CN113253353A - 基于层间耦合的检测线圈结构及金属物体检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于层间耦合的检测线圈结构及金属物体检测系统，其中，该检测线圈结构包括：上层子检测线圈和下层子检测线圈，上、下层子检测线圈结构相同、尺寸近似或相同，且彼此正交、检测线圈外边界、几何对称中心均完全重合；上层子检测线圈包括第一、第二、第三和第四端子，下层子检测线圈包括第五、第六、第七和第八端子，第一、第二端子连接，第七、第八端子连接，第三、第四端子分别与第五、第六端子连接，当线圈附近无金属物体时，上、下两层子检测线圈完全解耦，互感为零；反之附近存在时，该检测线圈结构可利用两层子检测线圈之间的互感耦合效应显著放大金属物体对检测线圈整体的阻抗变化，同时错位排布结构可进一步消除检测盲区。

Description

基于层间耦合的检测线圈结构及金属物体检测系统
技术领域
本发明涉及金属探测和无线电能传输技术领域，特别涉及一种提升检测灵敏度的基于层间耦合的检测线圈结构及金属物体检测系统。
背景技术
无线电能传输技术原理为在发射线圈通入交变电流激励，产生交变磁场，能量通过该交变磁场耦合到接收线圈并为负载提供电能，从而实现了电能的无线传输。相较于传统的通过金属导线来实现电能传输的方式，无线电能传输技术可避免电火花、插头的接触磨损及老化等问题，同时可应用于非接触的电能传输场合。在该技术逐步应用的过程中，其安全问题(如：物体检测等)也需解决。
由于该技术的非接触特性，其发射端与接收端之间可能会引入物体，其中导电物体会由于涡流效应而发热，从而可能引发安全隐患(如：物体燃烧、烫伤人体、毁坏无线充电系统等)。而活体物体(如：人体、宠物、鸟类等)则会因暴漏在充电系统的强交变磁场中感到不适甚至病变。其他物体(如塑料等)则不会受强交变磁场影响或对无线充电系统产生破坏。针对无线电能传输系统的导电物体与活体物体需准确检测并识别物体类型，同时分别作出响应。
在金属探测领域，金属探测器对小尺寸金属物体(如：曲别针、订书钉等)或远距离的金属物体检测效果不佳甚至无法检测，需要正对或贴近检测(如：机场/车站安检金属探测仪等)。该问题本质上是金属物体对检测线圈的阻抗的影响较小。因此，在金属物体对检测线圈的阻抗的影响较小情况下，如何准确检测金属物体、提升检测灵敏度的问题需要解决。
针对于上述存在的问题，目前本领域技术相继提出如下检测线圈设计技术方案：
2012年Witricity公司Simon Verghese等提出了一种基于回形检测线圈单元检测金属物体的方法。该回形检测线圈通过合理设计每个子环的面积使自身的磁通量抵消，金属物体的引入会打破各子环之间的磁通量平衡，即通过检测回形检测线圈单元的感应电压即可检测金属物体的存在。同时该方法可设计成不同样式对不同结构的发射端线圈进行密铺，且可多层布置来消除检测死区。
2013年庞巴迪公司针对动态无线供电导轨设计了蜂窝状检测线圈阵列，通过检测每个线圈所在振荡器谐振频率是否变化来检测金属物体有无，以及微波多普勒雷达检测活体。
2014年高通公司Hanspeter Widmer等提出了一种基于多线圈电涡流传感器阵列的金属物体检测方法。其原理是将线圈作为LC振荡电路中的电感，当金属物体进入检测区域内，金属物体内部涡流产生的磁场反作用与检测线圈，会使通电线圈的阻抗发生变化,进而影响LC振荡电路的固有谐振频率。只需将发生变化的LC振荡电路频率与标准频率比较其频差即可知道金属物体的存在及位置。
2016年韩国科学技术院(KAIST)M.R.Sonapreetha等提出了一种可同时检测金属物体位置和副边线圈相对位置的检测线圈结构。其原理是借助原边线圈产生的交变磁场，通过测量检测线圈组的感应电压差值来反映金属物体引入时造成的两对称检测线圈的磁通量差异，进而测量检测线圈组的感应电压及其差值即可检测出金属物体的有无和位置，同时也可检测副边线圈的相对位置。实验中设计了检测电路及显示界面，并对多枚100韩元硬币进行检测，在界面中可准确检测出硬币的位置。
