CN113155012A - 一种电容接近开关传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容接近开关传感器，用于检测其与被测金属面的距离，其包括：检测极板，与被测金属面相对设置，二者构成外电容；电源，其正极通过第一电感与供电端连接；其负极与接地端连接并通过第二电感与公共端连接；供电端和接地端之间连接有第二电容；第一电感和第二电感构成差模电感；驱动模块，其负极与公共端连接，其正极与供电端连接；驱动模块用于生成驱动信号，并将驱动信号耦合至检测极板，信号处理模块，与第二电感的两端耦合，通过检测第二电感两端的电压变化以检测外电容。本发明通过单一极板与被测目标构成的外电容实现目标检测，极板电容不作为检测依据，外电容的电容值更加稳定。

Description

一种电容接近开关传感器

技术领域

本发明涉及传感器领域，特别涉及一种电容接近开关传感器。

背景技术

电容接近开关是以各类电容器作为传感元件，是将机械量转换成电容变化量的一种装置。电容接近开关即电容式传感器可分为变面积型、变极距型、变介质型三种类型。传统的电容接近开关检测技术，传感器内置的双面覆铜PCB板为电容器作为被测对象，其变化量作为感测距离的依据。

电容接近开关现有的技术方案主要有三种，电容器参与振荡器工作产生的振荡信号变化、电容器充放电时间变化、电容器与参考电容比较的差值变化。

电容器参与振荡器工作，接近开关的电容极板作为振荡回路的一部分，使得振荡器输出信号的频率、幅度、周期发生变化，接近开关与被测物之间的距离大小反应了变化程度，从而得出变量与距离的关系。见图9，两个极板之间距离恒定，构成极板电容。当被测物体接近时，通过这两个极板所检测出的电容量会发生变化，通过检测电容的变化量可以检测被测物体的大致距离。

电容器充放电时间变化，被测物靠近接近开关的电容极板，极板电容量发生变化。周期性的脉冲电流对电容极板进行充放电，由于极板电容量的变化，导致极板电容上的充放电电压发生变化，变化的差值即是被测物离电容极板的距离关系，距离越近则时间差值越大。见图10。

电容器与参考电容比较，即是被测极板电容与固有电容做比较，通过对极板电容和参考电容同时施加周期性的脉冲信号，分别产生随被测物距离变化的可变信号，和固有的标准信号，两组信号进行差分放大处理，同时有益于对共模干扰的抑制作用。见图11。

上述现有技术的缺点为：

a)极板电容受PCB的材质以及热膨胀系数影响，应用于接近开关的极板及PCB板，材质的差异，以及材质的热膨胀系数大小，对极板自身的电容量影响较大。

b)受寄生电容影响，由于极板电容自身的电容量在10pF级别左右，线路以及其他器件的寄生电容均在pF级别相对比重较大，整个系统不只检测极板电容量变化，同时寄生电容也参与了信号计算过程，对检测结果造成了不利的影响。

c)受填充材料的影响，接近开关内部一般需要填充树脂材料，为了固定内部电路板及结构组件，也能起到IP防水性能，但是填充材料其介电常数的大小及变化关系到极板电容的稳定，填充材料存在长期蠕变的现象不利于电容接近开关的长期稳定性。

d)现有技术方案将极板电容变化转换成电压电流信号变化的灵敏度低，因此传统电容接近开关检测距离较近，无法实现远距离检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种电容接近开关传感器，该电容接近开关传感器采用单一极板，并将目标物的被测面作为另一电极，实现了目标物的接近检测，解决了现有技术中检测极板自电容的方式所存在问题。

本发明的技术方案是，一种电容接近开关传感器，用于检测其与被测金属面的距离，所述被测金属面与接地端连接；所述电容接近开关传感器包括：

检测极板，与所述被测金属面相对设置，二者构成外电容；

电源，其正极通过第一电感与供电端连接；其负极与所述接地端连接并通过第二电感与公共端连接；所述供电端和所述接地端之间连接有第二电容；所述第一电感和所述第二电感构成差模电感；

驱动模块，其负极与所述公共端连接，其正极与所述供电端连接；所述驱动模块用于生成驱动信号，并将驱动信号耦合至所述检测极板，以使得所述外电容的充放电；

信号处理模块，与所述第二电感的两端耦合，通过检测所述外电容的充放电流在所述第二电感两端形成的反电动势以检测所述外电容，并根据外电容确定所述检测极板与所述被测金属面的距离。

