检测线圈单元提供激励信号的激励电路单元，所述信号处理电路单元与线圈检测电路单元的输出端相连。
作为本发明的进一步改进：
所述检测线圈单元包括沿传感器运动方向依次排列的两个以上尺寸、材料、匝数完全相同的检测线圈，所述检测线圈的宽度大于或等于被检测物最大宽度的二分之一。
所述信号处理电路单元对相邻检测线圈的信号进行差分比较，当差值为零或小于预设的一个接近于零的阈值时，输出固定脉宽的高电平信号，表示此刻这组线圈的中心线与被检测物中心线重合。
所述激励电路单元为相邻的检测线圈通以不同频率的激励信号。
所述线圈检测电路单元由与检测线圈一一对应的同步解调检测电路组成。
所述检测线圈的长度大于被检测物的最短长度。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的电感式接近开关传感器，结构简单紧凑、成本低廉、工作稳定可靠、适用范围广、测量精度高，仅在被检测物中心线与传感器检测线圈中心线重合时触发脉冲信号，克服了如上所述的因为被检测物的尺寸、高度、材质的差异带来的测量的不准确；
2、本发明的电感式接近开关传感器，为变面积、变距离的电感式接近开关传感器，适用于被检测物为厚度、密度、材质应保持一致的长方体金属材料，且被检测物的上表面与检测线圈保持垂直且分别处于相互平行的两个平面中；
3、本发明采用多个检测线圈组合，相邻检测线圈输出值差分的方式，消除了普通电感式接近开关传感器在被检测物体厚度、材料等物理特性发生变化，或传感器与被检测物距离突变而导致的位置测量误差；本发明主要用于高度变化时传感器与被检测物的相对水平位置检测；
4、本发明采用相邻线圈通以不同频率激励信号，检测电路采用同步解调方案，可消除相邻线圈的信号干扰，可根据检测物的尺寸进行定制，减小相邻线圈的检测距离，可有效提高检测分辨率。
附图说明
图1是现有技术中电感应式接近开关传感器的原理示意图；
图2是现有技术中使用变面积电感式接近开关时的原理示意图；
图3是本发明的框架结构示意图；
图4是工作过程中传感器电压与位置变化的示意图；
图5是具体应用实例中一种状态下的示意图；
图6是具体应用实例中另一种状态下的示意图。
图例说明：
1、激励电路单元；2、线圈检测电路单元；3、信号处理电路单元；4、检测线圈单元；41、检测线圈；5、被检测物；61、第一段曲线；62、第二段曲线；63、第三段曲线。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图3所示，本发明的电感式接近开关传感器，包括激励电路单元1、线圈检测电路单元2、信号处理电路单元3以及朝向被检测物5布置的检测线圈单元4，检测线圈单元4包括沿传感器运动方向依次排列的两个以上检测线圈41，检测线圈41采用扁平矩形线圈，依次排列并贴附于非金属平面上，该检测线圈41的长度大于被检测物5的最短长度。该检测线圈41的宽度大于或等于被检测物5最大宽度的二分之一，激励电源单元1与检测线圈单元4相连且为相邻的检测线圈41通以不同频率的激励信号，即相邻检测线圈41通以不同频率的交变电流，以便进行解调，消除相邻线圈的干扰。线圈检测电路单元2由与检测线圈41一一对应的同步解调检测电路组成，线圈检测电路单元2的输出端与信号处理单路单元3相连，信号处理单路单元3对相邻检测线圈41的信号进行差分比较，当差值为零时，输出固定脉宽的高电平信号，表示此刻这组线圈的中心线与被检测物5的中心线重合。