但相关技术依然存在一些缺陷，比如，实现无线充电物体检测所采用的技术种类繁多但相互独立；采用检测线圈方法进行金属物体检测时存在检测盲区或检测效果较差的位置，存在安全隐患；部分技术成本过高，不易于系统集成(如光纤折射检测法、光纤折射率温度检测法)；部分技术响应速度慢，存在滞后性(如温度检测法)；部分技术受环境影响及强交变磁场影响较大，无法对物体种类进行判断且可能存在误判(如机器视觉检测、雷达检测、铂电阻温度传感器等)。
因此，亟待一种新的线圈结构，以解决现有的金属物体检测线圈难以检测出诸如硬币、曲别针等小尺寸的金属物体的技术问题。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种基于层间耦合的检测线圈结构及其错位排布方式。
本发明的另一个目的在于提出一种高灵敏度无盲区的金属物体检测系统。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了基于层间耦合的检测线圈结构，包括：上层子检测线圈和下层子检测线圈，其中，所述上层子检测线圈和所述下层子检测线圈结构相同、尺寸近似或相同，且所述上层子检测线圈和所述下层子检测线圈之间正交，两个检测线圈的外边界完全重合、几何对称中心也完全重合；所述上层子检测线圈包括第一端子、第二端子、第三端子和第四端子，所述下层子检测线圈包括第五端子、第六端子、第七端子和第八端子，所述第一端子和所述第二端子连接，所述第七端子和所述第八端子连接，所述第一端子、所述第二端子或所述第七端子、所述第八端子两对中其中一对可连接引出线和开关切换或继电器接入至检测电路中，用于检测电路中多个检测线圈之间的切换，另一对端子相连接；所述第三端子、所述第四端子分别与所述第五端子、所述第六端子连接；所述第三端子、所述第四端子或所述第五端子、所述第六端子的连接方式用于切换改变进而改变上、下两层子检测线圈同名端的正向和反向连接方式。
本发明实施例的基于层间耦合的检测线圈结构，排布方式可综合相邻检测线圈结果显著提升金属物体位于检测线圈边角区域情况下的检测效果，可进一步消除检测盲区；同时，在无线电能传输应用场合中可采用检测线圈组或检测线圈阵列的方式铺设在发射端线圈表面进行金属物体检测以保障无线电能传输系统的安全性，也可显著降低无线充电系统功率传输过程中由发射端线圈产生的磁通量和感应电压，进而提升检测信号信噪比。
另外，根据本发明上述实施例的基于层间耦合的检测线圈结构还可以具有以下附加的技术特征：
可选地，在本发明的一个实施例中，所述上层子检测线圈和所述下层子检测线圈的结构为方形、圆形、多边形中的任一种。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述上层子检测线圈中的第三端子、第四端子与所述下层子检测线圈中的第五端子、第六端子之间通过多种开关器件或继电器和电路板中的引线、过孔或通孔实现串联连接，通过开关器件或继电器切换改变所述上层子检测线圈和所述下层子检测线圈的连接方式，使得所述上层子检测线圈和所述下层子检测线圈之间的互感的符号发生改变。
进一步地，在本发明的一个实施例中，当所述上层子检测线圈和所述下层子检测线圈之间的连接方式不同时，若存在金属物体，则不同的连接方式会使得当前所述上层子检测线圈和所述下层子检测线圈之间互感的符号不同。
进一步地，在本发明的一个实施例中，当检测线圈附近不存在金属物体时，所述下层子检测线圈在所述上层子检测线圈上产生的净磁通量为零，所述上层子检测线圈在所述下层子检测线圈上产生的净磁通量为零，理想情况下，所述上层子检测线圈和所述下层子检测线圈之间互感为零；所述上层子检测线圈和所述下层子检测线圈之间无互感耦合；当检测线圈附近存在金属物体时，所述下层子检测线圈在所述上层子检测线圈上产生的净磁通量不为零，所述上层子检测线圈在所述下层子检测线圈上产生的净磁通量不为零，所述上层子检测线圈和所述下层子检测线圈之间的互感不为零，所述上层子检测线圈和所述下层子检测线圈之间互感耦合。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了金属物体检测系统，包括：多个基于层间耦合的检测线圈构成的检测线圈阵列、数字频率合成器或信号发生器、处理器、阻抗放大电路、多个模数转换器和多个带通滤波器，其中，所述数字频率合成器与所述检测线圈阵列连接，所述检测线圈阵列中每个检测线圈与一个带通滤波器连接，每个带通滤波器均连接一个模数转换器，所述处理器分别与所述多个模数转换器、所述检测线圈阵列和所述数字频率合成器或所述信号发生器。
