CN106403792A - 基于反射导纳进行距离确定 - Google Patents

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Abstract

本申请案涉及基于反射导纳进行距离确定。一种距离测量系统(100)包含：槽电路(114)，其包含耦合到发射电容器(C1)的发射线圈(L1)；距离计算电路(110)，其耦合到所述发射线圈(L1)；及目标谐振电路(130)，其包含耦合到接收电容器(C2)的接收线圈(L2)。所述接收线圈(L2)用以接收由所述槽电路(114)产生的磁场。所述距离计算电路(110)用以确定反射导纳。所述反射导纳包含实数分量及虚数分量。所述距离计算电路(110)用以基于所述反射导纳的所述虚数分量而确定所述发射线圈(L1)与所述接收线圈(L2)之间的距离。

Description

基于反射导纳进行距离确定
技术领域
本发明涉及接近传感器，且更特定来说涉及基于反射导纳进行距离确定。
背景技术
接近传感器广泛用于众多应用及工业中。此类传感器可能够实现亚微米精确度。一些接近传感器是基于以正弦波形激励槽电路而操作。在附近金属物体中诱导涡电流，所述涡电流又可作为可变并联阻抗在槽电路中感测。并联阻抗的量值随槽电路与金属物体之间的距离而变化。
发明内容
所揭示实施例涉及基于激励槽电路的反射导纳而确定所述槽电路与谐振目标电路之间的距离。更特定来说，基于反射导纳的虚数分量而确定距离。反射导纳的虚数分量对温度具有很小(如果有的话)相依性，且因此使用虚数分量使得能够在不对温度具有大的相依性的情况下确定距离。此外，反射导纳的实数分量确实对温度具有相依性，且因此可用于确定谐振目标的温度。
在一些实施例中，一种距离测量系统包含：槽电路，其包含耦合到发射电容器的发射线圈；距离计算电路，其耦合到所述发射线圈；及目标谐振电路，其包含耦合到接收电容器的接收线圈。所述接收线圈用以接收由所述槽电路产生的磁场。所述距离计算电路用以确定反射导纳。所述反射导纳包含实数分量及虚数分量。所述距离计算电路用以基于所述反射导纳的所述虚数分量而确定所述发射线圈与所述接收线圈之间的距离。
在其它实施例中，一种设备包含：发射线圈，其耦合到发射器电容器；及电感/数字转换器(LDC)，其耦合到所述发射线圈且经配置以确定反射导纳的虚数分量并基于所述反射导纳的所述所确定虚数分量而确定到接收线圈的距离。
在另一实施例中，一种方法包含感测发射线圈电压及电流，及确定发射线圈电压及电流的实数分量及虚数分量。所述方法进一步包含确定反电动势(BEMF)的实数分量及虚数分量，及确定反射导纳的虚数分量。所述方法还包含基于所述反射导纳的所述虚数分量而确定发射线圈与目标谐振电路中的接收线圈之间的距离。
附图说明
为详细描述各种实例，现在将参考附图，其中：
图1展示根据各种实例的距离测量系统的框图；
图2图解说明根据各种实例的距离测量系统的一部分的电路模型；
图3展示根据各种实例的反射导纳的虚数分量与距离之间的关系；
图4展示根据各种实例的距离测量系统的实施方案；
图5展示根据各种实例的可在距离测量系统中使用的电感器/数字转换器(LDC)的实施方案；
图6展示根据各种实例的用于使用距离测量系统确定距离的方法；
图7展示根据各种实例的用于确定谐振目标的谐振频率的方法；及
图8展示根据各种实例的用于确定目标的温度的方法。
具体实施方式
遍及以下描述及权利要求书使用特定术语来指特定系统组件。如所属领域的技术人员将了解，不同公司可以不同名称指代一组件。本文档并不打算区别在名称上不同但在功能上相同的组件。在以下论述中及在权利要求书中，术语“包含”及“包括”是以开端方式使用且因此应解释为意指“包含但不限于…”。而且，术语“耦合(couple或couples)”打算意指间接或直接有线或无线连接。因此，如果第一装置耦合到第二装置，那么所述连接可通过直接连接或通过经由其它装置及连接的间接连接。
