CS235271B1

CS235271B1 - Contactless switch wiring

Info

Publication number: CS235271B1
Application number: CS83609A
Authority: CS
Inventors: Ivan Stransky
Original assignee: Ivan Stransky
Priority date: 1983-01-31
Filing date: 1983-01-31
Publication date: 1985-05-15
Also published as: CS60983A1

Abstract

Zapojení řeší problém miniaturizace bezkontaktního spínače s oscHátorwou smyčkou. Problém je řešen tím, že na volně Stavitelný oscilátor (2) je napojen zesilovací detektor (3), za kterým je dále zařazen klopný obvod (5) a na něj je apojen digitální výstup (6). Pro nastavení polohy sepnutí je mezi zesilovací detektor (3) a klopný obvod (5) vložen laditelný komparátor (4). Uvedené zapojení lze použít pro polohovéní přesných mechanismů a manipulátorů, indikaci malých kovových předmětů, identifikaci mezilamelové izolace komutátorů, identifikaci kovových povlaků různých šířek, snímání otáček, úhlů natočení a podobně.The connection solves the problem of miniaturization of a contactless switch with an oscillator loop. The problem is solved by connecting an amplifying detector (3) to the freely adjustable oscillator (2), followed by a flip-flop circuit (5) and a digital output (6) to it. To set the switching position, a tunable comparator (4) is inserted between the amplifying detector (3) and the flip-flop circuit (5). The above connection can be used for positioning precise mechanisms and manipulators, indicating small metal objects, identifying interlamellar insulation of commutators, identifying metal coatings of various widths, sensing speeds, angles of rotation, and the like.

Description

Vynález se vztahuje na zapojení bezkontaktního spínače s oscilátorovou smyčkou, pracující na principu vířivých proudů. Vynález řeší problém miniaturizace rozměrů bezkontaktního spínače.The present invention relates to an eddy-current contactless switch with an oscillator loop. The invention solves the problem of miniaturizing the dimensions of a contactless switch.

Známé bezkontaktní spínače jsou tvořeny čidlem, zapojeným do oscilátorové smyčky. Oscilátor pracuje na pevně stanoveném kmitočtu a jeho hodnoty jsou nastaveny tak, že pokud čidlo není aktivováno přiblížením předmětu, pracuje na předvoleném boku rezonanční křivky laděného obvodu. Detekcí se získá stejnosměrný proud daného napětí a intenzity, který se využívá k indikačním nebo regulačním účelům.Known proximity switches consist of a sensor connected to an oscillator loop. The oscillator operates at a fixed frequency and its values are set so that if the sensor is not activated by approaching the object, it operates on the preset side of the resonant curve of the tuned circuit. Detection yields a direct current of a given voltage and intensity, which is used for indication or control purposes.

Přiblížením indikovaného předmětu k čidlu vzniká tak zvaný fiktivní závit na krátko, $ímž se změní komplexní impedance cívky. Tím se změní amplituda oscilátoru, a tím i vystupující stejnosměrné napětí. Při určité míře přiblížení indikovaného předmětu k čidlu se impedance posune tak, že se oscilátor zcela rozladí, dochází k rozpadu kmitů a detekované stejnosměrné napětí klesne na nulu.Approaching the indicated object to the sensor creates a so-called fictitious thread for a short time, changing the complex impedance of the coil. This changes the amplitude of the oscillator and thus the outgoing DC voltage. With a certain degree of proximity of the indicated object to the sensor, the impedance is shifted so that the oscillator is fully tuned, the oscillation breaks and the detected DC voltage drops to zero.

Běžně používaná čidla mají tužkový tvar o průměru 8 až 10 mm.Commonly used sensors have a pencil shape with a diameter of 8 to 10 mm.

Na oscilační okruh je napojeno jednoduché detekční zapojení. V některých případech je oscilátor i detektor vestavěn přímo do pouzdra čidla, takže celý spínač tvoří jediný blok.A simple detection circuit is connected to the oscillating circuit. In some cases, the oscillator and detector are built directly into the sensor housing so that the entire switch is a single block.

Bezdotykové snímače používají oscilátor se dvěma vinutími, jejichž vzájemná vazba se mění přiblížením předmětu.Proximity sensors use an oscillator with two windings whose mutual relationship changes by the approach of the object.