本发明实施例的金属物体检测系统，排布方式可综合相邻检测线圈结果显著提升金属物体位于检测线圈边角区域情况下的检测效果，可进一步消除检测盲区；同时，在无线电能传输应用场合中可采用检测线圈组或检测线圈阵列的方式铺设在发射端线圈表面进行金属物体检测以保障无线电能传输系统的安全性，也可显著降低无线充电系统功率传输过程中由发射端线圈产生的磁通量和感应电压，进而提升检测信号信噪比。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述检测线圈阵列种每个检测线圈所在支路均连接一个开关管或继电器、一个滤波电感和一个滤波电容。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述检测线圈阵列中相邻两行的检测线圈之间错位排布。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的基于层间耦合的检测线圈结构的结构示意图，其中，(a)为双矩形子检测线圈构成的正方形检测线圈，(b)为圆形检测线圈，(c)为双三角形子检测线圈构成的正方形检测线圈，(d)为六边形检测线圈；
图2是本发明一个实施例的基于层间耦合的检测线圈结构中上下层子检测线圈端子及连接实例图，其中，(a)为双矩形子检测线圈构成的正方形检测线圈，(b)为圆形检测线圈，(c)为双三角形子检测线圈构成的正方形检测线圈，(d)为六边形检测线圈；
图3是本发明一个实施例的基于层间耦合的检测线圈结构中上下层子检测检测线圈中第三、四端子与第五、六端子经由线圈PCB电路板引线、通过空或过孔等通过开关或继电器等方式改变上下层子线圈之间连接方式的结构示意图，其中，(a)为双矩形子检测线圈构成的正方形检测线圈，(b)为圆形检测线圈，(c)为双三角形子检测线圈构成的正方形检测线圈，(d)为六边形检测线圈；
图4是本发明一个实施例的基于层间耦合的检测线圈结构中上下层子检测检测线圈等效互感模型图，(a)为无金属物体时上下层子检测线圈无互感耦合示意图，(b)为存在金属物体时上下层子检测线圈产生互感耦合示意图；
图5是本发明一个实施例的上下层子线圈连接方式切换前后各子线圈同名端连接方式变化示意图；
图6是本发明一个实施例的金属物体检测系统的结构示意图；
图7是本发明一个实施例的检测线圈阵列整体排布示意图。
附图标记说明：
10-基于层间耦合的检测线圈结构、101-上层子检测线圈、102-下层子检测线圈、103-引线或通孔或过孔、104-开关切换或继电器、105-用于连接上下层子检测线圈的线圈电路板的引线或通孔或过孔、106-用于切换上下层子检测线圈连接方式的切换开关或继电器、20-金属物体检测系统、201-检测线圈阵列、202-数字频率合成器或信号发生器、203-处理器、204-阻抗放大电路、205-多个模数转换器、206-多个带通滤波器和信号发生器207。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于层间耦合的检测线圈结构及金属物体检测系统，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于层间耦合的检测线圈结构。
图1是本发明一个实施例的基于层间耦合的检测线圈结构的结构示意图。
如图1所示，该基于层间耦合的检测线圈结构10包括：上层子检测线圈101和下层子检测线圈102。
其中，上层子检测线圈101和下层子检测线圈102结构相同、尺寸近似或相同，且上层子检测线圈101和下层子检测线圈102之间正交，两个检测线圈的外边界完全重合、几何对称中心也完全重合。
进一步地，上层子检测线圈101和下层子检测线圈102的结构为方形、圆形、多边形中的任一种。
也就是说，如图1(a)-(d)所示，上层子检测线圈101和下层子检测线圈102的结构和尺寸近似或相同，可以是正方形、圆形、正六边形、正八边形等多边形；上层子检测线圈101和下层子检测线圈102外边界完全重合，上层子检测线圈101和下层子检测线圈102的结构(在不考虑实际排布所需的引线的情况下)都是中心对称的，且对称中心是完全重合的，上层子检测线圈101和下层子检测线圈102之间的位置角度相差90°(即正交)。