一些位置传感器的槽电路包含其上形成槽电路的印刷电路板(PCB)。此类槽电路的组件可包含电感器(线圈)及电容器。电容器及线圈的串联电阻分别具有可随温度而变化的以法拉及欧姆为单位的分量值。此类温度相依性影响从位置传感器导出的位置读数的准确度。电容器及串联电阻的值还按制造容限变化。
然而，本文中所描述的距离测量系统会以很小(如果有的话)的因温度或分量容限所致的变化来提供位置读数或指示位置的数据。所揭示距离测量系统确定从激励槽电路到谐振目标(而不是金属物体)的距离。谐振目标包含接收线圈及电容器。使用激励槽电路的反射导纳来确定距离，且因此在一些实施例中不使用阻抗。更具体来说，计算反射导纳的虚数分量且使用其来确定激励槽电路中的发射线圈与谐振目标中的接收线圈之间的距离。此外，可使用反射导纳的实数分量来产生谐振目标的温度的估计。因此，所揭示距离测量系统可产生槽电路与目标之间的距离及目标的温度中的任一者或两者。
图1展示包含耦合到槽电路114的距离计算电路110的距离测量系统100。系统100还包含谐振目标130(本文中还称为“目标”)。目标130可相对于槽电路114移动，且因此槽电路与目标之间的距离DIST可变化。距离计算电路110确定此距离。在图1的实例中，槽电路114包含与发射电容器C1并联耦合的发射线圈L1，如所展示。或者，电容器C1可与发射线圈L1串联耦合或根本不被包含。目标130为谐振电路且可包含并联耦合到接收电容器C2的接收线圈L2。距离DIST为槽电路114与目标130之间的距离，或更特定来说，为发射线圈L1与接收线圈L2之间的距离。还展示电流传感器112(Isense)以将指示通过发射线圈L1的电流(即，IL1)的信号提供到距离计算电路110。
距离测量系统100为一种类型的位置传感器，且可用于检测目标130的存在，且在合意的情况下检测到目标的距离。距离测量系统100可用于多种应用，例如汽车、工业、按压按钮、流量计、高速电动机/齿轮控制器等。在距离测量系统100的许多应用中，系统100应在面对大的温度变化时为准确的，且为对其构成组件的制造容限相对不敏感的。所揭示实施例针对于实现这些目标的距离测量系统。
图2展示激励槽电路114及谐振目标130的示意性模型。发射线圈L1具有展示为RS1的串联电阻。类似地，接收线圈L2具有展示为RS2的串联电阻。槽电路114具备处于特定操作频率(ω)的正弦输入信号(由距离计算电路110产生)。谐振目标130具有基于L2及C2的值的谐振频率。目标130的谐振频率可给出为谐振目标130的谐振频率可与操作频率ω相同，或其可为不同的。发射线圈L1产生撞击于接收线圈L2上的磁场。接收线圈L2的磁性环境的改变致使在接收线圈中诱导电动势(EMF)。所诱导EMF在图2中展示为模型化为EMF电压源。流动通过谐振目标130的电流又产生磁通量，所述磁通量在发射线圈L1中产生反EMF(BEMF)电压。
参数k指的是发射线圈L1与接收线圈L2之间的耦合系数。所述耦合系数可为介于0与1之间的数字，这取决于总磁通量线的切开线圈L1及L2两者的部分。举例来说，如果由发射线圈L1产生的所有通量线切开接收线圈L2且由接收线圈L2产生的所有的通量的线切开发射线圈L1，那么耦合系数将为1(单位)。由一个线圈产生的不与另一线圈链接的通量线表示“泄漏通量”，且发射线圈L1的泄漏通量无法将电压诱导到接收线圈L2中。诱导到接收线圈中的电压因此小于在不存在泄漏通量的情况下将产生的电压。耦合系数强烈地取决于两个线圈之间的距离。
所揭示实施例基于发射线圈L1的反射导纳而确定距离DIST。为阻抗的倒数的反射导纳由以下方程式给出：
由于在发射线圈中的驱动电流及跨越发射线圈的电压为正弦信号，因此当包含信号的实数分量及虚数分量时，方程式(1)可变换为以下方程式：
反射导纳的分母仅具有实数分量，且分子具有虚数分量。方程式(2)可进一步表示为：
