CN106133853A - 感应器、相关制作方法、包括所述感应器的发射器及相关接近检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种感应器，尤其涉及一种用于发射器电路的感应器。本发明还关注包括所述感应器的发射器、应用该发射器的接近检测系统以及制造所述感应器的方法。本发明的感应器包括具有不均匀磁导率的磁芯及围绕所述磁芯布置的导体绕组。当用于发射器电路时，这种方式使感应的电磁场可以以比其他可能的方式更有效率的方式传播穿过所述磁芯，从而为给定的共振电路驱动产生更高的动态磁场强度。

Description

感应器、相关制作方法、包括所述感应器的发射器及相关接近 检测系统

技术领域

本发明涉及一种感应器。特别地，本发明涉及一种用于发射器电路的感应器。本发明还关注一种包括所述感应器的发射器、应用该发射器的接近检测系统以及制造所述感应器的方法。

背景技术

很多工作场所，例如涉及车辆、设备和机器(例如，卡车、起重机、牵引车、叉车、输送机、自卸车辆、挖掘机、破碎机、地下采矿设备等等)的操作和移动的工程工地和物料搬运工地，经常需要特别措施以将伤害及其他损害的风险降到最低，并满足特定安全要求。

先前技术包括报警系统，例如接近检测及防撞系统，其已被开发出来以辅助工人或设备操作员检测另一个工人或机器的靠近，从而避免碰撞。然而，很多工作场所位于恶劣环境中，其提供较差的能见度、嘈杂或较差的声音传输，和/或容易出现无线电信号干扰。针对这些原因及各种其他原因，很多现有的接近检测系统在一些工作场所的效果有限。在有些情况下，由这些接近检测系统生成的信号可能会较弱或难以被检测到，易被打断，和/或易被干扰。

本发明旨在至少部分解决上述缺点或问题中的一个或多个，或至少给相关行业提供有用的选择。

在本说明书中，引用或讨论了知识的文件、法案或条目，该引用或讨论并非承认其中的该知识的文件、法案或条目在优先权日是：

1、公知常识的一部分；或

2、被熟知与尝试解决关于本说明书涉及的任何问题有关。

发明内容

根据本发明的一个方案，提供一种感应器，包括具有不均匀磁导率的磁芯，及围绕所述磁芯布置的导体绕组。

在一优选形式中，所述磁芯在所述磁芯的外部区域具有减少的磁导率。

优选地，所述磁芯是具有轴向中心线的长条形磁芯，所述磁芯具有围绕所述中心线的第一区域，以及环绕所述第一区域的外部区域，所述磁芯在所述第一区域具有高磁导率以及在环绕的外部区域具有较低的磁导率。

所述第一区域可为中心区域，其包括所述轴向中心线，或可以是环绕所述轴向中心线的区域。在这种形式下，所述磁芯在其中心区域具有高磁导率以及在环绕的外部区域具有较低磁导率。

可替换地，所述磁芯在环绕中心区域的中间区域可以具有高磁导率，且在环绕所述中间区域的外部区域具有较低磁导率，以在所述磁芯的所述外部区域提供减少的磁导率。

通过提供不均匀的磁芯磁导率，可有效减少由于涡电流及迟滞现象导致的磁芯损耗。特别地，通过采用在外部区域有减少的磁导率的磁芯，减少磁导率的区域位于导体绕组附近，因而位于施加的交替电场附近。这种布置有助于允许感应的电磁场以比其他可能的方式更有效率的方式传播通过磁芯。当用于电磁场的产生时，该方式为给定的共振电路驱动产生更高的动态场强度。

