NL8701980A - Inductieve naderingssensor. - Google Patents

Description

NO 34587 1 ^ 5

Inductieve naderingssensor. Uitvinders: Dr.Ir. H.C. Nauta

Dr.Ir. E.H. Nordholt

De uitvinding heeft betrekking op een inductieve naderingssensor voorzien van een meetspoel, een blok magnetisch materiaal dat de meet-spoel zijdelings en aan de achterzijde omsluit en de voorzijde vrijlaat die gekeerd is naar de richting van een te detecteren metalen voorwerp, 5 en een electronische schakeling om de meetspoel met een ac-signaal te voeden, en om de equivalente verliesweerstand van de spoel te meten en hieruit de afstand tot het metalen voorwerp te bepalen. Een dergelijke sensor is in de praktijk bekend.

Bij een dergelijke bekende inductieve naderingssensor zullen bij 10 aanwezigheid of nadering van een metalen voorwerp binnen het veld van de meetspoel verlies- of wervelstromen worden opgewekt in dat metalen voorwerp. Als gevolg van de eindige impedantie van dat voorwerp zullen daardoor verliezen optreden waardoor de equivalente verliesweerstand van de meetspoel wordt veranderd. De genoemde verliesweerstand wordt 15 gemeten in een electronische schakeling waarmee de afstand tot het genoemde voorwerp wordt bepaald. Deze verliesweerstand hangt niet alleen af van deze genoemde afstand, maar ook van de grootte van de spoel, het magnetische (kern)materiaal, en de temperatuurinvloed daarop.

20 Teneinde aan de sensor een directionele gevoeligheid te geven kan het blok van magnetisch materiaal omringd zijn door een afschermring van geleidend materiaal, zoals koper. Hierdoor wordt het magnetische H-veld aan de voor- en achterzijde van de meetspoel geneutraliseerd.

Het resterende B-veld in het magnetische materiaal wordt dan volledig 25 bepaald door de eigenschappen van de meetspoel, de stroom in de meetspoel en de eigenschappen van het magnetische materiaal.

De niet-ideale eigenschappen van het magnetische materiaal worden gereflecteerd in het B-veld en derhalve in de gevoeligheid van de sensor. Met name de temperatuurafhankelijkheid van het magnetische 30 materiaal heeft een grote invloed op de totale detectiegedrag. Daar de spreiding in de temperatuurcoefficient van het magnetische materiaal bij benadering even groot is als de temperatuurcoefficient zelf, zijn in feite de gebruikelijke compensatietechnieken niet toereikend. De verandering in de equivalente verliesweerstand tengevolge van 35 temperatuurinvloeden bepaalt de maximale detectie-afstand gegeven de maximale toelaatbare onnauwkeurigheid in de detectie-afstand.

8701080 2

De door verandering van temperatuur veroorzaakte drift in de verliesweerstand kan door een NTC-weerstand in de sensor eventueel gecompenseerd worden. Maar verliezen in het magnetische materiaal zijn niet goed met een dergelijke weerstand te compenseren. Voor nauwkeurige 5 compensatie zou men per kern van magnetisch materiaal een afzonderlijke NTC-weerstand moeten hebben.

Tevens missen de bekende sensoren de mogelijkheid om bij een bepaalde temperatuur nauwkeurig de detectieafstand van de sensor, d.w.z. de afstand tussen metalen voorwerp en sensor waarbij een 10 uitgangssignaal wordt opgewekt, in te stellen.

De uitvinding beoogt bovengenoemde problemen te ondervangen en een zeer nauwkeurige inductieve naderingssensor aan te geven, die een groot en instelbaar detectiebereik heeft en die ongevoelig is voor tempera-tuurinvloeden en voor electrische en/of magnetische stoorvelden.

