CN105960601A - 用于确定物体类型的方法和接近传感器 - Google Patents
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Abstract
如果物体改变从在谐振频率之下和之上的频率处的谐振结构反射的电力信号的相位，一种方法确定接近具有谐振频率的谐振结构的物体的类型为金属物体。否则，该方法确定该物体的类型为非金属物体。
Description
技术领域
本发明总体上涉及接近传感器，并且更具体地涉及用于确定接近传感器的物体的类型的接近传感器。
背景技术
在接近传感的领域中，需要确定接近传感器的物体的类型，例如，金属物体或非金属物体。常规的传感器使用电感传感和电容传感的组合来确定被检物体的类型。那些传感器包括分别进行电容传感和电感传感的至少两个传感单元。该双重结构使传感系统复杂化。
例如，U.S.20070159185描述了具有电容和磁传感器阵列的安全扫描器。相似地，U.S.6801044号申请描述了包括由两个相同且对称布置的振荡电路组成的复合测量单元的系统，其中，测量元件采用相同且对称布置的电感线圈和电容器芯片的形式。
U.S.20130106769描述了使用交替的电感和电容模式的混合传感方法。通过在不同模式中激励传感器来实现电感模式和电容模式。然而，该方法需要开关电路，这降低了检测速度。
发明内容
本发明的一些实施方式是基于一种普遍认识，即，当源例如通过电缆向一结构发送信号时，信号的一部分例如经由同一电缆被该结构反射回所述源。反射信号的参数取决于所述结构的阻抗，并且所述结构的阻抗可能受到接近所述结构的另一物体的影响。因此，结构附近的物体的存在能够影响反射信号的参数。
具体地，接近由电力信号供电的谐振结构的物体能够改变从谐振结构反射的电力信号的相位。此外，由于电感耦合和电容耦合的原理的差异，不同类型的物体，即金属物体或非金属物体有区别地改变电力信号的相位。这样的差异可以在从谐振结构反射的电力信号的非谐振频率上检测到。因此，包括谐振结构的接近传感器能够不利用结构的谐振特性，而使用它的非谐振特性来区分接近谐振结构的金属物体和非金属物体。
例如，接近具有谐振频率的谐振结构的金属物体能够在两种类型的非谐振频率(即，谐振频率之上的频率上和谐振频率之下的频率)上改变反射信号的相位。相反，接近谐振结构的非金属物体能够在谐振频率之上或之下的但不是同时在两种类型的非谐振频率上的频率上改变电力信号的相位。
因此，通过在两种或仅一种类型的非谐振频率上检测从谐振结构反射的电力信号的相位的改变，能够区分接近谐振结构的物体的类型。
相应地，一个实施方式公开了一种用于确定接近具有谐振频率的谐振结构的物体的类型的方法。该方法包括：如果所述物体在在谐振频率之下和之上的频率处改变从所述谐振结构反射的电力信号的相位，则确定所述物体的类型为金属物体；以及否则就确定所述物体的类型为非金属物体。
另一实施方式公开了一种接近传感器，该接近传感器包括：传感器单元，其具有谐振结构，所述谐振结构具有谐振频率；电源，其用于向所述谐振结构提供电力信号，所述电力信号包括具有第一非谐振频率的第一信号和具有第二非谐振频率的第二信号，所述第一非谐振频率和所述第二非谐振频率被选择为使得所述谐振频率的值在所述第一非谐振频率的值与所述第二非谐振频率的值之间；检测单元，其用于在物体接近所述传感器单元的情况下检测所述第一信号的相位的第一改变和所述第二信号的相位的第二改变中的一个或二者；以及处理器，其用于在检测到所述第一改变和所述第二改变二者的情况下确定所述物体的类型为金属物体，并且用于在仅检测到所述第一改变和所述第二改变中的一个的情况下确定所述物体的类型为非金属物体。
附图说明
[图1]
图1是根据本发明的一些实施方式的用于确定接近谐振结构的物体的类型的系统和方法的示意图。
[图2]
图2是示出不同的非谐振频率上的反射信号的相位的差异的图表。
[图3A]
图3A是根据本发明的一些实施方式的接近传感器的框图。
[图3B]
图3B是图3A的接近传感器的示例性操作的流程图。
[图4]
图4是图3A的接近传感器的处理器的示例性操作的流程图。
[图5]
图5是示出根据本发明的一些实施方式的选择具有多个谐振频率的谐振结构的非谐振频率的图。