项表示反射导纳的实数分量，且项表示反射导纳的虚数分量。有趣的是，反射导纳的虚数分量包含电路分量C2、L1及L2。那些特定分量对温度具有非常小(如果有的话)相依性。因此，所揭示实施例基于激励槽电路的反射导纳的虚数分量而确定到谐振目标130的距离。此外，基于反射导纳的虚数分量确定的距离并不特别取决于分量C2及L2的容限。事实上，反射导纳γBEMF可就ω2而不是C2及L2来表达。谐振频率ω2可容易地确定为γBEMF等于0时所处的频率ω。图3图解说明反射导纳的虚数分量与距离之间的关系的实例。
反射导纳的实数分量包含分量(Rs2)，分量(Rs2)的分量值可对温度具有显著相依性。分量的其余部分(L1及L2)对温度具有很小(如果有的话)相依性。根据先验容易确定Rs2的值与温度之间的关系。举例来说，如果电阻器Rs2是形成于铜印刷电路板上，那么对温度的相依性基于铜的温度系数，所述温度系数为已知量。因此，根据所揭示实施例，可计算接收线圈的串联电阻(Rs2)的值并使用其来确定目标130的温度。
图4展示距离测量系统100的发射侧的实例。在图4的实例中，距离计算电路110展示为包含耦合到电感/数字转换器(LDC)120的微控制器单元(MCU)116。LDC 120连接到包括C1及发射线圈L1的激励槽电路114。在一些实施例中，LDC 120确定反射导纳的实数分量及虚数分量且经由接口118将那些值提供到MCU 116以分别由所述MCU用于确定温度及距离。接口118可为串行接口，例如IC间(Inter-IC)(I2C)总线或其它适合通信接口。MCU 116可具有存储于其中的查找表，所述查找表将反射导纳的虚数分量映射到距离且将Rs2的值映射到温度。可存取此类表以产生距离及温度的值。
图5展示LDC 120的实例。如所展示，LDC 120包含耦合到I2C接口126的核心122。核心122可实施为状态机、可编程控制器或其它类型的电路。核心122将正弦信号提供到槽电路114且从Isense112接收电流感测信号。Isense112可实施为低电阻电阻器，所述低电阻电阻器的电压与发射线圈电流IL1成比例。来源于外部的时钟(CLKout)或在内部产生的时钟(CLKin)可经由多路复用器124提供到核心122。
LDC 120包含可用于各种目的的一或多个模/数转换器(ADC)128。一个此类目的为将指示发射器线圈电流及电压的模拟信号数字化。此类数字值用于确定距离及温度，如下文所解释。
图6展示距离测量系统100通过其确定距离的方法。所展示的各种操作可以所展示的次序执行或以不同次序执行。此外，所述操作中的两者或两者以上可并行而不是串行执行。在一些实施例中，所述操作由距离计算电路110执行。MCU 116及LDC 120可彼此合作来实施所规定方法。
在182处，所述方法包含感测发射器线圈电压及电流。LDC 120产生待施加到槽电路的正弦电流(或电压)。LDC 120从Isense 112接收指示发射器线圈电流IL1的信号、将所述信号数字化且在合意的情况下将其转换为发射器线圈电流的值(例如，通过乘以预定因数以从电压转换为电流值)。还感测发射器线圈电压并且也将其数字化。在一些实施例中，发射器线圈电压及电流的经数字化值可跨越接口118从LDC 120提供到MCU 116。MCU 116接着可执行下文所解释的计算的其余部分以确定DIST的值。
在184处，所述方法包含确定发射器线圈电压及电流的实数分量及虚数分量。此操作可以若干种方式中的任一者执行。举例来说，可使用中频取样来对发射器线圈电流及电压进行取样。如果考虑类属正弦信号，那么
其中V是信号的振幅，T是其周期，t是时间且θ是其相位。
在此技术中，在特定时间点ti＝i*N*T/4(其中i＝0、1、2、3…，且N是任意奇整数)处对基础时变信号进行取样。将获得对应于正进行取样的信号的实数分量及虚数分量的后续样本(在相量表示中)。即，