本发明的进一步改进在于，所述驱动模块包括脉冲信号发生器以及驱动器；所述驱动器的输出端与所述检测极板电性连接，所述脉冲信号发生器用于生成脉冲信号，所述驱动器根据所述脉冲信号生成驱动信号。

本发明的进一步改进在于，所述脉冲信号以及所述驱动信号均为方波，所述驱动器根据脉冲信号的电平将所述驱动器的输出端的连接关系在所述供电端以及所述公共端之间进行切换。

本发明的进一步改进在于，所述驱动器采用门电路或者模拟开关进行实现。

本发明的进一步改进在于，所述信号处理模块包括信号获取单元以及处理单元；所述信号处理单元用于获取所述第二电感两端的高频电压信号，并对其进行积分放大；所述处理单元根据所述信号获取单元处理后的信号计算外电容的电容值并计算距离。

本发明的进一步改进在于，

信号处理模块以接地端为参考电位对所述第二电感两端的电压信号进行处理；

或者，所述信号处理模块以所述公共端为参考电位对所述第二电感两端的电压信号进行处理。

本发明的进一步改进在于，所述检测极板的正面朝向所述被测金属面，所述检测极板的背面设置有与其隔离的屏蔽极板。

本发明的进一步改进在于：

所述屏蔽极板连接有驱动屏蔽模块，所述驱动屏蔽模块以所述接地端或所述公共端为参考，隔离跟踪所述检测极板的驱动信号，以使得所述屏蔽极板与所述检测极板的电位相等；

或者，所述屏蔽极板与所述接地端耦合；

或者，所述屏蔽极板与所述公共端耦合。

本发明的进一步改进在于，还包括相对于所述检测极板固定设置的第二极板以及第三极板；所述第二极板与所述第三极板构成介电常数检测电容；所述介电常数检测电容的极板间介质与所述外电容的极板间介质相同；所述第二极板由所述驱动模块进行驱动，所述第三极板与所述公共端或所述接地端电性连接；所述信号处理模块检测所述介电常数检测电容的电容值，以得出极板间介质的介电常数，并根据该介电常数以及所述外电容的电容值确定所述检测极板与所述被测金属面的距离。

本发明的有益效果为：

(1)通过单一极板与被测目标构成的外电容实现目标检测，极板电容不作为检测依据，外电容的电容值更加稳定；

(2)外电容检测的过程中，不是采用极板电压的方式检测电容变化，而是构造信号回路，通过检测充放电电流在电感上的反电施实现外电容电测，可有效隔离电路上的寄生电容造成的影响；

(3)外电容的极板间介质为空气，在大多数情况下其介电常数较为稳定；大气的参数(温度、湿度)也更容易测量，可根据参数变化对介电常数进行修正；

(4)在检测外电容的信号回路中采用了差模电感，其不仅可检测充放电电流，还可抑制信号回路中的差模干扰，提高了接近开关的EMC性能；

(5)脉冲信号发生器中采用单片机以及外部晶振生成脉冲信号，外部晶振良好的温度特性保证了方波频率周期的稳定性，有利于脉冲信号稳定；脉冲信号的频率周期可根据产品灵活修改使得性能达到最佳。

附图说明

图1为本发明电容接近开关的原理图；

图2为驱动器对检测极板进行驱动的原理图；

图3是以接地端为参考电位的信号处理模块的原理图；

图4是以公共端为参考电位的信号处理模块的原理图；

图5为屏蔽极板以及驱动屏蔽模块的连接方式示意图；

图6为具有第二极板的电容接近开关的原理图；

图7为检测极板、第二极板以及第三极板的分布方式示意图；

图8为用于检测监测外电阻和介电常数检测电容的信号处理模块的原理图；

图9为电容器参与振荡器工作的电容接近开关的原理图；

图10为电容器充放电时间变化的电容接近开关的充放电波形图；

图11为电容器与参考电容比较的电容接近开关的原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的实施例提供了一种电容接近开关传感器，用于检测其与被测金属面的距离。被测金属面10与接地端PGND电性连接，二者电位相同。本实施例中，电容接近开关传感器包括：检测极板20、电源30、驱动模块40以及信号处理模块50。具体的：

检测极板20与被测金属面10相对设置，二者构成外电容。被测金属面10可采用目标物的金属构件的表面，其面积远大于检测极板20的面积，因此被测金属面10的有效作用面积受温度影响较小，使得外电容中只有检测极板20会受到温度的影响。本实施例中采用单一极板(检测极板20)实现目标检测，极板电容不作为检测依据。相比于传统检测原理大大降低了温度对电容值的影响，提高了传感器的温度稳定性。