进一步地，上层子检测线圈101包括第一端子、第二端子、第三端子和第四端子，下层子检测线圈102包括第五端子、第六端子、第七端子和第八端子，其中，第一端子和第二端子连接，第七端子和第八端子连接，第一端子、第二端子或第七端子、第八端子两对中其中一对可连接引出线103(如图3(a)-(d)中虚线所示)和开关切换或继电器104接入至图6所示检测电路中，用于检测电路中多个检测线圈之间的切换，另一对端子相连接；第三端子、第四端子分别与第五端子、第六端子连接，可连接引出线105(如图3(a)-(d)中虚线所示)和用于切换上下层子检测线圈连接方式的切换开关或继电器106连接；第三端子、第四端子或第五端子、第六端子的连接方式用于切换改变进而改变上、下两层子检测线圈同名端的正向和反向连接方式。
举例而言，若设定上层子检测线圈101的端子3通过开关切换或继电器106连接至下层子检测线圈102之间通过端子5，上层子检测线圈101的端子4通过开关切换或继电器106连接至下层子检测线圈102之间通过端子6为上下层子线圈的正向连接方式，则通过开关切换或继电器106的部分导通控制上层子检测线圈101的端子3通过开关切换或继电器106连接至下层子检测线圈102之间通过端子6，上层子检测线圈101的端子4通过开关切换或继电器106连接至下层子检测线圈102之间通过端子5更改为上下层子线圈的反向连接方式。
举例而言，如图2(a)和图3(a)所示，实施例一，上层子检测线圈101和下层子检测线圈102的结构均为方形，可通过端子1和端子2引出检测线圈的连接线并用于在一套检测电路中多个检测线圈之间的切换和轮巡，上层子检测线圈101和下层子检测线圈102之间通过端子3、端子4、端子5和端子6以及线圈PCB电路板的引线、通孔或过孔105相连接，并通过开关切换或继电器106改变上层子检测线圈101与下层子检测线圈102的连接方式，端子7和端子8相短接；
如图2(b)和图3(b)所示，实施例二，上层子检测线圈101和下层子检测线圈102的结构均为可通过端子1和端子2引出检测线圈的连接线并用于在一套检测电路中多个检测线圈之间的切换和轮巡，上层子检测线圈101和下层子检测线圈102之间通过端子3、端子4、端子5和端子6以及线圈PCB电路板的引线、通孔或过孔105相连接，并通过开关切换或继电器106改变上层子检测线圈101与下层子检测线圈102的连接方式，端子7和端子8相短接。
如图2(c)和图3(c)所示，实施例三，可通过端子1和端子2引出检测线圈的连接线并用于在一套检测电路中多个检测线圈之间的切换和轮巡，上层子检测线圈101和下层子检测线圈102之间通过端子3、端子4、端子5和端子6以及线圈PCB电路板的引线、通孔或过孔105相连接，并通过开关切换或继电器106改变上层子检测线圈101与下层子检测线圈102的连接方式，端子7和端子8相短接。
如图2(d)和图3(d)所示，实施例四，可通过端子1和端子2引出检测线圈的连接线并用于在一套检测电路中多个检测线圈之间的切换和轮巡，上层子检测线圈101和下层子检测线圈102之间通过端子3、端子4、端子5和端子6以及线圈PCB电路板的引线、通孔或过孔105相连接，并通过开关切换或继电器106改变上层子检测线圈101与下层子检测线圈102的连接方式，端子7和端子8相短接。
进一步地，如图3(a)-(d)所示，上层子检测线圈中的第三端子、第四端子与下层子检测线圈中的第五端子、第六端子之间通过多种开关器件或继电器106和电路板中的引线、过孔或通孔103实现串联连接，通过开关器件或继电器106切换改变上层子检测线圈101和下层子检测线圈102的连接方式，进而改变上下两层子检测线圈同名端的正向和反向连接方式，使得上层子检测线圈101和下层子检测线圈102之间的互感的符号发生改变。当上层子检测线圈101和下层子检测线圈102之间的连接方式不同时，若存在金属物体，则不同的连接方式会使得当前上层子检测线圈101和下层子检测线圈102之间互感的符号不同。
其中，切换方式可以通过选用模拟开关、开关管、继电器等开关器件实现。
具体地，如图4所示，通过改变上层子检测线圈101和下层子检测线圈102的连接方式可以实现上层子检测线圈101和下层子检测线圈102的正向串联连接和反向串联连接。
