CN112629568A - 一种接近传感器电路及检测距离的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种接近传感器电路及检测距离的方法，包括：LC振荡电路：当检测金属体靠近或远离线圈时，用于产生特定频率的振荡信号；采样电路：用于采集阈值电压内LC振荡电路产生的振荡信号；转换电路：用于将采样电路采集到的振荡信号转换为高频脉冲信号；信号处理电路：用于将转换电路产生的高频脉冲信号进行运算处理后再根据控制电路的指令执行不同操作；控制电路：用于接收电路外部控制指令；输入输出控制电路：用于将控制电路发送的数据通过输出驱动端OUT输出；本发明在加工上减少人工提高良率，产品上外围简单体积小，满足客户小型化需要，性能上一致性好精度高并且参数可设置，满足产品升级的需求，具有极强的实用性。

Description

一种接近传感器电路及检测距离的方法

技术领域

本发明属于接近传感器的技术领域，具体涉及一种接近传感器电路及检测距离的方法。

背景技术

LC接近传感器，大量应用于工业设备汽车电子等领域，目前市场上大部分此类接近传感器，采用分立器件或者使用通用放大器比较器等模拟电路的方式实现距离识别，距离的设定以及其它参数的设定上采用调整外部电阻或者电容等外置器件来完成。

目前传统的接近传感器生产工艺如下:电路板贴片加工—焊接分立器件—电路板调试—装配—灌胶—老化测试；由于受线圈(L)与电容等分立器件参数差异以及加工工艺装配工艺等外围环境等因素的影响，产品的一致性差，检测精度不高，电路板在调试完成后还要进行灌胶与装配，在此加工过程中又会导致产品性能变化，装配后的产品又无法修调，导致成品良率损失；并且由于每颗产品在装配前都需要调试，需要大量的人工，效率低速度慢，随着近几年人力成本的增加，以及终端客户对产品的性能要求提升，还有一大部分产品需要小型化，传统的LC接近传感器越来越无法满足终端的需求。鉴于此，有必要开发一种专用集成电路克服上述弊端，从而提升产品质量。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种能够提高接近传感器的成品率，且提高检测精度的接近传感器电路及检测距离的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种接近传感器电路，包括：LC振荡电路：包括外接线圈和电容，当检测金属体靠近或远离线圈时，用于产生特定频率的振荡信号；采样电路：用于采集阈值电压内LC振荡电路产生的振荡信号；转换电路：用于将采样电路采集到的振荡信号转换为高频脉冲信号；信号处理电路：用于将转换电路产生的高频脉冲信号进行运算处理后再根据控制电路的指令执行不同操作；控制电路：用于接收电路外部控制指令，发送指令至上述电路，完成所述线圈至检测金属体位置之间的距离检测，并将结果发送至输入输出控制电路；输入输出控制电路：用于将控制电路发送的数据通过输出驱动端OUT输出。

优选地，所述LC振荡电路还包括：振荡幅度控制电路：用于控制LC振荡电路的振幅，并根据电路外部温度传感器电路的变化修正振幅。

优选地，所述一种接近传感器电路，包括：滤波电路：用于将LC振荡电路产生的振荡信号通过带通滤波器处理，去除抖动高低频干扰信号。

优选地，所述一种接近传感器电路，包括：高频振荡电路：用于产生LC振荡电路、采样电路、转换电路、信号处理电路、控制电路、输入输出控制电路、振荡幅度控制电路、滤波电路所需的频率信号。

优选地，所述一种接近传感器电路，还包括：存储电路：用于存储LC振荡电路的振幅值和频率值；采样电路中采集振荡信号的阈值电压值；所述接近传感器电路内部电压基准值、初始频率，保证电路一致性的修正值，初始状态的设定值和检测距离的设定值。