本实施例中，电源30的正极通过第一电感L1与供电端VCC连接；其负极与接地端PGND连接并通过第二电感L2与公共端GND连接。供电端VCC和接地端PGND之间连接有第二电容C2。第一电感L1和第二电感L2构成差模电感。在电源30的两端还并联有第一电容C1。

上述的第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1和第二电容C2构成LC串模干扰抑制网络。由于第一电感L1和第二电感L2构成差模电感，可抑制差模干扰提高接近开关的EMC性能，而外电容在驱动模块40的驱动下生成的充放电电流相对于第一电感L1和第二电感L2来说是共模信号，可在第二电感L2的两端产生反向电动势。故，本实施例中差模电感应用在电容接近开关同时作为外电容电流信号传输通路，在外电容充放电时，可通过检测第二电感L2两侧的电压变化对充放电电流进行检测。

如图1、2所示，驱动模块40负极与公共端GND连接，其正极与供电端VCC连接。供电端VCC以及公共端GND配合为驱动模块40供电。驱动模块40用于生成驱动信号，并将驱动信号耦合至检测极板20，以使得外电容的充放电，并使得接地端PGND与公共端GND之间的电压同步变化。

驱动模块40可采用种周期性信号对检测极板20进行激励。驱动模块40包括脉冲信号发生器41以及驱动器42。驱动器42的输出端与检测极板电性连接，脉冲信号发生器41用于生成脉冲信号，驱动器42根据脉冲信号生成驱动信号。

在一些实施例中，脉冲信号以及驱动信号均为方波，驱动器42根据脉冲信号的电平将驱动器42的输出端的连接关系在供电端VCC以及公共端GND之间进行周期性切换。

脉冲信号发生器41可采用单片机的定时器进行实现，单片机采用外部晶振，可输出高频脉冲。由于外部晶振具有良好的温度特性，保证了方波频率的稳定性，有利于信号稳定。脉冲信号发生器41生成的脉冲信号的频率可通过单片机进行灵活配置，使得脉冲信号的周期可根据产品的特性及应用场景进行调节，从而达到最佳的效果。

驱动器42采用门电路或者半导体模拟开关进行实现。在脉冲信号的电平控制下，驱动器42将检测极板20在供电端VCC以及公共端GND之间进行切换，从而控制检测极板20充电放电。

信号处理模块50与第二电感L2的两端耦合，其通过检测第二电感L2两端的电压变化以检测外电容的电容值，并根据外电容确定检测极板20与被测金属面的距离。外电容的电容C的表达式为：

其中，ε是极板间介质的介电常数；S为检测极板20的面积；d为检测极板与被测金属面10的间距。因此，在检测极板20的面积、介电常数已知的情况下，可根据电容C求解出间距d。本实施例中，极板间介质仅为空气，没有其他填充物或者密封材料，空气的介电常数通常很稳定，有利于接近开关传感器的稳定性。

本发明的实施例中，将目标物的被测金属面10作为另一极板，通过特殊的信号回路实现外电容检测，同时很好的隔离电路上寄生电容带来的影响。

具体的，如图2所示，第一电容C1和第二电容C2上的直流电压近似相等，非理想的第一电感L1和第二电感L2存在一定内阻。与供电端VCC连接的电路所消耗的电流会在第一电感L1和第二电感L2上产生微小的压降，该压降主要由直流电流导致，可忽略不计。故，在驱动模块40未工作时，第一电感L1和第二电感L2两端的压降处于稳态。

驱动器42工作于公共端GND(驱动器的电位以公共端的电位为基础)，供电端VCC相对于公共端GND的电压为VCC，由于第二电容C2的存在，供电端VCC与公共端GND之间的电压不会突变。

驱动模块40工作时，检测极板20在驱动器42的驱动下在供电端VCC和公共端GND之间切换，当检测极板20与供电端VCC导通时，外电容的充电电压为VCC；检测极板20与公共端GND导通时，外电容放电至公共端GND。下面对这两种情况下外电容和第二电感L2的响应进行分析：

(1)当检测极板20与供电端VCC导通时，充电电流从供电端VCC依次流经驱动器42、检测极板20、被测金属面10、接地端PGND、第二电感L2、第二电容C2，最后回到供电端VCC；在此过程中，充电电流不是直流信号，因此会在第二电感L2上形成反向电动势。在此过程中，第二电容C2两端的电压不能突变，因此供电端VCC和公共端GND的电势随着第二电感L2上的压降上升而同步向下浮动，其浮动程度与外电容的电容值正相关。第二电容C2可使得公共端GND和供电端VCC之间的电压不变，以便为公共端GND和供电端VCC之间的电路提供稳定的供电。