15 Dit wordt bij een inductieve naderingssensor van de in de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding aldus bereikt dat aan de achterzijde van de meetspoel op afstand daarvan in het blok van magnetisch materiaal een aan de meetspoel in hoofdzaak identieke referentiespoel is aangebracht zodanig dat ten opzichte van een door het blok van 20 magnetisch materiaal verlopend symmetrievlak een spiegelsymmetrische opbouw is verkregen, en dat de electronische schakeling is uitgevoerd om de referentiespoel met een ander ac-signaal te voeden en om de equivalente verliesweerstand van de referentiespoel te meten, waarbij drift in de equivalente verliesweerstand van de meetspoel tengevolge 25 van door temperatuurvariatie veroorzaakte drift in de weerstand van de meetspoel en het magnetische materiaal wordt geminimaliseerd.

Deze sensor kan zijn voorzien van een afschermring van geleidend materiaal rond het blok van magnetisch materiaal waardoor het H-veld aan voor- en achterzijde geneutraliseerd wordt en de gevoeligheid van 30 de sensor beperkt is tot meetzijde en referentiezijde. Daar de ring een eindige impedantie heeft zal dit enige demping veroorzaken waardoor de kwaliteitsfactor en dus de gevoeligheid van de sensor enigszins afneemt.

In de sensor volgens de uitvinding kan het blok van magnetisch 35 materiaal uit één stuk van homogeen magnetisch materiaal of uit twee stukken van in hoofdzaak identiek, homogeen magnetisch materiaal bestaan die bij het symmetrievlak tegen elkaar aanliggen of op afstand tegenover elkaar liggen. Op deze wijze zijn twee vrijwel identieke 8701980 3 r sensoren verkregen die hetzelfde of in hoofdzaak hetzelfde magnetische materiaal delen. Derhalve hebben beide sensoren, de meetsensor en de referentiesensor, dezelfde of vrijwel dezelfde eigenschappen met betrekking tot het magnetische materiaal en vrijwel dezelfde eigen-5 schappen met betrekking tot de beide spoelen. De draadeigenschappen van de spoelen kunnen namelijk zeer goed constant gehouden worden. Derhalve is voor de meetsensor met betrekking tot de eigenschappen van het magnetische materiaal in het geval van één stuk of van twee stukken magnetisch materiaal resp. een compensatie met behulp van een directe 10 of indirecte meting en met betrekking tot de eigenschappen van de spoel een compensatie met behulp van de indirecte meting gerealiseerd.

De equivalente verliesweerstanden van beide spoelen worden onafhankelijk van elkaar gemeten. Hiertoe wordt elke spoel vanuit de electronische schakeling aangestuurd met een oscillatorsignaal van 15 bepaalde frequentie. De equivalente verliesweerstand van de meetspoel wordt gemeten bij de frequentie f1 en die van de referentiespoel bij een frequentie f2. De beide spoelen wekken tengevolge van deze aansturing ieder een magnetisch B-veld op in het magnetische materiaal (B = uH waarin u de permeabiliteit van het magnetische materiaal is).

20 Door de hoge permeabiliteit van het magnetische materiaal lopen de veldlijnen van het door de meetspoel opgewekte B-veld in de directe omgeving van deze spoel door het magnetische materiaal, dat niet of nauwelijks door de referentiespoel wordt omvat. Omgekeerd geldt ook dat het door de referentiespoel opgewekte B-veld niet of nauwelijks door de 25 meetspoel wordt omvat. Verder wordt door de afschermring van koper indien aanwezig er voor gezorgd dat het door de ene of door de andere spoel opgewekte H-veld niet of nauwelijks door de andere of ene spoel wordt omvat. Op deze wijze is een effectieve afscherming van de velden van beide spoelen ook al bevinden zij zich in eikaars nabijheid 30 gerealiseerd.

Nu moet de afstand van een te detecteren metalen voorwerp tot de sensor, d.w.z. de meetspoel, worden gemeten. Tegenover de referentiespoel bevindt zich een referentiemetaalplaat op bekende vaste afstand.

