CN108759877A - 电涡流传感器 - Google Patents

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Abstract

一种电涡流传感器，该电涡流传感器包括振荡器，振荡器的LC振荡电路包括电感线圈L1、L2和L3，L1为主线圈，L2和L3为次线圈。电感线圈L1、L2和L3以PCB工艺制作成型在PCB上。电感线圈L1、L2和L3采用金属走线，分别以螺旋线的方式展开印制在所述PCB上，并且电感线圈L1、L2和L3各自形成的螺旋线以环中套环的结构布置在所述PCB上。

Description

电涡流传感器
技术领域
本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种电涡流传感器。
背景技术
根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时(与金属是否块状无关，且切割不变化的磁场时无涡流)，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。
现有的电涡流传感器，由振荡器(磁芯线圈，振荡电路)、信号处理电路、输出电路、电源电路等组成，在振荡器方案上，采用电容三点式、电感三点式、脉冲驱动线圈这三种方案居多，由于磁芯及线圈的体积相对较大，因此占用空间较大，同时前期还需要绕制线圈，线圈与磁芯粘接，线圈线头上锡处理等，工序相对较多。现有的电涡流传感器的缺点表现在以下几个方面：
a、磁芯体积较大，产品小型化设计存在难度，生产工艺步骤多，一致性管控难。
b、振荡器成本较高，绕制线圈需要相应的设备，同时投入更多的人力成本。
c、传统线圈采用单股或是多股漆包线绕制而成，产品经过高低温循环冲击，线圈自身热胀冷缩，容易造成漆包线断股或是部分断股现象，造成产品不良。
d、磁芯是指由各种氧化铁混合物组成的一种烧结磁性金属氧化物，在实际使用过程中，容易出现碎裂的情况，如运输过程中碰撞问题，产品灌注材料热膨胀应力导致磁芯碎裂等。
可见，现有的电涡流传感器，面对更为苛刻的使用环境，在检测距离、抗干扰能力、稳定性、小体积等方面已越来越不能满足市场的需求。
发明内容
本发明的实施例提供了一种电涡流传感器，目的在于解决现有的电涡流传感器的振荡器中线圈制作工艺复杂，质量很难控制的问题，同时也解决现有振荡器线圈固有的性能缺陷。
一种电涡流传感器，该电涡流传感器包括振荡器，还包括电源模块、微控制器、信号处理模块和输出模块，其中，
电源模块满足10～30VDC输入，通过内置的稳压电路实现稳定直流电压输出。微控制器，选择满足电源模块电压使用要求的单片机，实现对信号处理模块的输出信号进行处理和判断，控制输出模块的输出。
信号处理模块对振荡器提供振荡信号即正弦波信号，进行检波处理。
输出模块用于电源指示和负载驱动。
振荡器的LC振荡电路包括电感线圈L1、L2和L3，L1为主线圈，L2和L3为次线圈，电感线圈L1、L2和L3以PCB工艺制作成型在PCB上，电感线圈L1、L2和L3采用金属走线，分别以螺旋线的方式展开印制在所述PCB上，并且电感线圈L1、L2和L3各自形成的螺旋线以环中套环的结构布置在所述PCB上。
所述电感线圈L1的螺旋线位于所述环中套环的结构的中心，电感线圈L2位于L1的外侧，电感线圈L3位于L2的外侧，L2和L3反向串联并且在连接点D相连。电感线圈L3螺旋线的圈数大于电感线圈L2螺旋线的圈数。通过增加电感线圈L1的圈数来增大电感线圈L1的电感量。
所述电感线圈L1与第一电容并联，电感线圈L1与L2和L3形成互感作用，电感线圈L1与第一电容的并联电路接入放大电路组成了所述振荡器。
所述PCB的厚度在1～2mm范围内。电感线圈L1、L2和L3的金属走线宽度均为0.15mm，线间距0.3mm。所述PCB外形为圆形，尺寸为PCB板的层数为4层或是8层。
本发明的电涡流传感器中振荡器电路的电感线圈采用PCB板工艺制作，免去绕制线圈、组装磁芯的步骤及相关的人工成本，同时大大改善产品一致性问题。同时，该线圈体具有极好的稳定性，使得本发明的有益效果包括：
1.可以替代传统1倍、2倍检测距离的电涡流传感器，同时实现对铜、铁、铝、不锈钢检测距离不衰减的功能。
2.对产品小型化设计，提供有利条件。
3.改善传统电涡流传感器生产工艺的复杂程度，降低产品成本。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
图1本发明实施例中振荡器线圈的结构示意图。
图2是本发明实施例中振荡器电路原理图。
图3是本发明涡流传感器组成原理示意图。
具体实施方式
本发明的电涡流传感器振荡器电感线圈采用PCB线圈技术。如果以申请人M30产品为例，PCB外形尺寸包含主线圈L1，次级线圈L2，L3，为了增加线圈电感量及Q值，可将PCB板设计成4层或是8层。线圈走线均为0.15mm，线间距0.3mm，图形设计过程需要使用埋孔及盲孔，为了满足线圈图形的对称性，因此图形设计存在较大难度。PCB板材选择碳氢化合物陶瓷TMM4，三个方向的热膨胀系数(ppm/℃)X：16,Y：16,Z：21(典型值)，如氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷等，因此该线圈体具有极好的稳定性。解决了目前传统线圈磁芯体积大的问题，可以将PCB线圈板的厚度压缩至1～2mm。
采用本发明的方案，PCB线圈板成本将有所降低，免去绕制线圈、组装磁芯的步骤及相关的人工成本，同时大大改善产品一致性问题。
如图1线圈结构模型所示，A、B点之间的L1作为主线圈，E、D点之间的L2，D、C点之间的L3分布于L1的外侧，L2在L1与L3中间位置，假设驱动电流IAB通过线圈L1，根据楞次定律：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。因此L2与L3中的电流IED、ICD与IAB的电流方向一致，均为顺时针，将L2与L3反向串联。由于L1的磁场不断向外扩散并衰减，L2，L3的初始电动势被设计成大小相等，方向相反，形成差分结构，因此获得较高的灵敏度，实现更远的检测距离。
根据实验现象，铜、铁、铝、不锈钢检测距离不衰减，铁磁性材料与非铁磁性材料对此PCB线圈具有相同的灵敏度，主要归功于差分式的线圈结构，可实现衰减系数约为1的检测距离。
该PCB线圈，有别于传统电涡流传感器采用线圈组合铁氧体的方案，在强磁100mT环境下，铁氧体初始磁导率受强磁场影响较大，导致传感器功能失效。采用差分式线圈结构，相互抵消强磁干扰信号，实现在此类环境下正常工作。
如图2所示，本发明采用BJT构成的变压器反馈式LC振荡电路。Rb1，Rb2，Re稳定BJT的静态工作点，Ce为交流旁路电容，选用放大倍数较大的BJT或是增加次级线圈的耦合程度，可使电路易于振荡。起振条件是：
BJT共射放大器，利用互感线圈(L2，L3相位关系) 满足相位条件，可以利用瞬时极性法判定反馈信号的极性。
振荡频率：
当接通电源，电路中存在噪声或是某种扰动，经过放大与选频循环往复，振荡逐步建立。当振幅大到一定程度时，由于集电极的负载时LC并联谐振回路，具有很好的选频作用，使振荡趋于稳定。
PCB线圈作为振荡器的一部分，次级线圈相位关系上巧妙设计了金属目标物改变相位的物理现象。该PCB线圈设计思路包括：
a.L1在限定空间区域内，限定条件内，尽可能增加圈数以达到最大的电感量。
b.L1的磁场不断向外扩散并衰减，由于L2，L3存在位置关系，如右图所示，使L3圈数>L2圈数，满足L3的感应电动势略大于L2，即VL3>VL2。
c.金属目标物靠近线圈，使得L1振荡衰减，L2，L3的感应电动势降低，由于L3在外围，衰减幅度大于L2，即VL3<VL2。
d.当VL3>VL2,不满足相位关系，振荡器停止振荡；当VL3<VL2,满足相位关系。
如图3所示，本发明的电涡流包含：电源模块、微控制器模块、信号处理模块、振荡模块、输出模块。其中，
电源模块：应满足10～30VDC输入，通过稳压模块实现稳定的+3.3VDC输出，电源输出精度应达到±1％，以满足准确及稳定的检测功能。
微控制器模块：应选择满足3.3V电源系统下工作的单片机，如STM32系列，SAMD21系列等。主要实现输入信号的判断，控制输出模块。
信号处理模块：振荡器提供振荡信号即正弦波信号，对正弦波进行检波处理，判断方式可以有以下2种方式:1.峰值检波，检测信号峰值变化量；2.判断振荡信号有或无的情况。
输出模块：包含电源指示器和负载驱动电路。
振荡模块：由振荡器电路和PCB线圈组成。
值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。

