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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf induktive Sensoren mit einem Oszillator mit mindestens einer Messspule und einem Verstärker mit einstellbarer Verstärkung. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Maßnahmen zur Anpassung der Eigenschaften des Verstärkers, um die Empfindlichkeit des induktiven Sensors reproduzierbar zu erhöhen.
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Technischer Hintergrund
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Induktive Sensoren werden im Allgemeinen eingesetzt, um eine Änderung der Induktivität oder eine Änderung des Energieverlustes in einem Magnetfeld aufgrund verschiedener physikalischer Einflüsse zu erfassen. Insbesondere werden induktive Sensoren häufig für Näherungssensoren eingesetzt, bei denen das Vorhandensein, die Nichtvorhandensein eines leitenden Objekts in oder die Bewegung eines leitenden Objekts innerhalb oder durch einen Erfassungsbereich erfasst werden soll.
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Induktive Sensoren haben oft einen Oszillator mit einem Resonanzkreis, der mit einer Messspule und einem Kondensator gebildet ist. Während des Betriebs schwingt der Oszillator, während die Messspule ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, das durch das Vorhandensein leitfähiger Objekte erheblich beeinträchtigt werden kann. Daher erzeugen leitfähige Objekte, die in einen Erfassungsbereich der Messspule eindringen oder diesen verlassen oder sich in den Erfassungsbereich hinein oder heraus bewegen, eine Änderung eines Energieverlustes des von der Messspule erzeugten Magnetfeldes.
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Während des Betriebs weist der Resonanzkreis eine Resonanzfrequenz auf, die durch die Induktivität der Messspule und durch die Kapazität des Kondensators bestimmt wird. Durch eine Rückkopplungsverstärkung wird der Resonanzkreis so angeregt, dass die Schwingung durch Einspritzen von Energie in Phase mit der Schwingung aufrechterhalten wird.
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Weiterhin führt das Vorhandensein eines Objekts im Erfassungsbereich zu einer Abnahme eines Qualitätsfaktors der Messspule, verursacht durch einen Energieverlust durch die Erzeugung von Wirbelströmen im Objekt. Im Betrieb führt dies zu einer Änderung der Schwingungsfrequenz der angeregten Schwingung und zu einer Änderung der Schwingungsamplitude.
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In Anwendungen, in denen das Vorhandensein, die Nichtvorhandensein oder die Bewegung von Objekten häufig erfasst werden soll, wird die Amplitudenänderung analysiert. Daher sind die Eigenschaften der Rückkopplungsverstärkung in der Regel so ausgebildet, dass eine hohe Empfindlichkeit der Amplitude in Bezug auf eine Änderung der Resonanzeigenschaften durch das Vorhandensein eines Objekts im Erfassungsbereich erreicht wird.
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Weiterhin wird die Verstärkung in der Regel linearisiert, was eine nahezu konstante Verstärkung des Betriebspunktes für den Normalbetrieb ermöglicht. Wenn jedoch die Verstärkungseigenschaften der Verstärkung zu flach sind (konstante Verstärkung), kann die Erholungszeit, um die Schwingung nach einer wesentlichen Dämpfung wieder in den Arbeitspunkt zu bringen, für eine bestimmte Anwendung zu lang sein. In einer verstimmten Betriebsart, die z.B. während einer Anlaufphase des induktiven Sensors oder bei einer hohen Dämpfung des Resonanzkreises durch ein Objekt auftreten kann, muss die Verstärkung daher eine sehr hohe Verstärkung aufweisen, um den Betrieb schnell wieder in den Arbeitspunkt mit einer stabilen Schwingung zu bringen. Daher gibt es zwei gleichzeitige Ziele, die erreicht werden müssen, was in der Regel durch die Anpassung der Verstärkungseigenschaften der Verstärkung erreicht wird.
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Die Anpassung der Verstärkungseigenschaften von Verstärkern ist in der Technik weit verbreitet. In der Regel werden nichtlineare Halbleitereffekte zur Bildung der Verstärkungseigenschaften verwendet. Das führt jedoch zu einer hohen Temperaturabhängigkeit und leidet unter einer geringen Reproduzierbarkeit, so dass der Einsatz in induktiven Sensoren, wie beispielsweise Näherungssensoren, nicht sinnvoll ist. Darüber hinaus lassen sich diese nichtlinearen Verstärkungseigenschaften, die auf Halbleitereffekten basieren, nicht einfach abstimmen.
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Im Wesentlichen ist es wünschenswert, einen induktiven Sensor vorzusehen, der mit geeigneten Verstärkungseigenschaften und einer hohen Unabhängigkeit von Temperatur- und Bauteilschwankungen ausgebildet sein kann.
