CN109073775A - 系数1和感应式的探测装置 - Google Patents

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Abstract

根据本发明涉及“系数1”和感应式的探测装置(1)，其具有由适当的发生器(3)供电的LC谐振电路(2)、用于采样获取和处理响应信号的装置(4，5，6)的运行链、以及估测装置(7，8)功能组，用于估测已处理信号的至少一个时滞值和提供探测或未探测信息。探测装置(1)的特征在于，获取和处理装置具有采样响应信号滤波和/或放大模拟装置(5)、以及用于通过对采样响应信号在被数字转换之后加以校正来进行响应信号温度偏差补偿的温度偏差补偿装置(10)，温度偏差补偿装置结合于或者具有温度传感器(10')。

Description

系数1和感应式的探测装置
技术领域
本发明涉及感应探测装置的领域，其允许探测在给定的位置或部位处或者附近是否存在金属物体，特别是工业中使用的基于分析由至少一个LC谐振电路提供的信号的探测器。
背景技术
这种探测器多年来已由本申请人商业化，例如在文献FR2827677、EP1580889、EP1580536、EP1965177和EP2546614中描述过这种探测器。
本发明更特别的是旨在一种“系数1”和感应式的接近或存在探测装置，即其设计和运行成以对于不同的主要金属材料(钢、铝、黄铜、铜、锌等)优选提供非常小的探测距离变化。
在常规感应探测器的情况下，额定探测距离Sn对于钢目标物始终是给定的(标准60947-5-2)。对于其他金属例如铝或铜，为了确定探测距离，必须对该额定作用范围Sn施加校正系数。例如，对于铝的探测距离可为0.40x Sn(系数0.40)，或者对于不锈钢的探测距离可为0.70x Sn(系数0.70)。对于钢，系数为1，即探测距离为1x Sn＝Sn。
应当指出，在探测方面，金属材料可分成两类：
-铁磁材料(钢、铁)，当其位于探测线圈附近时，铁磁材料趋向于增大线圈的串联电阻Rs(Ls串联电感变化很小)；
-非铁磁材料(铝、铜、黄铜等)，当其位于探测线圈附近时，非铁磁材料趋向于减小线圈的串联电感Ls(Rs变化很小)。
在现有技术中，一旦探测器设计和运行成使得基本上相同的探测距离Sn应用于所有金属、或者至少其中主要金属(即至少：钢、铁、铝、铜、黄铜、锌及它们可能的合金)，探测器设即可被定性为“系数1”式探测器。
图1示意地示出这种传感器的性能/特性的定义中起作用的主要参数。该图中示出：
-额定作用范围Sn：用于指定探测器的常规作用范围；
-实际作用范围Sr：额定电压和常温下测得的作用范围(+/-10％Sn)；
-有效作用范围Su：电压和温度允许限度中测得的作用范围(+/-10％Sr)。
已经存在许多“系数1”式探测器的实施方式，例如基于用3或4个线圈进行发射/接收(变压器式装置)的系统(见US7106052和EP2493076Al)、或者基于频率测量的系统(见EP2017652Al)。
但是，使用多个线圈的这些系统很复杂，成本高，体积大。此外，基于频率的系统可能要求使用成本高、同时性能往往有限(开关频率小、探测距离小)的器件。
为了弥补这些缺陷，已经提出过一种接近或存在探测装置，探测装置为感应式，用于以“系数1”模式运行，即其探测距离Sn对于主要类型的金属变化极小，所述探测装置主要一方面具有LC谐振探测电路，另一方面具有用于获取和处理响应信号的获取和处理装置的运行链，所述LC谐振探测电路由激励脉冲发生器供电，限定相继的和重复的探测阶段，所述响应信号为自由振荡式，在每个探测阶段由所述LC谐振探测电路发送，运行链尤其是包括采样装置和模拟数字转换电路，所述探测装置最后还具有估测装置功能组，用于估测已处理信号的至少一个时滞值及提供探测或未探测逻辑信号或者信息。
这种探测装置至少部分地例如从文献EP1530064中已知。
在这种LC谐振式自由振荡器装置的情况下，观察到：
-当线圈位于铁磁材料附近时，振荡振幅发生变化；
-当线圈位于非铁磁材料附近时，振荡频率发生变化。
为进行“系数1”式探测，实际上只要关心以下两种材料：
-钢，其代表铁磁材料，在LC自由振荡器的情况下，导致Rs变化，因而导致振幅变化；
-铝，其代表非铁磁材料，在LC自由振荡器的情况下，导致Ls变化，因而导致频率变化。
在钢的情况下，接近目标物致使准振荡衰减，但信号频率变化很小(图2A)。
