CN111133679B - 感应接近开关 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种感应接近开关。本发明的目的是提供非常简单的感应位置传感器，当目标移动时，该传感器能够可靠地用于检测其输出电压的过零，将通过包括发射器线圈、接收器线圈、用于激励发射器线圈的集成电路和用于处理从接收器线圈接收到的信号的信号处理单元的感应接近开关解决，其中振荡器激励包括发射器线圈和用于在接收器线圈中感应电压的并联电容器的谐振电路，其中接收器线圈包括两个对称段，两个对称段以相反方向串联，其中，发射器线圈包围接收器线圈的段或发射器线圈被接收器线圈的段包围。

Description

感应接近开关
技术领域
本发明涉及一种感应接近开关。
背景技术
接近传感器是能够在没有任何物理接触的情况下检测到附近物体存在的传感器。接近传感器通常发射电磁场或一束电磁辐射(例如红外线)，并会寻找场或返回信号的变化。被感测的物体通常称为接近传感器的目标。不同的接近传感器目标需要不同的传感器。例如，电容接近传感器或光电传感器可能适用于塑料目标；电感式接近传感器始终要求金属目标。
由于传感器和被测物体之间没有机械部件和物理接触，因此接近传感器可具有高可靠性和长久的功能寿命。
一般来说，感应接近传感器属于非接触式电子接近传感器的范畴。其用于金属物体的定位和检测。感应开关的感应范围取决于被检测金属的类型。
由于感应传感器的输出有两种可能的状态，感应传感器有时称为感应接近开关。然而，传感器信号本身是具有无穷多个状态的模拟信号。
接近检测常用的原理是谐振电路的频率偏移(在铁磁目标的情况下)、磁通导通或阻尼(在主要产生涡流的情况下)评估。
发明内容
本发明的目的是提供一种非常简单的感应位置传感器，该感应位置传感器能够可靠地用于检测当目标移动时其输出电压的过零。
本发明的目的将通过感应接近开关来解决，感应接近开关包括发射器线圈、接收器线圈、用于激励发射器线圈的电路和用于处理从接收器线圈接收到的信号的信号处理单元，其中振荡器激励发射器线圈以在接收器线圈中感应电压，其中接收器线圈包括两个对称的、方向相反的串联连接的段(segment)，其中，发射器线圈包围接收器线圈的段或发射器线圈由接收器线圈的段包围。
感应接近开关包括发射器线圈和接收器线圈，通常但不一定实现为印刷电路板上的铜迹线、用于激励发射器线圈的电路和用于在检测到目标时处理从接收器线圈接收的信号的信号处理单元。必须将导电(金属)目标附接到待检测的物体上。为了检测导电目标的存在或位置，目标必须在移动时近距离覆盖传感器线圈。该电路可以是集成电路(IC)，或者也可以使用分立(discrete)(标准)元件来实现。
在本发明接近开关的一实施例中，发射器线圈是谐振电路的一部分，谐振电路还包括并联电容器。
振荡器有利地以振荡器的谐振频率激励包括发射器线圈和并联电容器的谐振电路，从而在仅提供低驱动电流的同时，在发射器线圈中产生高电流。发射器线圈中的交流电流产生交变磁场，从而在接收器线圈中感应电压。接收器线圈包括两个方向相反的对称段，这两个对称段串联在一起。只要不存在目标，这两个段中的感应电压就具有相同的振幅但具有相反的符号，因此总和为零电压。
当导电目标向传感器靠近时，将感应涡流。涡流产生反向磁场，反向磁场使目标下方的发射器和接收器线圈中的总通量降低。因此，紧靠目标的接收器线圈的区域中感应的交流电压将减小。如果目标没有覆盖两个接收器线圈段的相同区域，则可以根据具有目标覆盖范围较小的段的符号测量线圈端子的电压。
目标的形状也不必是矩形的，但是使目标具有略大于发射器线圈的高度和近似于接收器线圈的一段的宽度是有利的。
在本发明的感应接近开关的一实施例中，发射器线圈和接收器线圈的形状为矩形。在给定的外部尺寸下，该配置产生发射器线圈的最高电感和接收器线圈中的最大感应电压。