[图6]
图6是根据本发明的一些实施方式的为操纵谐振频率而调整的不同传感器设计的比较。
[图7]
图7是根据本发明的一些实施方式的检测处理单元的框图。
具体实施方式
本发明的一些实施方式是基于以下认识：接近由电力信号供电的谐振结构的物体能够改变从谐振结构反射的电力信号的相位。由于电感耦合和电容耦合的原理上的差异，不同类型的物体(即，金属物体或非金属物体)有区别地改变电力信号的相位。这种差异可以在从谐振结构反射的电力信号的非谐振频率上检测到。
本发明的一些实施方式是基于一种普遍认识：当源例如通过电缆向一结构发送信号时，信号的一部分例如经由同一电缆被该结构反射回到源。反射信号的参数取决于该结构的阻抗，并且该结构的阻抗可能受到结构附近的另一物体的影响。因此，该结构附近的物体的存在能够影响反射信号的参数。
具体地，接近由电力信号供电的谐振结构的物体能够改变从谐振结构反射的电力信号的相位。此外，由于电感耦合和电容耦合的原理上的差异，不同类型的物体(即，金属物体或非金属物体)有区别地改变电力信号的相位。这种差异可以在从谐振结构反射的电力信号的非谐振频率上检测到。因此，包括谐振结构的接近传感器能够不利用结构的谐振特性而使用它的非谐振特性来区分接近谐振结构的金属物体和非金属物体。
图1示出了根据本发明的一些实施方式的用于确定接近具有谐振频率的谐振结构110的物体150的类型的方法和系统的示意图。例如，接近谐振结构的金属物体能够在两种类型的非谐振频率(即，谐振频率之上的频率上和谐振频率之下的频率上)上改变反射信号的相位。相反，接近谐振结构的非金属物体能够在谐振频率之上或之下但不是同时在两种类型的非谐振频率上的频率上改变电力信号的相位。
因此，通过检测从谐振结构反射的电力信号在两种或仅一种类型的非谐振频率上的相位的改变，能够区分接近谐振结构110的物体150的金属210和非金属220类型。
相应地，本发明的一些实施方式确定240物体150是否在谐振频率之下和之上的频率处改变被谐振结构反射的电力信号的相位。如果是211，则确定物体的类型为金属210。如果否222，例如，仅改变了谐振频率之下或之上的一个非谐振频率上的相位，则确定该物体的类型为非金属220。
因此，通过检测从谐振结构反射的电力信号在两种类型的非谐振频率或仅一种类型的非谐振频率上的相位的改变，本实施方式能够区分接近谐振结构的物体的类型。
图2显示了反射的电力信号在谐振频率和非谐振频率上的相位差异。通过比较两个非谐振频率处的相位改变，可以确定物体的类型。
在图2中，线250表示在没有任何物体接近谐振结构的情况下反射的电力信号的相位。线253表示当金属物体接近谐振结构时反射的电力信号的相位，并且线256表示当非金属物体接近谐振结构时反射的电力信号的相位。谐振频率260是反射的电力信号的相位跨0度或180度的频率。
相位改变280的差异用于确定物体的类型。例如，相对于相位250的改变270是在谐振频率之下的频率处的相位改变，这是例如由于与金属物体的电感耦合。相对于相位250的改变275是反射的电力信号在谐振频率之上的频率处的相位改变，这是例如由于与金属物体或非金属物体的电容耦合。
图3A和图3B示出了根据本发明的一些实施方式的接近传感器301的示例和接近传感器301的操作。接近传感器301包括传感器单元110、电源120、检测单元130和处理器140。传感器单元具有谐振结构，该谐振结构具有与物体150相互作用的谐振频率。电源120向谐振结构提供310电力信号。电力信号可以包括具有第一非谐振频率的第一信号160和具有第二非谐振频率的第二信号165，第一非谐振频率和第二非谐振频率被选择为使得谐振频率的值介于第一非谐振频率的值与第二非谐振频率的值之间。例如，第一信号具有谐振频率之下的频率并且第二信号具有谐振频率之上的频率。
两个电力信号被供应至传感器单元以感测接近谐振结构的物体，并且两个电力信号被供应至检测单元以作为参考。在一个实施方式中，在谐振频率的电感或电容区域内选择第一信号的频率和第二信号的频率。
两个信号160和165被传感器单元110反射320为与第一信号160的频率对应的第一反射信号170和与第二电力信号165的频率对应的第二反射信号175。