在铝的情况下，接近目标物致使准振荡的频率增大，而信号振幅几乎不变化(图2B)。
文献EP1530064提出，存在检验“系数1”运行条件的采样时刻Trif，即在此，由于接近钢目标物而引起的信号振幅的减小，等于由于铝目标物接近所引起的正弦波的相移所产生的振幅的减小(见图3)。
在该欧洲文献中，时刻Trif通过计算确定，但未指出确定允许进行这种计算的数值的方式。此外，该文献中既未提及探测器的制造方法，亦未提及其调节方法。
此外，文献EP1530064提出的电路结构利用原始形式的探测信号，特别是非滤波探测信号，并且其探测信号动态性能弱，同时探测信号的温度偏差大。
发明内容
本发明旨在通过克服前述文献EP1530064所公开类型的以“系数1”模式运行的探测装置的至少一些局限性以改进这种探测装置，提供一种探测范围增大、确保安全可靠和可再现探测的装置。
为此，本发明旨在一种如前所述的“系数1”和感应式的接近或存在探测装置，其特征在于，所述获取和处理装置一方面具有用于对采样响应信号在被获取后但在进行数字转换之前进行滤波和/或放大的模拟装置，另一方面具有用于通过对采样响应信号在被数字转换之后加以校正来进行采样响应信号温度偏差补偿的温度偏差补偿装置，所述温度偏差补偿装置结合于或者具有温度传感器，温度传感器提供有关探测装置至少一部分的温度的信息，所述探测装置至少一部分包括LC谐振探测电路以及运行链的位于模拟数字转换电路上游的获取和处理装置。
附图说明
借助下面参照所附示意图对作为非限制性例子给出的优选实施方式进行的说明，本发明将得到更好理解，附图中：
图4是根据本发明的探测装置的主要构成功能元件的方框概图；
图5A至5F是属于根据本发明的装置的一部分的探测信号生成和获取运行链的不同实施变型的等同简化电路示意图；
图6是表示根据本发明的探测装置的LC谐振电路的端子处测得的探测信号(准平滑正弦曲线)的[振幅/时间]曲线的示意图(示出时间滞延)，这是对不存在目标物时、在距离Sn处存在钢(铁)目标物时、和在距离Sn处存在铝目标物时进行相应的脉冲激励的响应；
图7是图6中细部A的不同比例的示图，还示出信号采样时刻(仅示出“铁”和“铝”信号曲线)；
图8A至8C示出“系数1”采样时刻(Tacq)相对于在根据本发明的探测装置的校准和调节测试阶段期间有效应用的预期采样时刻的不同定位情况；以及
图9是在本发明范围内使用的学习或校准程序流程图。
具体实施方式
图4以及部分地图5在功能上简要地示出以“系数1”模式运行的感应式的接近或存在探测装置1。
所述探测装置1主要一方面具有LC谐振电路2，另一方面具有用于获取和处理响应信号(自由振荡)的获取和处理装置4、5、6、12的运行链，LC谐振电路由激励脉冲发生器3供电，限定相继的和重复的探测阶段，响应信号在每个探测阶段由所述LC谐振探测电路2发送，运行链尤其是包括采样装置4和模拟数字转换电路6，所述探测装置最后还具有估测装置7、8功能组，用于尤其是通过比较估测已处理信号的至少一个时滞值和提供探测或未探测逻辑信号或者信息。
所述探测装置1还具有微控制器式的管控和操纵器9，用于控制探测装置1的运行。
根据本发明设置成：所述获取和处理装置一方面具有用于对采样响应信号在被获取后但在进行数字转换之前进行滤波和/或放大的模拟装置5；12、13，另一方面具有用于通过对采样响应信号在被数字转换之后加以校正来进行采样响应信号温度偏差补偿的温度偏差补偿装置10，所述温度偏差补偿装置结合于或者具有温度传感器10'，温度传感器提供有关探测装置1至少一部分的温度的信息，所述探测装置至少一部分包括LC谐振电路2以及运行链的位于模拟数字转换电路6上游的获取和处理装置4、5、11、12、13。
根据共同有助于改善探测装置1的质量和精确度方面的性能、因此提高其最大作用范围的这些特别布置，可利用信号的动态性能及其相对于温度变化的独立性，显然较之现有技术有很大改进。
有利地，在确定的关键时刻采样值的估测，通过与生产中校准阶段时确定的阈值相比较来进行。
优选地，如图5A、5C、5E和5F所示，运行链在例如呈采样保持器形式的采样装置4之后具有差分放大器形式的放大装置，差分放大器形式的放大装置结合于用于消除差分放大器5输入端处存在的信号的连续成分的消除装置5'。
作为用于增大信号动态性能的实用构造布置，还可设置：
-使用在微控制器9外部的采样保持器4，从而允许缩短采样时间，更好地确定采样点，在模拟数字转换之前进行模拟处理(放大、滤波)；
