CN110345973B - 电涡流传感器及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电涡流传感器及检测方法，涉及传感器技术领域。其电涡流传感器技术要点包括载体，所述载体设置有励磁线圈和至少一个用于接收励磁线圈发出信号的接收线圈；还包括处理模块；所述处理模块包括：储能电容，其存储电荷形成电压；切换开关，其一端连接于储能电容，另一端包括通流节点和检测节点；执行电路，一端连接通流节点；且执行电路接收检测电压，且基于检测电压的大小转化成执行电路的电流通量的大小；检测输出端，其连接检测节点，用于输出储能电容的高压端的电压；控制单元，输出控制信号，用于将切换开关在连接通流节点指定周期后，切换至检测节点，本发明具有输出结果误差小的优点。

Description

电涡流传感器及检测方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，更具体地说，它涉及一种电涡流传感器及检测方法。

背景技术

目前，公开号为CN102072694A的中国专利公开一种电涡流式距离传感器。其中，该电涡流式距离传感器包括：线圈，用于产生磁场；电涡流测量电路，与线圈相连接，用于根据磁场产生第一输出电压；放大器，用于对第一输出电压进行放大，得到第二输出电压。

现有技术中类似于上述的电涡流传感器，其当被测金属与线圈之间的距离发生变化时，线圈的对应的磁场也发生变化，磁场的变化引起了线圈的振荡电压幅度的变化；而由于线圈振荡产生的电压是交变的，一般会在线圈后连接检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压的变化。而其采用滤波和线性补偿的方式，使得测量出的数据失真，存在一定误差。

发明内容

针对现有的技术问题，本发明的第一目的在于提供一种电涡流传感器，其具有输出结果误差小的优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种电涡流传感器，包括载体和电涡流检测电路，所述载体设置励磁线圈和至少一个用于接收励磁线圈发出信号的接收线圈；所述接收线圈基于磁场变化输出检测电压，还包括用于获取检测电压输出直流电压的处理模块；所述处理模块包括：

储能电容，其存储电荷形成电压；

切换开关，其一端连接于储能电容的高压端，另一端包括供切换的通流节点和检测节点；

执行电路，其一端连接于通流节点上，当切换开关切换至通流节点时，在执行电路上形成回路；且所述执行电路接收检测电压，且基于检测电压的大小转化成执行电路的电流通量的大小；

检测输出端，其连接检测节点，用于输出储能电容的高压端的电压；

控制单元，输出控制信号，用于将切换开关在连接通流节点指定周期后，切换至检测节点。

通过采用上述技术方案，通过在励磁线圈注入励磁信号，接收线圈内会感应生成交变的电流，使得接收线圈发出相对应的交变磁场；当有金属出现在接受线圈产生的交变磁场中，出现金属切割磁场，会使得磁场大小出现变化，引起接收线圈的交变电压的幅值发生改变。

在电压一定的储能电容在连接执行电路时，会产生电流，从而使得储存电容上的电荷量发生改变；如果期间不限制执行电路内的电流值时，在指定周期内通过执行电路的电荷值是一定的，切换开关切换到检测输出端时，输出的电压值应该等于原电压值加上电流变化的积分值，属于一个定值。而当通过执行电路基于检测电压的大小转化成执行电路的电流通量的大小，则电压在指定周期内幅值的变化会对应转化为电流积分值的变化改变储能电容的电压值；因此电压在指定周期内幅值越大，则电流积分值越大，电容电压变化值越大；反之，则电容电压值变化越小。

因此在控制单元的控制下，在指定周期内让切换开关切换至通流节点，执行电路和储能电容形成了电流大小和检测电压相关的构成回路；而在指定周期后在控制单元的控制下，将切换开关切换至检测节点，通过检测输出端输出储能电容的高压端电压；而通过将获得的储能电容的高压端电压和原本的高压端电压做差，就能够得到储能电容的电压差值，而电压差值等于执行电路内电流的积分值，从而检测输出端输出的直流电压值具有对电压幅值变化分析准确的优点。

本发明进一步设置为：所述切换开关还包括供切换的复位节点；

所述复位节点上连接有复位电压，当切换开关切换至复位节点时，复位电压将储能电容的电压恢复至复位电压；

所述控制单元输出控制信号，使切换开关依次在复位节点、通流节点和检测节点之间切换。

通过采用上述技术方案，当检测节点获取储能电容的高压端电压后；可以将切换开关切换到带有复位电压的复位节点，使得储能电容的电压值复位，能够实行下一次检测，实现了重复检测，提升检测结果准确性的优点。

