CN103115634A - 多线圈材料辨别型电感式传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多线圈材料辨别型电感式传感器，用于感测金属，包括发射线圈组件：在驱动电流的作用下产生发射信号；脉冲驱动电路：与所述发射线圈组件连接，并为所述发射线圈组件提供脉冲驱动电流；感应线圈组件：接收所述发射信号并产生感应信号；信号处理系统：接收所述感应线圈组件产生的感应信号并对所述感应信号进行处理得到输出信号，所述脉冲驱动电路接收所述输出信号产生反相脉冲驱动电流；控制计算系统：连接所述信号处理系统，为所述信号处理系统配置参数，并对所述输出信号处理得到金属的位置信息。本发明采用多线圈组合方式，使检测距离大幅度提高，采用移相采样技术，根据不同材质金属的特征曲线，即可分辨不同材质金属，且性能稳定。

Description

多线圈材料辨别型电感式传感器

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其是涉及一种用于测量金属位置的多线圈材料辨别型电感式传感器。

 

背景技术

目前材料选择型的电涡流式传感器采用的方案是在传统电涡流传感器技术的基础上，利用并联谐振回路的谐振特征曲线对铁磁性材料和非铁磁性材料进行区分，基本原理如下，由电感线圈和固定高频电容组成并联谐振回路，当电路处于谐振状态，谐振回路的阻抗最大，谐振频率为f0。在没有目标检测体存在时，调整电容或电感使回路处于失谐状态，也即f1位置，当有铁磁性目标检测体靠近时，由于电感量增加，使回路状态往谐振状态转变，谐振电压相应增加，而当非铁磁性目标检测体靠近时，回路状态往相反方向变化，谐振电压相应下降，这样即可分辨出铁磁性金属和非铁性金属。

    现有技术检测距离有限，只能达到常规检测距离；调校困难，一致性差，一定要采用磁芯以保证谐振回路具有很高的Q值 ；稳定性较低，温度漂移系数大，-25℃～+70℃的温度范围内，检测距离漂移达±20%以上。

 

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种多线圈材料辨别型电感式传感器，用于感测金属物质，其包括

发射线圈组件：在驱动电流的作用下产生发射信号；

脉冲驱动电路：与所述发射线圈组件连接，并为所述发射线圈组件提供脉冲驱动电流；

感应线圈组件：与所述发射线圈组件平行设置，接收所述发射信号并产生感应信号；

信号处理系统：分别连接所述感应线圈组件和脉冲驱动电路，接收所述感应线圈组件产生的感应信号并对所述感应信号进行处理得到输出信号，所述脉冲驱动电路接收所述输出信号产生反相脉冲驱动电流；

控制计算系统：连接所述信号处理系统，为所述信号处理系统配置参数，并对所述输出信号进行处理得到金属物质的位置信息。较佳地，所述发射线圈组件包括两发射线圈，所述感应线圈组件包括两感应线圈。

较佳地，所述发射线圈组件包括第一发射线圈和第二发射线圈，所述感应线圈组件包括第一感应线圈和第二感应线圈。

较佳地，所述脉冲驱动电路包括第一脉冲振荡器、第二脉冲振荡器以及第一电流源、第二电流源，所述第一脉冲振荡器与第一电流源连接，所述第二脉冲振荡器与第二电流源连接，所述第一电流源与第二电流源分别在所述第一脉冲振荡器与第二脉冲振荡器的作用下输出第一脉冲驱动电流与第二脉冲驱动电流。

较佳地，所述第一发射线圈与第二发射线圈分别接收第一脉冲驱动电流与第二脉冲驱动电流生成第一发射信号与第二发射信号。

较佳地，所述第一感应线圈与第二感应线圈分别接收所述第一发射信号和第二发射信号并分别生成第一感应信号与第二感应信号。

较佳地，所述控制系统包括差分电路、移相电路、同步解调电路以及积分电路，所述差分电路、移相电路、同步解调电路、积分电路与移相电路依次连接。

较佳地，所述差分电路接收所述两路感应信号并对该两路感应信号进行差分处理得到一差分信号，所述移相电路对所述差分信号进行移相，移相后的所述差分信号经所述同步解调器输出两路解调信号。

较佳地，所述积分电路输入端连接所述同步解调电路的输出端，所述积分电路对所述两路解调信号进行积分比较得到所述输出信号，所述输出信号控制所述脉冲驱动电路产生反相电流。

较佳地，所述输出信号输入到所述控制系统经所述控制系统计算得到金属位置信息。

较佳地，其还包括状态指示电路和电源。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明采用全新的多线圈组合方式，使检测距离大幅度提高，最大检测距离可达到标准检测距离的3～5倍;采用移相采样技术，根据不同材质金属的特征曲线， 即可分辨不同材质金属;性能稳定，抗环境干扰能力强，温度漂移系数小，-25℃～+75℃温度范围内的温度漂移小于10%，甚至小于5%；   

