CN111103626A - 用于测量装置的电感传感器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种电感传感器(1)，该电感传感器(1)特别地用于接近传感器，该电感传感器(1)包括：包括感测线圈(21)的谐振电路(2)；包括第一增益级(31)和第二增益级(32)的放大器(3)，该第一增益级(31)和该第二增益级(32)分别通过各自的调节元件(33，34)与谐振电路(2)耦合，该放大器(3)用于注入用于保持谐振电路(2)的振荡的能量；其中，该第一增益级(31)提供实质上线性的放大，以及该第二增益级(32)提供比较器特性。

Description

用于测量装置的电感传感器
技术领域
本公开涉及包括具有至少一个感测线圈的振荡器和具有可调增益的放大器的电感传感器。特别地，本公开涉及调节(adapt)放大器的特性从而以可再生的方式提高电感传感器的灵敏度的措施。
背景技术
电感传感器通常用于检测感应率的变化，或者由多种物理效应引起的磁场的能量损失的变化。特别地，电感传感器通常被应用于接近传感器，在该接近传感器处，导电物体是否存在于感测范围内或者导电物体穿过该感测范围的运动将被检测到。
电感传感器通常具有包括谐振电路的振荡器，该谐振电路由感测线圈和电容器形成。在操作过程中，振荡器在感测线圈产生交变磁场时振荡，该交变磁场受导电物体的存在的影响很大。因此，进入或离开感测线圈的感测范围或者移入或移出该感测范围的导电物体会造成由感测线圈产生的磁场的能量损失的变化。
在操作期间，谐振电路具有谐振频率，该谐振频率根据感测线圈的电感和电容器的电容来被确定。通过反馈放大的方式，谐振电路被激励以通过注入与振荡同相的能量来维持该振荡。
此外，由于物体中涡流的产生，在感测范围内物体的存在导致由能量损失引起的感测线圈的品质因数降低。在操作中，这导致受激振荡的振荡频率的变化以及振荡幅度的变化。
在需要检测是否存在物体或需要检测物体的运动的应用中，通常需要对幅度变化进行分析。因此，反馈放大的特性通常被配置成获得幅度相对于由于感测范围内物体的存在而产生的谐振特性的变化的高灵敏度。
此外，为了正常操作，放大通常被构造为线性，以在操作点提供几乎不变的增益。然而，如果放大的增益特性过于平缓(恒量放大)，则对于给定的应用，在大幅衰减之后将振荡带回到操作点的恢复时间可能会过长。因此，在失谐操作模式中，例如其可以发生在电感传感器的启动阶段或在物体提供谐振电路的高衰减时，放大需要提供非常高的增益以快速将操作带回到具有稳定振荡的操作点。因此，通常通过定制(customize)放大的增益特性来使这两个并发的目标同时被满足。
调节放大器的增益特性是本领域公知的。通常，非线性半导体效用于形成增益特性。然而，使用半导体效应来形成增益特性会引入高温依赖性并导致低再现性，使得在电感传感器(例如接近传感器)中应用是不适用的。此外，这些基于半导体效应的非线性增益特性不易被调谐。
实质上，期望提供一种电感传感器，该电感传感器可以被配置有适当的增益特性，且具有相对于温度和组件变化的高独立性。
因此，本公开的目的是提供一种电感传感器和一种测量装置，其实质上具有高信噪比、较低的温度和组件变化、以及在电路失谐时将操作调回到操作点所需的较短的恢复时间。
发明内容
该目的已经通过根据方案1的电感传感器、根据其他方案的测量装置和接近传感器装置来实现。
进一步的实施例在从属方案中被指明。
根据第一方面，提供一种电感传感器，该电感传感器特别地用于接近传感器，该电感传感器包括：
包括感测线圈的谐振电路；
包括第一增益级和第二增益级的放大器，该第一增益级和该第二增益级分别通过各自的调节元件与谐振电路耦合，该放大器用于注入用于保持谐振电路的振荡的能量；