在i＝1时，＝>vi(ti)＝-A*cos(φ)(其中A及φ是信号的振幅及相位)
在i＝2时，＝>vi(ti)＝-A*sin(φ)
在i＝3时，＝>vi(ti)＝A*cos(φ)
在i＝4时，＝>vi(ti)＝A*sin(φ)
…
这些值可用于计算反射导纳的实数分量及虚数分量。
在此时，已确定发射器线圈电压的实数分量及虚数分量。在186处，基于发射器线圈电压的实数分量及虚数分量而确定BEMF电压的实数分量及虚数分量。举例来说，假设忽略发射线圈L1的寄生电容，总线圈电压为：
发射器线圈电压＝BEMF+IL1*(jωL1+Rs1) (4)
BEMF的值可通过从所感测发射器线圈电压减去IL1*(jωL1+Rs1)而导出。即，BEMF可根据以下公式来计算：
BEMF＝发射器线圈电压B-IL1*(jωL1+Rs1) (5)
如果将包含发射器线圈L1的寄生电容，那么可采用类似技术。
在188处，所述方法包含确定反射导纳的虚数分量。反射导纳的虚数分量计算为发射线圈电流的虚数分量对BEMF的实数分量与虚数分量的和的比率。即，
其中Im(IL1)是发射线圈电流的虚数分量，Re(BEMF)是BEMF的实数分量，且Im(BEMF)是BEMF的虚数分量。
在190处，基于反射导纳的虚数分量Im(γBEMF)而确定发射线圈L1与接收线圈L2之间的距离DIST。在一些实施例中，可将查找表预存储于LDC 120中(例如，在核心122中或可由核心122存取)。查找表可包含多个条目，且每一条目可包含反射导纳的虚数分量的不同值及对应距离值。举例来说，可基于图3中所描绘的关系而创建查找表。
因此，基于反射导纳的虚数分量，距离测量系统100确定发射线圈L1与谐振目标130之间的距离。距离测量系统100可将距离值报告给其它逻辑及/或基于所确定距离值而致使发生响应。举例来说，可确定已按下按钮，或可调整电动机的速度。
如上文所解释，距离测量系统100还可确定谐振目标的温度。如上文所述，项表示反射导纳的实数分量。即，
接收线圈L2的串联电阻Rs2取决于温度，且因此可用作用于谐振目标130的温度传感器。根据各种实施例，从上文方程式(7)计算Rs2。Re(γBEMF)的值计算(例如，由MCU 116)为：
可如上文关于图6中的操作186所解释而计算BEMF的实数分量及虚数分量。还可如上文关于图6中的操作184所解释而计算发射线圈电流的实数分量。在一些实施例中，在确定距离之后不重新计算这些值，且将这些值保存于LDC的核心122中的存储装置中并在需要时检索来计算Re(γBEMF)的值。
返回参考方程式(7)，ω是槽电路114的操作频率且因此是已知的并存储于距离计算电路110中。类似地，发射线圈L1及接收线圈L2的电感值是在电路的设计期间确定及/或可在制作期间测量且不随温度有大的变化。因此，L1及L2的值也是根据先验已知的且存储于距离计算电路110中。
为了从方程式(7)计算Rs2，需要确定耦合系数(k)。可基于反射导纳的虚数分量确定k(或k2)的值。按上文方程式(3)，反射导纳的虚数分量是应用代数学且简化所述表达得出用于反射导纳的虚数分量的以下公式：
其中ω2是谐振目标130的谐振频率。谐振目标130的谐振频率可与激励槽电路114的操作频率相同或不同。可从方程式(9)计算k(或k2)的值，但必须确定谐振目标的谐振频率(ω2)以便计算k。方程式(9)中的其它值是已知的，即，反射导纳的虚数分量(在上文操作188中确定)、发射线圈L1的电感值及操作频率ω。
在一些实施例中，在校准过程中确定谐振目标130的谐振频率。校准过程可由LDC的核心122自动实施且以规则间隔(例如，每天一次)运行。图7展示图解说明用以确定目标130的谐振频率ω2的一种方式的流程图。所展示的操作可通过MCU 116与LDC 120的合作行动执行。