-提高模拟数字转换器6的分辨率(例如至12bit)，该电路对来自放大器5的信号进行模拟-数字转换，而不对LC电路2的输出信号进行直接转换。
为避免寄生信号或者高频干扰，可如图5B至5D和5F中所示设置成，运行链在采样装置4之后并且在模拟数字转换电路6的上游、必要时还在可能配置的放大装置5之前，具有模拟滤波电路12，模拟滤波电路优选呈RC低通滤波器的形式，具有串联电阻12'和并联电容12"。
为方便并提高探测周期或探测阶段的频率和再现性，可如图5中象征地所示地设置成，探测装置在LC探测电路2的下游并且在采样装置4的上游，还具有开关装置11，用于有选择地使LC电路2放电。
采样保持器4可以例如具有断路器4'，其结合于存储电容4"(见图5)。
相对前述第一滤波电路12以替换或以附加的方式，可能还与配置放大装置5相配合，运行链也可以在LC探测电路2的下游并且在采样装置4的上游具有模拟滤波电路13，所述模拟滤波电路13优选呈RC低通滤波器的形式，具有串联电阻13'和并联电容13"(图5D至5F)。
根据配置或者不配置不同的滤波和放大装置5、12和13及其结合，图5A至5F示出用于根据本发明的装置1的运行链的不同的可行构造变型。
在根据本发明的实际实施的范围中，可以有利地考虑以下内容。
滤波器12必要时位于采样器4之后，允许在模拟-数字转换之前稳定信号(消除采样器产生的干扰，消除LC振荡电路产生的串扰，消除射频干扰等)。其截止频率小(例如约为16千赫，但可根据探测装置1的特征、特别是其开关频率进行变化)。在图5D所示装置的情况下，电容12"必须足够高(例如最小10纳法)，以限制在转换时电荷从该电容12"向模数转换器6的内部电容转移所产生的衰减。
滤波器13必要时位于采样器4之前，主要可以消除LC电路的电感器接收到的射频干扰(天线效应)。该滤波器13的截止频率必须高于LC电路2的振荡频率，以便不改变有效信号。截止频率通常从数百千赫延伸至数十或数百兆赫，而这取决于存在的射频干扰的类型。电容13"必须具有小数值(数十或数百皮法)，电阻13'可由具有小数值的电感器或者铁氧体代替。
因此，由滤波器12或滤波器13又或者通过同时使用这两种滤波器12和13实现的“低通”式滤波，一方面允许稳定信号(在采样之前和/或之后)，另一方面允许使探测装置1、更特别的是其位于转换器6之前的运行链部分免受工业环境(例如装配线，尤其是焊接装配线)中存在的高频电磁干扰。
当然，电阻12'和13'可由电感器代替。
关于放大装置5的增益，其应该足够高，以便显著提高有效信号的动态性能。其也不应过高，以防放大器5饱和，在温度变化时信号及其连续成分偏移的情况下尤其如此。为5至10之间、优选设定在大约6的增益在发明人进行试验时，获得了令人满意的结果。
根据本发明的一有利的特征，温度偏差补偿装置10由逻辑任务组成，所述逻辑任务在每个探测阶段由微控制器9一方面使用温度传感器10'所测得的值、另一方面使用源自于以前实验估测的、有关对探测信号的温度影响的存储信息来执行，这些存储信息例如由估测补偿函数或者对照表组成。
因此，为了进行足够精确和可重复的补偿以满足规范约束条件(参见EN60947-5-2，其允许温度偏差为实际范围的+/-10％)，本发明选用的用于补偿温度偏差的方案基于利用通过温度传感器10'测得的温度对信号进行数字校正。
为了实施这种温度补偿，必须预先记录信号随温度的偏差。这些偏差测量用模拟数字转换器6的输出值进行，以便同时补偿感应传感器(LC电路2)以及整个相继的获取链的偏差。
在(实施阶段中)预先对多个相同的探测装置1进行信号偏差的数字化记录之后，可确定对于至少一系列这种装置1的可重复的平均偏差。可借助于微控制器9中直接编码的函数补偿偏差。补偿也可以通过对照表(所谓“look up table(查找表)”)进行。
根据本发明的可避免任何复杂计算、以及避免为此使用资源的另一特征，有利地设置：时滞值(激励脉冲结束后的延时值)由微控制器9使用以控制采样保持器4，对应于“系数1”点，所述时滞值由以下这样确定的数对[振幅值；激励脉冲结束后的延时]组成：所述数对通过对分别由以期望的探测距离Sn布置的铁目标物和铝目标物提供的响应信号进行采样而实验性地确定；铁目标物和铝目标物提供的这些响应信号用随时供使用的探测装置1读取。