其中，该第一增益级提供实质上线性的放大，以及该第二增益级提供比较器特性。
上述的电感传感器实质上具有谐振电路和放大器。该谐振电路具有感测线圈，该感测线圈在振荡操作中在感测范围内产生交变磁场。进入感测线圈的感测范围的导电物体由于在该物体中产生涡流而使谐振电路中的振荡的能量(品质因数)降低。
根据放大振荡信号的反馈耦合，放大器激励谐振电路。因此，放大器的一个输出被反馈至谐振电路，以补偿因由寄生效应引起的、并受感测范围内的物体影响的衰减而导致的能量损失。因此，放大器被配置成将能量注入到谐振电路中，以针对每个衰减，设置具有用于该衰减的幅度和频率特性的特定振荡。通过施加近乎恒定的放大，振荡幅度很大程度上取决于振荡的品质因数，即，取决于受感测范围内的物体影响的感测线圈的品质因数。
其次，由放大器提供放大振荡信号，以用于进一步分析，并根据该放大振荡信号得到传感器信号。
如上所述，为了实现电感传感器的稳定操作，振荡器的开环增益特性(在开环状态下，开环增益对(versus)输入电压)需要被整形。为了提供振荡器的开环增益特性(该开环增益特性具有在操作范围内基本上恒定的增益以及明显失谐的振荡器的开环增益的高梯度)，放大器包括具有基本上恒定的增益(即，线性行为)的第一增益级和具有比较器特性(即，具有非常高的增益以使其实质上作为比较器)的第二增益级。基本上，该比较器特性允许通过将该第二增益级驱动到相对于其输出的饱和状态的方式，对小电压进行放大。
第一增益级和第二增益级被并联耦合至谐振电路，同时，增益级的输出以调整的加权方式被反馈至该谐振电路。这允许设置振荡器的定义的开环增益特性，该开环增益特性主要由调节元件决定，其中，两个增益级通过调节元件与谐振电路反馈耦合。在本文中，术语“开环”定义了从放大器和谐振电路的输出到放大器的输入的反馈连接的截止，其用作振荡器的特性模型。开环增益被定义为根据在开环条件下，在谐振电路处的振荡的电压幅度与在放大器输入处的变幅之比获得的增益。
此外，可以向具有线性放大的增益级和具有比较器特性的增益级提供高温稳定性和低容差，例如，被提供为运算放大器和/或比较器。
此外，调节元件可以由电阻形成，根据第一增益级的线性增益因子，并通过设置第一电阻的阻值与第二电阻的阻值之间的比值，可以对放大器的增益特性进行整形，其中，该第一增益级可以通过该第一电阻与谐振电路耦合，该第二增益级可以通过该第二电阻与谐振电路耦合。这些电阻可以用于调谐电感传感器。
特别地，至少一个调节元件可以由电子开关形成。
校准单元可以被配置成控制该至少一个电子开关，特别是通过脉宽调制信号进行控制，以设置有效阻值。
根据一实施例，谐振电路可以具有电容器，该电容器与感测线圈形成并联谐振电路。
此外，调节元件可以与谐振电路的相同的节点耦合，或者与谐振电路的不同的节点耦合。
根据另一方面，提供一种电感传感器装置，该电感传感器装置特别是接近传感器，该电感传感器装置可以包括上述的电感传感器，其中，信号分析器被配置成接收第一增益级的输出处的放大振荡信号；以及，提供用于指示谐振电路的振荡信号的幅度的传感器信号。
附图说明
结合附图来更详细地描述实施例，其中：
图1示意性地示出具有谐振电路和放大器的电感传感器；
图2示出了阐明针对不同的设置，以及在感测区域内存在可检测的物体及不存在可检测的物体的情况下，振荡器的开环增益特性对放大器输入处的幅度的图示。
具体实施方式
图1示意性地示出了用于诸如接近传感器的电感传感器装置的传感器电路(电感传感器)1。该传感器电路1包括谐振电路2、放大器3以及校准单元4。在该电感传感器装置中，放大振荡信号AOS被馈送至信号分析器5，以获取电传感器信号SS。可替换地，振荡信号可以被馈送至该信号分析器5。
