CN111308562A - 具有校准单元和测量装置的振荡传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于测量装置的振荡传感器、一种测量装置以及一种用于操作振荡传感器的方法，振荡传感器包括：振荡器，振荡器包括：谐振电路，谐振电路用于提供振荡信号；增益级，增益级被配置成向谐振电路提供反馈，以注入能量用于激励振荡器维持振荡；至少一个校准元件，校准元件用于调节振荡器的开环增校准单元，校准单元提供调制校准控制信号，以基于至少一个预定的占空比来选择性地调节至少一个校准元件的电测量，其中校准单元还被配置成向调制校准控制信号提供至少一个循环频率，循环频率取决于振荡频率。
Description
技术领域
本发明涉及具有振荡传感器的测量装置。尤其，本发明涉及使用调制校准元件的校准振荡传感器。
背景技术
振荡传感器通常用于检测由各种物理效应引起的阻抗或衰减的变化。振荡传感器通常具有振荡器，所述振荡器包含形成有感测线圈和/或感测电容器的谐振电路。
尤其，振荡传感器通常应用于例如接近传感器，其中应检测在感测线圈的感测范围内传导物体的存在与否或传导物体在感测线圈的感测范围内的移动。在操作期间，此类振荡器在感测线圈产生交变磁场时振荡，所述交变磁场基本上受传导物体的存在的影响。因此，进入或离开感测线圈的感测范围或移入或移出所述感测范围的传导物体会产生感测线圈的阻抗变化。
在操作期间，谐振电路具有谐振频率，所述谐振频率由感测线圈的电感且由电容的容量确定。通过反馈放大，谐振电路被激励，从而通过与振荡同相地注入能量来维持振荡。此外，在感测范围内物体的存在导致由于在物体中产生涡流而导致的能量损失引起的谐振电路的品质因子降低。在运行中，这导致激励的振荡的振荡频率变化和振荡的振幅变化。
例如，在应检测物体存在与否或物体的移动的应用中，经常会分析振幅变化。因此，通常配置反馈放大的特性以就关于由于感测范围中物体的存在导致的谐振特性变化的振幅变化而获得高灵敏度。
此类振荡传感器的灵敏度的校准和工作点的设置通常借助于可变的校准元件来进行，所述可变的校准元件可以是用于激励振荡的反馈回路中的无源电元件。校准元件可以是电阻器等。由于此类校准元件的激光校准昂贵且不允许重新校准，因此电子校准是优选的。
例如，文献WO2016/141965 A1涉及一种具有谐振电路和反馈增益级的振荡器。在反馈回路中，提供调节电阻器，所述调节电阻器被配置成借助于开关耦合到所述反馈回路中。通过借助于脉冲宽度调制控制信号的占空比来控制开关，可以设置调节电阻器的有效电阻进行校准。
首先通过调整校准元件的电量来进行振荡传感器的校准。如果校准元件是由脉冲宽度调制信号控制的可切换调节电阻器，则占空比确定用于反馈耦合的有效电阻。
然而，通过脉冲宽度调制的控制有可能将低频谐波注入到电路系统中，所述谐波基本上由脉冲宽度调制的循环频率和特定占空比确定。这些谐波不能轻易地从传感器信号中分离出来，且影响振荡传感器的工作，因此使信噪比大大降低。由于取决于校准来选择占空比，将不同的谐波引入每个振荡传感器中，因此很难通过滤波消除它们。因此，本发明的目的是提供可调谐的振荡传感器和测量装置，其可以通过可变校准元件来校准，并且其中可以减小由脉冲宽度调制信号注入的调制的负面影响以实现高信噪比。
发明内容
通过振荡传感器以及测量装置和用于操作振荡传感器的方法实现了上述目的。
根据第一方面，提供一种用于测量装置的振荡传感器，所述振荡传感器包括：
振荡器，所述振荡器包括：
谐振电路，所述谐振电路用于提供振荡信号；
增益级，所述增益级被配置成向所述谐振电路提供反馈，以注入能量用于激励所述振荡器维持振荡；
至少一个校准元件，所述校准元件用于调节所述振荡器的开环增益；
校准单元，所述校准单元提供调制校准控制信号，以基于至少一个预定的占空比来选择性地调节所述至少一个校准元件的电测量，