Jsou známy i snímače, používající jen jedno vinutí. Tak například je známo zapojení snímače, který má cívku a kondenzó- 2 235 271 tor, přičemž na horní konec cívky je napojen detektor, jehož výstup je napojen na neinvertující vstup komparátoru. Další detektor je připojen na horní konec kondenzátoru, přičemž výstup detektoru je připojen přes odporový dělič na neinvertující vstup komparátoru. Vzdálenost, na kterou snímač reaguje a jeho hystereze se reguluje změnou velikosti odporů v odporovém děliči.Sensors using only one winding are also known. For example, it is known to connect a sensor having a coil and a condenser, the detector whose output is connected to the non-inverting comparator input. Another detector is connected to the upper end of the capacitor, the output of the detector is connected via a resistive divider to the non-inverting input of the comparator. The distance to which the sensor reacts and its hysteresis is controlled by changing the resistor size in the resistive divider.

Rozměr čidla určuje přesnost polohování a velikost předmětu, na jehož přiblížení snímač reaguje. Se zvyšováním požadované přesnosti indikace a zmenšováním rozměrů předmětů, na něž má čidlo reagovat, se vyvíjela čidla stále menších rozměrů. V současné době činí minimální průměr čidla cca 2 mm.The size of the sensor determines the positioning accuracy and the size of the object to which the sensor reacts. As the required accuracy of the indication was increased and the dimensions of the objects to which the sensor was intended to respond, sensors of ever smaller dimensions developed. At present, the minimum diameter of the sensor is approx. 2 mm.

Snižování rozměrů čidla má ovšem své důsledky a proto i své meze. Zmenšování rozměrů čidla vede k poklesu indukčnosti cívky čidla_za tím i ke snižování citlivosti čidla.Reducing the dimensions of the sensor, however, has its consequences and therefore its limits. Reducing the dimensions of the sensor leads to a decrease in the inductance of the sensor coil _z and thus to a lower sensitivity of the sensor.

U čidel o průměru 1,6 až 2,5 mm selhávají dosavadní známá zapojení úplně. Pokud se tato miniaturizovaná čidla používají pro některé speciální účely, například v oblastí defektoskopie, opatřují se značně náročnými a složitými a tudíž i nákladnými a rozměrnými vyhodnocovacími okruhy.In the case of sensors with a diameter of 1.6 to 2.5 mm, the prior art connections fail completely. When these miniaturized sensors are used for some special purposes, for example in the area of defectoscopy, they are provided with very demanding and complex and therefore expensive and dimensional evaluation circuits.

**

Úkolem vynálezu je vytvořit zapojení bezkontaktního spínače s čidlem miniaturních rozměrů, jež by umožňovalo spolehlivé polohování předmětů a přitom bylo maximálně jednoduché.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a contactless switch with a miniature size sensor which enables reliable positioning of objects while being as simple as possible.

Úloha je řešena na základě těchto teoretických úvah:The problem is solved based on the following theoretical considerations:

Reakce čidla, to je změna impedance, je dána jakostí materiálu clony, to je tak zvaným fiktivním závitem na krátko, jakostí Qg a hloubkou vniku. Hloubka vniku je dána vzdáleností čidla od povrchu. Citlivost a hystereza spínání je optimální při polohování kolmo na čidlo.The reaction of the sensor, that is to say the impedance change, is given by the quality of the orifice material, that is, by the so-called dummy short-circuit thread, the Qg quality and the penetration depth. The penetration depth is determined by the distance of the sensor from the surface. Sensitivity and hysteresis of switching is optimal when positioning perpendicular to the sensor.

- 3 ’35 271- 3 '35 271

Výsledná indukčnost cívky, přiložené na clonu, je dána vzorcemL_y = L_r(l -^.-5 _Ω2The resulting inductance of the coil applied to the orifice is given by the formula L _y = L _r (l - ^ .- 5 _Ω 2

Q₂ a výsledný ohmický odpor cívky přiložené na clonuQ ₂ and the resulting ohmic resistance of the coil applied to the orifice plate

--Q| + i kde je indukčnost příložné cívky čidla R^ je odpor příložné cívky čidla--Q | + i where the sensor coil inductance R ^ is the sensor coil resistance

Q₁ je činitel jakosti příložné cívkyQ ₁ is the quality factor of the contact spool

Qg j© činitel jakosti clony, jg je činitel vazbyQg is the aperture quality factor, jg is the coupling factor

Změna vlastní impedance vinutí příložné cívky o poloměru r, protékajícím proudů I, kmitočtu f generátoru, napájejícího cívku, při vzdálenosti h cívky kolmo na aktivní plochu k materiálu clony o síle d materiálu a měrné vodivosti 0“ je dána vzorcem vn přičemž c»o rThe change in intrinsic impedance of the contact coil winding with radius r, flowing currents I, frequency f of the generator, supplying the coil, at coil distance h perpendicular to the active surface to the orifice material of material thickness d and

4(Ar)e^_2hl.4 (Ar) ^_2hl e.