该振荡器2可以被配置为包括感测线圈21和电容器22的并联谐振电路。该振荡器2的第一节点N1与接地电位耦合，而该振荡器2的第二节点N2与放大器3的输入耦合，以向该放大器3提供振荡器信号。
该放大器3具有提供基本恒定的增益的第一增益级31和提供非常高的增益的第二增益级32。该第一增益级31实质上可以被实施为线性放大器，该线性放大器可以利用运算放大器等来建立。该第一增益级31的输出通过第一调节元件33与放大器反馈输出FBO耦合，该放大器反馈输出FBO以前馈耦合方式与谐振电路2连接。前馈耦合方式允许将放大器3的放大器反馈输出FBO与谐振电路2同相耦合，以为振荡提供激励。
第二增益级32被配置成在其输入处为小振荡器信号的情况下，使该第二增益级32的输出已经进入饱和。如此，第二增益级32实质上用作比较器，在该比较器处，提供的增益实质上取决于(输入)振荡信号OS的幅度。饱和意味着一旦输入电压高于/低于预定值，第二增益级32便会恒定输出。
此外，第二增益级32的输出经由第二调节元件34耦合到放大器反馈输出FBO。该调节元件33、34允许调整第一增益级31和第二增益级32对到谐振电路2的反馈的作用效力。优选地，第一调节元件33可以由第一电阻形成，第二调节元件34可以由第二电阻形成。因此，通过校准第一电阻和第二电阻的阻值，该放大器3的增益特性能够被调整。可替换地或附加地，作为调节元件33、34的其他组件(例如电容器或电感)可以用于设置对第一电阻和第二电阻的调整。
当谐振电路2被用作用于感测在感测线圈21的感测界限内的导电物体的存在的感测元件时，振荡幅度随谐振电路2的谐振电路的品质因数变化。通过将放大器反馈输出FBO耦合到谐振电路2，操作点被设置，在该操作点处，在稳态运行时放大增益为1，而振荡幅度随振荡电路2的品质因数变化。
第一增益级31的输出可以被耦合至信号分析器5，在该信号分析器5中确定放大振荡信号AOS的幅度。这可以包括对放大振荡信号AOS进行整流，以及，将整流后的放大振荡信号AOS施加给幅度确定单元，以获取对振荡信号OS的幅度的指示。该对振荡信号OS的幅度的指示可以被输出作为相应的传感器信号SS。因此，当使用放大器3的定制的增益特性来对谐振电路2的振荡进行反馈控制时，放大振荡信号可以从放大器3分接(tap)作为第一增益级31的输出。如果还需要确定频率，该第二增益级32的输出是优选的，因为其提供具有高幅度的振荡信号。
第一电阻33和第二电阻34可以被提供为固定电阻，然而，至少第一电阻33可以利用电阻与由校准单元4控制的电子开关的串联来实现，例如，利用诸如MOSFET的有源组件。校准单元4可以通过施加具有占空比的脉宽调制(PWM)信号来控制该电子开关，其中，该占空比决定该电子开关的有效阻值。设置电子开关可以用于校准放大器3，例如，用于对放大器3的增益特性进行定制。
具有恒定增益的增益级和具有带饱和限制的非常高的增益的增益级易于以可再生且与温度无关的方式实现，诸如，用运算放大器、比较器等来实现。如果该第一增益级31相对于该第二增益级32处于主导地位，由于分压器网络在谐振中具有大约0.5的增益，该第一增益级31的增益可以在1.25到8之间，优选在1.5到4之间，例如，大约为2，以实现最大灵敏度。在非饱和操作范围内，该第二增益级42的增益可以超过1000。
图2示出了阐明开环增益特性的示意图，该开环增益特性指示了针对不同幅度的输入信号，对应的振荡器的开环增益。换句话说，该图示出了谐振电路2处的振荡的电压幅度与放大器输入处的变幅之比随放大器输入处的幅度的特性。可以看出，存在一准线性操作范围R1(基本水平的部分)，在该范围R1中将产生基本上恒定的振荡信号的幅度。基本恒定的放大可以包括为确保稳定的操作点而需要的或足以确保稳定的操作点的放大的微小斜率。通过校准第一电阻，例如，利用由校准单元4控制的可变电阻(具有PWM控制的电子开关的电阻网络)，该传感器电路1可以被设置为在该操作范围内操作。