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Es ist daher Gegenstand der vorliegenden Erfindung, einen induktiven Sensor und eine Messvorrichtung bereitzustellen, die im Wesentlichen ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis, eine niedrige Temperatur- und Komponentenvariation und eine geringe Erholungszeit aufweisen, um den Betrieb wieder auf den Betriebspunkt abzustimmen, sobald die Schaltung verstimmt wurde.
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Offenbarung der Erfindung
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Die obige Aufgabe wird durch den induktiven Sensor nach Anspruch 1, durch die Messvorrichtung und durch die Näherungssensorvorrichtung nach den weiteren unabhängigen Ansprüchen gelöst.
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Weitere Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein induktiver Sensor, insbesondere für einen Näherungssensor, vorgesehen, umfassend:
- - einen Resonanzkreis mit einer Messspule;
- - einen Verstärker, der eine erste Verstärkungsstufe und eine zweite Verstärkungsstufe umfasst, die jeweils über entsprechende Abstimmelemente mit dem Resonanzkreis gekoppelt sind, um Energie zum Aufrechterhalten einer Schwingung des Resonanzkreises zu injizieren,
wobei die erste Verstärkungsstufe eine im Wesentlichen lineare Verstärkung bereitstellt und die zweite Verstärkungsstufe ein Komparatorverhalten bereitstellt.
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Der obige induktive Sensor weist im Wesentlichen einen Resonanzkreis und einen Verstärker auf. Der Resonanzkreis weist eine Messspule auf, die im Oszillationsbetrieb ein magnetisches Wechselfeld in einem Erfassungsbereich erzeugt. Leitfähige Objekte, die in den Erfassungsbereich der Messspule eintreten, reduzieren die Energie der Schwingung im Resonanzkreis (Qualitätsfaktor) durch die Erzeugung von Wirbelströmen in den Objekten.
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Der Verstärker erregt den Resonanzkreis durch eine Rückkopplung des verstärkten Schwingungssignals. So wird ein Ausgang des Verstärkers in den Resonanzkreis zurückgeführt, um den Energieverlust durch eine Dämpfung durch parasitäre Effekte und durch Objekte im Erfassungsbereich zu kompensieren. Der Verstärker ist daher ausgebildet, um Energie in den Resonanzkreis einzuspeisen, so dass für jede Dämpfung eine spezifische Schwingung mit einer Amplitude und Frequenzeigenschaft für die Dämpfung eingestellt wird. Durch eine nahezu konstante Verstärkung wird die Schwingungsamplitude stark abhängig vom Gütefaktor der Schwingung, d.h. vom Gütefaktor der von einem Objekt im Erfassungsbereich betroffenen Messspule, eingestellt.
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Zweitens wird vom Verstärker ein verstärktes Schwingungssignal zur weiteren Analyse und Ableitung des Sensorsignals bereitgestellt.
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Wie bereits erwähnt, muss für einen stabilen Betrieb des induktiven Sensors der Verlauf der Leerlaufverstärkung (Open Loop Verstärkung versus Eingangsspannung bei einer offenen Regelschleife) des Oszillators geformt werden. Um einen Verlauf der Leerlaufverstärkung des Oszillators bereitzustellen, der eine im Wesentlichen konstante Verstärkung im Betriebsbereich und einen hohen Gradienten der Leerlaufverstärkung für den stark verstimmten Oszillator aufweist, umfasst der Verstärker eine erste Verstärkungsstufe mit einer im Wesentlichen konstanten Verstärkung, d.h. einem linearen Verhalten, und eine zweite Verstärkungsstufe mit einem Komparatorverhalten, d.h. mit einer sehr hohen Verstärkung, so dass sie im Wesentlichen wie ein Komparator arbeitet. Grundsätzlich ermöglicht das Komparatorverhalten die Verstärkung kleiner Spannungen, indem sie die zweite Verstärkungsstufe in Bezug auf ihre Ausgangsleistung in die Sättigung treibt.
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Die erste und die zweite Verstärkungsstufe sind parallel zum Resonanzkreis gekoppelt, während die Ausgänge der Verstärkungsstufen in einer eingestellten gewichteten Weise auf den Resonanzkreis zurückgekoppelt werden. Dadurch kann ein definierter Verlauf der Leerlaufverstärkung des Oszillators eingestellt werden, der hauptsächlich durch die Abstimmelemente bestimmt wird, durch die die beiden Verstärkungsstufen mit dem Resonanzkreis rückgekoppelt sind. Dabei definiert der Begriff „open loop“ eine Abschaltung der Rückkopplungsverbindung von einem Ausgang des Verstärkers und des Resonanzkreises zum Eingang des Verstärkers, die als Modell zur Charakterisierung des Oszillators dient. Die Leerlaufverstärkung ist definiert als die Verstärkung, die sich aus einem Verhältnis der Spannungsamplitude der Schwingung am Resonanzkreis und einer variablen Amplitude am Verstärkereingang für eine offene Regelschleife ergibt.