优选地，所述磁芯为铁氧体磁芯，例如涂有铁磁陶瓷粉末的合金磁芯。

优选地，导体绕组紧密地缠绕在磁芯周围并被所述磁芯携带。导体绕组可以仅通过薄绝缘层与磁芯分隔开。

代表性地，导体被用于涉及约30kHz到300kHz的工作频率的低频应用中。特别地，导体可被用在具有约125kHz工作频率的低频应用中。

长形铁氧体磁芯可以是任何合适的形状或尺寸。优选地，磁芯大致为圆柱形，但也可采用具有规则的或不规则的截面的任何其它合适的形式。

在一种优选的形式中，铁氧体磁芯的外部区域包括多个孔洞。孔洞可以是任何合适的形状或尺寸。例如，孔洞可以是长孔洞，其横截面为圆柱形、矩形、三角形或不规则形。孔洞的数量、形状及/或尺寸可根据磁芯的尺寸、形状及/或材料进行选择。

孔洞可由在长形铁氧体磁芯的在大致为轴向方向延伸的长通道提供。在一种优选的形式中，每个通道是定向在磁芯的轴向方向的开口槽。优选地，每个槽是径向槽，且多个槽以均匀角度间隔开。

长通道可具有相同或不同的深度及/或相同或不同的宽度。长通道的深度及/或宽度可成为磁芯的尺寸、形状及/或材料的函数。

在一种优选的形式中，每个槽的深度大约为从磁芯的轴向中心线到磁芯的外部表面的距离的一半。因而优选地，在圆柱形磁芯中，每个槽的深度约为磁芯半径的一半。

一个或多个孔洞可被部分地或完全地填充介电材料。合适的介电材料可以是固态、液态或气态。在一优选的形式中，介电材料为空气。磁芯的中心区域可由具有高磁导率的第一材料制成，而外部区域可由具有较低磁导率的第二材料制成。可采用任何合适的手段将第一及第二材料接合到一起。

优选地，导体绕组为电线，其可由任何合适的材料制成。优选地，电线为铜线，进一步优选地，为漆包铜线。导体绕组优选地以规则的缠绕方式缠绕于磁芯上。

根据本发明的另一方案，提供一种包括发射器电路的发射器，其用于生成及发射电磁场，发射器电路包括上述限定的感应器。

发射器可以被配置为工作在125Hz左右的载波频率。

发射器可与机器或设备的物品相关联，以及优选地，可被机器或设备的物品承载。

发射器可被配置为生成电磁场，该电磁场在半径约30m的大致圆形区域内可被检测到。

当施加一AC信号于感应器时，感应器磁芯中的轴向孔洞允许感应的电磁场变化，从而例如与磁导率均匀的实心磁芯相比，更有效率地传播穿过磁芯。以这种方式，减少了对于特定工作频率的磁芯损耗(例如，由迟滞现象导致)，且增加了由感应器生成的电磁场的强度。

本领域技术人员可以理解，所提及的材料磁导率水平对于材料损耗是很重要的，因为对于给定的工作频率及施加的场，损耗以非线性方式与材料磁导率有关。特别地，损耗明显受到一个工作周期内磁通密度变化的大小的影响，而该磁通变化的大小由材料磁导率决定。

此外，将孔洞主要布置在磁芯的轴向方向上有利于使孔洞与感应的电磁场的方向对齐，如此在AC应用中磁芯被极化及再极化的效能可被最大化，进而使发射器的性能最大化。

根据本发明的另一方案，提供一种接近检测系统，其包括上述限定的发射器。

接近检测系统可进一步包括：

至少一个接收器，用于检测由上述限定的发射器发射的电磁场；

控制器，用于控制发射器及/或至少一个接收器的操作；以及

指示器，用于基于由至少一个接收器检测到的电磁场提供接近指示。

接收器或多个接收器可以是任何合适的形式或尺寸。在一个实施例中，接收器或多个接收器为由人员携带或穿戴的便携标签的形式。优选地，每个接收器被配置为发送与电磁场的检测相关联的状态信息。

控制器可以可操作地被配置为基于发射器发射的电磁场的磁场强度限定一个或多个检测区。控制器可被配置为提供控制信号，其用于当接收器位于一个或多个检测区内时生成报警信号。

