CN104521142A - 感应接近开关 - Google Patents

Abstract

一种感应接近开关，包括振荡器1和发射线圈2，该振荡器1和该发射线圈2形成交变磁场；接收电路3，用于探测穿过交变磁场的金属致动器6，该接收电路3具有两个工作于差分电路中接收线圈4和5，其中接收线圈4和5被设置为可不同程度地受致动器6的影响，并在与致动器6相隔一定的距离时，两个接收线圈4和5的感应接收电压相互抵消。线圈都封装在通用圈体7内，且完全嵌入线圈体材料内。接收线圈4位于通用线圈体7的边缘区域。线圈体7由热膨胀系数小于10ppm/K的LTCC陶瓷制成。

Description

感应接近开关

根据专利权利要求1的前序部分，本发明涉及一种以非接触方式操作的感应接近开关。

感应接近开关作为以非接触方式操作的电子开关，主要应用于自动化设备。依据转换原理进行操作的感应接近开关已广为人知。感应接近开关在工业中被广泛应用，且已大量生产。为了便于设备的安装和替换，感应接近开关通常设有固定不变的开关距离。

可受目标影响的电磁场具有发射线圈。目标对磁场的影响受电子监控，并通过转换级，作为二进制开关信号发出。

这种开关在申请人的很多设计中均有制造和销售。

需要理解的是，该转换原理包括至少一个发射线圈和一个与该发射线圈相关联的感应线圈。基本测量值是两个线圈之间的变耦合系数。两个线圈的变耦合系数受目标的影响。受影响的程度也影响接收线圈处的信号。根据目标的特性，还可以产生相位位移，该相位位移对依据不同方式的估值程序的测量结果有益。

在接近开关的监控区域内，由于目标、开关接线头或者控制接线头的干扰，正如已经提到的，由两个线圈构成的变压器的变耦合系数受到影响，并且根据该接近开关的具体设计，要么是开关信号在超过某一个值时在发射线圈处被激活，要么是开关信号在接收线圈处时或在低于该值时被激活。

由于测量通常是基于信号的振幅进行的，高频率的信号经过整流、平滑并被送至比较器。该信号也可以被数字化，并在微控制器中进行运作。

由此，对发射线圈的控制和对目标影响的估值都可以用不同方式进行。在很多情况下，发射线圈是受目标影响的振荡器的部件。然而，发射线圈也可以由高频发生器从外部控制。与目标的相互作用在任何情况下都受限于感应场。因此，该相互作用以开关距离的三倍功率衰减。为了能够证明即使是与目标的较小的相互作用，也有利于补偿在未受影响的状态下的信号，且只对由致动器引起的变化进行估值，为此，优选地，两个接收线圈在差分电路中操作。该结构是这样设定的：两个线圈中的一个线圈比另一个线圈受目标的影响更大。通过在未受影响的状态下的零位平衡的方法，可得到非常敏感的差动线圈布置。这个布置很平衡，从而在未受影响或在一个指定的状态下两个接收线圈的信号相互抵消。这样的平衡越好，传感器信号的放大效果越大，且不会引起放大器的过度调制。

由于磁场，和由此可知的线圈布置与金属致动器之间的相互影响，随着范围的扩大而迅速衰减，温度影响，特别是铜线圈的位置改变，以及其他复杂材料和零部件的温度变化，都可以造成与期望传感器信号的在同一量级的信号改变。因此，只有当该设备的温度依赖性可以在整个工作温度范围得到补偿时，该设备能达到更大的开关距离。这种平衡不仅会在设备的铸造生产过程中受干扰，也会受安装地点的装配情况的干扰。