Claims (10)

1.一种电涡流传感器，该电涡流传感器包括振荡器，振荡器的LC振荡电路包括电感线圈L1、L2和L3，L1为主线圈，L2和L3为次线圈，其特征在于，电感线圈L1、L2和L3以PCB工艺制作成型在PCB上，
电感线圈L1、L2和L3采用金属走线，分别以螺旋线的方式展开印制在所述PCB上，并且电感线圈L1、L2和L3各自形成的螺旋线以环中套环的结构布置在所述PCB上。
2.如权利要求1所述的电涡流传感器，其特征在于，所述电感线圈L1的螺旋线位于所述环中套环的结构的中心，电感线圈L2位于L1的外侧，电感线圈L3位于L2的外侧，L2和L3反向串联并且在连接点D相连。
3.如权利要求2所述的电涡流传感器，其特征在于，电感线圈L3螺旋线的圈数大于电感线圈L2螺旋线的圈数。
4.如权利要求3所述的电涡流传感器，其特征在于，通过增加电感线圈L1的圈数来增大电感线圈L1的电感量。
5.如权利要求1所述的电涡流传感器，其特征在于，所述电感线圈L1与第一电容并联，电感线圈L1与L2和L3形成互感作用，电感线圈L1与第一电容的并联电路接入放大电路组成了所述振荡器。
6.如权利要求1所述的电涡流传感器，其特征在于，所述电涡流传感器还包括电源模块、微控制器、信号处理模块和输出模块，其中，
电源模块满足10～30VDC输入，通过内置的稳压电路实现稳定直流电压输出；微控制器，选择满足电源模块电压使用要求的单片机，实现对信号处理模块的输出信号进行处理和判断，控制输出模块的输出；
信号处理模块对振荡器提供振荡信号即正弦波信号，进行检波处理；
输出模块用于电源指示和负载驱动。
7.如权利要求1所述的电涡流传感器，其特征在于，所述PCB的厚度在1～2mm范围内。
8.如权利要求1所述的电涡流传感器，其特征在于，电感线圈L1、L2和L3的金属走线宽度均为0.15mm，线间距0.3mm。
9.如权利要求1所述的电涡流传感器，其特征在于，所述PCB外形为圆形，尺寸为PCB板的层数为4层或是8层。
10.如权利要求1所述的电涡流传感器，其特征在于，PCB板材选择碳氢化合物陶瓷TMM4，三个方向的热膨胀系数ppm/℃，X：16,Y：16,Z：21。
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