其中所述校准单元还被配置成向所述调制校准控制信号提供循环频率，所述循环频率取决于振荡频率。
在上述振荡传感器中，通过将由校准控制信号控制的校准元件耦合和解耦来提供电子校准，以提供校准元件的有效电测量。设置有效的电测量允许相对于期望的灵敏度和工作点校准振荡传感器。提供校准控制信号作为脉冲宽度调制信号，其中由占空比确定电测量。因此，可以通过适当选择占空比来进行校准。
在上述振荡传感器中，校准元件控制用于激励谐振电路的振荡的能量的量，使得在平稳(摆入)状态下注入的能量的量对应于由于磁场能量损失而导致的能量损失的量。由于校准元件由脉冲宽度调制信号控制，因此其循环频率会影响谐振电路的振荡。在振荡频率不对应于循环频率的整数倍的通常情况下，会导致对振荡振幅的调制效应。在将传感器信号振幅用作振荡传感器的测量信号的情况下，这将导致信噪比大大降低。
本发明的一个构思是提供校准控制信号作为脉冲宽度调制信号，其循环频率取决于谐振电路的振荡频率。与循环频率保持恒定的标准脉冲宽度调制方案相比，上述方法允许通过仔细地使循环频率适应振荡频率来减小调制效应，从而不会发生传感器信号的调制。
尤其，当振荡频率仅与循环频率的整数倍略有不同时，会产生覆盖传感器信号的低频谐波(从振荡信号的振幅得出)。通过根据振荡频率调整循环频率，可以选择循环频率，使得没有特定的频率被引入到振荡传感器的振荡信号的振幅特性中，这大大提高了从中得出的振幅信号的信噪比。上述方法允许在宽范围的振荡频率上显着提高信噪比。由于循环频率自动地适应于振荡频率，因此可以容易地补偿例如温度变化、老化等寄生效应。此外，对于每个振荡频率，可以从多个循环频率范围中选择适当的循环频率，使得可以有更高的自由度来选择工作点。
此外，调制校准控制信号可以对应于脉冲宽度调制信号。
此外，校准元件可以被配置成由调制校准反馈控制信号控制，其中所述校准元件特别包含无源电元件，特别是电阻器，以及由调制校准反馈控制信号控制的开关。
另外或替代地，校准元件可以包含增益控制元件，所述增益控制元件由调制校准增益控制信号控制以用于调节增益级的增益，其中所述校准元件特别包含电阻器和由调制校准增益控制信号控制的开关。
根据一实施例，校准单元被配置成将循环频率fPWM设置为其中振荡信号的振幅调制低于总振荡振幅的1％、优选地低于总振荡振幅的0.1％的值。
根据一实施例，校准单元被配置成将循环频率fPWM设置为从由循环时间确定的频率范围中之一选择的值，所述循环时间不在振荡循环时间Tosc的+/-2％的范围内，优选地不在振荡循环时间Tosc的+/-5％的范围内，大约为由TPWM＝n*Tosc和TPWM＝(n+1/2)*Tosc定义的PWM循环时间TPWM，其中振荡循环时间Tosc对应于振荡频率。
基本上，应在某一范围内选择循环时间TPWM，在所述范围内所述循环时间TPWM与振荡循环时间Tosc和(n+1/2)的乘积相距大于振荡循环时间Tosc的2％且不大于25％，优选大于5％且不大于15％。
此外，提供频率计数器以测量谐振电路的振荡频率并向校准单元提供振荡频率fosc的指示。
根据一实施例，谐振电路可以具有感测线圈和/或感测电容器。
根据另一方面，提供一种测量装置，所述测量装置包括振荡传感器和分析电路，所述分析电路被配置成接收振荡信号的指示并提供振幅信号作为指示振荡信号的振幅的传感器信号。
此外，谐振电路可以具有感测线圈，所述感测线圈用于检测在感测线圈的感测范围内的传导物体。
根据另一方面，提供一种用于操作振荡传感器的方法，所述振荡传感器包括用于提供振荡信号的谐振电路，被配置成向谐振电路提供反馈以注入能量用于激励谐振电路维持振荡的增益级，以及用于调节增益级与谐振电路之间的反馈耦合的校准元件，其中基于调制校准控制信号的至少一个预定的占空比来调节校准元件的电测量，其中调制校准控制信号具有循环频率，所述循环频率取决于振荡频率。
附图说明