(2)当检测极板20与公共端GND导通时，放电电流从检测极板20依次流经驱动器42、第二电感L2、接地端PGND以及被测金属面10。在此过程中，第二电容C2两端的电压依然不会突变，放电电流在第二电感L2上形成反向电动势，使得供电端VCC和公共端GND的电势随着第二电感L2上的压降变化而同步向上浮动，其浮动程度与外电容的电容值正相关。

通过对上述两种情况的分析可知，通过检测第二电感L2两端的电压变化可以检测外电容的电容值。得到外电容的电容值之后，根据外电容的电容值与极板间距的关系，可以求出检测极板20与被测金属面的距离。

为了实现电容检测，在一些实施例中，信号处理模块50包括信号获取单元51以及处理单元52。信号处理单元52用于获取第二电感L2两端的高频电压信号，并对其进行积分放大，信号获取单元中的各环节均为信号处理领域中的现有技术。处理单元根据信号获取单元处理后的信号计算外电容的电容值并计算距离。

在另一些实施例中，信号处理模块50可采数字信号处理技术进行实现，其直接将第二电感L2两端的电压信号转换为数字信号，并采用现有的数字信号处理手段实现上述关于信号处理模块50的功能描述。外电容的充放电电压波形以及充放电电流已知的情况下，求解外电容的电容值可采用现有技术进行实现。

如图3所示，在一些实施例中，信号处理模块50以接地端PGND为参考电位对第二电感L2两端的电压信号进行处理。在这些实施例中，信号处理模块50以接地端PGND为参考电位，指的是信号处理模块50的电源负极与接地端PGND连接，其电源正极与电源30的正极连接。

如图4所示，在另一些实施例中，信号处理模块50以公共端GND为参考电位对第二电感L2两端的电压信号进行处理。在这些实施例中，信号处理模块50以公共端GND为参考电位，指的是信号处理模块50的电源负极与公共端GND连接，其电源正极与供电端VCC连接。

如图5所示，在一些实施例中，电容接近开关传感器的检测极板20的正面朝向所述被测金属面，检测极板20的背面设置有与其隔离的屏蔽极板60。检测极板20与屏蔽极板60隔离指的是二者之间不存在电连接，为了确保屏蔽效果，屏蔽极板60的边缘向检测极板20的边缘方向弯折，以屏蔽检测极板20的边缘。

屏蔽极板60为了实现屏蔽外部信号干扰的效果，可直接连接至接地端PGND或公共端GND。屏蔽极板也可经过RC网络连接至接地端PGND或公共端GND。采用这种方式实现屏蔽时，需要在计算外部电容的过程中修正屏蔽极板60对外部电容检测结果带来的固定影响。

此外，屏蔽极板60还可如图5所示与驱动屏蔽模块61连接。驱动屏蔽模块61以接地端PGND或公共端GND为参考，隔离跟踪检测极板20的驱动信号并以此驱动屏蔽极板60，使得屏蔽极板60与检测极板20的电位相等。采用这种方式，屏蔽极板60不会对检测极板20的检测结果产生影响。对某个模拟信号进行跟踪可采用现有技术进行实现。由于屏蔽极板60与检测极板20的电位相等，二者的缝隙中填充的树脂不会对检测极板20的检测结果造成影响。

如图6、7、8所示，电容接近开关传感器还包括相对于检测极板20固定设置的第二极板71以及第三极板72。第二极板71与第三极板72构成介电常数检测电容。在一个具体实施例中，检测极板20为圆形。第二极板71环绕设置在检测极板20的外侧，二者之间具有间隙。第三极板72同样为环形，环绕设置在第二极板71的外侧。检测极板20、第二极板71以及第三极板72共面同心设置。

由于三者共面，面对相同的大气环境，介电常数检测电容的极板间介质与外电容的极板间介质相同。驱动模块40的驱动器通过切换开关分别与第二极板71以及检测极板20分时电性连接。第三极板72与公共端GND或接地端PGND电性连接。

检测过程中，驱动模块40首先驱动第二极板71，此时通过信号处理模块50检测电容值(此过程与外电容的检测过程类似)。此时信号处理模块检测到的电容包括介电常数检测电容以及第二极板71相对于被测金属面10电容，前者仅受极板间介质的介电常数影响，后者还受第二极板71与被测金属面10间距的影响。