出厂调整的差动线圈布置在制造过程中只能消除温度范围较窄的问题。

为了提高灵敏度，同时抑制不良影响，专利文件DE4102452A1中提出了在直流差分电路内操作两个接收线圈。由此，一个线圈作为实际的接收线圈，另一个线圈作为受致动器影响较小的参照线圈，理想情况下参照线圈不受致动器影响。这另一个接收线圈位于迈斯纳振荡器反馈支路内，对振荡器的振幅进行估值。由于与金属致动器的相互作用，在两个线圈的差分交流电压抵消时，开关距离达到要求。在这种情况下，振荡器的振荡状态突然变化。故而布置很敏感但也相对地易受干扰。

因此，在专利文件DE10012830A1中提出，为了过滤出干扰信号，根据振荡器频率对要估值的信号进行运作。此外，该专利文件中还提出了，通过增加反向振荡器信号，去除被测信号的剩余补偿。这个专利文件的缺点是由失速引起的对最大可实现开关频率的限制，和由振荡器产生的振荡的重新组合。

如专利文件DE10012830A1所示的差分线圈布置通常为对称结构，例如，参考线圈与实际接收线圈直径相同，且参考线圈和实际接收线圈与发射线圈相隔的距离也相同。只有这样，才能达到高度敏感设备所需的热敏感度。根据不同的与发射线圈相隔的距离，感应耦合系数是温度的函数，由于载体材料的热膨胀系数，电感耦合因素可以趋于正确值。如上所述，由于铜线圈的热膨胀，即使是铜线圈的位置的变化也必须考虑。然而，因为参考线圈无法达到完全的解耦，对称的差分线圈布置也是有问题的。主要是由于参考线圈的直径，发射线圈只能部分地将参考线圈与致动器隔离。剩余的参考线圈与致动器的感应耦合必然会影响被测信号。

为此，专利文件DE10350733B4中提出了一种具有两个相互耦合的变压器(线圈对)的布置。因此，在很大程度上消除了致动器对参考线圈的影响。然而，这就需要第二个发射线圈。所以该专利文件的缺点是额外的发射线圈的材料成本和两个彼此分离的线圈对所需的空间，换言之，优选地，两个线圈对之间有90°的偏移。

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种紧凑的、热敏感的、具有长期稳定性的感应接近开关。

该目的可以通过专利权利要求1所述的特征创造性地实现。从属权利要求中提供了本发明的有利的实施例。

发明的基本思想是将差分线圈布置的三个线圈都收容于单片线圈体块内，该线圈体块具有高度稳定性和低热膨胀系数。

有利地，该线圈体块由低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)构成，其热膨胀系数为6-8ppm/K，且具有所需的高度稳定性。已知的印刷电路板线圈基于FR4电路板材料，无法达到必要的热稳定性。因此本发明的传感器线圈的构造被设计成基于LTCC技术的多层陶瓷。由此，线圈采用绢印技术逐层印刷在未电离的(绿色)陶瓷上。优选地，导体路径由铜制成，但也可以由银制成。在叠压后，该多层结构在约900°的化工过程加热炉中加热。如果需要，电容器，电网和/或金属结构可布设在陶瓷体内，用于对参考线圈进行预衰减。本发明的结构还改进了线圈的热耦合。LTCC陶瓷相较于其他陶瓷的优势在于其低介电损耗。LTCC陶瓷的介电常数约为7。

本发明的更多细节将通过附图进行说明，其中：

图1为发明的具有电流镜振荡器的接近开关；

图2为发明的在边缘处设有接收线圈的线圈体；

图3为发明的圆柱形接近开关的纵向剖示图。

图1极其简化地示出了发明的感应接近开关的基本开关元件。发生器1被构造为电流镜振荡器。该开关元件的优点是高放大率，能产生快速振荡增益，并用强阻尼(starker)阻止振荡超范围。振荡器信号的振幅可以由电阻Ra补偿。另一个优点在于，这个电路无需将振荡器线圈的中接头同时用作发射线圈2即可得到。