图1示出包含感应传感器的接近度传感器的示意图；
图2示出具有校准单元的感应传感器的更详细示意图；
图3a和图3b示出当使用单个调制循环频率时调制效应的示例；
图4a和图4b示出在谐波和非谐波激励的情况下包含振荡器信号和校准控制信号的信号图；
图5示出对于不同的循环频率或循环周期的振荡振幅的振幅调制的图。
具体实施方式
图1示意性地示出具有振荡传感器2和分析电路3的测量装置，分析电路3分析振荡传感器2的振荡的振荡信号的振幅并产生传感器信号S。振荡传感器2具有谐振电路21和放大器22。
分析单元3基本上包含振幅确定电路31，所述振幅确定电路31提供振幅信号作为表示振荡振幅的传感器信号。
谐振电路21具有可以作为感测线圈提供的感应率。在操作中，谐振电路21在感测线圈周围的感测范围内振荡并产生交变磁场。交变磁场受任何存在的或在感测范围内移动的传导物体影响。这是由在感测范围内的传导物体中感应出的涡流引起的，使得能量从谐振电路21中抽出。这种能量损失会影响感测线圈的电感变化和振荡衰减。由于谐振电路衰减的变化，振荡振幅可能会根据感测范围内传导物体的存在与否而变化。
在图2中，更详细地示出感应传感器2。振荡器由具有感测线圈211和电容器212的谐振电路21形成，而放大器22具有增益大于1的增益级221和反馈电路222。在所示的实施例中，反馈电路222包括具有电阻R1的第一电阻器223和与第一校准开关225串联的具有电阻Rtrim的第二电阻器224。第一校准开关225可以实现为任何种类的电子开关，例如MOSFET晶体管或双极晶体管。
第二电阻器224和第一校准开关225一起用作校准电阻器(校准元件)，其可以由调制校准反馈控制信号FC控制以调节增益级221与谐振电路21之间的反馈耦合。
增益级221的增益可以借助于另外的校准元件来调节，所述另外的校准元件可以包含增益控制元件，所述增益控制元件由调制校准增益控制信号GC控制以调节增益级221的增益。增益控制元件通常可以是任何种类，使得增益级221的增益由调制校准增益控制信号GC的占空比来控制。在给定的示例中，增益控制元件可以包含校准元件226、227，所述校准元件可以包括具有电阻Rgain的第三电阻器226以及第二校准开关227。第二校准开关227由调制校准增益控制信号GC控制。第二校准开关227可以实现为任何种类的电子开关，例如MOSFET晶体管或双极晶体管。在其他实施例中，增益级221可以被配置成由调制校准增益控制信号GC控制，而无需切换电阻器。
通常，反馈电路222的校准元件和/或增益级221的校准元件可以形成为包括开关的电阻器网络，从而可以通过相应的控制信号FC、GC在两个不同的电阻值(包含非常高/无穷大的电阻值)之间切换电阻器网络的电阻。因此，开关相对于电阻器的布置可以是并联和串联连接的任意组合。
提供校准单元24，用于将调制校准反馈控制信号FC提供给第一校准开关225的控制端子以控制第一校准开关225断开或闭合，和/或用于将调制校准增益控制信号GC提供给第二校准开关227的控制端子以控制第二校准开关227断开或闭合。
通过控制第一校准开关225，可以控制反馈电路222的有效电阻，特别是校准开关和第二电阻器224的串联的有效电阻。为了改变第二电阻器224的有效电阻，第一校准开关225由具有循环频率和至少一个占空比的脉冲宽度调制信号控制。类似地，通过控制第二校准开关227，可以控制增益级221的增益。为了改变第三电阻器226的有效电阻，第二校准开关227由具有循环频率fPWM和占空比DC的脉冲宽度调制(PWM)信号控制。
循环频率由循环时间确定，循环时间被定义为包含第一时间和第二时间的总周期，在第一时间中校准开关闭合，在第二时间中校准开关断开。占空比指示校准开关闭合的第一时间与循环时间的比率。用脉冲宽度调制控制信号进行的控制得到第二电阻器224的有效电阻，其确定为第二电阻器224的电阻与占空比的商。