本发明进一步设置为：所述复位电压高于执行电路的电位，当切换开关切换至复位节点时，复位电压为储能电容充电；当切换开关切换至通流节点时，储能电容作为电源放电；当切换开关切换至保持节点时，储能电容保持电压。

通过采用上述技术方案，复位电压高于执行电路的电位，当切换开关切换至通流节点时，储能电容作为电源放电；而电容的放电的线性条件更好，获得结果更加准确；同时每次放电完毕，连接复位电压重新为电容充电比每次充电然后把电荷放完，所消耗的电能会更少，测试方式更加的节能。

本发明进一步设置为：所述励磁线圈上连接有励磁信号发生器。

通过采用上述技术方案，通过在一个励磁线圈内部分布多个接收线圈，保证多个接收线圈的信号与激励线圈连接的励磁信号发生器产生的信号是同步的，实现了多个接收线圈信号的共同控制。

本发明进一步设置为：所述执行电路包括场效应管，所述场效应管的栅极接收检测电压。

通过采用上述技术方案，场效应管把输入电压的变化转化为输出电流的变化，能够很好的起到控制执行电路电流的效果；且场效应管性质稳定，对执行电路影响小。

本发明进一步设置为：所述载体上的接收线圈数量至少为两个，所述处理模块的数量与所述接收线圈数量相同，所述接收线圈输出的检测电压分别对应输出于一个处理模块。

通过采用上述技术方案，将多个接收线圈同时连接在一个处理模块上，因此这个处理模块的检测输出端只要载体的其一出现的电压的变化，就能反映出对应电荷值的变化，因此可以对一个载体上是否有金属物体移动进行检测。

本发明进一步设置为：所述载体上的接收线圈数量至少为两个，所述处理模块的数量为一个，所述接收线圈输出的检测电压均输出于一个处理模块。

通过采用上述技术方案，将多个接收线圈分别连接在多个处理模块上，因此只要其一的处理模块的检测输出端出现的电压的变化，则说明金属物体移动至该接收线圈所在位置，而通过获取各个处理模块检测输出端电压的连续变化，能够获取金属物体在载体下的移动路径。

本发明进一步设置为：所述载体呈圆形，所述接收线圈沿载体圆周方向均匀排布。

通过采用上述技术方案，当金属物体相对于载体进行转动或者圆周运动时，将载体设置呈圆形，且接收线圈沿载体圆周方向均匀排布能够起到较好的圆周运动或者转动检测效果。

本发明进一步设置为：所述载体为条状，所述接收线圈沿载体的长度方向均匀排布。

通过采用上述技术方案，当金属物体相对于载体进行平移运动时，将载体设置条状，且接收线圈沿条状长度方向均匀排布能够起到较好的检测平移运动效果。

本发明的第二目的在于提供一种电涡流传感器，其具有输出结果误差小优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种电涡流传感器的检测方法，包括：

将储能电容的高压端连接至复位节点，使得储能电容的电压恢复至复位电压；

将储能电容的高压端从复位节点切换到通流节点，使得储能电容在执行电路上形成电流，接收线圈输出的检测电压调节执行电路上的电流大小；

在指定周期后，将储能电容的高压端从通流节点切换到检测节点，检测输出端输出储能电容的高压端的电压。

通过采用上述技术方案，将切换开关切换到带有复位电压的复位节点，使得储能电容的电压值复位，能够实行下一次检测；在指定周期内让切换开关切换至通流节点，执行电路和储能电容形成了电流大小和检测电压相关的构成回路；而在指定周期后在控制单元的控制下，将切换开关切换至检测节点，通过检测输出端输出储能电容的高压端电压；而通过将获得的储能电容的高压端电压和原本的高压端电压做差，就能够得到储能电容的电压差值，而电压差值等于执行电路内电流的积分值，从而检测输出端输出的直流电压值具有对电压幅值变化分析准确的优点。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）通过将检测电压转化为电流值，从而通过检测储能电容的电压变化值获得检测电压的变化；