实际上，如图6所示，所选的“系数1”点优选对应于分别为铁目标物和铝目标物的呈平滑准正弦振荡形式的两条响应信号曲线在这两条响应信号曲线的第三周期的正半波递降阶段的交点。但是，可以使用这两条曲线之间的任何其他交点，包括响应信号负半波期间的交点。
因此，根据本发明的一特征，在调节阶段设置成确定：
-最佳采样点，其允许进行“系数1”式探测；
-探测装置1的切换点，其与所需的作用范围Sn相关联。
实际上，选用的方案基于通过接连的采样寻找“系数1”点。该方法允许一旦装置1完全装配和用树脂处理好，就寻找最佳点，同时无需使用成本高的外部装置(计算器等)。该技术还允许尽量接近额定作用范围Sn，在作用范围增大和/或温度范围扩展的情况下，这是特别有利的特性。
对于以所需的探测距离Sn布置的两种基准材料(铁和铝)中的每一种来说，微控制器9围绕“系数1”点、在采样时刻Tacq进行N次测量，其中所述采样时刻Tacq从T0至T0+N.dt变化(Tacq＝T0+N x dt，其中dt对应于时间分辨率，在这种情况下，N从0至9变化)。与不同取样相应的振幅被存储在(“铁值”和“铝值”)表中。
尽管“系数1”点(铁/铝曲线的交叉点)存在于平滑振荡信号的每个周期上，但第三周期的递降阶段开始时的采样(见图6)看来是作为稳定性方面的良好折衷办法。
采样点数N必须选择足够大(至少为10)，以便能在所有情况下寻找到“系数1点”：实际上，必须考虑到引起一元件到另一元件的振幅、频率或者时基变化的器件的初始允差。
图7的两条曲线的采样结果示于分成两部分的下表中：
然后，“铁值”数值和“铝值”数值彼此间进行比较，从而可以确定铁值[N]和铝值[N]之差距的绝对值。最小差距则对应于最接近“系数1”点的采样点，其为两条铁和铝响应曲线的交叉点。
与最小的铁/铝差距相对应的指数M允许确定：
-对于“系数1”式探测的最佳采样时刻Tacq＝T0+M x dt；
-与铁值[M]和铝值[M]之间的平均值相对应的选定的探测阈值。
采样时刻Tacq理论上对应于铁和铝响应曲线之间的交叉点，但实际上，可观察到在采样点与两条曲线的实际交叉点之间存在偏差(见图8A至8C)。在研发阶段，必须验证尽管存在这种偏差，但探测装置1可以始终被视为“系数1”式，即该偏差所导致的实际作用范围Sr随材料的变化始终保持在为标准60947-5-2所允许的+/-10％Sn。
在生产阶段，采样点Tacq的调整和探测距离Sn的调整分两个接连的步骤进行(这两个步骤可以颠倒顺序)：
1.钢目标物以距离Sn布置在探测装置1前，指令起动允许补全“铁值”表的学习程序。探测器借助其输出端发出该程序结束的信号。
2.铝目标物以距离Sn布置在探测装置1前，指令起动允许补全“铝值”表的学习程序。
然后，借助于这两个表，微控制器9能够确定最佳采样点和探测阈值。然后将这两个参数保存于存储器，每次启动探测器时则使用这两个参数。探测装置1借助其输出端发出该程序结束的信号。
学习指令的发送，可以由参数设置界面进行，所述参数设置界面通过电源线路和探测装置的输出端进行通信，例如在本申请人名下的文献EP2748936中提出的那样。
最大程度接近“系数1”点的另一重要点是设置对于采样的高的时间分辨率，从而设置对于微控制器9的稳定的高的时钟循环，其优选至少约为32兆赫并且温度偏差小。因此，优先使用石英谐振器式或者MEMS振荡器式时基。
本发明还旨在一种如上所述的探测装置1的校准方法，其特征在于，所述校准方法在于：以期望的探测距离Sn相继地布置铁目标物和铝目标物，获取正弦响应信号的多个取样，优选至少十个取样，其中正弦响应信号由探测装置1的LC谐振探测电路2在该电路被脉冲激励之后提供；通过比较、可能还通过内插法来确定表示两个响应信号的曲线的对应于“系数1”点的交点的坐标(振幅，时间)，有利地在这两个响应信号的第三周期的第一半波的递降阶段的期间的交点的坐标。
前述方法的不同步骤的一种可行的实际实施方式示于图9中。
当然，本发明并不局限于所述和附图所示的实施方式。尤其是在各种元件的构成方面，或者通过技术等同手段的置换，仍可以进行一些改变，而这并不会超出本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种探测装置(1)，用于探测金属的存在或接近，探测装置为感应式，用于以“系数1”模式运行，即其探测距离Sn对于不同的主要类型的金属变化极小，