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点，本发明的任意产品并不局限于以上优点。

附图说明

图1为本发明实施例的电路原理示意图；

图2为本发明实施例提供的移相电路示意图；

图3为本发明实施例提供的发射线圈组件和接收线圈组件的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的在b点取样的移相取样示意图；

图5为本发明实施例提供的在c点取样的移相取样示意图。

 

具体实施方式

下方结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。

实施例

本发明提供了一种多线圈材料辨别型电感式传感器，用于感测金属物质，其包括

发射线圈组件：在驱动电流的作用下产生发射信号；

    脉冲驱动电路：与所述发射线圈组件连接，并为所述发射线圈组件提供脉冲驱动电流；

感应线圈组件：与所述发射线圈组件平行设置，接收所述发射信号并产生感应信号；

信号处理系统：分别连接所述感应线圈组件和脉冲驱动电路，接收所述感应线圈组件产生的感应信号并对所述感应信号进行处理得到输出信号，所述脉冲驱动电路接收所述输出信号产生反相脉冲驱动电流；

控制计算系统：连接所述信号处理系统，为所述信号处理系统配置参数，并对所述输出信号进行处理得到金属物质的位置信息。

本实施例中发射线圈组件包括两个发射线圈，接收线圈组件包括两个接收线圈，本实施例并不代表本发明，具体发射线圈和接收线圈的数量并不局限于本实施例，本实施例提供的多线圈材料辨别型电感式传感器优选采用两个发射线圈和接收线圈。如图3所示为本实施例提供的接收线圈组件和发射线圈组件的结构图，其中发射线圈组件包括发射线圈S1与发射线圈S2,接收线圈包括接收线圈E1和接收线圈E2，发射线圈S1和发射线圈S2平行设置，接收线圈E1和接收线圈E2平行设置，发射线圈S1和发射线圈S2为螺旋形，接收线圈E1和接收线圈E2也为螺旋形，发射线圈S1的螺线范围在接收线圈E1螺线范围的内部，发射线圈S2的螺线范围在接收线圈E2螺线范围的内部；本实施例并不代表本发明，本实施例提供的接收线圈组件和发射线圈组件的结构和形状仅为本发明的一个优选例，具体还可以设置为其它各种形状，在此不一一举例说明。本发明采用全新的多线圈组合方式，使检测距离大幅度提高，最大检测距离可达到标准检测距离的3～5倍。

所述脉冲驱动电路包括两个脉冲振荡器以及两个电流源，第一脉冲振荡器与第一电流源连接并输出第一脉冲驱动电流，第二脉冲振荡器与第二电流源连接输出第二脉冲驱动电流，脉冲驱动电路同时输出两路脉冲驱动电路；发射线圈S1和发射线圈S2分别接收第一脉冲驱动电流和第二脉冲驱动电流产生并生成第一发射信号与第二发射信号，感应线圈E1和感应线圈E2分别接收所述第一发射信号和第二发射信号并分别生成两路感应信号，两路感应信号进入信号处理系统。

如图1所示，所述信号处理系统包括差分电路、移相电路、同步解调电路以及积分电路，所述差分电路、移相电路、同步解调电路、积分电路依次连接。差分电路包括一个差分放大器，差分放大器接收所述两路感应信号并对该两路感应信号进行差分处理得到一差分放大信号，所述移相电路对所述差分信号进行移相，移相后的所述差分信号经所述同步解调器输出两路解调信号。。所述同步解调电路包括一个同步解调器，所述积分电路包括一个积分解调器。如图2所示为本实施例提供的移向电路，其设于所述差分放大器与同步解调器之间。

所述移相电路对所述差分放大信号进行移相，从而对本发明提供的多线圈传感器的检测金属进行选择。以铁磁性金属和非铁磁性金属为例分析不同金属材质与检测距离的信号幅值曲线，如图4和图5所示，在相同检测距离时，铁磁性金属与非铁磁性金属产生的信号幅值曲线和无金属时的信号幅值曲线，这些曲线虽然峰峰值差别很大，但曲线之间会有交叉点，各交叉点处的变量值即代表不同金属材料在相同检测位置的信息，由于本系统采样点始终保持在脉冲的中间点，通过采用移相电路调整信号的相位，将所需信号交叉点移至脉冲中点位置，即可实现材料选择的功能。其中图3所示，将采样点在b处，则非铁磁性材料被屏蔽，仅对铁磁性金属材料检测；图4所示，如采样点在c处，则铁磁性金属材料被屏蔽，仅对非铁磁性材料检测；还有第三种情况，如采样点在b和c之间，则可同时检测这两种材料，且可进行区分，信号为正向变化的是铁磁性材料，信号为负向变化的为非铁磁性材料，通过驱动两路输出即可进行选择。