根据本发明的另一个方案，提供一种用于制作感应器的方法，该方法包括将导体缠绕在具有不均匀磁导率的感应器磁芯周围的步骤。

优选地，导体覆盖大部分磁芯。

该方法优选地包括在缠绕步骤之前使磁芯绝缘的步骤。使磁芯绝缘优选地涉及以一层或多层绝缘材料覆盖磁芯。

该方法可进一步包括以预定分开距离布置导体的两端的步骤，从而为连接到发射器电路提供便利。

该方法可进一步包括为磁芯与导体组件涂上第一层漆的步骤。

该方法可进一步包括使涂有漆的磁芯与导体组件绝缘以形成绝缘的磁芯与导体组件。绝缘的步骤可包括以一层或多层绝缘材料覆盖磁芯。在一个实施例中，绝缘的步骤包括以两层绝缘材料覆盖磁芯。

该方法可进一步包括将绝缘的磁芯与导体组件涂上第二层漆的步骤。

优选地，该方法进一步包括将两根电线与缠绕的导体的两端连接以形成感应器端子的步骤。

该方法可进一步包括在磁芯与导体组件上施加一份或多份绝缘材料的步骤。该一份或多份绝缘材料可包括一个或多个硅胶管。该方法可包括沿磁芯与导体组件以间隔开的布置方式放置一个或多个硅胶管。硅胶管使磁芯与导体组件与其中封闭感应器的外壳之间绝缘，并且有助于外壳与感应器卡合。

贯穿本说明书提及的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例相关描述的特定功能、结构或特征包括在本发明的至少一个实施例中。因而，在本说明书中各位置出现的短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”不一定都指同一实施例。此外，本文描述的特定功能、结构或特征可以任何合适的方式组合在一个或多个组合方案中。

附图说明

通过范例，现将参考附图进一步解释和说明本发明，其中：

图1A示出了根据本发明的感应器的磁芯的截面图；

图1B示出了根据本发明的感应器的磁芯的立体图；

图2A为包括图1所示磁芯的本发明的感应器的侧视图；

图2B为图2A的感应器的一部分的放大图；

图3A、图3B及图4示出了根据本发明的用于发射器的天线组件；

图5为示出了根据本发明的发射器的检测区的示意图；以及

图6为根据本发明的接近检测系统的示意图。

具体实施方式

如下描述及附图示出由发明人开发及测试的发明的一特定非限制性实施例。

图1A及图1B展示了感应器200(见图2A)的非均匀磁导率的实心铁氧体磁芯100。该磁芯100一般为圆柱形，长约200mm，直径约20mm。附图标记104表示覆于该磁芯的绝缘带，以下有进一步的讨论。

如图1A更清楚地示出，磁芯100界定了8个开口槽102，其贯穿磁芯100的整个长度，每个槽102定向为圆柱形磁芯100的轴向方向，并沿径向从磁芯边缘向磁芯100的中轴线延伸到约一半。正如所示，槽102围绕磁芯以均匀的角度间隔开。每个槽102宽约1.3mm，深约5mm。

槽102具有减少磁芯100在其外部区域(即，朝向磁芯100边缘)的磁导率的效用。换言之，磁芯磁导率在其中心区域(中轴线周围)相对较高，并朝向磁芯外表面减少。磁芯100的有效磁导率的这一整体减少(与相同形状及尺寸的实心均匀磁芯相比)使磁芯100在操作期间，尤其是在低频应用中，可以生成具有更高动态磁场强度的电磁场。

在操作时，施加一AC信号到感应器200。感应器磁芯100中的轴向槽102允许感应的电磁场变化，从而与没有轴向槽102的情况相比，感应的电磁场能更有效地传播穿过磁芯100。由于槽102沿轴向方向布置，这有利于槽102对准感应的电磁场的方向，以使磁芯100响应该AC信号被极化及被再极化的效能最大化。以这种方式，减少了特定操作频率的磁芯损耗(例如，由迟滞现象导致)，并增强了由该感应器生成的电磁场的强度。

