CN103984029A - 一种冰箱电磁门磁性传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冰箱电磁门磁性传感器，其电路中一检测电阻和一电感串联，差动放大器两端电压加在检测电阻上来提供一个相当于电感电流的信号，当驱动电感H电桥在两个方向驱动时候，一个2.5V的偏置电压加在差动放大器的两端，使得纹波信号能够被测量，然后这个被放大的信号通过一个高通滤波器来屏蔽掉纹波，通过一个低通滤波器来去掉高频噪声，这个被过滤的信号通过一个非反向放大器在0-5V的范围内来整流和放大这个信号，一个峰值检波器被用来设定一个最大纹波低于0.7V的DC直流电压。这个峰值检波器的DC输出直接反映了电感系数，并且能够很容易地被微处理器采样来确定门的状态。本发明的主要优点是无需在门上加其他元器件，坚固可靠，成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器，具体涉及一种冰箱电磁门磁性传感器。
背景技术
在日常生活中，人们通常会遇到这样的情况，当打开冰箱门后再关上，等到下一次再想打开冰箱门，却发现十分吃力，这是因为上一次冰箱打开时，热空气的进入导致了冰箱内压力的变化，冰箱内外形成了压力差，从而使得用户不易重新开门。
目前Fisher & Paykel (F&P)公司提出了一个解决方案，就是通过电磁系统来辅助用户开门。电磁系统中的核心是门控制器，门控制器的最终要求是它能够通过门传感器来判断冰箱门的开关状态。F&P当前使用的方法是一个特别的微型开关。这个微型开关虽然很可靠，但是很贵，为了降低成本，现需要一种廉价又可靠的门传感器来代替它。
发明内容
为了解决上述的问题，本发明旨在提供一种冰箱电磁门磁性传感器，用于代替现行的昂贵的微型开关。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种冰箱电磁门磁性传感器，主要包括一个电感电流纹波检测电路，所述电感电流纹波检测电路中包括第一放大器和第二放大器，所述第一放大器的反向输入端连接第一电阻，所述第一放大器的同向输入端并联有第二电阻和第三电阻，所述第一放大器的输出端通过第一电容并联有第四电阻和接地的第五电阻，所述第一放大器的反向输入端和输出端之间还跨接有第六电阻；所述第一电阻连接高通滤波器，所述第二电通过一电感连接低通滤波器，所述第一放大器的反向输入端和同向输入端之间跨接有第七、第八、第九电阻，所述第三电阻通过第二电容接地，所述第二电容的两端并联有所述第十电阻，所述第十电阻通过第十一电阻接地；
所述第二放大器的反向输入端连接第十二电阻，所述第二放大器的同向输入端并联有所述第四电阻和第三电容，所述第三电容接地，所述第二放大器的输出端通过第十四电阻一普通二极管的正极和一稳压二极管的负极并联，所述第一放大器的反向输入端和输出端之间还跨接有第十三电阻；所述稳压二极管的正极接地，所述普通二极管的负极通过第十五电阻并联有第十六电阻和接地的第四电容。
一个很小的检测电阻和一个电感串联。差动放大器两端电压加在检测电阻上来提供一个相当于电感电流的信号。当驱动电感H电桥在两个方向驱动时候，一个2.5V的偏置电压加在差动放大器的两端，使得纹波信号能够被测量，然后这个被放大的信号通过一个高通滤波器来屏蔽掉纹波，通过一个低通滤波器来去掉高频噪声。
接着这个被过滤的信号通过一个非反向放大器在0-5V的范围内来整流和放大这个信号。一个峰值检波器被用来设定一个最大纹波低于0.7V的DC直流电压。因此这个峰值检波器的DC输出直接反映了电感系数，并且能够很容易地被微处理器采样来确定门的状态。通过设定输入管脚到0V一个很短的时间，这个峰值检波器可以被重新设置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明在冰箱电磁门磁性传感器的主要优点是不需要在门上加装任何其他的元器件，比现有特殊的微型传感器廉价的同时，它又具备着与之相当的坚固，可靠等特点。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的电路原理示意图；