当检测线圈附近不存在金属物体时，下层子检测线圈102在上层子检测线圈101上产生的净磁通量为零，上层子检测线圈101在下层子检测线圈102上产生的净磁通量为零，理想情况下，上层子检测线圈101和下层子检测线圈102之间互感为零，上层子检测线圈101和下层子检测线圈102之间无互感耦合；当检测线圈附近存在金属物体时，下层子检测线圈102在上层子检测线圈101上产生的净磁通量不为零，上层子检测线圈101在下层子检测线圈102上产生的净磁通量不为零，上层子检测线圈101和下层子检测线圈102之间的互感不为零，上层子检测线圈101和下层子检测线圈102之间互感耦合。
进一步地，如图5所示，通过某次开关切换可以改变上下层子检测线圈的串联方式，如同名端正向串联以及同名端反向串联，最终使得上层子检测线圈101和下层子检测线圈102之间的互感的符号与金属物体检测线圈在金属物体存在时自感的变化量符号保持一致，进而放大金属物体对检测线圈的阻抗变化。另外，正交排布可提升金属物体位于检测线圈边角区域情况下的检测效果，可进一步消除检测盲区，从而实现对硬币、曲别针等小尺寸金属物体的准确检测。
实施例五，本发明实施例中提出的检测线圈结构可应用在无线电能传输领域，可将上层子检测线圈101和下层子检测线圈102组成的检测线圈组或是检测线圈阵列的方式铺设在发射端线圈的表面进行金属物体检测，当发射端线圈附近存在金属物体时，上层子检测线圈101和下层子检测线圈102之间互感耦合不再为0，利用上、下层子检测线圈的层间互感来放大金属物体对检测线圈的阻抗变化，进而显著提升检测灵敏度和准确度。结构的整体检测线圈与无线电能传输系统的发射端和接收端线圈耦合程度较低，降低无线充电系统功率传输过程中由发射端线圈产生的磁通量和感应电压，进而提升检测信号信噪比。当检测到发射端表面存在金属物体时，发出警报甚至切断无线充电进程，从而保证无线充电过程中的安全性，另外，因上层子检测线圈101和下层子检测线圈102之间的正交排布结构可以利用层间互感耦合效应来提升金属物体位于检测线圈边角区域情况下的检测效果。
综上，本发明实施例提出的基于层间耦合的检测线圈结构，可以利用两层子检测线圈之间的互感耦合显著放大金属物体对检测线圈整体的阻抗变化，从而实现对硬币、曲别针等小尺寸金属物体的全方位准确检测，同时，错位排布方式可有效避免金属物体位于检测线圈边角时的盲区问题并可显著提升物体检测准确率；另外，在无线电能传输应用场合中可采用检测线圈组或检测线圈阵列的方式铺设在发射端线圈表面进行金属物体检测以保障无线电能传输系统的安全性，也可显著降低无线充电系统功率传输过程中由发射端线圈产生的磁通量和感应电压，进而提升检测信号信噪比。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的金属物体检测系统。
图6是本发明一个实施例的金属物体检测系统的结构示意图。
如图6所示，该系统20包括：多个上述基于层间耦合的检测线圈构成的检测线圈阵列Lk(k＝1,2,…,n)201、数字频率合成器202或信号发生器207、处理器203、阻抗放大电路204、多个模数转换器205和多个带通滤波器206，其中，
数字频率合成器202与检测线圈阵列201连接，检测线圈阵列201中每个检测线圈与一个带通滤波器206连接，每个带通滤波器206均连接一个模数转换器205，处理器203分别与多个模数转换器205、检测线圈阵列201和数字频率合成器202。
其中，检测线圈阵列201中每个检测线圈所在支路均连接一个开关管或继电器、一个滤波电感Ln和一个滤波电容Cn，如图7所示，且检测线圈阵列201中相邻两行的检测线圈之间错位排布。
具体地，如图6所示，假设总共有m行检测线圈阵列，相邻两行检测线圈之间错位排布，数字频率合成器202或信号发生器207输出高频激励源信号进入阻抗放大电路204，当处理器203驱动及控制检测线圈阵列201进行金属物体检测时，若某个检测线圈检测到金属物体，则经带通滤波器206信号处理获得用于检测的信噪比较好的电压信号幅值或有效值，并通过其对应的模数转换器205，将检测信号的电压幅值或有效值信号转化为数字信号，以发送给处理器203，处理器203根据数字信号计算阻抗变化，并根据阻抗变化以激励源频率控制数字频率合成器202，将阻抗放大，同时，根据检测线圈位置确定检测金属物体的位置，另外，因相邻两行检测线圈之间错位排布，可有效减小金属物体位于检测线圈边角时的盲区问题。