（2）通过励磁线圈和多个接收线圈磁感耦合的方式，保证多个接收线圈输出信号同步；

（3）载体上的接收线圈可以根据自身需求进行排列，适合于各种检测。

附图说明

图1为电涡流传感器的电路示意图；

图2为电涡流传感器的多个处理模块的电路示意图；

图3为电涡流传感器的多个处理模块的电路示意图；

图4为衰减波的波形示意图；

图5为电涡流传感器内包含三个圆周排布接收线圈的结构示意图；

图6为电涡流传感器内包含四个圆周排布接收线圈的结构示意图；

图7为电涡流传感器内包含五个圆周排布接收线圈的结构示意图；

图8为电涡流传感器内包含三个圆周排布接收线圈以及一个包围三个接收线圈的基准接收线圈的结构示意图；

图9为电涡流传感器内包含四个圆周排布接收线圈以及一个包围四个接收线圈的基准接收线圈的结构示意图；

图10为电涡流传感器内包含五个圆周排布接收线圈以及一个包围五个接收线圈的基准接收线圈的结构示意图；

图11为电涡流传感器内包含三个线性排布接收线圈的结构示意图；

图12为电涡流传感器内包含四个线性排布接收线圈的结构示意图。

附图标记：1、载体；2、励磁线圈；3、接收线圈；31、比较接收线圈；32、基准接收线圈；4、处理模块；5、励磁信号发生器；6、储能电容；7、切换开关；8、控制单元；9、复位电压；10、执行电路；11、检测输出端；13、复位节点；14、通流节点；15、检测节点；16、场效应管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。

实施例，一种电涡流传感器，如图1所示，包括载体1（见图5）；载体1上设置有励磁线圈2、接收线圈3和处理模块4；优选的，励磁线圈2、接收线圈3和处理模块4通过电路印刷的方式设置于载体1上。

如图1所示，励磁线圈2上连接有励磁信号发生器5，励磁信号发生器5将为励磁线圈2注入励磁信号，使激励线圈2上产生变化的磁场。

如图1所示，接收线圈3的数量至少为一个，优选的实施例为3至6个；多个接收线圈3对应接收激励线圈2的信号，保证多个接收线圈3输出的信号与励磁线圈2连接的励磁信号发生器5的励磁信号同步，具体在载体1上的表现形式为，励磁线圈2环设在所有的接收线圈3的外侧，来达到最佳接收效果。接收线圈3基于励磁线圈2输出的变化磁场输出变化检测电压。

如图1所示，处理模块4的数量与接收线圈3数量相同，接收线圈3输出的检测电压分别对应输出于不同的处理模块4。处理模块4获取从接收线圈3中输出的变化的检测电压，输出易于检测的直流电压。将多个接收线圈3分别连接在多个处理模块4上，因此只要其一的处理模块4的检测输出端11出现的电压的变化，则说明金属物体移动至该接收线圈3所在位置，而通过获取各个处理模块4检测输出端11电压的连续变化，能够获取金属物体在载体1下的移动路径。

励磁信号发生器5输出的脉冲的持续时间可相对较短。例如，脉冲的持续时间为几纳秒，这可以减小在励磁线圈2上的能量消耗。当励磁信号发生器5在励磁线圈2注入一个励磁信号；检测接收线圈3的电压波型变化，无金属片经过时，接收线圈3输出的电压波形为正常衰减波，当有金属片经过时，接收线圈3输出的电压波形为阻尼衰减波，具体见图3，正常衰减波的衰减幅度小于阻尼衰减波的衰减幅度。

因此利用这一特点，通过处理模块4在获取指定时长内的衰减波电压积分值，把交流的衰减波型转变为直流的电压积分波形，方便后续对波形的处理和比较。

具体的，如图1、2所示，处理模块4包括储能电容6、切换开关7和控制单元8；储能电容6存储电荷在其高压端产生电压；切换开关7一端连接于储能电容6的高压端，另一端包括供切换的复位节点13、通流节点14和检测节点15；控制单元8输出控制信号，使切换开关7依次在复位节点13、通流节点14和检测节点15之间切换。

如图1、2所示，复位节点13上连接有复位电压9，当切换开关7切换至复位节点13时，复位电压9将储能电容6的高压端电压恢复至复位电压9。

如图1、2所示，通流节点14上连接有执行电路10，当切换开关7切换至通流节点14时，在储能电容6在执行电路10上形成回路；执行电路10接收检测电压，且基于检测电压的大小转化成执行电路10的电流通量的大小。

如图1、2所示，检测节点15上连接有检测输出端11，检测输出端11用于输出储能电容6高压端的电压。

进一步的，如图1、2所示，复位电压9高于执行电路10的电压，本实施例中，复位电压9采用电源电压VCC，电压值在0V至VCC之间。而执行电路10直接接地。因此当切换开关7切换至复位节点13时，复位电压9为储能电容6充电；当切换开关7切换至通流节点14时，储能电容6作为电源放电；当切换开关7切换至保持节点时，储能电容6保持电压。由于电容的放电的线性好于电容充电的线性，因此放电后的电容检测的电压更加准确，且电容充电比每次充电然后把电荷放完，所消耗的电能会更少，测试方式更加的节能。