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Darüber hinaus können die Verstärkungsstufe mit linearer Verstärkung und die Verstärkungsstufe mit Komparatorverhalten mit hoher Temperaturstabilität und geringen Toleranzen versehen werden, z.B. als Operationsverstärker und/oder Komparator.
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Darüber hinaus können die Abstimmelemente mit Widerständen gebildet werden, während die Verstärkungseigenschaften des Verstärkers in Abhängigkeit vom linearen Verstärkungsfaktor der ersten Verstärkungsstufe und durch Einstellen des Verhältnisses zwischen den Widerständen eines ersten Widerstandes, mit dem die erste Verstärkungsstufe mit dem Resonanzkreis gekoppelt werden kann, und dem Widerstand eines zweiten Widerstandes, mit dem die zweite Verstärkungsstufe mit dem Resonanzkreis gekoppelt werden kann, geformt werden können. Diese Widerstände können zur Abstimmung des induktiven Sensors verwendet werden.
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Insbesondere kann mindestens eines der Abstimmelemente mit einem elektronischen Schalter ausgebildet sein.
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Eine Kalibriereinheit kann ausgebildet sein, um den mindestens einen der elektronischen Schalter, insbesondere mittels eines pulsweitenmodulierten Signals, zu steuern, um einen effektiven Widerstandswert einzustellen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Resonanzkreis einen Kondensator aufweisen, der mit der Messspule einen Parallelschwingkreis bildet.
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Darüber hinaus können Abstimmelemente mit gleichen oder verschiedenen Knoten des Resonanzkreises gekoppelt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt kann eine induktive Sensorvorrichtung, insbesondere ein Näherungssensor, den obigen induktiven Sensor umfassen, wobei eine Signalauswerteeinheit ausgebildet ist, um ein verstärktes Schwingungssignal am Ausgang der ersten Verstärkungsstufe zu empfangen und ein Sensorsignal bereitzustellen, das die Amplitude eines Schwingungssignals des Resonanzkreises angibt.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden in Verbindung mit den dazugehörigen Zeichnungen ausführlicher beschrieben, in denen:
- 1 schematisch einen induktiven Sensor mit einem Resonanzkreis und einem Verstärker zeigt;
- 2 ein Diagramm zeigt, das einen Verlauf einer Leerlaufverstärkung des Oszillators gegenüber der Amplitude am Verstärkereingang für verschiedene Einstellungen und mit und ohne ein erkennbares Objekt innerhalb des Erfassungsbereichs darstellt.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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1 zeigt schematisch eine Sensorschaltung (induktiver Sensor) 1 für eine induktive Sensorvorrichtung, wie beispielsweise einen Näherungssensor. Die Sensorschaltung 1 beinhaltet einen Resonanzkreis 2, einen Verstärker 3 und eine Kalibriereinheit 4. In der induktiven Sensorvorrichtung wird ein verstärktes Schwingungssignal AOS einem Signalanalysator 5 zugeführt, um ein elektrisches Sensorsignal SS zu erhalten. Alternativ kann dem Signalanalysator 5 ein Schwingungssignal zugeführt werden.
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Der Oszillator 2 kann als Parallelresonanzkreis mit einer Messspule 21 und einem Kondensator 22 ausgebildet sein. Ein erster Knoten N1 des Oszillators 2 ist mit Erdpotenzial gekoppelt, während ein zweiter Knoten N2 des Oszillators 2 mit einem Eingang des Verstärkers 3 gekoppelt ist, um dem Verstärker 3 ein Schwingungssignal bereitzustellen.
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Der Verstärker 3 weist eine erste Verstärkungsstufe 31 auf, die eine im Wesentlichen konstante Verstärkung liefert, und die zweite Verstärkungsstufe 32 eine sehr hohe Verstärkung. Die erste Verstärkungsstufe 31 ist im Wesentlichen als Linearverstärker ausgeführt, der mit einem Operationsverstärker oder dergleichen aufgebaut werden kann. Der Ausgang der ersten Verstärkungsstufe 31 ist über ein erstes Abstimmelement 33 mit einem Verstärkerrückkopplungsausgang FBO gekoppelt, der mit dem Resonanzkreis 2 in einem Feed-Forward-Koppelungsschema verbunden ist. Das Feed-Forward-Koppelungsschema ermöglicht es, den Verstärkerrückkopplungsausgang FBO des Verstärkers 3 mit dem Resonanzkreis 2 phasengleich zu koppeln, um eine Anregung für die Schwingung zu erzeugen.