相应地，一种距离检测方法，所述方法利用如上所述的接近传感器电路，所述方法包括以下步骤：S101、当检测金属体靠近或远离线圈时，LC振荡电路产生特定频率的振荡信号；S102、采样电路采集阈值电压内的振荡信号；S103、转换电路将采集到的振荡信号转换为高频脉冲信号；S104、信号处理电路将高频脉冲信号经过数字滤波运算处理后，得到可被控制电路读取的数字信号；S105、控制电路接收电路外部控制指令，完成所述接近传感器至检测金属体位置之间的距离检测；S106、输入输出控制电路将距离检测通过输出驱动端OUT输出。

优选地，所述检测金属体靠近或远离线圈之前，还包括：设置并存储LC振荡电路的振幅值和频率值；设置并存储采样电路中采集振荡信号的阈值电压值；设置并存储所述接近传感器电路内部电压基准值、初始频率，保证电路一致性的修正值，初始状态的设定值和检测距离的设定值；设置并存储LC振荡电路、采样电路、转换电路、信号处理电路、控制电路和输入输出控制电路所需的频率信号。

优选地，所述一种距离检测方法，还包括：根据电路外部温度传感器电路的变化修正振幅。

优选地，所述采样电路采集阈值电压内的振荡信号之前，还包括：将LC振荡电路产生的振荡信号通过带通滤波器处理，去除抖动高低频干扰信号。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明一种接近传感器电路及检测距离的方法，包括：用于产生的振荡信号的LC振荡电路；用于采集阈值电压内LC振荡电路产生的振荡信号的采样电路；用于将采样电路采集到的振荡信号转换为高频脉冲信号的转换电路；用于将转换电路产生的高频脉冲信号进行运算处理后再根据控制电路的指令执行不同操作的信号处理电路；用于接收电路外部控制指令，发送指令至上述电路，完成所述线圈至检测金属体位置之间的距离检测，并将结果发送至输入输出控制电路的控制电路和用于将控制电路发送的数据通过输出驱动端OUT输出的输入输出控制电路；本发明将LC振荡电路、振荡幅度控制电路、滤波电路、采样电路、转换电路、信号处理电路、控制电路、输入输出控制电路、高频振荡电路和存储电路集成在一起，加工上减少人工提高良率，使生产线更智能，产品上外围简单体积小，满足客户小型化需要，性能上一致性好精度高并且参数可设置，满足产品升级的需求，具有极强的实用性。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明；

图1为本发明接近传感器电路的原理图及外围应用示意图；

图2为本发明中振荡电路的振荡波形图以及振荡幅度调整图；

图3为本发明中金属体到检测线圈距离与振荡幅度关系图；

图4为本发明中振荡幅度与采样电路关系图；

图5为本发明中取样信号转换脉冲信号关系图；

图6为本发明中电路工作即距离检测流程图；

图7为本发明中采集两个阀值之间波形的采样电路图；

图8为本发明一种距离检测方法的流程示意图；

图中：1为LC振荡电路，11为振荡幅度控制电路，2为采样电路，3为转换电路，4为信号处理电路，5为控制电路，6为输入输出控制电路，7为滤波电路，8为高频振荡电路，9为存储电路。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一个完整的接近开关传感器一般包含：外置的线圈11A(L)与电容11B(C)与本发明内置的电路构成的振荡检测部分；外置的温度传感器10A与LED指示灯10C已及部分外置的分立器件10B等组成的辅助电路；以及外壳与导线(30A，30B，30C)，一些电路外围的诸如电源稳压保护等器件在本示意图中没有体现，如图1所示，一种接近传感器电路，包括：

LC振荡电路1：包括外接线圈和电容，当检测金属体靠近或远离线圈时，用于产生特定频率的振荡信号；由于装配加工的工艺以及不同的环境温度影响而有一定的差异，LC振荡电路1可对此差异进行修调与设置。

