CN102645673A - 感应邻近传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种感应邻近传感器，该传感器具有多接收器线圈组件和配置成从多接收器线圈组件接收差分信号以确定存在目标的评估器电路。多接收器线圈组件包括差分线圈布置方式的两个接收器线圈和配置成发射电磁场并且在各接收器线圈上感应电压的发送器线圈。两个接收器线圈之间的电压差作为差分信号发送到评估器电路。接近感应邻近传感器的目标破坏电磁场并且改变各接收器线圈上的感应电压、由此改变差分信号。评估器电路对差分信号进行处理以确定改变是否指示目标存在。
Description
技术领域
本发明主要地涉及感应邻近传感器。具体而言，本发明涉及具有改进的目标检测的感应邻近传感器配置。
背景技术
传统的感应邻近传感器(inductive proximity sensor)一般已知用于感测兴趣目标在感测区中的存在。这样的器件通常包括用于在感测线圈周围产生振荡电磁场的LC调谐振荡器。感测线圈通常可以具有铁芯，该铁芯可以具有T形或者E形横截面。感测线圈可以在感测方向上对围绕线圈的电磁场进行成形和延伸和/或在其它方向上(比如在线圈后面和向线圈的侧面)集中或引导电磁场。进入邻近传感器的感测区的目标可能破坏感测线圈周围的电磁场并且充分地改变线圈的阻抗以更改电磁场的振荡状态。邻近传感器可以包括具有控制电路的评估器电路，该控制电路用于提供表明存在兴趣目标(例如通常为金属)的反馈。
尽管邻近传感器的设计已经取得提高以比如改进它们的感测范围和灵敏度，但是传统的邻近传感器可能在某些应用中表现不一致。例如感应邻近传感器经常可以用来检测存在由各种金属组成的不同目标。然而不同目标(例如钢和铜)通常对感测线圈的阻抗有不同影响从而获得针对不同金属的不同感测距离比。另外，感应邻近传感器经常使用于如下应用中，在这些应用中要求传感器在强外部电磁场存在时、比如在电阻焊机和其它设备附近工作。这样的外部电磁场可能比如通过使铁芯饱和、由此改变传感器的灵敏度并且使输出电路发生故障来影响传感器的性能。典型的邻近传感器装配于周围系统中，该系统可以定义为传感器装配于其中的机械系统。由于周围系统通常比兴趣目标更近，所以邻近传感器有时可能返回错误触发，其中感测周围系统而不是兴趣目标。另外，典型评估电路一般可以使用复杂的前馈或者同步解调技术。这样的配置进一步增加了典型邻近传感器的复杂性和成本。
发明内容
本发明涉及一种感应邻近传感器，该传感器具有多接收器线圈组件和适合于从线圈组件接收差分信号的评估器电路。在一个实施例中，多接收器线圈组件包括至少一个发送器和两个反连接的接收器。在工作中，由于在发送器与接收器之间的电感耦合，两个反连接的接收器具有感应电压，并且可以分析两个感应电压的差分信号以确定存在目标。在一些实施例中，感应邻近传感器包括评估器(evaluator)电路，该电路接收差分信号、确定差分信号的改变并且基于在改变与阈值之间的比较来确定目标是否存在。
附图说明
本发明的这些和其它特征、方面及优点在参照附图阅读下文具体描述时将变得更好理解，在这些附图中，相似的标号通篇地代表相似的部分，其中：
图1是根据本发明实施例的感应邻近传感器的示意图；
图2是根据本发明实施例在图1的感应邻近传感器中的多接收器线圈结构的布置的示意图；
图3是根据本发明实施例在图1的感应邻近传感器中的多接收器线圈结构的另一布置的示意图；
图4是根据本发明实施例在图1的感应邻近传感器中的多接收器线圈结构的另一布置的示意图；
图5是根据本发明实施例在图1的感应邻近传感器中的评估器电路的示意图；
图6是根据本发明实施例在图1的感应邻近传感器中的具有电位计的评估器电路的示意图；
图7是根据本发明实施例在图1的感应邻近传感器中的评估器电路的另一实施例的示意图；并且
图8是根据本发明实施例在图1的感应邻近传感器中的具有电位计的评估器电路的另一实施例的示意图。
标号列表
10 感应邻近传感器
12 多接收器线圈组件
14 发送器
16 接收器
18 接收器
20 振荡器
22 评估器电路
24 滤波器
26 放大器