+ jcUff-A+ jcUff-A

Λ +/Ά+ j ωσ·ρΛ + / Ά + j ωσ · ρ

-.d λ vn-.d λ vn

- 4 kde Z_n je počáteční impedance- 4 where Z _n is the initial impedance

Z^i je vnesená impedance, způsobená přiblížením na danou vzdálenostZ ^ i is the impedance that is brought about by approaching a given distance

Z je celková impedance r je poloměr cívky h je vzdálenost cívky od materiálu d je síla materiálu clony j je imaginární složka je Besselova funkce prvého řádu je kruhová frekvence /U,_q je permeabilita vakua n^ je počet závitů cívky e je přirozené číslo Λ je parametr Besselovy funkce 6 je vodivostZ is total impedance r is coil radius h is coil distance from material d is aperture material thickness j is imaginary component is first order Bessel function is circular frequency / U, _q is vacuum permeability n ^ is number of coil windings e is natural number Λ is the Bessel function parameter 6 is conductivity

Změnou komplexní impedance cívky vlivem vířivých proudů v přiloženém materiálu dochází ke změně amplitudy oscilátoru a k posuvu pracovního bodu rezananční křivky laděného obvodu. Pro určité kritické nastavení pracovního bodu dochází k rozpadu kmitů oscilátoru, když se detekovaný předmět přiblíží na předvolenou vzdálenost.Changing the complex impedance of the coil due to eddy currents in the enclosed material changes the amplitude of the oscillator and shifts the operating point of the resonance curve of the tuned circuit. For a certain critical operating point setting, the oscillator oscillates when the detected object approaches a preset distance.

Na základě yýše uvedených teoretických úvah je úloha řešena vytvořením zapojení bezkontaktního spínače s oscilátorovou smyčkou, pracujícího na principu vířivých proudů, jež se od známých zapojení podle vynálezu liší tím, že stavitelný oscilátor je napojen na zesilovací detektor, za nímž je dále zařazen klopný obvod a na něj napojen digitální výstup.Based on the above theoretical considerations, the problem is solved by creating an eddy-current contactless oscillator loop switch which differs from the known circuitry according to the invention in that the adjustable oscillator is connected to an amplification detector followed by a flip-flop and digital output connected to it.

Pro regulovatelné nastavení polohy sepnutí je podle vynálezu mezi zesilovací detektor a klopný obvod vložen laditelný komparátor.According to the invention, a tunable comparator is inserted between the amplifier detector and the flip-flop for adjusting the switching position.

Zapojení bezkontaktního spínače, vytvořené podle vynálezu, má početné výhody, btaožňuje použít bezkontaktní čidla miniaturních rozměrů s minimální hmotností. Při průměru čidla 1,6 až 2,5 mm je citlivost stavitelná v rozsahu 0,1 až 2,5 mm čelně. Při použití laditelného komparátoru lze zajistit přesnot polohování cca 0,1 mra. Počet sepnutí je neomezený. Citlivost na nepříznivé vlivy prostředí jako je prach, otřesy a podobně, je minimální.The wiring of a proximity switch according to the invention has numerous advantages, making it possible to use proximity sensors of miniature dimensions with minimal weight. With a sensor diameter of 1.6 to 2.5 mm, the sensitivity is adjustable in the range of 0.1 to 2.5 mm frontally. When using a tunable comparator, positioning accuracy of approx. 0.1 mra can be ensured. The number of switching operations is unlimited. Sensitivity to adverse environmental influences such as dust, shocks and the like is minimal.

- 5 235 271- 5 235 271

Příklady provedení zapojení bezkontaktního spínače, uspořádaného podle vynálezu, jsou uvedeny na připojeném výkresu, kde na obr. 1 je znázorněno jednodušší zapojení podle vynálezu, na obr. 2 pak zapojení z obr. 1, doplněné o laditelný komparátor.Examples of embodiments of a contactless switch arrangement according to the invention are shown in the attached drawing, in which Fig. 1 shows a simpler circuit according to the invention, and Fig. 2 shows the circuit in Fig.