移相后的所述差分信号经所述同步解调器输出两路解调信号，所述积分电路输入端连接所述同步解调器的输出端，所述积分电路对所述两路解调信号进行积分比较得到所述输出信号，所述输出信号控制所述脉冲驱动电路的两个脉冲电流控制器产生反相电流。所述输出信号输入到所述控制计算系统经所述控制系统计算得到金属位置信息。

其计算原理如下：

两个脉冲振荡器产生相位相反的信号通过电流控制器驱动两个发射线圈，接收线圈接收感应信号通过差分放大器得到两个线圈感应信号的差分值并经过同步解调器解调出两个信号，积分器对两个信号进行积分比较，并将比较值反相控制电流控制器，使驱动发射线圈的电流反相变化，通过这个循环最终使差分放大器的输出值恒为“0”。当有金属物体接近发射和接收（感应）线圈系统的磁场，并产生涡流破坏接收线圈（感应）的输出平衡，即不为“0”，此信号经上述系统循环调整后，差分放大器输出重新变为“0”，而积分器的输出则包含了金属物体的位置信息。可以用以下数学关系来表述：

D=f(x,η,i,A,) 

式中，D：金属物体与线圈系统的距离；

      X：积分器的变化量；     

      η：发射和接收（感应）线圈之间的耦合系数；     

      i ：发射线圈的初始电流；    

      A：差分放大器的增益；

上述公式为多变量函数，但一旦系统成型后，η,i,A将为常量，所以金属物体对线圈系统的距离和积分器的变化量成一元函数关系，并且通过调节其他参数可以改变距离。

    本发明还包括指示及输出电路以及稳压电源，指示电路与信号处理系统连接并对该信号处理系统中信号的运行状态进行指示，输出电路根据将计算驱动系统计算出的结果进行输出；稳压电源为系统提供高效稳定的电源。

 

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种多线圈材料辨别型电感式传感器，用于感测金属物质，其特征在于，包括

    发射线圈组件：在驱动电流的作用下产生发射信号；

脉冲驱动电路：与所述发射线圈组件连接，并为所述发射线圈组件提供脉冲驱动电流；

感应线圈组件：与所述发射线圈组件平行设置，接收所述发射信号并产生感应信号；

信号处理系统：分别连接所述感应线圈组件和脉冲驱动电路，接收所述感应线圈组件产生的感应信号并对所述感应信号进行处理得到输出信号，所述脉冲驱动电路接收所述输出信号产生反相脉冲驱动电流；

控制计算系统：连接所述信号处理系统，为所述信号处理系统配置参数，并对所述输出信号进行处理得到金属物质的位置信息。

2.如权利要求1所述的多线圈材料辨别型电感式传感器，其特征在于，所述发射线圈组件包括第一发射线圈和第二发射线圈，所述感应线圈组件包括第一感应线圈和第二感应线圈。

3.如权利要求2所述的多线圈材料辨别型电感式传感器，其特征在于，所述脉冲驱动电路包括第一脉冲振荡器、第二脉冲振荡器以及第一电流源、第二电流源，所述第一脉冲振荡器与第一电流源连接，所述第二脉冲振荡器与第二电流源连接，所述第一电流源与第二电流源分别在所述第一脉冲振荡器与第二脉冲振荡器的作用下输出第一脉冲驱动电流与第二脉冲驱动电流。

4.如权利要求3所述的多线圈材料辨别型电感式传感器，所述第一发射线圈与第二发射线圈分别接收第一脉冲驱动电流与第二脉冲驱动电流生成第一发射信号与第二发射信号。

5.如权利要求4所述的多线圈材料辨别型电感式传感器，其特征在于，所述第一感应线圈与第二感应线圈分别接收所述第一发射信号和第二发射信号并分别生成第一感应信号与第二感应信号。

6.如权利要求5所述的多线圈材料辨别型电感式传感器，其特征在于，所述信号处理系统包括差分电路、移相电路、同步解调电路以及积分电路，所述差分电路、移相电路、同步解调电路、积分电路与移相电路依次连接。

7.如权利要求6所述的多线圈材料辨别型电感式传感器，其特征在于，所述差分电路接收所述两路感应信号并对该两路感应信号进行差分处理得到一差分信号，所述移相电路对所述差分信号进行移相，移相后的所述差分信号经所述同步解调电路输出两路解调信号。

8.如权利要求7所述的多线圈材料辨别型电感式传感器，其特征在于，所述积分电路输入端连接所述同步解调电路的输出端，所述积分电路对所述两路解调信号进行积分比较得到所述输出信号，所述输出信号控制所述脉冲驱动电路产生反相电流。

9.如权利要求8所述的多线圈材料辨别型电感式传感器，其特征在于，所述输出信号输入到所述控制计算系统经所述控制系统采样计算得到金属位置信息。

10.如权利要求1所述的多线圈材料辨别型电感式传感器，其特征在于，其还包括状态指示电路和电源。 

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