图2为当电磁铁被反响驱动时，电磁场分布示意图；
图3为当用PWM信号驱动电磁铁时，电流的纹波示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
参见图1所示，一种冰箱电磁门磁性传感器，主要包括一个电感电流纹波检测电路，所述电感电流纹波检测电路中包括第一放大器U1和第二放大器U2，所述第一放大器U1的反向输入端连接第一电阻R1，所述第一放大器U1的同向输入端并联有第二电阻R2和第三电阻R3，所述第一放大器U1的输出端通过第一电容C12并联有第四电阻R4和接地的第五电阻R5，所述第一放大器U1的反向输入端和输出端之间还跨接有第六电阻R6；所述第一电阻R1连接高通滤波器LH，所述第二电阻R2通过一电感L连接低通滤波器LP，所述第一放大器U1的反向输入端和同向输入端之间跨接有第七、第八、第九电阻R7，R8，R9，所述第三电阻R3通过第二电容C2接地，所述第二电容C2的两端并联有所述第十电阻R10，所述第十电阻R10通过第十一电阻R11接地；
所述第二放大器U2的反向输入端连接第十二电阻R12，所述第二放大器U2的同向输入端并联有所述第四电阻R4和第三电容C3，所述第三电容C3接地，所述第二放大器U2的输出端通过第十四电阻R14一普通二极管D1的正极和一稳压二极管D2的负极并联，所述第一放大器U1的反向输入端和输出端之间还跨接有第十三电阻R13；所述稳压二极管D2的正极接地，所述普通二极管D1的负极通过第十五电阻R15并联有第十六电阻R16和接地的第四电容C4。
感应系数理论
设置在冰箱门上的永久磁铁和设置在冰箱门内侧的电磁铁之间的距离和本发明的冰箱电磁门磁性传感器测得的电感有直接的关系。根据法拉第定律，一个电磁铁所测得的感应系数是直接和电磁电路中所有的磁通量成比例的。假设系统是线性的时候， 这个定律是正确的。如果电磁铁反方向驱动，电感就减少，并且永久磁铁就靠近电磁铁，这个影响能被用来测定门的状态。
为了关上冰箱门，当驱动电感H电桥被反向驱动时候，电磁场分布参见图2所示。当永久性磁铁移向电磁铁时，磁场之间的相互作用会改变电路中的总磁通量。在磁铁附近的磁通量由于磁场的抵消作用将会减少。在电磁铁和永久性磁铁之间的磁通量由于磁铁产生的磁场的增加将会上升。
因为靠近两极处的磁场是最强的，和电磁铁内部磁通量的增加相比较，在磁铁之间磁场的抵消会导致其磁通量成比例地急剧减少。所以，最终的磁通量是减少的。从而测得的电感也是减少的。
RL时间响应方法
测量电磁铁电感的一个方法和测量电容是相似的。当加电压在一个电感和串联的一个电阻上时，电流的增长率取决于电感系数。电流上升到一个一定的值所需要的时间是能够被测出的，并且也能够测出门的状态。
电流纹波的探测方法
当用一个PWM信号来驱动一个电磁铁时，电流展现出的纹波类型参见图3所示。电流的纹波和线圈的电感系数和操作频率有着直接的关系。电感系数或者频率的增加会导致很小的电流纹波，反之亦然。选择250Hz的PWM频率来提高电流纹波的幅值。
本发明的电路原理参见图1所示，一个很小的检测电阻和一个电感串联。差动放大器两端电压加在检测电阻上来提供一个相当于电感电流的信号。当H电桥在两个方向驱动时候，一个2.5V的偏置电压加在差动放大器的两端，使得纹波信号能够被测量。然后这个被放大的信号通过一个高通滤波器来屏蔽掉纹波，通过一个低通滤波器来去掉高频噪声。
接着这个被过滤的信号通过一个非反向放大器在0-5V的范围内来整流和放大这个信号。一个峰值检波器被用来设定一个最大纹波低于0.7V的DC直流电压。因此这个峰值检波器的DC输出直接反映了电感系数，并且能够很容易地被微处理器采样来确定门的状态。通过设定输入管脚到0V一个很短的时间，这个峰值检波器可以被重新设置。
本发明的电感电流纹波检测电路的最终元器件数值的计算如下：
1、放大器增益