针对第二极板71的检测完成后，信号处理模块50切换至检测极板20，信号处理模块50检测外电容的电容值，外电容的电容值除了受极板间距的影响，在湿度较大的或者有凝雾情况下也会受到极板间介质的介电常数影响。

针对第二极板71以及检测极板20的检测结果均受极板间距以及介电常数的影响，因此根据以上两个检测结果可联立求解介电常数。根据该介电常数以及外电容的电容值可确定检测极板20与被测金属面10的距离。这种方式可以在空气介电常数变化较大时(湿度高、雾霾、极板表面凝露等情况)消除介电常数变化对距离检测造成的影响。

在本实施例中，驱动模块40可分时复用，而信号处理模块50需要针对第二极板71以及检测极板20分别设置两个信号获取单元51，两个信号获取单元51可共用一个处理单元52。信号处理模块50可以公共端GND为参考，也可以如图8所示，以接地端PGND为参考。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种电容接近开关传感器，用于检测其与被测金属面的距离，所述被测金属面与接地端连接；其特征在于，所述电容接近开关传感器包括：

检测极板，与所述被测金属面相对设置，二者构成外电容；

电源，其正极通过第一电感与供电端连接；其负极与所述接地端连接并通过第二电感与公共端连接；所述供电端和所述接地端之间连接有第二电容；所述第一电感和所述第二电感构成差模电感；

驱动模块，其负极与所述公共端连接，其正极与所述供电端连接；所述驱动模块用于生成驱动信号，并将驱动信号耦合至所述检测极板，以使得所述外电容的充放电；

信号处理模块，与所述第二电感的两端耦合，通过检测所述外电容的充放电流在所述第二电感两端形成的反电动势以检测所述外电容，并根据外电容确定所述检测极板与所述被测金属面的距离

2.根据权利要求1所述的一种电容接近开关传感器，其特征在于，所述驱动模块包括脉冲信号发生器以及驱动器；所述驱动器的输出端与所述检测极板电性连接，所述脉冲信号发生器用于生成脉冲信号，所述驱动器根据所述脉冲信号生成驱动信号。

3.根据权利要求2所述的一种电容接近开关传感器，其特征在于，所述脉冲信号以及所述驱动信号均为方波，所述驱动器根据脉冲信号的电平将所述驱动器的输出端的连接关系在所述供电端以及所述公共端之间进行切换。

4.根据权利要求2所述的一种电容接近开关传感器，其特征在于，所述驱动器采用门电路或者模拟开关进行实现。

5.根据权利要求1所述的一种电容接近开关传感器，其特征在于，所述信号处理模块包括信号获取单元以及处理单元；所述信号处理单元用于获取所述第二电感两端的高频电压信号，并对其进行积分放大；所述处理单元根据所述信号获取单元处理后的信号计算外电容的电容值并计算距离。

6.根据权利要求5所述的一种电容接近开关传感器，其特征在于，

信号处理模块以接地端为参考电位对所述第二电感两端的电压信号进行处理；

或者，所述信号处理模块以所述公共端为参考电位对所述第二电感两端的电压信号进行处理。

7.根据权利要求1所述的一种电容接近开关传感器，其特征在于，所述检测极板的正面朝向所述被测金属面，所述检测极板的背面设置有与其隔离的屏蔽极板。

8.根据权利要求7所述的一种电容接近开关传感器，其特征在于：

所述屏蔽极板连接有驱动屏蔽模块，所述驱动屏蔽模块以所述接地端或所述公共端为参考，隔离跟踪所述检测极板的驱动信号，以使得所述屏蔽极板与所述检测极板的电位相等；

或者，所述屏蔽极板与所述接地端耦合；

或者，所述屏蔽极板与所述公共端耦合。

9.根据权利要求1所述的一种电容接近开关传感器，其特征在于，还包括相对于所述检测极板固定设置的第二极板以及第三极板；所述第二极板与所述第三极板构成介电常数检测电容；所述介电常数检测电容的极板间介质与所述外电容的极板间介质相同；所述第二极板由所述驱动模块进行驱动，所述第三极板与所述公共端或所述接地端电性连接；所述信号处理模块检测所述介电常数检测电容的电容值，以得出极板间介质的介电常数，并根据该介电常数以及所述外电容的电容值确定所述检测极板与所述被测金属面的距离。

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