28 转换器
30 输出电路
32 差分信号
34 输出信号
36 混合器
38 低通滤波器
具体实施方式
典型感应邻近传感器包括具有铁芯的线圈组件。线圈组件由振荡器驱动以发射电磁场。当目标(即通常由金属组成的将由邻近传感器感测的目标)进入电磁场的感测区时，它增加线圈的阻抗从而造成由线圈发射的电磁场的振荡幅度改变。振荡幅度的改变由评估器电路检测，该电路可以比较该改变与阈值改变并且触发输出电路以指示存在目标。
这样的感应邻近传感器可能具有各种性能弊端。使目标检测基于线圈阻抗的改变可能造成对于不同类型目标的不同检测范围，因为各种金属可能对线圈的阻抗有不同的影响。例如钢和铜可能具有不同涡流感应能力，并且典型感应邻近传感器可能具有对于各金属的不同感测距离。对于钢和铜的感测距离比可能相对大，近似为1.0∶0.3。在不同类型目标之间的大感测距离比可能造成某些如下应用中的不良性能，在这些应用中邻近传感器可以用来感测由不同金属组成的目标。
另外，将线圈阻抗的改变用于目标检测也可能造成错误触发(即在没有目标实际存在时确定和指示存在目标)。例如邻近传感器通常装配于周围系统中。周围系统也可能对线圈的阻抗有影响，这可能造成线圈组件的电磁场改变，从而评估器电路不准确地确定目标存在。由于周围系统一般比目标更接近线圈组件，所以邻近传感器可能在目标不存在时指示它存在或者目标比它实际更近。
典型感应邻近传感器的铁芯也可能影响邻近传感器的余辉性能，因为芯的铁材料可能通过强电磁场而容易饱和。因此，在某些应用(比如邻近传感器使用于高电磁场(比如电阻焊机)附近的应用)中，铁芯的饱和可能造成和引起邻近传感器的性能下降。
本发明的一个或者多个实施例包括不同线圈组件配置和评估器电路配置，这些配置至少部分地解决典型感应邻近传感器的这样的性能缺点。图1是具有多接收器线圈组件(多接收器线圈组件)12和评估器电路22的感应邻近传感器10的一个实施例的示意图。多接收器线圈组件12具有至少一个发送器14和两个接收器16、18。在一些实施例中，发送器14和两个接收器16、18可以各自具有线圈形状。这些特征也可以分别称为发送器线圈14和接收器线圈16、18。发送器14连接到振荡器20或者任何其它适当交流提供器，该振荡器或者交流提供器生成交变电压以使发送器14发射电磁场。
发送器14生成的电磁场通过电感耦合来感应各接收器16、18中的电压。两个接收器16、18反连接；也就是说，两个接收器16、18以差分线圈布置的方式连接。各接收线圈16、18的一个端子连接到公共接地，而各线圈16、18的另一端子连接到两个电阻器21(例如以形成桥接电路)和评估器电路22，该评估器电路检测在两个接收器16、18之间的电压差以确定是否检测到目标。如果发送器14发射的电磁场被接近的目标扰动，则在两个接收器16、18中的至少一个接收器中的感应电压也将改变，因为目标通常比接收器16、18中的一个更接近另一个。
接收器16、18的电感改变(也称为电压改变)造成它们的差分信号32的改变。在一些实施例中，该差分信号32传向评估器电路22中的滤波器24、放大器26、AC(交流)/DC(直流)转换器28和输出电路30。如将参照图5和图6进一步说明的那样，评估器电路22的输出电路30可以提供输出信号34以指示存在目标。
本发明的实施例可以减少在待检测的不同目标金属之间的感测距离比。目标检测是基于两个接收器16、18的差分信号32的改变，因此检测是基于电感耦合的改变而不是阻抗的改变。电感耦合改变与阻抗改变相比一般较少依赖于目标的材料，因而不同类型的目标材料与阻抗的改变相比更少可能生成宽范围的电感耦合改变。因此即使在感应邻近传感器10用来感测不同类型目标邻近的应用中，检测到的两个接收器16、18的电感耦合改变一般不会随着具有不同金属组成的目标而明显变化。