输入电压纹波的大小--H电桥在40%的频宽比时驱动--测得大约60mV。设计运算放大器电路的增益达到最终的输出大约4V，这正好在ADC输入电压的范围内。
因为纹波信号被整流了，这个有效的输入信号只有30mV。因此差动放大器和非反向放大器的增益为：
；
因此差动放大器的增益选为8，非反向放大器的增益设为16，总的增益为128。
正确的差动运算放大器必须满足：
；
因此差动放大器的增益为：
；
R12和R2选为100KΩ以此来保证差动放大器有很高的输入阻抗（200KΩ）。两个电阻必须很大来保证共模电流很小。从以上公式得到，R3 =
R6 = 8 × 100 KΩ ⇒ 820 KΩ。
非反向放大器的增益为：
；
因此，为了得到期望的增益16，R13
=820 KΩ以及R12=56 KΩ。
2、分压器
当驱动电感H电桥在两个方向驱动时，差动放大器需要一个2.5VDC偏置电压来探测纹波。这个DC由15V的电源电压来分得：
；
；
；
；
Let 。
3、滤波器
高通滤波器的角频率选择在25Hz。这是在PWM频率下101衰减并且这个信号的主要信息在去掉DC部分时仍然被保留下来的。角频率的公式如下：
；
Let 。
低通滤波器的角频率选择在2.5KHz--在感兴趣频率的10倍频程以上（101）。低通滤波器的公式和上面一样。R5选择68KΩ来保证不会载入前一级滤波器，因此根据以上公式C1选择10nF。
4、齐纳二极管
选择5.1V的齐纳二极管来限定非反向放大器的输出电压。通过确保电压不会超过5.5V来保护门控制器微处理器的ADC管脚。一个10KΩ的电阻放置在运算放大器的输出端和齐纳二极管之间来限制从运算放大器出来的最大电流。
5、波峰探测器
选择1N4148二极管来作为波峰探测器使用。当选择波峰探测器电容C4的值时必须作出折中选择。大电容会有稳定的电压。但是， 大电容也会导致波峰探测器的输入变化缓慢。经过考虑这个电容C4的值选15nF。
设定流入C4的最大电流为50mA，
。
波峰探测器的最大输入电压就是非反向放大器的最大输出电压减去普通二极管D1上的电压。当波峰探测器被重新复位后，门控制器微处理器的ADC管脚就被复位到0V并且电流从C4流入管脚。电流设定在15mA, 比最大额定电流40mA小很多；
。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种冰箱电磁门磁性传感器，其特征在于：主要包括一个电感电流纹波检测电路，所述电感电流纹波检测电路中包括第一放大器（U1）和第二放大器（U2），所述第一放大器（U1）的反向输入端连接第一电阻（R1），所述第一放大器（U1）的同向输入端并联有第二电阻（R2）和第三电阻（R3），所述第一放大器（U1）的输出端通过第一电容（C1）并联有第四电阻（R4）和接地的第五电阻（R5），所述第一放大器（U1）的反向输入端和输出端之间还跨接有第六电阻（R6）；所述第一电阻（R1）连接高通滤波器（LH），所述第二电阻（R2）通过一电感（L）连接低通滤波器（LP），所述第一放大器（U1）的反向输入端和同向输入端之间跨接有第七、第八、第九电阻（R7，R8，R9），所述第三电阻（R3）通过第二电容（C2）接地，所述第二电容（C2）的两端并联有所述第十电阻（R10），所述第十电阻（R10）通过第十一电阻（R11）接地；
所述第二放大器（U2）的反向输入端连接第十二电阻（R12），所述第二放大器（U2）的同向输入端并联有所述第四电阻（R4）和第三电容（C3），所述第三电容（C3）接地，所述第二放大器（U2）的输出端通过第十四电阻（R14）一普通二极管（D1）的正极和一稳压二极管（D2）的负极并联，所述第一放大器（U1）的反向输入端和输出端之间还跨接有第十三电阻（R13）；所述稳压二极管（D2）的正极接地，所述普通二极管（D1）的负极通过第十五电阻（R15）并联有第十六电阻（R16）和接地的第四电容（C4）。
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