采样电路2：用于采集阈值电压内LC振荡电路1产生的振荡信号；具体地，通过采样电路2设置一个或者一个以上的电压阀值，随着检测金属体靠近线圈，LC振荡电路1的振幅减小，阀值以上(或以下)的信号长度会变短；在产品测试时，控制电路5根据外部电路的指令调整采样电路2的阀值，并将调整好的阀值写入存储电路9，电路在上电时调出存储的阀值电压，采样电路2按照此阀值电压取样，此采样阀值在工作中将保持不变，除非控制电路有新的设置。

转换电路3：用于将采样电路2采集到的振荡信号转换为高频脉冲信号；转换电路3通过高频采样处理，将阀值以上(或以下)的电压信号转换为高频脉冲信号；所述高频脉冲信号的频率根据LC振荡电路1的频率来设置，原则上高频脉冲信号的频率越高，采样的精度越高，一般LC振荡电路1的频率在100K-1M，高频脉冲信号的频率设置在LC振荡电路1频率的10-100倍，具体倍数用户可根据实际自行调整设置。

信号处理电路4：用于将转换电路3产生的高频脉冲信号进行运算处理后再根据控制电路5的指令执行不同操作。

控制电路5：用于接收电路外部控制指令，发送指令至上述电路，完成所述线圈至检测金属体位置之间的距离检测，并将结果发送至输入输出控制电路6。

输入输出控制电路6：用于将控制电路5发送的数据通过输出驱动端OUT输出；具体地，在电路调试状态时通过电源线上的发送来控制信号调制与解调，并可根据控制电路5的读取指令将各电路的参数调制后通过电源线发送给控制电路5，工作状态时，将控制电路5发送过来的数据或者状态通过输出驱动端OUT输出，根据电路调试时设置的工作状态，可完成距离开关量、距离连续数字量和连续模拟量三种不同的输出。

具体地，图2为LC振荡电路1的振荡波形图以及振荡幅度图，图2中，If1，If2，If3为不同振幅波形图；图3为检测金属体靠近或远离LC振荡电路1中的线圈时，检测金属体到线圈的距离与振荡幅度关系图，图3中，SA、SB、SC表示金属体与接近传感器SNR之间的距离；Vsa，Vsb，Vsc表示金属体不同位置对应的最大振幅值，Ifsa，Ifsb，Ifsc表示金属体不同位置对应的振荡波形，由图2可知，随着金属体与接近传感器SNR之间的距离越近，金属体与接近传感器SNR的振幅值越小；

图4为振荡幅度与采样电路的关系图，图4中，vft1表示阈值电压；Vsa1，Vsb1，Vsc1表示超过阀值电压部分信号最大振幅值；Ifsa1，Ifsb1，Ifsc1表示超过阀值电压Vft1部分信号波形，假设采样电路2采集阈值电压vft1以上的振荡信号，由图4可知，随着检测金属体靠近线圈，荡幅度会变小，阀值电压以上的波形宽度会变短，幅度会变小；图3只展示了一个阀值电压下的电路的工作原理，本发明包含可设置一个以上的不同的取样阀值电压，如图7所示，可选取两个阀值之间的波形来取样，或者不同阀值的组合取样，这样可实现提高检测灵敏度或者提高抗干扰能力或者提高相应速度等不同需求，由于工作原理相同，在此不再赘述；图5为采样信号与转换脉冲信号关系图，图5中，Sa1，Sb1，Sc1表示金属体距离传感器距离值；VSA，VSB，VSC表示超过阀值电压信号处理后波形，由图4可知，金属体与接近传感器的距离越近，超过阀值电压信号处理后波形个数越少；图6为信号处理电路距离检测示意图，VFSA，VFSB，VFSC表示转换后带高频载波波形；VSA12，VSB12，VSC12表示阀值电压Vft2-Vft1之间部分信号波形，由图6可知，将高频脉冲信号处理后转化为数字信号，此数字信号随着金属体距离线圈的远近而变化，将此表示距离的数字量与设定值进行比较，即可完成接近距离开关量的检测；也可将此数字量处理后输出给外部电路，可实现连续的数字量距离检测；还可以将此数字量通过输出电路部分的数模转换电路后转换为模拟量，可实现连续的模拟量输出的距离检测。