流程图展示操作频率横扫过一频率范围。在每一操作频率下，距离计算电路110确定反射导纳的虚数分量是否为0。按方程式(9)，反射导纳的虚数分量为0时所处的操作频率是谐振目标130的谐振频率。即，当ω2＝ω时，比率变为1，且Im(γBEMF)的值因此变为0。按方程式(6)，当发射线圈电流(Im(IL1))的虚数分量为0时，反射导纳的虚数分量将为0。
在202处，选择激励频率ω。选定频率可在已知捕获谐振目标130的谐振频率的范围内。可将初始选定频率ω选择为所述范围中的最低频率且可使其随图7的过程的每一反复以固定量递增直到确定目标130的谐振频率为止。
在204处，在选定频率下激励槽电路114。在激励槽电路的同时，在206处感测发射线圈电流。可使用Isense112来将指示发射线圈电流的信号提供到LDC 120。在208处，所述方法包含确定发射线圈电流的虚数分量。在此校准过程期间，可使用与上文关于图6中的184所描述的过程相同或类似的过程来确定发射线圈电流的虚数分量。
在210处，做出对发射线圈电流的虚数分量是否为0(或小于接近于0的预定阈值)的确定。如果发射线圈电流的虚数分量不等于0(或不小于所述预定阈值)，那么过程在202处重复以选择新激励频率开始。然而，如果发射线圈电流的虚数分量等于0(或小于所述阈值)，那么过程在212处停止。在所述时刻，针对当前反复，谐振目标130的谐振频率ω2与在202处选择的操作频率ω相同。可将ω2的值存储于距离计算电路110中(例如，在MCU 116中)以便随后用于确定谐振目标130的温度。
图8图解说明用于确定谐振目标的温度的方法。在一些实施例中，所述方法可由MCU 116执行。一旦已知谐振频率ω2(例如，按图7的过程)，那么按方程式(9)，可确定(222)耦合系数k(或k2)。MCU 116可使用方程式(9)计算k(或k2)的值。
在224处，所述方法包含确定反射导纳的实数分量。反射导纳的实数分量计算为发射线圈电流的实数分量对BEMF的实数分量与虚数分量的和的比率。即，
其中Re(IL1)是发射线圈电流的实数分量，且如先前所述，Re(BEMF)及Im(BEMF)是BEMF的实数分量及虚数分量。
一旦确定耦合系数及反射导纳的实数分量，便可在方程式(7)中使用那些值，可从方程式(7)确定Rs2的值。L1、L2的值及操作频率ω也是已知的。唯一未知值是Rs2，且因此其可由(举例来说)MCU 116计算。
一旦确定了接收线圈L2的串联电阻(Rs2)的值，在228处，便可基于Rs2的值确定谐振目标130的温度。如同距离确定一样，可创建查找表且将其存储于距离计算电路中(例如，在MCU 116中)。查找表可包含多个条目，且每一条目提供Rs2的不同值及对应温度值。查找表中的数据可根据经验产生。
以上论述意在说明本发明的原理及各种实施例。一旦完全了解以上揭示内容，所属领域的技术人员便将明了众多变化及修改。打算将所附权利要求书解释为囊括所有此类变化及修改。

Claims (20)

1.一种距离测量系统，其包括：
槽电路，其包含耦合到发射电容器的发射线圈；
距离计算电路，其耦合到所述发射线圈；及
目标谐振电路，其包含耦合到接收电容器的接收线圈，其中所述接收线圈用以接收由所述槽电路产生的磁场；
其中所述距离计算电路用以确定反射导纳，其中所述反射导纳包含实数分量及虚数分量，且其中所述距离计算电路用以基于所述反射导纳的所述虚数分量而确定所述发射线圈与所述接收线圈之间的距离。
2.根据权利要求1所述的距离测量系统，其进一步包括电流传感器，以感测通过所述发射线圈的电流且将所述所感测发射线圈电流提供到所述距离计算电路，且其中所述距离计算电路用以：
接收发射线圈电压；及
对所述发射线圈电压及所感测发射线圈电流执行中频取样以产生所述发射线圈电压的实数分量及虚数分量以及所述发射线圈电流的实数分量及虚数分量。
3.根据权利要求2所述的距离测量系统，其中所述距离计算电路用以基于所述发射线圈电压的所述实数分量及所述虚数分量而确定反电动势BEMF的实数分量及虚数分量。