具体的，如图1、2所示，执行电路10包括场效应管16，场效应管16具有通过输入电压控制为输出电流的作用；利用场效应管16这一性质，选用N沟道耗尽型绝缘栅场效应管16；场效应管16的栅极接收检测电压，漏极连接通流节点14，源极接地。即当场效应管16栅极接收的检测电压值越大时，则场效应管16通过漏极和源极的电流值就越大；当场效应管16栅极接收的检测电压值越小时，则场效应管16通过漏极和源极的电流值就越小。

如图1、2所示，切换开关7可以采用模拟开关或者开关芯片，本实施例采用两个场效应管16构成切换开关7。具体的，两个场效应管16分别为增强型PMOS管和增强型NMOS管。其中增强型PMOS管的源极连接复位电压9，漏极连接储能电容6的高压端；增强型NMOS管的源极连接场效应管16的漏极，增强型NMOS管的漏极连接储能电容6的高压端。控制单元8分别连接在增强型PMOS管和增强型NMOS管的栅极，通过输出脉冲，控制增强型PMOS管和增强型NMOS管的通断。

因此当控制单元8向增强型PMOS管输出低电平信号，向增强型NMOS管输出低电平信号时，此时由于增强型PMOS管和增强型NMOS管的特性，增强型PMOS管将被导通且增强型NMOS管将被截止，等同于构成的切换开关7的复位节点13导通。当控制单元8向增强型PMOS管输出高电平的脉冲信号，向增强型NMOS管输出高电平的脉冲信号时，此时由于增强型PMOS管和增强型NMOS管的特性，增强型PMOS管将被截止且增强型NMOS管将被导通，等同于构成的切换开关7的通流节点14被导通。而当控制单元8向增强型PMOS管输出低电平信号，向增强型NMOS管输出高电平的脉冲信号时，此时由于增强型PMOS管和增强型NMOS管的特性，增强型PMOS管将被截止且增强型NMOS管将截止，等同于构成的切换开关7的检测节点15被导通。而当控制单元8向增强型PMOS管输出低电平信号，向增强型NMOS管输出高电平的脉冲信号时，此时由于增强型PMOS管和增强型NMOS管的特性，增强型PMOS管将被导通且增强型NMOS管将被导通，无法构成的切换开关7的任何状态，因此在实际中，控制单元8不会产生此种类型的信号至增强型PMOS管和增强型NMOS管中。

如图1、2所示，控制单元8可以采用数字信号处理芯片。控制单元8通过向增强型PMOS管和增强型NMOS管输出脉冲信号。使得在增强型PMOS管和增强型NMOS管构成的切换开关7在指定周期内，按照复位节点13、通流节点14和检测节点15的顺序切换。而为了获取较好的检测效果，脉冲产生器5可以由控制单元8控制脉冲输出的周期；具体的，脉冲产生器5由增强型PMOS管和电源电压VCC构成，增强型PMOS管的源极连接电源电压，漏极连接励磁线圈2的一端，栅极接收控制单元8的输出信号。

因此控制单元8可以直接确定励磁信号发生器5输出脉冲的周期；从而可以根据要求输出采取所要求时段衰减波积分值的脉冲信号。例如，一整个衰减波周期的积分值，衰减波的第一个正向波形的积分值等等。

如图1、2所示，控制单元8驱使切换开关7依次在复位节点13、通流节点14和检测节点15之间切换。其中当切换开关7切换至复位节点13时，复位电压9为储能电容6充电，使得储能电容6恢复至复位电压9；当切换开关7切换至通流节点14时，储能电容6作为电源放电，使得储能电容6的电压逐步下降；当切换开关7切换至保持节点时，储能电容6保持电压，并且输出储能电容6的电压。

通过将获得的储能电容6的高压端电压和原本的高压端电压做差，就能够得到储能电容6的电压差值，而电压差值等于切换开关7切换至通流节点14时，执行电路10内产生电流的积分值，从而检测输出端11输出的直流电压值具有对电压幅值变化分析准确的优点。

在其他的一种实施例中，如图4所示，电涡流传感器仅包括一个处理模块4，通过在该处理模块4上并联有多个场效应管16，场效应管16的栅极分别接收多个接收线圈3中一个输出的检测电压。将多个接收线圈3同时连接在一个处理模块4上，因此这个处理模块4的检测输出端11只要载体1的其一出现的电压的变化，就能反映出对应电荷值的变化，因此可以对一个载体1上是否有金属物体移动进行检测。