抗串联的接收线圈4和5与跨导混频器(Steilheitsmischer)10相连，该跨导混频器10的发射分支是根据振荡器信号进行运作的。这样的设置，特别是发射器线圈2与跨导混频器10耦合，用简化的方式进行描述。吉尔伯特结构(Gilbertzelle)在此处明显是更适合的。所有三个线圈被封闭在一个单片陶瓷块，即线圈体7。该结构是这样设计的，在未受影响的状态下，两个接收线圈4和5的差分信号之和为零。该线圈体材料的低热膨胀系数，通常为8ppm/K，提供了布置所要求的热稳定性。

有利地，线圈体7由LTCC陶瓷制成，除了所述的三个线圈和用于参考线圈5的预阻尼面9之外，在本实施例中还包含振荡电路电容8。

还可以设置预阻尼面9。预阻尼面9用于对参考线圈5进行预衰减，在理想状态下，参考线圈5不受金属致动器6的影响。这样，接近开关受开关距离的装配位置的影响也会减少。

接收线圈4和5的差分信号被送至跨导混频器10，该跨导混频器10作为模拟乘法器，将接收到的信号与振荡器信号相乘，相乘后的信号在这里也作为发射信号。

干扰主要通过同相估值筛选出来。然而，致动器6造成的相位位移也会对结果产生一些影响。

乘法器10产生的脉冲直流电压信号被平滑处理并被发送到触发器或比较器，该触发器或比较器将该信号与一个阈值对比，并根据线圈布置的阻尼状态，产生二进制开关信号。估值电路3还创造性地包含替代乘法器10的积分器或相关器，有利地，该积分器或相关器可作为软件存储在微控制器内。自然地，开关输出A可以实现接近开关的常用功能，例如电子保险丝和/或过电压保护。

当然，本发明不限于所示的布置。本发明的陶瓷线圈也可以是三点式振荡器的一个组成部分。该陶瓷线圈当然也不需要属于确定频率的谐振电路，而可以是根据任意所需频率的弯曲形、三角形或矩形脉冲，或是根据高频发生器1产生的脉冲波形进行运作。

图2示出了发明的陶瓷线圈7。每个陶瓷层包括一个线圈层，但是该线圈层也可以属于不同的线圈，不同的线圈通过图未示的层间连接彼此相连。外部线圈的触点仅是示意性地示出，线圈层的数量不具有代表性。

为了保持发射电流尽可能低，发射线圈的特点是其触点2上的绕组比接收线圈4和参考线圈5上的绕组多。三个线圈都几乎位于同一个的中心平面。将接收线圈4设置在线圈体7的边缘且与发射器线圈2相隔一定的距离，是为了使接收线圈4更好地与致动器6接触。有利地，谐振电路电容8被设置在发射器线圈2的背侧。预阻尼面9也未图示。预阻尼面9可创造性地位于参考线圈5的两侧，即也在参考线圈5朝向致动器的一侧。三个线圈都穿过线圈体7的背侧相互接触。

图3示出了发明的圆筒形构造的接近开关的纵向剖示图。图1所示的电路元件在图3中以非常简单的方式示出。

前区11可以由金属，最好是不锈钢制成，但也可以由塑料或陶瓷制成。前区11的边缘区域尽可能地作为接收表面，因此前区11内布满接收线圈4。该布置的特征在于插头12和螺纹连接M8x1，并设有外螺纹M12x1以便于装配。其它电路元件已经解释过了。此处的估值电路3包括前置放大器，乘法器10，积分器和施密特触发器，用于产生二进制开关信号。

现有的电源和一般设有限流器或短路保护的转换级不再累述。

本发明涉及一种感应接近开关，包括振荡器1和发射线圈2，该振荡器1和该发射线圈2形成交变磁场；接收电路3，用于探测穿过交变磁场的金属致动器6，该接收电路3具有两个工作于差分电路中接收线圈4和5，其中接收线圈4和5被设置并构造为可不同程度地受致动器6的影响，并在与致动器6相隔期望(开关)距离时，两个接收线圈4和5的感应接收电压相互抵消。该结构在没有致动器6的情况下也适用。所有三个线圈都封装在通用圈体7内，且完全嵌入线圈体材料内。经过验证，将接收线圈4设置在通用线圈体7的边缘区域，而参考线圈5设置在通用线圈体7的中心是有利的。