在本发明的另一实施例中，接收器线圈具有正弦、梯形、三角形或任意随机几何形状。因此，任何其他几何形状(特别是接收器线圈的几何形状)都是可能的。基本上，对于本发明接近开关的基本功能而言，只要发射器线圈和接收器线圈的形状是对称的，则发射器线圈和接收器线圈的形状根本不重要。但即使是不对称的形状也是可能的，不过会导致开关点随气隙的变化而变化。气隙定义为线圈与目标之间的距离。如前所述，矩形形状的发射器线圈和接收器线圈在给定外形尺寸的电信号方面产生最佳性能。
在本发明的感应接近开关的优选实施例中，接收器线圈的两个段具有对称的形状。形状对称的两个接收器线圈段导致开关点正好在传感器中心，目标距离的变化仅影响滞后，而不影响开关点本身。
在本发明的另一优选实施例中，发射器线圈具有多匝。为了获得更高的电感(特别是当传感器的物理尺寸小时)，发射器线圈可以包括多匝。
在本发明的另一优选实施例中，接收器线圈具有多匝。多匝接收器线圈增加其端子上的信号电平。
在本发明的感应接近开关的一实施例中，信号处理单元包括有源整流器、放大器和比较器，其中有源整流器由振荡器频率控制，有源整流器后接低通滤波器，用于将交流电转换为直流值，比较器用于输出由感应接近开关检测到的目标的位置。
信号处理单元采用有源整流器，有源整流器由振荡器频率控制，有源整流器后接低通滤波器(LPF)，将交流振幅转换为直流值，将相位关系转换为其符号。LPF不是强制性的，但它是有利的，因为该配置能够实现交流信号的低带宽滤波和频率的自动跟踪，因此具有很高的鲁棒性。在将信号提供给比较器之前，可能需要进行信号放大。放大可以交替地或另外地在AC输入上执行。此外，滞后比较器输出目标在开关点(即从传感器的中心)左边或右边的位置。滞后效应的优点在于它避免了当目标的位置正好在开关点处时由噪声引起的多次开关，而且即使目标已经移动到传感器区域之外，滞后效应也还能保持位置信息。
在本发明的另一实施例中，信号处理单元包括低通或带通EMI滤波器。EMI滤波器降低了信号带外的输入噪声。
在本发明的感应接近开关的非常优选实施例中，感应接近开关包括目标检测线圈和用于对由目标检测线圈对附加接收的信号进行信号处理的装置。形成为目标检测线圈的附加接收线圈用于识别目标的存在，特别是用于解决接通电源后可能存在的目标位置检测模糊问题。在目标正好在传感器的中心和没有目标存在的情况下，接收器线圈输出相同的信号(0V)。一旦开关传感器，则只要有电源，位置在所有条件下都保持不变(由于前面提到的滞后)。但对于某些应用，可能需要在通电后立即识别丢失的目标。
在本发明的感应接近开关的另一优选实施例中，目标检测线圈包括三个段，即一个中心段和两个串联的侧段，而中心段的面积是由两个侧段覆盖的面积之和。附加的目标检测线圈包括三个串联连接的段。中心段的面积应为两个侧段面积之和。由于其相对于侧段的反向方向，当没有目标存在时，检测线圈的端子上的总电压总计为零。当目标处于开关位置(switching position)时，接收器线圈端子上的电压为零，但目标检测线圈端子上的电压为最大值。三个输出为comp1、comp2和comp3的比较器用于检测在两个低通滤波器输出中的任一个上是否存在高于正阈值Vth或低于负阈值Vtl的电压Vdet。如果比较器中的任何一个检测到电压超过比较器阈值，则表示存在目标。
接收器线圈和目标检测线圈之间，无论是在高度上，还是在宽度或形状上都不需要匹配。当接收器线圈的电压位于滞后比较器的上下阈值之间时，仅需要检测线圈的输出来检测目标是否存在。
在本发明的另一实施例中，两个侧段的尺寸相同。这种拓扑结构在开关点提供目标检测线圈的最高电压电平，从而提供最佳的噪声容限和鲁棒性。
附图说明
本发明将使用示例性实施例更详细地解释。附图示出了：
图1本发明的感应接近开关的基本结构；
图2接收器电压Vrec随目标位置x的变化；
图3用于识别目标的存在的附加目标检测线圈；