应了解的是，磁芯设计中一项重要的考虑点是对于给定名义磁导率及给定有效直径的磁芯损耗的减少。该有效直径决定了磁芯横截面积，进而确定线圈磁场强度。磁芯损耗直接与复磁导率相关联，因而与给定驱动频率下的有效绕组电阻相关联，因而在最大化发射器性能中磁芯的磁导率是一项重要的考虑点。

引入任何几何结构的轴向通道允许施加的磁芯磁场发生改变，使其更快地传播穿过磁芯材料，因而对于给定的施加的AC频率，迟滞现象会减少，因而损耗会减少。

为了维持有效磁芯横截面，任何在磁芯外部区域的材料的减轻(relief)应主要在轴向方向，因为这是感应的磁场的方向。作为已描述及说明的带槽磁芯的替换方案，磁芯减轻也可通过磁芯表面下，特别是在外围区域的关闭的通道(轴向管状孔洞)来提供。其目的是允许施加场以大体均匀的方式作用于横截面内所有磁畴，这样对于给定的施加场变化，可尽快将整个磁芯再极化。技术读者会理解，可引入多少磁芯减轻(即，可减少多大的横截面)存在一限制，以不会对磁场强度产生整体副作用。

进一步地，磁芯中心存在的一些挖空也会带来益处。例如，在施加交替磁化场时，沿着磁芯中心线的直径约2mm(且优选不超过磁芯直径的25％)的圆柱形孔可促进感应的电磁场更快地传播穿过磁芯。磁芯中心存在的挖空还提供节省材料的好处。

图2A及图2B示出的感应器200包括图1的不均匀圆柱形磁芯100，以及提供单层的均匀导体绕组的漆包铜线202。如图2A所示，磁芯100的绝大部分由铜线202缠绕。

线202具有约为0.7mm的直径。代表性地，磁芯100的被线202(L_w1)覆盖的长度约为170mm，即，绕组被施加到磁芯长度的约85％。

在实施例中，磁芯100周围有72圈绕组。代表性地，绕组圈间隔(L_w2)约为2mm～3mm。

直接地，线202的平行端部206、208(见图2B)布置在距离磁芯100的一个端部204大约56mm(距离L_w3)处。这些提供了绕组的电气端子。

图2B更清楚地显示了线202的两个端部206、208的布置。该端部206、208朝向为磁芯轴线方向，且在轴线方向上隔开约5mm(距离d_w1)的点开始。通过考虑到在共振条件下穿过线圈的高电位差，在绕组出现损坏时连接点之间提供了足够的间隔，这为发射器驱动电路的连接提供方便。

如图2B所示，线202的每个端被弯曲以形成所需的端部206、208。各个端部的长度大约是18mm(端部206，长度d_w2)及30mm(端部208，长度d_w3)。

图3A及图3B所示的天线组件300包括上述感应器200，以及两个相似的直线端子部分302、304，每个直线端子部分302、304约为170mm长，且由硅树脂绝缘镀锡铜线制成。端子部分302、304被焊接到线202的各个端部206、208，且在各个接头处采用热收缩件306、308。整个天线组件300的长度(L_a)大约为315mm。

图4显示了天线组件300的成品形状，包括由4个绝缘硅环400环绕的另外的绝缘层(见下文)，如所示，其沿磁芯在轴向上大致均匀地隔开。

该天线组件300进一步包括用于封闭天线组件300的主体402的外壳(图未示)。硅环400用于将主体402与外壳隔开，为主体在外壳内提供弹性悬置(suspension)。更特别地，外壳是管状的，包括纵向的两半，其联合在一起以封闭该天线组件。外壳的内表面包括具有特定形状的凹槽以与硅环400接合。

现将参考附图描述一种制作天线组件300的方法。

在步骤1，两层绝缘带104围绕磁芯100缠绕以覆盖磁芯100，由此提供第一阶段的组件(见图1B)。

在步骤2，将漆包铜线202单层缠绕到该第一组件的绝缘带104上(见图2A)。然后，如图2B所示设置线202的端部206、208以提供第二阶段的组件。因而线圈202被紧密缠绕及承载于铁氧体磁芯，仅通过绝缘带104与铁氧体磁芯隔开。