具体地，根据金属体靠近线圈时，LC振荡电路1振幅会发生变化的特性，采样电路2截取LC振荡电路1的部分变化的波形，转换电路3将距离变化对应的幅度变化，转化为易于识别、控制、并可设置的高频脉冲信号，高频脉冲信号经信号处理电路4进行数字滤波计算后转换成为可量化的数字信号，控制电路5接收电路外部控制指令，并将指令发送至不同控制电路，完成LC振荡电路幅度的设置、线圈至检测金属体位置之间的距离检测、检测响应速度等调试与设置，并将各控制电路内部调整后的电路参数与设置的变量发送至存储电路进行存储，同时可将信号处理电路4的检测值发送至输入输出控制电路6，完成电路的实时控制与测试。

进一步地，所述LC振荡电路1还包括：振荡幅度控制电路11：用于控制LC振荡电路1的振幅，并根据电路外部温度传感器电路的变化修正振幅；振荡幅度控制电路11根据控制电路5参数调整设置LC振荡电路1幅度，并根据外部温度传感器的变化实时修正振荡幅度；LC振荡电路1的振幅初始值在测试时设置，设置后存储在存储电路9中，电路上电时调用此设置参数后设定振荡幅度，此振荡幅度值在工作中将保持不变，除非控制电路5有新的设置，而温度传感器的变化对振荡幅度的影响是实时的。

进一步地，所述一种接近传感器电路，包括：滤波电路7：用于将LC振荡电路1产生的振荡信号通过带通滤波器处理，去除抖动高低频干扰信号；所述滤波电路7内含带通滤波器，能够将LC振荡电路1产生的正弦波信号进行处理，滤除干扰信号、杂波和谐波。

进一步地，所述一种接近传感器电路，包括：高频振荡电路8：用于产生LC振荡电路、采样电路、转换电路、信号处理电路、控制电路、输入输出控制电路、振荡幅度控制电路、滤波电路所需的频率信号。

进一步地，所述一种接近传感器电路，还包括：存储电路9：用于存储LC振荡电路的振幅值和频率值；采样电路中采集振荡信号的阈值电压值；所述接近传感器电路内部电压基准值、初始频率，保证电路一致性的修正值，初始状态的设定值和检测距离的设定值；所述存储电路9采用非易失性存储器，完成整个电路中的LC振荡电路1、振振荡幅度控制电路11、采样电路2、信号处理电路4等需要修调的变量值以及其他需要设置的控制信号与变量的存储。本发明所有电路的设置都是需要上位机软件通过输入输出电路，控制电路完成各个参数的设置后将参数存储在存储电路9里。