检测单元130检测330到信号160和165以及反射信号170和175。比较对应信号的相位以确定第一信号的相位的第一改变180和/或第二信号的相位的第二改变185。向处理器140发送表示检测到的改变180和185的值。
处理器分析340相位的改变，并且确定物体的类型195。例如，如果检测到第一改变和第二改变二者，则处理器将物体的类型确定为金属物体，而如果仅检测到第一改变和第二改变中的一个，则处理器将物体的类型确定为非金属物体。在一些实施方式中，分析的结果被呈现350，例如，至存储器内、在显示装置上、或被发送至另一应用程序。应用程序的示例包括但不限制于自动钻孔机器控制、汽车座椅占用检测系统、机械臂/机械手感测、生物感测、工厂自动化和安全应用程序。
图4示出了根据一个实施方式的处理器140的示例性操作的流程图。处理器通过比较410两个反射信号的相位与原来第一信号和第二信号的相位的参考值来确定物体是否接近谐振结构。处理器确定430是否存在第一改变或第二改变中的任一个。例如，在一个实施方式中，如果对应的提供的信号的相位与反射信号的相位之间的差异在阈值之上，则认为检测到改变。
如果处理器未检测到改变431，则在谐振结构附近不存在物体420。如果处理器检测到432第一非谐振频率处的电力信号的相位的第一改变，则物体接近谐振结构，并且处理器测试440第二非谐振频率处的电力信号的相位的第二改变。如果检测到第二改变，则处理器确定物体的类型为金属物体426，否则确定物体的类型为非金属物体423。
接近传感器的感测在两个非谐振频率处工作，其中，一个非谐振频率在谐振频率之上并且另一个非谐振频率在谐振频率之下。对于仅具有单一谐振的结构，容易选择谐振频率之下或之上的频率。谐振频率之上的频率是大于目标谐振频率的频率，并且谐振频率之下的频率是小于目标谐振频率的频率。
然而，谐振频率可以具有多个谐振频率。因此，一些实施方式选择第一非谐振频率和第二非谐振频率，使得谐振频率的仅一个值介于第一非谐振频率的值与第二非谐振频率的值之间。
图5示出了f1至f5的五个谐振频率，其中，f1<f2<f3<f4<f5。频率从最小至最大排序。谐振频率之上的频率是大于被定为目标的谐振频率但小于下一个谐振频率的频率。按照这个顺序，谐振频率之下的频率是小于被定为目标的谐振频率但大于前一个谐振频率的频率。
如果选择频率f3作为用于感测物体的目标谐振频率，则谐振频率之上的频率为大于f3但小于f4的频率。谐振频率之下的频率是小于f3但大于f2的频率。
谐振结构的形状和尺寸影响谐振频率的值。本发明的一些实施方式设计了各种谐振频率以减小谐振频率，这可以降低传感器的成本。
图6示出了由一些实施方式使用的谐振结构的一些示例。结构610是欧米茄形状。通过使用多圈圆形螺旋结构620来重塑结构610的欧米茄形状的弧形形状，可以减小该结构的谐振频率。可以将圆形螺旋结构重塑为矩形线圈结构630以进一步减小谐振频率。为了进一步减小谐振频率，可以用叉指结构640来替换底部处的两个平行条。
图7是根据本发明的一些实施方式的检测和处理单元700的框图。在一个实施方式中，使用矢量网络分析仪来实现检测和处理单元700。通常，矢量网络分析仪既测量振幅特性也测量相位特性。该实施方式的检测和处理单元包括电源710、定向耦合器740、相位和振幅鉴别器730以及处理器720。谐振结构750通常在该单元外部。
在另一实施方式中，传感系统包括射频集成电路(RFIC)。可以利用双频晶体振荡器(例如，Si532)实现电源。可以利用AD8302来实现相位和振幅鉴别器，AD8302是完全集成的RFIC，用于测量输入信号之间的振幅和相位。可以使用各种定向耦合器设计技术来实现行耦合器。
本发明的上述实施方式可以按照很多方式中的任一个实现。例如，可以使用硬件、软件或它们的组合实现这些实施方式。当以软件实现时，可以在任何合适的处理器或多个处理器上执行软件代码，无论处理器被提供在单个计算机中还是分布在多个计算机中。这些处理器可以被实现为集成电路，在集成电路组件中具有一个或多个处理器。尽管如此，可以以任何合适的格式使用电路实现处理器。处理器可以连接至存储器、收发器和本领域已知的输入/输出接口。