4.根据权利要求3所述的距离测量系统，其中所述距离计算电路用以基于所述BEMF的所述实数分量及所述虚数分量且基于所述发射线圈电流的所述虚数分量而确定所述距离。
5.根据权利要求3所述的距离测量系统，其中所述距离计算电路用以基于所述发射线圈电流的所述虚数分量对所述BEMF的所述实数分量与所述虚数分量的和的比率而确定所述距离。
6.根据权利要求5所述的距离测量系统，其中所述距离计算电路用以使用所述比率来从查找表检索所述距离。
7.根据权利要求1所述的距离测量系统，其中所述距离计算电路用以基于所述导纳的所述实数分量而确定温度值。
8.根据权利要求1所述的距离测量系统，其中所述距离计算电路用以：
使用所述反射导纳的所述虚数分量来确定所述发射线圈与所述接收线圈之间的耦合系数；
使用所述耦合系数来确定所述接收线圈的电阻；及
基于所述接收器线圈的所述所确定电阻而确定温度值。
9.一种设备，其包括：
发射线圈，其耦合到发射器电容器；及
电感/数字转换器LDC，其耦合到所述发射线圈且经配置以确定反射导纳的虚数分量并基于所述反射导纳的所述所确定虚数分量而确定到接收线圈的距离。
10.根据权利要求9所述的设备，其进一步包括电流传感器，以感测通过所述发射线圈的电流且将所述所感测发射线圈电流提供到所述LDC，且其中所述LDC用以：
接收发射线圈电压；
对所述发射线圈电压及所感测发射线圈电流执行中频取样以产生所述发射线圈电压的实数分量及虚数分量以及所述发射线圈电流的实数分量及虚数分量；及
基于所述发射线圈电压的所述实数分量及所述虚数分量而确定反电动势BEMF的实数分量及虚数分量。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述LDC用以基于所述BEMF的所述实数分量及所述虚数分量且基于所述发射线圈电流的所述虚数分量而确定所述距离。
12.根据权利要求10所述的设备，其中所述LDC用以基于所述发射线圈电流的所述虚数分量对所述BEMF的所述实数分量与所述虚数分量的和的比率而确定所述距离。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述LDC用以使用所述比率来从存储于距离计算电路上的查找表检索所述距离。
14.根据权利要求9所述的设备，其中所述LDC用以确定所述导纳的实数分量且用以基于所述导纳的所述实数分量而确定温度值。
15.根据权利要求9所述的设备，其中所述LDC用以：
使用所述反射导纳的所述虚数分量来确定所述发射线圈与所述接收线圈之间的耦合系数；及
使用所述耦合系数来确定所述接收线圈的电阻。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述LDC用以基于所述接收线圈的所述所确定电阻而确定温度值。
17.一种方法，其包括：
测量发射线圈电压及电流；
确定发射线圈电压及电流的实数分量及虚数分量；
确定反电动势BEMF的实数分量及虚数分量；
确定反射导纳的虚数分量；及
基于所述反射导纳的所述虚数分量而确定发射线圈与目标谐振电路中的接收线圈之间的距离。
18.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括：
基于反射导纳的虚数分量而确定发射线圈与接收线圈之间的耦合因数；
确定反射导纳的实数分量；
基于反射导纳的所确定实数分量而确定接收器线圈的串联电阻；及
基于所述接收线圈的串联电阻而确定目标的温度。
19.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括确定所述目标谐振电路的谐振频率。
20.根据权利要求17所述的方法，其中确定发射线圈电压及电流的所述实数分量及所述虚数分量包括对所述发射线圈电压及电流执行中频取样。
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