图8为本发明一种距离检测方法的流程示意图，如图8所示，一种距离检测方法，所述方法利用如上任一所述的接近传感器电路，所述方法包括以下步骤：

S101、当检测金属体靠近或远离线圈时，LC振荡电路产生特定频率的振荡信号；

S102、采样电路采集阈值电压内的振荡信号；

S103、转换电路将采集到的振荡信号转换为高频脉冲信号；

S104、信号处理电路将高频脉冲信号经过数字滤波运算处理后，得到可被控制电路读取的数字信号；

S105、控制电路接收电路外部控制指令，完成所述接近传感器至检测金属体位置之间的距离检测；

S106、输入输出控制电路将距离检测通过输出驱动端OUT输出。

具体地，步骤S105检测距离的过程如下：假设LC振荡电路频率是100K，采样电路设定阀值为2V，通过设置高频脉冲的频率，在没有金属体靠近时，图六VFS的脉冲个数为150个，当有金属体靠近到SA位置时，VFSA的脉冲个数为100个，继续靠近，到SB位置时，VFSB的脉冲个数为80个，到SC位置时，VFSC的脉冲个数为50个，脉冲个数的多少与检测金属体的距离一一对应；将脉冲个数数字化处理转换为16进制的数字量，则SA位置，VFSA的脉冲个数转化为64(16进制)；假设SA位置时金属体到线圈L是1厘米，设定金属体检测距离是1厘米，则将设定值设定为64(16进制)，当金属体距离大于1厘米时，检测量的数值大于64，输出电路输出低电平，当金属体距离达到或者小于1厘米距离时，检测量的数值等于或者小于64，此时检测值等于或者小于设定值64，输出电路变化输出高电平，通过设置不同的值，即可完成不同位置开关量的检测；同理，不设置开关量，将检测当前值直接输出，则可完成连续距离检测。

工作时，电路上电，首先进行初始化设置，在完成初始化之前，电路处于消隐状态；完成初始化之后，电路各个部分都处于工作状态，此时，LC振荡电路振幅最大，采样电路取出的VFA波形宽度最宽，转换电路转换的VFS的高频脉冲个数最多，信号处理根据客户设定的状态不同执行不同的处理，如果是开关量输出，则将当前检测值与设定值比较，根据比较结果控制输入输出电路将比较结果输出；如果是连续量的检测，则信号处理处理电路直接将处理后的数字量发送给输入输出电路输出；当金属体靠近线圈，此时，LC振荡电路振幅随着距离的靠近越来越小，取样电路取出的VFA波形宽度逐渐变窄，转换电路转换的VFS的高频脉冲个数逐渐变少，信号处理根据客户设定的状态不同执行不同的处理，如果是开关量输出，则将当前检测值与设定值比较，根据比较结果控制输入输出电路将比较结果输出，比如达到检测值及以后，输出状态会发生变化；如果是连续量的检测，则信号处理处理电路直接将处理后的数字量发送给输入输出电路输出。

进一步地，所述检测金属体靠近或远离线圈之前，还包括：设置并存储LC振荡电路的振幅值和频率值；设置并存储采样电路中采集振荡信号的阈值电压值；设置并存储所述接近传感器电路内部电压基准值、初始频率，保证电路一致性的修正值，初始状态的设定值和检测距离的设定值；设置并存储采样电路、转换电路、信号处理电路、控制电路和输入输出控制电路所需的频率信号。

进一步地，所述一种距离检测方法，还包括：根据电路外部温度传感器电路的变化修正振幅。

进一步地，所述采样电路采集阈值电压内的振荡信号之前，还包括：将LC振荡电路产生的振荡信号通过带通滤波器处理，去除抖动高低频干扰信号。

在产品测试时控制电路根据外部的命令调整参数，分别设置LC振荡电路的幅度、采样电路的阀值和转换电路的高频频率，使得LC振荡电路的振荡幅度工作在适合的范围，并将此参数进行存储，而后在电路工作过程中LC振荡电路的振幅根据预先设置的参数工作；将调整好的阀值进行存储，电路在工作中调出预先设置的阀值电压，采样电压按照此阀值电压取样；并将调整好的频率值进行存储，电路在工作中调出预先设置的频率值，转换电路按照此频率将检测信号转换为高频脉冲信号；信号处理电路将转换电路产生的脉冲信号进行运算处理为数字信号后再根据控制电路的指令执行不同操作，各种动作如距离回差等阀值均可在测试时设置，并将测试时确认的各参数进行存储。