在步骤3，给第二组件涂一层漆，余留线端部206、208仍暴露于外，以此提供第三阶段的组件。

在步骤4，将第三组件包裹在另外两层绝缘带(图未示)中，还是余留线端部206、208暴露于外，以此提供第四阶段的组件。

在步骤5，给第四组件再涂一层漆，再一次余留线端部206、208暴露于外，以此提供第五阶段的组件，如图3A所示。

在步骤6，线端部206、208被去瓷(strip of enamel)并通过焊接分别与两个线端子部分302、304相连接，其重叠的焊接接头约为8～12mm。然后，采用热缩管306、308来保护该接头，以此产生第六阶段的组件。

在步骤7，将四个硅环400应用到第六组件上以提供图4所示的准备好被封装到天线外壳中的最终天线组件。

在测试的实施例中，在约25℃施加具有约125kHz频率的约24V的AC电压时，感应器200的电感在550～650μΗ左右。

在测试期间，感应器200的响应特性表明，非均匀磁芯100具有显著的低磁芯损耗，与不这样做相比，这允许感应器200生成用于特定工作频率及磁芯有效磁导率的更强的电磁场。

此外，当与具有相同磁导率的实心均匀磁芯相比时，非均匀磁芯100提供更大的磁芯直径，如此，可增加绕组的有效直径及感应器200的整体表面积，从而进一步减少磁芯及绕组的耗损。

转向图5，发射器500将上述感应器组件200合并，并包括发射器电路，其配置为将AC信号实施到天线组件300，由此生成电磁场502。在测试的实施例中，生成覆盖半径约为30m通常为椭圆形的检测区域的电磁场。当以平面视图查看时，该检测区域被限定为发射器500周围的由电磁场覆盖的区域。

该检测区域可被名义上划分成不同的检测区，例如三个同心区504、506及508。可采用连接到发射器500的控制器604将由每个检测区504、506、508覆盖的区域进行限定(见图6)。

图6中的接近检测系统600包括如上所述的发射器500及施加到车辆612上的间隔开点处的另一发射器602。为发射器602限定的各种检测区的数量及覆盖范围可与为发射器500限定的不同。

基于各种要考虑的因素，例如发射机的安装位置及系统600的具体实施，可使用控制器604选择限定适当大小的区域作为每个发射器的检测区。例如，有些工作场所，例如采矿地点或恶劣环境，在其中操作员的听力及/或视力可能被影响，可能需要限定更大的检测区及/或更多数量的检测区。其他工作场所，例如存储仓库，可能需要限定相对较小的检测区及/或较少数量的检测区。

除了控制器604，接近检测系统600还包括显示面板606及多个接收器608，每个接收器608为由人员610携带的可便携标签，且被配置为检测由发射器(例如发射器500、602)生成的磁场强度。

如所示出的，发射器500、控制器604、发射器602及显示面板606通过线缆接头连接到一起，然而，它们也可通过无线连接相互连接。通过合适的无线电信号，接收器608与控制器604进行无线通信。

控制器604、发射器500、602及显示面板606被安装到车辆612，且可通过车辆的电源为其供电。接收器608可包括一个或多个指示器(图未示)，例如LED、蜂鸣器、显示器或其任意组合，用于在确定接收器608位于发射器500或602的预定检测区内时生成合适的报警信号给人员610。相似地，显示面板606包括合适的指示器，以在检测到人员610位于发射器500或602的检测区内时警示控制车辆612的操作员。

指示器可包括一个或多个灯、警报、图片、视频等等，或其任意组合。人员610可因而立即采取行动，通过移动离开车辆612以避免碰撞，及/或车辆612的操作员可采取合适的行动，例如使车辆612减速、停止或转向。