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Die zweite Verstärkungsstufe 32 ist ausgebildet, um den Ausgang der zweiten Verstärkungsstufe 32 bereits mit kleinen Schwingungssignalen an ihrem Eingang in Sättigung zu bringen. Die zweite Verstärkungsstufe 32 wirkt also im Wesentlichen als Komparator, wobei die bereitgestellte Verstärkung im Wesentlichen von der Amplitude des (Eingangs-)Schwingungssignals OS abhängt. Sättigung bedeutet einen konstanten Ausgang der zweiten Verstärkungsstufe 32, sobald die Eingangsspannung über/unter einem vorbestimmten Wert liegt.
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Darüber hinaus ist der Ausgang der zweiten Verstärkungsstufe 32 über ein zweites Abstimmelement 34 mit dem Verstärkerrückkopplungsausgang FBO gekoppelt. Die Abstimmelemente 33, 34 ermöglichen es, die Auswirkungen der ersten und zweiten Verstärkungsstufe 31, 32 auf die Rückkopplung zum Resonanzkreis 2 einzustellen. Vorzugsweise können die ersten und zweiten Abstimmelemente 33, 34 durch erste und zweite Widerstände gebildet werden. Durch Kalibrieren der Widerstände des ersten und zweiten Widerstandes können daher die Verstärkungseigenschaften des Verstärkers 3 eingestellt werden. Andere Komponenten als die Abstimmelemente 33, 34 können zur Einstellung der Abstimmung alternativ oder zusätzlich zum ersten und zweiten Widerstand verwendet werden, wie beispielsweise Kondensatoren oder Induktivitäten.
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Wenn der Resonanzkreis 2 als Sensorelement zum Erfassen der Anwesenheit des leitfähigen Objekts innerhalb eines Erfassungsperimeters der Erfassungsspule 21 verwendet wird, ändert sich die Schwingungsamplitude über den Gütefaktor des Resonanzkreises des Resonanzkreises 2. Durch Kopplung des Verstärkerrückkopplungsausgangs FBO an den Resonanzkreis 2 wird ein Arbeitspunkt eingestellt, bei dem die Verstärkungsverstärkung im stationären Betrieb 1 beträgt, während die Schwingungsamplitude mit dem Gütefaktor des Resonanzkreises 2 variiert.
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Der Ausgang der ersten Verstärkungsstufe 31 kann mit einem Signalauswerteeinheit 5 gekoppelt werden, wobei eine Amplitude des verstärkten Schwingungssignals AOS bestimmt wird. Dies kann die Gleichrichtung des verstärkten Schwingungssignals AOS und das Anlegen des gleichgerichteten verstärkten Schwingungssignals AOS an eine Amplitudenbestimmungseinheit beinhalten, um eine Angabe der Amplitude des Schwingungssignals OS zu erhalten. Die Angabe der Amplitude des Schwingungssignals OS kann als entsprechendes Sensorsignal SS ausgegeben werden. Daher kann unter Verwendung der kundenspezifischen Verstärkungseigenschaften des Verstärkers 3 zur Rückkopplung der Schwingung des Resonanzkreises 2 das verstärkte Schwingungssignal vom Verstärker 3 als Ausgang der ersten Verstärkungsstufe 31 abgegriffen werden. Soll auch eine Frequenz bestimmt werden, ist der Ausgang der zweiten Verstärkungsstufe 32 vorzuziehen, da er das Schwingungssignal mit einer hohen Amplitude versorgt.
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Die ersten und zweiten Widerstände 33, 34 können als Festwiderstände vorgesehen werden, jedoch kann mindestens der erste Widerstand 33 mit einer Reihe von einem Widerstand und einem elektronischen Schalter, z.B. mittels einer aktiven Komponente wie einem MOSFET, die von der Kalibriereinheit 4 gesteuert wird, realisiert werden. Die Kalibriereinheit 4 kann den elektronischen Schalter steuern, indem sie ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal mit einem Tastverhältnis anlegt, das den effektiven Widerstand des elektronischen Schalters bestimmt. Die Einstellung des elektronischen Schalters kann zur Kalibrierung des Verstärkers 3 verwendet werden, z.B. zur Anpassung der Verstärkungseigenschaften des Verstärkers 3.