可以理解的是，因受检测线圈阵列产生的功率磁场干扰小，抗干扰能力强，金属物体检测系统可独立工作；另外，检测线圈结构的磁力线闭合，检测线圈阵列中检测线圈之间的交叉耦合影响较小，因此，检测线圈阵列的参数一致性较好。
综上，本发明实施例提出的金属物体检测系统，可以利用两层子检测线圈之间的互感耦合显著放大金属物体对检测线圈整体的阻抗变化，从而实现对硬币、曲别针等小尺寸金属物体的全方位准确检测，同时，错位排布方式可有效避免金属物体位于检测线圈边角时的盲区问题并可显著提升物体检测准确率。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种基于层间耦合的检测线圈结构，其特征在于，包括上层子检测线圈和下层子检测线圈，其中，
所述上层子检测线圈和所述下层子检测线圈结构相同、尺寸近似或相同，且所述上层子检测线圈和所述下层子检测线圈之间正交，两个检测线圈的外边界完全重合、几何对称中心也完全重合；
所述上层子检测线圈包括第一端子、第二端子、第三端子和第四端子，所述下层子检测线圈包括第五端子、第六端子、第七端子和第八端子，其中，所述第一端子和所述第二端子连接，所述第七端子和所述第八端子连接，所述第一端子、所述第二端子或所述第七端子、所述第八端子两对中其中一对可连接引出线和开关切换或继电器接入至检测电路中，用于检测电路中多个检测线圈之间的切换，另一对端子相连接；所述第三端子、所述第四端子分别与所述第五端子、所述第六端子连接；所述第三端子、所述第四端子或所述第五端子、所述第六端子的连接方式用于切换改变进而改变上、下两层子检测线圈同名端的正向和反向连接方式。
2.根据权利要求1所述的基于层间耦合的检测线圈结构，其特征在于，所述上层子检测线圈和所述下层子检测线圈的结构为方形、圆形、多边形中的任一种。
3.根据权利要求1所述的基于层间耦合的检测线圈结构，其特征在于，所述上层子检测线圈中的第三端子、第四端子与所述下层子检测线圈中的第五端子、第六端子之间通过多种开关器件或继电器和电路板中的引线、过孔或通孔实现串联连接，通过开关器件或继电器切换改变所述上层子检测线圈和所述下层子检测线圈的连接方式，使得所述上层子检测线圈和所述下层子检测线圈之间的互感的符号发生改变。
4.根据权利要求3所述的基于层间耦合的检测线圈结构，其特征在于，当所述上层子检测线圈和所述下层子检测线圈之间的连接方式不同时，若存在金属物体，则不同的连接方式会使得当前所述上层子检测线圈和所述下层子检测线圈之间互感的符号不同。
5.根据权利要求1所述的基于层间耦合的检测线圈结构，其特征在于，
当检测线圈附近不存在金属物体时，所述下层子检测线圈在所述上层子检测线圈上产生的净磁通量为零，所述上层子检测线圈在所述下层子检测线圈上产生的净磁通量为零，所述上层子检测线圈和所述下层子检测线圈之间互感为零；
当检测线圈附近存在金属物体时，所述下层子检测线圈在所述上层子检测线圈上产生的净磁通量不为零，所述上层子检测线圈在所述下层子检测线圈上产生的净磁通量不为零，所述上层子检测线圈和所述下层子检测线圈之间的互感不为零，所述上层子检测线圈和所述下层子检测线圈之间互感耦合。
6.一种金属物体检测系统，其特征在于，包括：多个基于上述权利要求1-5中任一项所述的基于层间耦合的检测线圈构成的检测线圈阵列、数字频率合成器或信号发生器、处理器、阻抗放大电路、多个模数转换器和多个带通滤波器，其中，
所述数字频率合成器与所述检测线圈阵列连接，所述检测线圈阵列中每个检测线圈与一个带通滤波器连接，每个带通滤波器均连接一个模数转换器，所述处理器分别与所述多个模数转换器、所述检测线圈阵列和所述数字频率合成器或所述信号发生器。
7.根据权利要求6所述的金属物体检测系统，其特征在于，所述检测线圈阵列种每个检测线圈所在支路均连接一个开关管或继电器、一个滤波电感和一个滤波电容。