此外，在本文中概述的各种方法和工艺可以编码为可在采用各种各样的操作系统或平台中的任一个的一个或多个处理器上可执行的软件。另选地或附加地，本发明可以具体实现为诸如信号的计算机可读介质，而不是计算机可读存储介质。
术语“程序”或“软件”在本文中在一般意义上使用以指代可采用的任何类型的计算机代码或计算机可执行指令的集合，用于对计算机或其它处理器编程以执行如上述本发明的各个方面。
在权利要求中使用以修饰要求保护的元件的诸如“第一”、“第二”的序数词本身不意味着任何优先权、在先、或一个要求保护的元件与另一个的顺序、或执行方法的动作的时间顺序，而是仅作为标记以将具有特定名称的一个要求保护的元件从具有相同名称(针对序数词的使用)的另一元件区分开以区分要求保护的元件。
Claims (10)
1.一种确定接近具有谐振频率的谐振结构的物体的类型的方法，该方法包括：
如果所述物体在所述谐振频率之下和之上的频率处改变被所述谐振结构反射的电力信号的相位，则确定所述物体的类型为金属物体；以及
否则，确定所述物体的类型为非金属物体。
2.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括：
在第一非谐振频率处检测所述电力信号的所述相位的第一改变；
在第二非谐振频率处测试所述电力信号的所述相位的第二改变，其中，所述谐振频率的值介于所述第一非谐振频率的值与所述第二非谐振频率的值之间；
如果检测到所述第二改变，则确定所述物体的类型为金属物体；以及
否则，确定所述物体的类型为非金属物体。
3.根据权利要求2所述的方法，该方法还包括：
向所述谐振结构提供所述电力信号，所述电力信号具有在所述谐振频率的电感区域或电容区域内的所述第一非谐振频率和所述第二非谐振频率处的频率成分。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述测试包括：
在所述第二非谐振频率处确定发送至所述谐振结构的电力信号的相位与被所述谐振结构反射的电力信号的相位之间的差异；以及
如果所述差异在阈值之上，则检测到所述第二改变。
5.根据权利要求4所述的方法，该方法还包括：
将所述电力信号分为发送至所述谐振结构的第一电力信号以及第二电力信号；以及
使用所述第二电力信号，检测发送至所述谐振结构的电力信号的相位。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述谐振结构具有多个谐振频率，该方法还包括：
选择所述第一非谐振频率和所述第二非谐振频率，使得仅所述谐振频率的一个值介于所述第一非谐振频率的值与所述第二非谐振频率的值之间。
7.一种接近传感器，该接近传感器包括：
传感器单元，其包括具有谐振频率的谐振结构；
电源，其用于向所述谐振结构提供电力信号，所述电力信号包括具有第一非谐振频率的第一信号和具有第二非谐振频率的第二信号，所述第一非谐振频率和所述第二非谐振频率被选择为使得所述谐振频率的值介于所述第一非谐振频率的值与所述第二非谐振频率的值之间；
检测单元，其用于在物体接近所述传感器单元的情况下检测所述第一信号的相位的第一改变和所述第二信号的相位的第二改变中的一个或两个；以及
处理器，其用于在检测到所述第一改变和所述第二改变二者的情况下确定所述物体的类型为金属物体，并且在仅检测到所述第一改变和所述第二改变中的一个的情况下确定所述物体的类型为非金属物体。
8.根据权利要求7所述的接近传感器，其中，所述第一非谐振频率和所述第二非谐振频率在所述谐振频率的电感区域或电容区域内。
9.根据权利要求7所述的接近传感器，其中，所述电源通过传输线向所述传感单元供电，其中，所述检测单元包括耦合器，所述耦合器连接至所述传输线以接收由所述电源提供的电力信号和从所述传感单元反射的电力信号。
10.根据权利要求9所述的接近传感器，其中，所述处理器在所述第一非谐振频率或所述第二非谐振频率处确定发送至所述谐振结构的电力信号的相位与被所述谐振结构反射的电力信号的相位之间的差异，并且在所述差异在阈值之上的情况下检测到所述第一改变或所述第二改变。
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