一般情况下，被检测物5的磁导率和电导率、激励信号的频率、检测线圈的形状与尺寸以及检测线圈41与被检测物5的距离、相对位置，这些都会对输出信号幅值产生影响。当只改变上述其中之一的条件，而固定其他条件时，输出信号的幅值就成为所变化的条件的单值函数。因此，当其他条件不变，只改变检测线圈41与被检测物5间的相对位置时，就可以通过线圈检测电路输出信号幅值的变化，判断出检测线圈41与被检测物5相对水平位置的变化。其电压与位置变化如图4所示。当检测线圈41与被检测物5相互覆盖时，检测线圈41输出信号的幅值最小，在曲线最低处，即第二段曲线62处；当被检测物5与检测线圈41无相对覆盖面积并逐渐远离时，检测线圈41输出信号的幅值逐渐变大，处于第一段曲线61或第三段曲线63处。本实施例中，被检测物5为材质均匀的长方体金属材料，被检测物5的上表面与检测线圈41保持垂直且分别处于相互平行的两个平面中。
以本发明应用于轨道列车为例，将本发明安装于列车上，被检测物5为金属材质轨枕。在每个检测线圈41的两个接头处连有激励电路单元1和线圈检测电路单元2。激励电路单元1使检测线圈41中通过某一特定频率的正弦交变电流
，正弦交变电流会产生正弦交变磁场
当被检测物5处于此交变磁场时，轨枕内将产生感应电流，形成电涡流
，
产生交变磁场
交变磁场
与交变磁场
方向相反，使检测线圈41的等效电感发生变化，从而导致输出信号幅值发生变化。
当列车行进至轨枕恰好处于检测线圈41的下方时，如图5所示，此时检测线圈41输出信号幅值最小，检测线圈41输出信号的幅值较大。传感器继续向左运动，当被检测物5的中心线处于相邻两个检测线圈41的接缝处时，如图6所示，两个检测线圈41的输出信号幅值近似相同；当列车再继续运动，轨枕逐渐远离两个检测线圈41时，两个检测线圈41的输出信号幅值又将逐渐变大，直至近似相同。
由以上过程可以得出，通过以下两个条件就可以判断出被检测物5中心线恰好与相邻两个检测线圈41的接缝处是否重合：
1、相邻两个检测线圈41的电压均低于某一阈值；
2、相邻两个检测线圈41的电压差值的绝对值低于某一阈值(趋于零)。
因为检测线圈41完全相同，被检测物5的材质，外形尺寸等也完全相同，所以可以近似认为被检测物5的中心线经过相邻检测线圈41的接缝处时，都会使相邻的两个检测线圈41的电压值之差为零(或低于某一阈值)，此时传感器输出一个正脉冲信号。
以此类推，当该传感器由一系列宽度待检测物5宽度d一半的矩形线圈(宽度为¨)组合而成时，经过相邻检测线圈41的差分作用，即可准确检知传感器与被检测物5的水平相对位置，每当差分结果为零时会相应的输出一系列正脉冲信号，每个正脉冲信号即代表传感器与被检测物5相对运动了¨距离，记录下相邻脉冲的时间差Δt，则可测知二者水平相对运动速度V＝d/2Δt。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种电感式接近开关传感器，其特征在于：包括线圈检测电路单元、信号处理电路单元、朝向被检测物布置的检测线圈单元以及为检测线圈单元提供激励信号的激励电路单元，所述信号处理电路单元与线圈检测电路单元的输出端相连；所述检测线圈单元包括沿传感器运动方向依次排列的两个以上尺寸、材料、匝数完全相同的检测线圈，所述检测线圈的宽度大于或等于被检测物最大宽度的二分之一；所述信号处理电路单元对相邻检测线圈的信号进行差分比较，当差值为零或小于预设的一个接近于零的阈值时，输出固定脉宽的高电平信号，表示此刻这组线圈的中心线与被检测物中心线重合；所述激励电路单元为相邻的检测线圈通以不同频率的激励信号；所述检测线圈的长度大于被检测物的最短长度。
2.根据权利要求1所述的电感式接近开关传感器，其特征在于：所述线圈检测电路单元由与检测线圈一一对应的同步解调检测电路组成。
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