8.根据权利要求6所述的金属物体检测系统，其特征在于，所述检测线圈阵列中相邻两行的检测线圈之间错位排布。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114062485A (zh) * 2021-12-03 2022-02-18 哈尔滨工业大学 一种平面柔性差分脉冲涡流探头及其使用方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107807394A (zh) * 2017-09-28 2018-03-16 哈尔滨工业大学 置于无线能量发射线圈端的多异物检测线圈装置
US20180309327A1 (en) * 2012-03-14 2018-10-25 Sony Corporation Detecting apparatus, power receiving apparatus, power transmitting apparatus, and contactless power supply system
CN111082537A (zh) * 2019-12-30 2020-04-28 北京有感科技有限责任公司 异物检测设备和无线充电系统
CN111257409A (zh) * 2020-01-21 2020-06-09 电子科技大学 双层双d型线圈及基于线圈的缺陷方向检测方法和装置
CN111399067A (zh) * 2019-01-03 2020-07-10 比亚迪股份有限公司 车辆无线充电装置的导电异物探测系统和方法
CN111580173A (zh) * 2020-06-04 2020-08-25 山东大学 一种金属物体检测传感器及检测装置
CN111835095A (zh) * 2020-06-19 2020-10-27 华为技术有限公司 异物检测装置及无线充电发射端设备
CN111856591A (zh) * 2020-07-10 2020-10-30 国网天津市电力公司 立体线圈金属异物检测装置

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180309327A1 (en) * 2012-03-14 2018-10-25 Sony Corporation Detecting apparatus, power receiving apparatus, power transmitting apparatus, and contactless power supply system
CN107807394A (zh) * 2017-09-28 2018-03-16 哈尔滨工业大学 置于无线能量发射线圈端的多异物检测线圈装置
CN111399067A (zh) * 2019-01-03 2020-07-10 比亚迪股份有限公司 车辆无线充电装置的导电异物探测系统和方法
CN111082537A (zh) * 2019-12-30 2020-04-28 北京有感科技有限责任公司 异物检测设备和无线充电系统
CN111257409A (zh) * 2020-01-21 2020-06-09 电子科技大学 双层双d型线圈及基于线圈的缺陷方向检测方法和装置
CN111580173A (zh) * 2020-06-04 2020-08-25 山东大学 一种金属物体检测传感器及检测装置
CN111835095A (zh) * 2020-06-19 2020-10-27 华为技术有限公司 异物检测装置及无线充电发射端设备
CN111856591A (zh) * 2020-07-10 2020-10-30 国网天津市电力公司 立体线圈金属异物检测装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
孙天: "电动车无线充电系统中小尺寸金属异物的检测与定位研究", 《 CNKI优秀硕士学位论文全文库》, no. 01 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114062485A (zh) * 2021-12-03 2022-02-18 哈尔滨工业大学 一种平面柔性差分脉冲涡流探头及其使用方法

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