另外，在一些实施例中，接收器16、18的差分线圈布置也适合于抵消来自其它物体(例如不是待检测的目标的物体)的影响。在不同实施例中，基于多接收器线圈组件12的已知配置并且基于非目标物体的已知电感效果，评估器电路22处理差分信号32以滤除或者补偿由非目标物体引起的电感改变。例如尽管典型感应邻近传感器经常通过将周围系统误认为检测的目标来生成错误触发，但是本发明的感应邻近传感器10可以更准确用于仅检测兴趣目标。在一些实施例中，接收线圈16、18以某一方式来布置使得可以抵消由周围系统(例如邻近传感器10的装配硬件)引起的电感改变。例如，如果周围系统被布置成在与传感器10的表面齐平的位置处装配感应邻近传感器10，则接收器线圈16、18可以被配置(例如按照不同设计和/或尺寸)成抵消周围系统的影响。
在一个实施例中，多接收器线圈组件12具有无铁芯的线圈配置。例如发送线圈14和接收线圈16、18可以各自是印刷电路板(PCB)上的平面线圈或者是空芯缠绕线圈。在一些实施例中，多接收器线圈组件12将PCB上的平面线圈或者空芯缠绕线圈的一些组合用于发送线圈14和接收线圈16、18。这样的线圈配置通常不包括铁芯。通过配置无铁芯的多接收器线圈组件12，感应邻近传感器10可以更少受高电磁场影响并且可以在这样的工作条件之下更少可能退化。
尽管在图1中发送器14与两个接收器16、18平行布置、轴向地相邻布置并且布置于这两个接收器之间，但是在感应邻近传感器10的不同实施例，发送器14和接收器16、18布置于各种其它配置中。如在图2中提供的那样，多接收器线圈组件12a具有布置成相对于彼此平行并且轴向地相邻的两个接收器16、18。发送器14可以与接收器之一18平行并且轴向地相邻。在图3中代表的另一实施例中，多接收器线圈组件12b可以包括布置成与一个接收线圈18共面并且共心地在该接收线圈内的发送线圈14。第二接收器16可以与共心布置的接收线圈14和发送线圈18平行并且轴向地相邻。另外如在图4中提供的那样，一些实施例可以包括多接收器线圈组件12c，该组件具有都共心地布置于相同平面中的发送和接收线圈14、16、18。例如，如在图4中提供的那样，发送线圈14可以共心地在两个接收线圈16、18之间并且与这两个接收线圈共面。
在其它实施例中，感应邻近传感器10包括具有其它配置的多接收器线圈组件12。另外，在一些实施例中，多接收器线圈组件12具有多个发送器14，而在一些实施例中，多接收器线圈组件12具有多于两个接收器。在一些实施例中，多接收器线圈组件12具有两个发送器14而没有接收器。在这样的配置中，发送器14可以感应地耦合，并且可以对两个发送器之间的差分信号进行采样用于目标检测。
除了感应邻近传感器10中的多接收器线圈组件12的设计之外，本发明的实施例也包括适合于高效地处理来自反连接的接收器16、18的差分信号32以检测接近的目标的评估器电路22。尽管典型感应邻近传感器一般包括复杂的评估器电路、比如正反馈电路和同步解调电路，但是本发明的一些实施例包括适合于检测和处理来自多接收器线圈组件的差分信号32并且分析差分信号32的改变以确定存在目标的评估器电路22。例如在一些实施例中，评估器电路22无需包括正反馈所需要的解调器或者复杂电路。实际上，评估器电路22可以对来自多接收器线圈组件12的差分信号32简单地进行滤波和/或放大以检测目标。
在图5和图6中图示了评估器电路22的不同实施例。先从图5开始，评估器电路22a从多接收器线圈组件12接收差分信号32并且处理差分信号32以确定差分信号32的改变，该改变指示存在目标。在一些实施例中，配置电阻器21使得可以在电阻器21之间测量差分信号32。在一些实施例中，电阻器21具有以多接收器线圈组件12中的线圈的制造容差为基础的电阻(可以不同或者相同)。在其它实施例中，如将描述的那样，电阻器21是具有可由控制电路30调节的电阻的电位计21。向滤波器24发送差分信号32以增加差分信号32的信噪比(SNR)。滤波的差分信号32然后由放大器26放大，从而差分信号32的改变可以更易于检测。放大的信号然后由转换器28从AC转换成DC。
输出电路30然后接收滤波和放大的DC信号以确定目标是否存在。在一个实施例中，输出电路30对采样的差分信号的改变(例如形式为DC电压)与阈值(例如阈值电压)进行比较。在某个阈值以上的差分信号32的改变可以指示存在目标。在一些实施例中，输出电路30包括输出信号34以指示何时检测到目标的微控制器单元(MCU)31。在一些实施例中，输出电路30可以包括用于对采样的差分信号进一步进行滤波、由此进一步提高SNR的电路。