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Verstärkungsstufen mit konstanter Verstärkung und sehr hoher Verstärkung mit Sättigungsgrenze sind leicht reproduzierbar und temperaturunabhängig zu realisieren, wie z.B. bei Operationsverstärkern, Komparatoren oder dergleichen. Wenn die erste Verstärkungsstufe 31 gegenüber der zweiten Verstärkungsstufe 32 dominant ist, kann die jeweilige Verstärkung zwischen 1 und 2 liegen.
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Verstärkungsstufen mit konstanter Verstärkung und sehr hoher Verstärkung mit Sättigungsgrenze sind leicht reproduzierbar und temperaturunabhängig zu realisieren, wie z.B. bei Operationsverstärkern, Komparatoren oder dergleichen. Wenn die erste Verstärkungsstufe 31 gegenüber der zweiten Verstärkungsstufe 32 dominant ist, kann die jeweilige Verstärkung zwischen 1,25 und 8 liegen, bevorzugt zwischen 1,5 und 4, z.B. etwa 2, da das Spannungsteilernetz bei maximaler Empfindlichkeit eine Verstärkung von etwa 0,5 in Resonanz aufweist. Die Verstärkung der zweiten Verstärkungsstufe 32 im ungesättigten Betriebsbereich kann mehr als 1000 betragen.
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2 zeigt ein Diagramm, das einen Verlauf der Leerlaufverstärkung veranschaulicht, die die Verstärkung des Oszillators im offenen Regelkreis für Eingangssignale mit unterschiedlichen Amplituden angibt. Mit anderen Worten, das Diagramm zeigt die Eigenschaften des Verhältnisses der Spannungsamplitude der Schwingung am Resonanzkreis 2 und einer variablen Amplitude am Verstärkereingang über die Amplitude am Verstärkereingang. Es ist zu erkennen, dass es einen quasilinearen Betriebsbereich R1 (im Wesentlichen horizontaler Teil) gibt, in dem eine im Wesentlichen konstante Verstärkung des Schwingungssignals erfolgen soll. Eine im Wesentlichen konstante Verstärkung kann eine leichte Steigung der Verstärkung beinhalten, die erforderlich oder ausreichend ist, um einen stabilen Betriebspunkt zu gewährleisten. Die Sensorschaltung 1 kann durch Kalibrierung des ersten Widerstandes auf den Betrieb im Arbeitsbereich eingestellt werden, z.B. durch einen von der Kalibriereinheit 4 gesteuerten variablen Widerstand (Widerstandsnetzwerk mit PWM-gesteuertem elektronischen Schalter).
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Das Diagramm zeigt vier Kurven, wobei die Kurven K1, K2 und die Kurven K3, K4 verschiedene Kalibrierungseinstellungen darstellen, die durch unterschiedliche Widerstände der Widerstände 33, 34 erhalten werden. Die Kurven K1 und K2 zeigen die Verläufe der Leerlaufverstärkung für eine erste Kalibrierungseinstellung für eine Situation ohne Objekt im Erfassungsbereich bzw. mit einem Objekt im Erfassungsbereich.
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Die Kurven K3 und K4 zeigen für eine zweite Kalibrierung die Situationen, in denen sich ein Objekt nicht im Erfassungsbereich befindet und in denen sich ein Objekt im Erfassungsbereich der Messspule 21 befindet. Die Verläufe der Leerlaufverstärkungen sind dargestellt, während, wenn das Schwingungssignal des Resonanzkreises 2 mit dem Eingang des Verstärkers 3 verbunden ist (geschlossener Regelkreis), eine Verstärkung des geschlossenen Regelkreises von 1 erreicht wird.
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Das verstärkte Schwingungssignal AOS kann am Ausgang der ersten Verstärkungsstufe 31 abgegriffen werden, die das verstärkte Schwingungssignal OS liefert.
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Im Allgemeinen ermöglicht die obige Konfiguration eine hohe Amplitudenvariation in Abhängigkeit von kleinen Änderungen der Energieverluste im Magnetfeld, die von der Messspule 21 erzeugt werden. Weiterhin können die Rückkopplungseigenschaften des Verstärkers 3 durch Einstellen des ersten und/oder zweiten Widerstandes 33, 34 sorgfältig eingestellt werden. Darüber hinaus kann durch Einstellen des effektiven Widerstandswerts des ersten Widerstandes 33 eine Verstärkung von etwa 2 (oder einer Verstärkung zwischen 1,5 und 4) für das Schwingungssignal OS am Ausgang der ersten Verstärkungsstufe 31 zur weiteren Signalverarbeitung durch den Signalauswerteeinheit 5 erhalten werden.