具体地，根据金属体靠近LC振荡器中线圈时，LC振荡电路的振幅会随着距离而衰减变小(如图三)，振荡的波形近似正弦波，设定一个或者一个以上个电压阀值，随着金属体靠近，振荡幅度会变小，阀值电压以上(或者以下)的波形宽度会变短，幅度会变小(如图四、图五)，通过高频采样处理，将阀值以上(或者以下)电压信号转换为高频脉冲信号(如图六)，将高频脉冲信号处理后转化为数字信号，此数字信号随着金属体距离线圈的远近而变化，将此表示距离的数字量与设定值进行比较，即可完成接近距离开关量的检测，也可将此数字量处理后输出给外部电路，可实现连续的数字量距离检测；还可以将此数字量通过输出电路部分的数模转换电路后转换为模拟量，可实现连续的模拟量输出的距离检测。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种接近传感器电路，其特征在于：包括：

LC振荡电路：包括外接线圈和电容，当检测金属体靠近或远离线圈时，用于产生特定频率的振荡信号；

采样电路：用于采集阈值电压内LC振荡电路产生的振荡信号；

转换电路：用于将采样电路采集到的振荡信号转换为高频脉冲信号；

信号处理电路：用于将转换电路产生的高频脉冲信号进行运算处理后再根据控制电路的指令执行不同操作；

控制电路：用于接收电路外部控制指令，发送指令至上述电路，完成所述线圈至检测金属体位置之间的距离检测，并将结果发送至输入输出控制电路；

输入输出控制电路：用于将控制电路发送的数据通过输出驱动端OUT输出。

2.根据权利要求1所述的一种接近传感器电路，其特征在于：所述LC振荡电路还包括：

振荡幅度控制电路：用于控制LC振荡电路的振幅，并根据电路外部温度传感器电路的变化修正振幅。

3.根据权利要求2所述的一种接近传感器电路，其特征在于：包括：

滤波电路：用于将LC振荡电路产生的振荡信号通过带通滤波器处理，去除抖动高低频干扰信号。

4.根据权利要求3所述的一种接近传感器电路，其特征在于：包括：

高频振荡电路：用于产生LC振荡电路、采样电路、转换电路、信号处理电路、控制电路、输入输出控制电路、振荡幅度控制电路、滤波电路所需的频率信号。

5.根据权利要求1所述的一种接近传感器电路，其特征在于：还包括：

存储电路：用于存储LC振荡电路的振幅值和频率值；采样电路中采集振荡信号的阈值电压值；所述接近传感器电路内部电压基准值、初始频率，保证电路一致性的修正值，初始状态的设定值和检测距离的设定值。

6.一种距离检测方法，其特征在于：所述方法利用如权利要求1至5任一所述的接近传感器电路，所述方法包括以下步骤：

S101、当检测金属体靠近或远离线圈时，LC振荡电路产生特定频率的振荡信号；

S102、采样电路采集阈值电压内的振荡信号；

S103、转换电路将采集到的振荡信号转换为高频脉冲信号；

S104、信号处理电路将高频脉冲信号经过数字滤波运算处理后，得到可被控制电路读取的数字信号；

S105、控制电路接收电路外部控制指令，完成所述接近传感器至检测金属体位置之间的距离检测；

S106、输入输出控制电路将距离检测通过输出驱动端OUT输出。

7.根据权利要求6所述的一种距离检测方法，其特征在于：所述检测金属体靠近或远离线圈之前，还包括：

设置并存储LC振荡电路的振幅值和频率值；

设置并存储采样电路中采集振荡信号的阈值电压值；

设置并存储所述接近传感器电路内部电压基准值、初始频率，保证电路一致性的修正值，初始状态的设定值和检测距离的设定值；

设置并存储LC振荡电路、采样电路、转换电路、信号处理电路、控制电路和输入输出控制电路所需的频率信号。

8.根据权利要求7所述的一种距离检测方法，其特征在于：还包括：

根据电路外部温度传感器电路的变化修正振幅。

9.根据权利要求8所述的一种距离检测方法，其特征在于：所述采样电路采集阈值电压内的振荡信号之前，还包括：

将LC振荡电路产生的振荡信号通过带通滤波器处理，去除抖动高低频干扰信号。

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