Čidlo 1 o čelním průměru 1,6 až 2,5 mm je tvořeno feritovou tyčkou, na niž jsou navinuty dvě vrstvy měděného drátu. Celek je mechanicky chráněn mosazným pouzdrem. Čidlo je spojeno s volně stavitelným oscilátorem 2, který je osazen například obvodem ΜΔΑ 5005 a tranzistorem. Volně stavitelný oscilátor 2 pracuje na pevné-řrekvenci, například 0,5 MHz. Polohu pracovního bodu na rezonanční křivce lze naladit pomocí laditelné vazební indukčnosti a dvou stavitelných kondenzátorů, jež nejsou na obr. znázorněny.The sensor 1 with a front diameter of 1.6 to 2.5 mm consists of a ferrite rod on which two layers of copper wire are wound. The unit is mechanically protected by a brass case. The sensor is connected to a freely adjustable oscillator 2, which is fitted, for example, with a ΜΔΑ 5005 circuit and a transistor. The freely adjustable oscillator 2 operates at a fixed frequency, for example 0.5 MHz. The position of the operating point on the resonance curve can be tuned using tunable coupling inductance and two adjustable capacitors, not shown in the figure.

Volně stavitelný oscilátor 2 je propojen se zesilovacím detek torem 2., který je složen 2 detekčního stupně, osazeného dvěma diodami a zesilovacího stupně, osazeného tranzistorem. K zesilovacímu detektoru 2 je připojen klopný obvod 2t který ovládá digitální výstup 6, pracující v binárním ko^zdu.The freely adjustable oscillator 2 is connected to an amplifier detector 2, which is composed of 2 detection stages equipped with two diodes and an amplifier stage equipped with a transistor. The amplification of the detector 2 is connected to flip-flop 2 t which controls a digital output 6, working in ^a binary co chloride.

Při tomto zapojení lze citlivost nastavit pomocí stavitelných prvků volně stavitelného oscilátoru 2. Klopný obvod 2 se překlopí až při úplném rozpadu kmitů volně stavitelného oscilátoru 2.With this connection, the sensitivity can be adjusted by means of the adjustable elements of the freely adjustable oscillator 2. The flip-flop 2 does not flip up until the oscillator 2 freely decays.

Pro nastavení polohy' sepnutí je mezi zesilovací detektor 2 ^aklopný obvod 2 vložen laditelný komparátor jak znázorněno na obr. 2, Ladit elným komparátorem d lze nastavit velikost napětí, vycházejícího ze zesilovacího detektoru 2t Ρ*Ί němž se klopný obvod 2 překlopí. Klopný obvod 2 reguje tedy již na pouhé stoupnutí či klesnutí napětí na výstupu zesilovacího detektoru 5.· To umožňuje nastavit přesno polohoVání podle potřeby až ha - 0,05 mm.A tunable comparator is inserted between the amplifier detector 2 ^{and the} flip-flop 2 as shown in Fig. 2. The amount of voltage coming from the amplifier detector 2t Ρ * Ί can be tuned by the comparator d to flip the flip-flop. The flip-flop 2 thus regulates only the rise or fall of the voltage at the output of the amplification detector 5. This allows to adjust the exact positioning up to ha - 0.05 mm as required.

Zapojení bezkontaktního spínače podle vynálezu lze použít pro polohovóní přesných mechanismů a manipulátorů, indikaci malých kovových předmětů, identifikaci mezilamelové izolace komutátorů, identifikaci kovových povlaků různých šířek, snímání otáček, úhlů natočení a podobně.The contactless switch wiring according to the invention can be used for positioning precision mechanisms and manipulators, indicating small metal objects, identifying inter-blade commutator insulation, identifying metal coatings of varying widths, speed sensing, rotation angles, and the like.

Claims

1. Connection of an eddy-current contactless oscillating loop switch comprising a sensor coupled to a freely adjustable oscillator, characterized in that an amplifier detector (3) is connected to the freely adjustable oscillator (2), followed by a flip-flop circuit (5) and connected to the digital output (6).

Connection according to claim 1, characterized in that a tunable comparator (4) is inserted between the amplifier detector (3) and the flip-flop (5).