在一些实施例中，评估器电路可以包括具有可由输出电路的MCU调节的电阻的电位计。例如，如图6中所示，评估器电路22b包括电位计23(例如取代图5的电阻器21)。在一些实施例中，MCU 31被配置成基于采样的差分信号来调节电位计21。例如MCU 31被配置成基于采样的差分信号来调节电位计21。例如MCU 31可以调节电位计21的电阻以使差分信号32更易于滤波、放大和/或处理。
在不同实施例中，转换器28可以不是必需的。例如在一些实施例中，如图5和图6中所示，AC信号由AC/DC转换器28转换成DC电压并且发送至输出电路30，并且输出电路30对DC电压与阈值电压进行比较以确定存在目标。在其它实施例中，AC电压由输出电路30直接采样。例如在一些实施例中，在输出电路30中的MCU 31对差分信号32进行采样。这样，评估器电路22取决于评估器电路22的配置可以包括或者可以不包括转换器30。
图7是代表评估器电路22c的另一实施例的示意图。评估器电路22c从多接收器线圈组件12接收差分信号32。向混合器36发送差分信号32，该混合器36混合差分信号32与第二信号37。该第二信号37可以是信号生成器(例如振荡器)生成的任何交流并且通常可以具有与差分信号32的频率f1不同的频率f2。差分信号32的频率f1可以基本上类似于接收器线圈16、18的振荡。混合器36向低通滤波器38输出表示为具有混合频率f1+f2和f1-f2的混合信号，该低通滤波器38滤除高频并且输出混合信号的其余低频(表示为f1-f2)，因为通常更容易转换较低频率(例如相对于较高频率)进行采样。然后向滤波器24和放大器26发送低通滤波信号，该滤波器24和放大器26在信号发送至输出电路30之前分别增加SNR并且放大信号。在一个实施例中，输出电路30对差分信号进行采样以确定差分信号的改变并且对差分信号改变与阈值进行比较。在一些实施例中，输出电路30在差分信号改变大于阈值时输出信号34以指示何时检测到目标。
如讨论的那样，在一些实施例中，评估器电路包括电位计，并且从两个或者更多电位计之间测量差分信号。例如图8中所示评估器电路22d包括由输出电路30的MCU 31控制的两个电位计23。
另外尽管图7和图8中所示实施例包括配置成对差分信号32直接进行采样的MCU 31，但是在一些实施例中评估器电路22c和22d也可以包括适合于将差分信号转换成离散的(即采样的、数字)差分信号的AC/DC转换器。
在不同实施例中，评估器电路22的输出电路30取决于多接收器线圈组件12的布置可以不同。例如取决于接收器16、18中的预期电感改变，输出电路可以对差分信号改变与不同阈值进行比较。另外取决于来自非目标物体(例如周围系统)的预期电感改变，可以调节滤波器24以滤除非目标引起的改变。在一些实施例中，基于已知或者共同目标，可以调节评估器电路22的其它方面以改进目标检测。
尽管这里已经图示和描述本发明的仅某些实施例，但是本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此将理解所附权利要求旨在于覆盖如落入本发明的真实精神内的所有这样的修改和改变。
Claims (23)
1.一种评估器电路，配置成基于来自感应邻近传感器的线圈组件的差分信号来检测目标，其中所述评估器电路包括：
滤波器，配置成从所述差分信号滤除噪声；
放大器，配置成放大所述差分信号；以及
输出电路，配置成对采样的差分信号的改变与阈值进行比较并且在所述采样的差分信号的所述改变在所述阈值以上时指示检测到的目标。
2.根据权利要求1所述的评估器电路，包括配置成将所述差分信号转换成所述采样的差分信号的交流/直流转换器。
3.根据权利要求1所述的评估器电路，其中所述输出电路包括配置成对所述差分信号进行采样以产生所述采样的差分信号的电路。
4.根据权利要求1所述的评估器电路，包括连接到从其测量所述差分信号的节点的一个或者多个电位计。