可选地，可将每个检测区与不同的警示信号相关联。在接收器608被移动到多于一个检测区(例如，当接收器608检测到来自两个不同源的场发射器的磁场)的情形中，表示这个状态的信息可被传递出来。

发射器500、602，控制器604及显示面板606可被安装到广泛类别的机器或其他设备上，及/或被安装到工作场所的固定结构上。

在该接近检测系统600中，可使用多个接收器608及发射器500以充分适应所有操作员、人员、机器及工作场所的基础设施。

本说明书中使用的词“包括”及词“包括”的形式不限制本发明，本发明不排除任何变型或附加。

对本发明的修改及改进对于本领域技术人员而言将会是明显的。这样的修改及改进旨在落入本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种感应器，包括：

具有不均匀磁导率的磁芯；以及

围绕所述磁芯布置的导体绕组。

2.根据权利要求1所述的感应器，其中所述磁芯在其外部区域具有减少的磁导率。

3.根据上述权利要求的任一项所述的感应器，

其中所述磁芯是具有轴向中心线的长条形磁芯，所述磁芯具有围绕所述轴向中心线的第一区域，以及环绕所述第一区域的外部区域，并且

其中所述磁芯在所述第一区域具有高磁导率以及在环绕的外部区域具有较低磁导率。

4.根据上述权利要求的任一项所述的感应器，其中所述导体绕组围绕所述磁芯紧密缠绕并由所述磁芯承载。

5.根据上述权利要求的任一项所述的感应器，其中所述磁芯大致为圆柱形。

6.根据上述权利要求的任一项所述的感应器，其中所述磁芯的所述外部区域包括多个孔洞。

7.根据上述权利要求的任一项所述的感应器，其中所述磁芯的所述外部区域包括多个长形通道，所述长形通道大致沿所述磁芯的轴向方向延伸。

8.根据权利要求7所述的感应器，其中每个通道为在所述磁芯的所述轴向方向定位的开口槽。

9.根据权利要求8所述的感应器，其中每个通道的深度大约为所述磁芯的轴向中心线到所述磁芯的外表面的距离的一半。

10.根据上述权利要求的任一项所述的感应器，具有范围大约为30kHz到300kHz的工作频率。

11.根据上述权利要求的任一项所述的感应器，具有125kHz左右的工作频率。

12.一种发射器，包括用于生成及发射电磁场的发射器电路，所述发射器电路包括根据上述权利要求的任一项所述的感应器。

13.一种接近检测系统，包括权利要求12所述的发射器。

14.根据权利要求13所述的接近检测系统，还包括：

至少一个接收器，用于检测由所述发射器发射的电磁场；

控制器，用于控制所述发射器及/或所述至少一个接收器的操作；以及

指示器，用于基于由所述至少一个接收器检测到的电磁场提供接近指示。

15.根据权利要求13或14所述的接近检测系统，其中所述至少一个接收器是由工地的人员携带或穿戴的便携式标签的形式。

16.根据权利要求13-15任一项所述的接近检测系统，其中每个接收器被配置为提供与所述电磁场的检测相关的状态信息。

17.根据权利要求13-16任一项所述的接近检测系统，其中所述控制器可操作地被配置为基于所述电磁场的磁场强度限定一个或多个检测区。

18.根据权利要求17所述的接近检测系统，其中所述控制器被配置为提供控制信号，用于当接收器位于一个或多个所述检测区内时生成报警信号。

19.一种用于制作权利要求1-11任一项所述的感应器的方法，包括将导体围绕感应器磁芯缠绕以形成磁芯与导体组件，所述感应器磁芯具有不均匀磁导率。

20.根据权利要求19所述的方法，包括：

在缠绕之前使所述磁芯绝缘；

以特定间隔布置所述导体的两端；

为所述磁芯与导体组件涂上第一层漆；

使涂有漆的所述磁芯与导体组件绝缘；以及

将两根线分别与缠绕的所述导体的两端连接，以形成延长的感应器端子。