图4接收线圈和目标检测线圈上的电压随目标位置的变化。
具体实施方式
图1示出了本发明的感应接近开关1的基本结构。传感器1包括发射器线圈2和接收器线圈3，通常但不一定实现为印刷电路板(PCB)上的铜迹线、用于激励发射器线圈2的IC 6以及用于处理从接收器线圈3接收到的信号的信号处理单元9。导电(金属)目标15附接到待检测物体上。在图1中，目标15在传感器线圈2、3的下方示出，以便更好地显示。实际上，它在移动时近距离地覆盖传感器线圈2、3。
振荡器8有利地在振荡器的谐振频率上激励包括发射器线圈2和并联电容器7的谐振电路，从而在仅提供低驱动电流的同时，在发射器中产生高电流。发射器线圈2中的交流电流产生交变磁场，从而在接收器线圈3中感应电压。接收器线圈3包括两个方向相反的对称段4、5，这两个对称段串联在一起。只要不存在目标15，这两个段4、5中的感应电压就具有相同的振幅但相反的符号，因此总和为零电压。
当导电目标15向传感器1靠近时，将感应涡流，产生反向磁场，反向磁场使目标下方的发射器和接收器线圈中的总通量降低。因此，紧靠目标15的接收器线圈3的区域中感应的交流电压将减小。如果目标15没有覆盖两个接收器线圈段4、5的相同区域，则可以在线圈端子上根据目标覆盖范围较小的段的符号测量电压。
在图1中，发射器线圈2和接收器线圈3的形状为矩形。在给定的外部尺寸下，该配置产生发射器线圈2的最高电感和接收器线圈3中的最大感应电压。任何其他几何形状(特别是任何其他几何形状的接收器线圈3)是可能的，例如正弦、梯形或三角形。
形状对称的两个接收器线圈段4、5导致开关点正好在传感器中心，且(例如目标距离的)变化仅影响滞后，而不影响开关点本身。
为了获得更高的电感(特别是当传感器的物理轮廓小时)，发射器线圈2可以包括多匝。多匝接收器线圈3增加其端子上的信号电平。
目标15的形状也不必是矩形的，但是使目标具有略大于发射器线圈2的高度和近似于一段接收器线圈3的宽度是有利的。
接收器电压的信号处理单元9可以如图1所示实现：可选的低通11或带通EMI滤波器14降低信号带外的输入噪声。采用由振荡器频率控制、后接低通滤波器11(LPF)的有源整流器，有利于(即使不是强制性的)将交流振幅转换为直流值，并将相位关系转换为其符号。该配置能够实现交流信号的低带宽滤波和频率自动跟踪，因此具有很高的鲁棒性。在将信号提供给比较器13之前，可能需要进行信号放大。放大可以交替地或另外地在AC输入上执行。此外，滞后比较器输出目标在开关点(即从传感器的中心)左边或右边的位置。滞后效应的优点在于它避免了当目标的位置正好在开关点处时由噪声引起的多次开关，而且即使目标已经移动到传感器区域之外，滞后效应也还能保持位置信息。
图2示出了相对接收器电压随目标位置的变化，假设目标具有与单个接收器线圈段4、5相同的宽度。电压的“符号”表示相对于发射器线圈2的交流相位关系(0°或180°)。它也是同步整流器之后的电压的符号。
如图2所示，接收器输出电压与目标正好在传感器中心以及目标不存在的电压相同。在第一开关事件之后，模糊性得到解决，但对于某些应用，可能需要区分这两种情况(例如，在向设备供电之后)。
因此，图3示出了图1中由附加的接收器线圈16(也称为目标检测线圈16)扩展的系统和识别目标存在的电路。未示出可选EMI滤波器和放大器。
附加的“目标检测线圈”包括串联连接的三段。中心段19的面积应为两个(优选尺寸相同的)侧段17、18的面积之和。由于其相对于侧段17、18的反向方向，当没有目标存在时，检测线圈的端子上的总电压总计为零。
当目标15处于开关位置时，接收器线圈端子上的电压为零，但检测线圈端子上的电压为最大值。将三个输出为comp1、comp2和comp3的比较器用于检测两个低通滤波器输出中的任何一个是否存在高于正阈值或低于负阈值的电压。如果比较器中的任何一个检测到电压超过比较器阈值，则表示存在目标。