5.根据权利要求4所述的评估器电路，其中所述输出电路包括配置成调节所述一个或者多个电位计的电阻以影响所述差分信号的微控制器单元。
6.根据权利要求1所述的评估器电路，包括混合器和低通滤波器，其中所述混合器被配置成：
混合所述差分信号与第二信号以生成混合信号；并且
向所述低通滤波器输出所述混合信号。
7.根据权利要求6所述的评估器电路，其中所述低通滤波器被配置成从所述混合信号滤除较高频率并且输出所述混合信号的较低频率，其中所述较高频率高于阈值，并且所述较低频率低于所述阈值。
8.根据权利要求6所述的评估器电路，其中所述输出电路包括微控制器单元，并且其中所述微控制器单元包括配置成对所述采样的差分信号进行滤波的附加滤波器。
9.一种感应邻近传感器，包括：
多接收器线圈组件，包括：
第一接收器；
第二接收器，与所述第一接收器以差分线圈布置的方式进行布置；以及
发送器，配置成：
发射电磁场；
与所述第一接收器感应地耦合以在所述第一接收器上感应第一电压；并且
与所述第二接收器感应地耦合以在所述第二接收器上感应第二电压，其中所述多接收器线圈组件被配置成基于所述第一电压和所述第二电压的电压差来生成差分信号；以及
评估器电路，配置成从所述多接收器线圈组件接收所述差分信号，其中所述评估器电路包括：
滤波器，配置成从所述差分信号滤除噪声；
放大器，配置成放大所述差分信号；以及
输出电路，配置成确定离散的差分信号的改变并且基于所述改变与阈值的比较来指示检测到的目标。
10.根据权利要求9所述的感应邻近传感器，其中所述第一接收器、所述第二接收器和所述发送器各自包括印刷电路板上的平面线圈或者是空芯缠绕线圈。
11.根据权利要求9所述的感应邻近传感器，其中所述发送器与所述第一接收器和所述第二接收器平行、轴向地相邻并且在所述第一接收器与所述第二接收器之间。
12.根据权利要求9所述的感应邻近传感器，其中所述第二接收器与所述第一接收器和所述发送器平行、轴向地相邻并且在所述第一接收器与所述发送器之间。
13.根据权利要求9所述的感应邻近传感器，其中所述发送器与所述第二接收器共心，并且其中所述第一接收器与所述发送器和所述第二接收器平行并且轴向地相邻。
14.根据权利要求9所述的感应邻近传感器，其中所述发送器共心地在所述第一接收器与所述第二接收器之间并且与所述第一接收器和所述第二接收器共面。
15.根据权利要求9所述的感应邻近传感器，其中所述输出电路包括微控制器单元，所述微控制器单元被配置成基于所述改变与所述阈值的比较来输出指示检测到的目标的信号。
16.根据权利要求9所述的感应邻近传感器，其中所述评估器电路包括配置成混合所述差分信号与第二信号以生成具有高频和低频的混合信号的混合器。
17.根据权利要求16所述的感应邻近传感器，其中所述评估器电路包括配置成接收所述混合信号、滤除所述高频并且输出所述低频的低通滤波器。
18.根据权利要求16所述的感应邻近传感器，包括配置成将所述差分信号转换成所述离散的差分信号的转换器。
19.根据权利要求16所述的感应邻近传感器，其中所述输出电路被配置成对所述差分信号进行采样以产生所述采样的差分信号。
20.根据权利要求16所述的感应邻近传感器，包括连接到从其测量所述差分信号的节点的一个或者多个电阻器，其中所述一个或者多个电阻器中的各电阻器适合于在所述节点生成所述差分信号。
21.一种用感应邻近传感器检测目标的方法，所述方法包括：
在发送器生成电磁场以在以差分线圈布置方式布置的至少两个接收器上感应电压；
从所述至少两个接收器生成差分信号；
对所述差分信号进行处理以生成与所述差分信号的改变对应的电压，其中对所述差分信号进行处理包括对所述差分信号进行滤波、放大和采样；并且
仅基于在所述电压与阈值之间的比较来确定是否检测到目标。
22.根据权利要求21所述的方法，其中对所述差分信号进行处理还包括：
混合所述差分信号与具有不同频率的第二信号以产生混合信号；以及
从所述混合信号滤除高频。
23.根据权利要求21所述的方法，包括在检测到目标时输出指示检测到的目标的信号。
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