在一种实施例中，载体1呈圆形，接收线圈3沿载体1圆周方向均匀排布，如图5、图6和图7所示，接收线圈3的数量可以为三个、四个或五个。

在一种实施例中，载体1呈圆形，接收线圈3包括沿载体1圆周方向均匀排布的比较接收线圈31和设置于激励线圈2内且圈设在比较接收线圈31外侧的基准接收线圈32，如图8、图9和图10所示，比较接收线圈31的数量可以为三个、四个或五个。

在另一种实施例中，载体1为条状，接收线圈3沿载体1的长度方向均匀排布，如图11和图12所示，接收线圈3的数量可以为三个或四个。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电涡流传感器，包括载体（1），所述载体（1）设置有励磁线圈（2）和至少一个用于接收励磁线圈（2）发出信号的接收线圈（3）；所述接收线圈（3）基于磁场变化输出检测电压，其特征在于：还包括用于获取检测电压输出直流电压的处理模块（4）；所述处理模块（4）包括：

储能电容（6），其存储电荷形成电压；

切换开关（7），其一端连接于储能电容（6）的高压端，另一端包括供切换的通流节点（14）和检测节点（15）；

执行电路（10），其一端连接于通流节点（14）上，当切换开关（7）切换至通流节点（14）时，在执行电路（10）上形成回路；且所述执行电路（10）接收检测电压，且基于检测电压的大小转化成执行电路（10）的电流通量的大小；所述执行电路（10）包括场效应管（16），且为N沟道耗尽型绝缘栅场效应管（16）;所述场效应管（16）的栅极接收检测电压，漏极用于连接通流节点（14），源极用于接地；

检测输出端（11），其连接检测节点（15），用于输出储能电容（6）的高压端的电压；

控制单元（8），输出控制信号，用于将切换开关（7）在连接通流节点（14）指定周期后，切换至检测节点（15）。

2.根据权利要求1所述的电涡流传感器，其特征在于：所述切换开关（7）还包括供切换的复位节点（13）；

所述复位节点（13）上连接有复位电压（9），当切换开关（7）切换至复位节点（13）时，复位电压（9）将储能电容（6）的电压恢复至复位电压（9）；

所述控制单元（8）输出控制信号，使切换开关（7）依次在复位节点（13）、通流节点（14）和检测节点（15）之间切换。

3.根据权利要求2所述的电涡流传感器，其特征在于：所述复位电压（9）高于执行电路（10）的电位，当切换开关（7）切换至复位节点（13）时，复位电压（9）为储能电容（6）充电；当切换开关（7）切换至通流节点（14）时，储能电容（6）作为电源放电；当切换开关（7）切换至检测节点（15）时，储能电容（6）保持电压。

4.根据权利要求2所述的电涡流传感器，其特征在于：所述励磁线圈（2）上连接有励磁信号发生器（5）。

5.根据权利要求1所述的电涡流传感器，其特征在于：所述载体（1）上的接收线圈（3）数量至少为两个，所述处理模块（4）的数量与所述接收线圈（3）数量相同，所述接收线圈（3）输出的检测电压分别对应输出于一个处理模块（4）。

6.根据权利要求1所述的电涡流传感器，其特征在于：所述载体（1）上的接收线圈（3）数量至少为两个，所述处理模块（4）的数量为一个，所述接收线圈（3）输出的检测电压均输出于一个处理模块（4）。

7.根据权利要求1所述的电涡流传感器，其特征在于：所述载体（1）呈圆形，所述接收线圈（3）沿载体（1）圆周方向均匀排布。

8.根据权利要求1所述的电涡流传感器，其特征在于：所述载体（1）为条状，所述接收线圈（3）沿载体（1）的长度方向均匀排布。

9.一种应用权利要求2至4任一所述的电涡流传感器的检测方法，其特征在于：包括：

将储能电容（6）的高压端连接至复位节点（13），使得储能电容（6）的电压恢复至复位电压（9）；

将储能电容（6）的高压端从复位节点（13）切换到通流节点（14），使得储能电容（6）在执行电路（10）上形成电流，接收线圈（3）输出的检测电压调节执行电路（10）上的电流大小；

在指定周期后，将储能电容（6）的高压端从通流节点（14）切换到检测节点（15），检测输出端（11）输出储能电容（6）的高压端的电压。

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