接收器线圈3和目标检测线圈16之间，无论是在高度上，还是在宽度或形状上都无需匹配。当接收器线圈的电压在滞后比较器的上下阈值之间时，仅需要检测线圈16的输出来检测目标15是否存在。
图4示出了接收器线圈3和目标检测线圈16的端子电压随着目标位置、以及相关比较器输出和指示目标存在的3输入或栅极的输出的变化。
为了简化，两个阈值电压Vth和Vtl可以与滞后阈值相同，以用于位置检测。因此，滞后比较器可以替换为由comp1和comp2驱动的RS触发器。此外，比较器3的阈值电压可以，但不一定必须与比较器1(或者比较器2，在信号与图4中假设的相反的情况下)相同。
感应接近开关
参考标记列表
1 感应接近开关
2 发射器线圈
3 接收器线圈
4 接收线圈的第一段
5 接收线圈的第二段
6 集成电路
7 并联电容器
8 振荡器
9 信号处理单元
10 整流器
11 低通滤波器
12 放大器
13 比较器
14 EMI滤波器
15 导电目标
16 目标检测线圈
17 目标检测线圈的第一侧段
18 目标检测线圈的第二侧段
19 目标探测线圈的中心段

Claims (12)

1.一种感应接近开关(1)，其包括发射器线圈(2)、接收器线圈(3)、电路和信号处理单元(9)，所述接收器线圈(3)包括两个串联连接的方向相反的对称段，所述电路配置为激励发射器线圈(2)，以及所述信号处理单元(9)被耦合以接收来自接收器线圈(3)的接收信号，并且所述信号处理单元(9)配置为处理所述接收信号并提供目标的位置是在两个对称段之间的开关点的一侧还是另一侧的指示，其中所述电路包括振荡器(8)，所述振荡器(8)配置为激励发射器线圈(2)，从而用于在接收器线圈(3)中产生感应电压，其中，发射器线圈(2)包围接收器线圈(3)的段(4、5)或发射器线圈(2)由接收器线圈(3)的段(4、5)所包围，并且其中所述信号处理单元包括滞后比较器(13)，所述滞后比较器(13)提供目标相对于开关点的位置的指示。
2.根据权利要求1所述的感应接近开关(1)，其中发射器线圈(2)是谐振电路的一部分，谐振电路还包括并联电容器(7)。
3.根据权利要求1或2中的一项所述的感应接近开关，其中发射器线圈(2)和接收器线圈(3)具有矩形形状。
4.根据权利要求1所述的感应接近开关(1)，其中接收器线圈(3)具有正弦、梯形、三角形或随机几何形状。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的感应接近开关(1)，其中接收器线圈(3)的两段(4、5)具有对称的形状。
6.根据权利要求1所述的感应接近开关(1)，其中发射器线圈(2)具有多匝。
7.根据权利要求1所述的感应接近开关(1)，其中接收器线圈(3)具有多匝。
8.根据权利要求1所述的感应接近开关，其中，信号处理单元(9)包括有源整流器(10)、放大器(12)和滞后比较器(13)，其中有源整流器(10)由振荡器频率控制，(10)后接低通滤波器(11)，用于将交流电转换为直流值，比较器用于输出由感应接近开关(1)检测到的目标(15)的位置。
9.根据权利要求7所述的感应接近开关(1)，其中信号处理单元(9)包括低通(11)或带通EMI滤波器(14)。
10.根据权利要求1所述的感应接近开关(1)，其中所述感应接近开关(1)还包括目标检测线圈(16)和用于对由目标检测线圈(16)对附加接收的信号进行信号处理的装置。
11.根据权利要求10所述的感应接近开关(1)，其中，目标检测线圈(16)包括串联连接的三个段(17、18、19)，即一个中心段(19)和两个侧段(17、18)，而中心段(19)的面积是两个侧段(17、18)覆盖的面积之和。
12.根据权利要求11所述的感应接近开关(1)，其中两个侧段(17、18)的尺寸相同。
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