线圈体材料具有小于10ppm/K的热膨胀系数，该热膨胀系数的典型值为8ppm/K。线圈体材料的介电常数ε_relative小于7，该介电常数ε_relative的典型值为5.8。

有利地，线圈体7包括LTCC或HTCC陶瓷的多层陶瓷体，其中，简称HTCC代表“High Temperature Co-fired Ceramics”，高温共烧陶瓷。

所述两个接收线圈4和5可以与发射线圈2的绕组相互交织，即各线圈可相互穿插。

接收线圈4和5与发射线圈2之间的距离以及它们的直径可以是不同的。由于参考线圈5的直径较小，参考线圈5需要比接收线圈4高的绕组数。由于参考线圈5具有较小的直径并位于靠近轴的接近开关的范围内，参考线圈5受的致动器的影响必然比实际接收线圈4小。

在本发明的另一个有利的实施例中，参考线圈5被发射器线圈2完全包围。因此，参考线圈5更好地与致动器6解耦，且提高了布置的敏感性。这个布置在温度变化上有积极效果。有利地，接收线圈4和参考线圈5对发射线圈2具有相同的变压器耦合系数。在许多情况下，接收线圈4和参考线圈5具有相同的感应电阻也是一个优点。

线圈体材料的热导率至少达到3W/(m×k)。电容8(谐振电路电容)和用于预衰减参考线圈5的预阻尼面9可嵌入线圈体7。接收线圈2可设置在与发射线圈2相隔一段距离的位置。

参考数字符号：

1   振荡器，高频发生器

2   发射线圈

3   接收电路

4   接收线圈(第一接收线圈)

5   接收线圈(第二接收线圈)

6   金属致动器，目标

7   具有发射线圈2及接收线圈4和5的线圈体

8   电容，谐振电路电容

9   预阻尼面

10  乘法器

11  前区

12  螺纹连接插头M8x1

A   开关输出

Ub  工作电压

Ra  调节电阻

Claims (7)

1.一种感应接近开关，包括：振荡器(1)和发射线圈(2)，所述振荡器(1)和所述发射线圈(2)形成交变磁场；接收电路(3)，用于探测穿过交变磁场的金属致动器(6)，所述接收电路(3)具有两个工作于差分电路中接收线圈(4，5)，其中所述接收线圈(4，5)被设置并构造为在与所述致动器(6)相隔一定的距离时，两个接收线圈(4，5)的信号相互抵消，其特征在于，三个线圈(2，4，5)都封装在通用(7)线圈体内，且完全嵌入线圈体材料内并被线圈体材料包围，其中第一接收线圈(4)位于通用线圈体(7)的边缘区域。

2.根据权利要求1所述的感应接近开关，其特征在于，所述线圈体材料的热膨胀系数小于10ppm/K。

3.根据权利要求1或2所述的感应接近开关，其特征在于，所述线圈体(7)由多层低温共烧陶瓷或多层高温共烧陶瓷构成。

4.根据权利要求1-3中的一项所述的感应接近开关，其特征在于，所述接收线圈(4，5)对发射线圈(2)均具有相同的变压器耦合系数。

5.根据权利要求1-4中的一项所述的感应接近开关，其特征在于，所述线圈体(7)内嵌有电容(8)。

6.根据上述权利要求中的一项所述的感应接近开关，其特征在于，所述线圈体(7)设有金属预阻尼面(9)，所述金属预阻尼面(9)用于对第二接收线圈(5)做电预衰减。

7.根据上述权利要求中的一项所述的感应接近开关，其特征在于，所述参照线圈(5)位于线圈轴的附近，所述接收线圈(4)与所述发射线圈(2)相隔一段距离。