通过确定一个或多个适当的占空比以设置第二电阻器224的有效电阻来进行校准。在一个以上的占空比的情况下，可以选择一系列的占空比来获得期望的校准。校准通常是在最初进行的，并且将一直保持到执行重新校准为止。此外，可以连续地或有规律地进行校准调节，以补偿例如温度等的短期影响。
图3a和3b示出到谐振电路21中的能量注入的调制振幅对比对于示例性测量装置的能量注入的调制频率的特性的示例性傅立叶图。如图所示，脉冲宽度调制的循环频率fPWM为25kHz，占空比为0.3且振荡频率fosc分别为100.05kHz和100.25kHz，示出了对振荡信号的振幅调制的低频范围。如图3a和3b所示的两个示例，其中脉冲宽度调制的循环频率fPWM为25kHz，占空比为0.3且振荡频率fosc分别为100.05kHz和100.25kHz，示出了振荡信号的低频谱范围。可以看出，取决于循环频率fPWM的选择且取决于振荡信号的频率，由于PWM控制的反馈电路222，将对谐振电路21的振荡信号分别产生100Hz和500Hz调制频率的振幅调制。对振荡信号的低频振幅调制的信号部分无法滤除，因为它属于分析振荡信号以获得传感器信号的频率范围。
可以参考图4a和4b的图来阐述对由脉冲宽度调制的能量注入产生的振荡信号的低频振幅调制的研发。图4a和4b示出了占空比信号的特性(UPWM)以及占空比和振荡频率信号的乘积(Uosc*UPWM)。如图4a所示，其中振荡频率是循环频率的整数倍，从占空比窗口中调制的相同特征可以看出，没有引起到谐振电路21中的能量注入的调制振幅的调制，因为到谐振电路21中的能量注入具有相同的相位，因此在所有循环中具有相同的量。
然而，如图4b所示，由于通常不能将振荡频率精确地设置为脉冲宽度调制的循环频率fPWM的整数倍，所以将引起对到谐振电路21中的能量注入的调制，从而产生具有调制频率fmod＝2(fosc-n x fPWM)的振幅调制。从占空比窗口中振荡信号调制的不同特性可以看出调制。虽然未在图中直接显示调制，但可以看出，正弦振荡的每个相位角的能量注入都不相等，这可能会导致脉冲宽度调制与振荡之间的相移缓慢变化，从而形成振荡振幅的低频调制。
为了避免产生到谐振电路21中的能量注入的振幅调制，脉冲宽度调制的循环频率fPWM根据振荡频率而变化。
由于可以预知哪些循环频率将导致振荡的振幅调制，因此可以从振荡频率中得出最佳循环频率，以避免或最小化这些调制。通过使循环频率取决于振荡频率，循环频率可以紧密地遵循振荡频率的变化。为了避免产生由于通过调制校准信号设置校准元件而引起的振荡信号的振幅调制，脉冲宽度调制的循环频率取决于振荡频率而变化，从而避免了相应的振幅调制。
因此，可以提供频率计数器23，其测量谐振电路21的振荡频率并且向校准单元24提供振荡频率fosc的指示。替代地，可以在电路系统的其他节点处测量振荡频率，例如在放大器22或增益级221的输出处。
在固定的循环频率fPWM的情况下，由在感测范围内是否存在可检测物体而导致的谐振电路21的容差或频率偏移可能导致对应于循环频率的谐波(整数倍)或(n+1/2)倍的振荡频率，例如：
fosc＝n*fPWM
fosc＝(n+1/2)*fPWM
在这些情况下，并且在谐波周围的频率范围内，在低频范围内会发生强振幅调制，或者可能导致感测信号的严重失真。
此外，这些失真取决于脉冲宽度调制的至少一个占空比。
图5示出归一化和线性化(相对于物体的距离)衰减的图。正衰减导致振幅减小，因此y轴用-dU表示。如图5的图所示，对于不同的循环频率或循环周期TPWM＝1/fPWM，显示了对振荡振幅的影响。可以看出，对于整数倍谐波或对于(n+1/2)倍谐波，会发生振幅的大幅变化(衰减的变化)。因此，优选在某一范围内选择循环时间TPWM，在所述范围内循环时间TPWM与振荡循环时间Tosc*(n+1/2)相距大于振荡循环时间Tosc的2％且不大于25％，优选大于5％且不大于15％。