所述探测装置(1)主要一方面具有LC谐振探测电路(2)，另一方面具有用于获取和处理响应信号的获取和处理装置(4，5，6，12)的运行链，所述LC谐振探测电路由激励脉冲发生器(3)供电，限定相继的和重复的探测阶段，所述响应信号为自由振荡式，在每个探测阶段由所述LC谐振探测电路(2)发送，运行链尤其是包括采样装置(4)和模拟数字转换电路(6)，所述探测装置最后还具有估测装置(7，8)功能组，用于尤其是通过比较估测已处理信号的至少一个时滞值、提供探测或未探测逻辑信号或者信息，所述探测装置(1)还具有微控制器式的管控和操纵器(9)，用于控制探测装置(1)的运行，
探测装置(1)的特征在于，所述获取和处理装置一方面具有用于对采样响应信号在被获取后但在进行数字转换之前进行滤波和/或放大的模拟装置(5；12，13)，另一方面具有用于通过对采样响应信号在被数字转换之后加以校正来进行采样响应信号温度偏差补偿的温度偏差补偿装置(10)，所述温度偏差补偿装置结合于或者具有温度传感器(10')，温度传感器提供有关探测装置(1)至少一部分的温度的信息，所述探测装置至少一部分包括LC谐振探测电路(2)以及运行链的位于模拟数字转换电路(6)上游的获取和处理装置(4，5，11，12，13)。
2.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于，运行链在采样保持器形式的采样装置(4)之后具有差分放大器形式的放大装置(5)，差分放大器形式的放大装置结合于用于消除差分放大器形式的放大装置(5)输入端处存在的信号的连续成分的消除装置(5')。
3.根据权利要求1或2所述的探测装置，其特征在于，运行链在采样装置(4)之后并且在模拟数字转换电路(6)的上游、必要时还在可能配置的放大装置(5)之前，具有模拟滤波电路(12)，模拟滤波电路优选呈RC低通滤波器的形式，具有串联电阻(12')和并联电容(12")。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的探测装置，其特征在于，探测装置在LC谐振探测电路(2)的下游并且在采样装置(4)的上游，还具有开关装置(11)，用于有选择地使所述LC谐振探测电路(2)放电。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的探测装置，其特征在于，运行链在LC谐振探测电路(2)的下游并且在采样装置(4)的上游具有模拟滤波电路(13)，在采样装置的上游的所述模拟滤波电路优选呈RC低通滤波器的形式，具有串联电阻(13')和并联电容(13")。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的探测装置，其特征在于，温度偏差补偿装置(10)由逻辑任务组成，所述逻辑任务在每个探测阶段由微控制器(9)一方面使用温度传感器(5')所测得的值、另一方面使用源自于以前实验估测的、有关对探测信号的温度影响的存储信息来执行，所述存储信息例如由估测补偿函数或者对照表组成。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的探测装置，其特征在于，时滞值由微控制器(9)使用以控制采样保持器(4)，对应于“系数1”点，所述时滞值由以下这样确定的数对[振幅值；激励脉冲结束后的延时]组成：其通过对分别由以期望的探测距离(Sn)布置的铁目标物和铝目标物提供的响应信号进行采样而实验性地确定；铁目标物和铝目标物提供的响应信号用随时供使用的探测装置(1)读取。
8.根据权利要求7所述的探测装置，其特征在于，所选的“系数1”点对应于分别为铁目标物和铝目标物的呈平滑准正弦振荡形式的两条响应信号曲线在这两条响应信号曲线的第三周期的正半波递降阶段的交点。
9.一种校准方法，用于校准根据权利要求1至8中任一项所述的探测装置，其特征在于，所述校准方法在于：以期望的探测距离Sn相继地布置铁目标物和铝目标物，获取正弦响应信号的多个取样，优选至少十个取样，其中正弦响应信号由探测装置(1)的LC谐振探测电路(2)在被脉冲激励之后提供；通过比较、可能还通过内插法来确定表示两个响应信号的曲线的对应于“系数1”点的交点的坐标(振幅、时间)，有利地在这两个响应信号的第三周期的第一半波的递降阶段的期间的交点的坐标。
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