图中示出了四条曲线，其中，曲线K1、K2和曲线K3、K4表示根据电阻33、34的不同阻值获得的不同的校准设置。该曲线K1和K2分别示出了针对在感测区域内不存在物体以及在感测区域内存在物体的这两种情况，第一校准设置的开环增益特性。
曲线K3和K4示出了针对在感测区域内不存在物体以及在感测线圈21的感测区域内存在物体这两种情况的第二校准设置。该增益特性被示出用于开环电路，而当该谐振电路2的振荡信号被连接至放大器3的输入(闭环)时，将获得为1的闭环增益。
放大振荡信号AOS可以在第一增益级31的输出处被分接，该第一增益级31提供该放大振荡信号AOS。
综上所述，上述配置允许根据由感测线圈21产生的磁场的能量损失的微小变化，获得高幅度变化。进一步地，通过对该第一电阻33和/或第二电阻34进行调整，可以仔细设置放大器3的反馈特性。另外，通过调整该第一电阻33的有效阻值，能够在第一增益级31的输出处获得增益大约为2(或者增益在1.5到4之间)的振荡信号OS，以用于由信号分析器5进行进一步的信号处理。

Claims (8)

1.一种电感传感器(1)，该电感传感器(1)特别地用于接近传感器，该电感传感器(1)包括：
包括感测线圈(21)的谐振电路(2)；
包括第一增益级(31)和第二增益级(32)的放大器(3)，所述第一增益级(31)和所述第二增益级(32)分别通过各自的调节元件(33，34)与所述谐振电路(2)耦合，所述放大器(3)用于注入用于保持所述谐振电路(2)的振荡的能量；
其中，所述第一增益级(31)提供实质上线性的放大，以及所述第二增益级(32)提供比较器特性。
2.根据权利要求1所述的电感传感器(1)，其中，所述调节元件(33，34)由电阻形成。
3.根据权利要求2所述的电感传感器(1)，其中，所述调节元件(33，34)中的至少一个调节元件包括电子开关。
4.根据权利要求3所述的电感传感器(1)，其中，校准单元(4)被配置成控制至少一个所述电子开关，特别是通过脉宽调制信号(PWM)进行控制，以设置各个调节元件(33，34)的有效阻值。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的电感传感器(1)，其中，所述谐振电路(2)具有电容器(22)，所述电容器(22)与所述感测线圈(21)形成并联谐振电路。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的电感传感器(1)，其中，调节元件(33，34)与所述谐振电路(2)的相同的节点(N2)耦合，或者与所述谐振电路(2)的不同的节点耦合。
7.一种电感传感器装置，该电感传感器装置特别是接近传感器，该电感传感器装置包括根据权利要求1-6中任一项所述的电感传感器(1)，其中，信号分析器(5)被配置成：接收所述第一增益级(31)的输出处的放大振荡信号(AOS)；以及，提供用于指示所述谐振电路(2)的振荡信号的幅度的传感器信号。
8.一种电感传感器装置，该电感传感器装置特别是接近传感器，该电感传感器装置包括根据权利要求1-6中任一项所述的电感传感器(1)，其中，信号分析器(5)被配置成：接收所述谐振电路(2)的输出处的振荡信号(OS)；以及，提供用于指示所述谐振电路(2)的振荡信号的幅度的传感器信号。
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