0,05*Tosc<|TPWM-Tosc*(n+1/2)|<0,15*Tosc
一旦设定了循环时间，只要它不接近发生低频调制的循环时间与振荡时间的组合，就可以永久地适应不断变化的振荡频率。
Claims (12)
1.一种用于测量装置的振荡传感器，包括：
振荡器，包括：
谐振电路，用于提供振荡信号；
增益级，被配置成向所述谐振电路提供反馈，以注入能量用于激励所述振荡器维持振荡；
至少一个校准元件，用于调节所述振荡器的开环增益；
校准单元，用于提供调制校准控制信号，以基于至少一个预定的占空比来选择性地调节所述至少一个校准元件的电测量，
其特征在于：
所述校准单元还被配置成向所述调制校准控制信号提供至少一个循环频率，所述循环频率取决于振荡频率。
2.根据权利要求1所述的振荡传感器，其特征在于，所述调制校准控制信号对应于脉冲宽度调制信号。
3.根据权利要求1或2所述的振荡传感器，其特征在于，所述校准元件被配置成由调制校准反馈控制信号控制，其中所述校准元件包含电阻器以及由调制校准反馈控制信号控制的开关。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的振荡传感器，其特征在于，所述校准元件包含增益控制元件，所述增益控制元件由调制校准增益控制信号控制以用于调节所述增益级的增益，其中所述校准元件特别包含电阻器和由所述调制校准增益控制信号控制的开关。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的振荡传感器，其特征在于，所述校准单元被配置成在改变所述循环频率的同时维持所述至少一个占空比。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的振荡传感器，其特征在于，所述校准单元被配置成将循环时间或循环频率fPWM设置为其中所述振荡信号的振幅调制低于总振荡振幅的1％、优选地低于总振荡振幅的0.1％的值。
7.根据权利要求1到6中任一项所述的振荡传感器，其特征在于，所述校准单元被配置成将所述循环频率fPWM设置为从由循环时间TPWM确定的频率范围中之一者选择的值，所述循环时间是选自某一范围，在所述范围内所述循环时间TPWM与(n+1/2)乘以振荡循环时间Tosc相距大于振荡循环时间Tosc的2％且不大于25％，优选大于5％且不大于15％，其中所述振荡循环时间Tosc对应于所述振荡频率。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的振荡传感器，其特征在于，提供频率计数器以测量所述振荡器的所述振荡频率并向所述校准单元提供所述振荡频率fosc的指示。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的振荡传感器，其特征在于，所述谐振电路具有感测线圈和/或感测电容器。
10.一种测量装置，其特征在于，包括振荡传感器和分析电路，所述分析电路被配置成接收振荡信号的指示并提供振幅信号作为指示所述振荡信号的振幅的传感器信号。
11.根据权利要求10所述的测量装置，其特征在于，谐振电路具有感测线圈，所述感测线圈用于检测在所述感测线圈的感测范围内的传导物体。
12.一种用于操作振荡传感器的方法，所述振荡传感器包括用于提供振荡信号的谐振电路，被配置成向所述谐振电路提供反馈以注入能量用于激励所述谐振电路维持振荡的增益级，以及用于调节所述增益级与所述谐振电路之间的反馈耦合的至少一个校准元件，其中基于调制校准控制信号的至少一个预定的占空比来调节所述至少一个校准元件的电测量，
其特征在于，
所述调制校准控制信号具有至少一个循环频率，所述循环频率取决于振荡频率。
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