Wanneer bij deze uitvoering de electronische schakeling een uitgangs-35 signaal afgeeft, wanneer de verliesweerstand van de meetspoel groter of gelijk is aan die van de referentiespoel, dan is de detectieafstand gelijk aan de referentieafstand. Bij een grotere afstand van het metalen voorwerp is het verschil in gemeten equivalente verliesweerstand AR van de beide spoelen een maat voor het afstandsverschil 87019 & 6 * 4 * tussen metalen voorwerp tot de sensor en referentieplaat tot de sensor. Door nu de electronische schakeling een uitgangssignaal te laten afgeven indien/LR groter is dan een bepaalde instelbare waarde, kan hierdoor de detectieafstand worden ingesteld. Ook kan een bepaalde 5 detectieafstand worden ingesteld zonder een referentiemetaalplaat.

Bij een uitvoeringsvorm strekt de afschermring zich slechts over een deel van de omtrek rond het blok van magnetisch materiaal uit. Deze slechts geringe uitstrekking is toereikend om de door beide spoelen opgewekte H-velden niet of nauwelijks op elkaar te laten overspreken.

10 Door de geringe uitstrekking echter van de ring en de hieruit resulterende geringe demping van de ring op de spoelen is de differentiële gevoeligheid van de sensor, d.w.z. de verandering van verliesweerstand van de spoel gedeeld door de verplaatsing van het metalen voorwerp, groter dan wanneer de afschermring zich over de gehele omtrek uit-15 strekt. Hierdoor kan een metalen voorwerp op een grotere afstand worden gedetecteerd.

Bij een andere uitvoeringsvorm kan de afschermring zich over de gehele omtrek rond het blok van magnetisch materiaal uitstrekken. Deze uitvoeringsvorm vormt de z.g. "bondige" inbouwbare sensor die in een 20 metalen voorwerp, b.v. een robotarm e.d., kan worden ingebouwd. Ook kan de afschermring aan de zijde van de referentiespoel over de omtrek uitsteken en hierbij de functie overnemen van de referentiemeetplaat op bepaalde afstand tegenover de referentiespoel. Ook hier is de verliesweerstand van de referentiespoel niet of nauwelijks afhankelijk van de 25 aanwezigheid van metalen voorwerpen die zich achter de uitstekende afschermring bevinden. De afschermring kan aan de zijde van de referentiespoel ook worden afgesloten met een metalen of koperen plaat.

Bij een verdere voordelige uitvoeringsvorm wordt in de electro-30 nische schakeling voor de meetspoel en voor de referentiespoel gebruik gemaakt van een afzonderlijke synchrone detector met eigen oscillator. Deze uitvoering kan met voordeel voor onderdrukking van de omgevings-storing worden gebruikt, bijvoorbeeld 50 Hz stoorsignalen.

Bij een verdere uitvoeringsvorm kunnen de beide oscillatoren een 35 frequentie offset hebben om invloed van overspraak tussen de afzonderlijke stuursignalen van de beide spoelen te verminderen.

De uitvinding zal aan de hand van enkele uitvoeringsvoorbeelden nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekeningen, waarin:

Figuur la en 1b uitvoeringvormen tonen van een bekende inductieve » 8701980

A

5 ► naderingssensor, en

Figuur lc een hierbij behorende electronische schakeling toont;

Figuur 2 het principe van de inductieve naderingssensor volgens de uitvinding toont; 5 De figuren 3a, 3b en 3c uitvoeringsvormen van het "bondige" inbouwbare type van de sensor volgens de uitvinding tonen;

De figuren 4a, 4b en 4c uitvoeringsvormen van het "niet-bondige" inbouwbare type van de sensor volgens de uitvinding tonen;

Figuur 5 een principe-schema van de sensor met electronische 10 schakeling volgens de uitvinding toont;

Figuur 6 het schema toont van de electronische schakeling met aansturing van de spoelen met externe oscillator; en

Figuur 7 het schema toont van de electronische schakeling met aansturing van de spoelen met interne oscillator.

15 Bij de in de figuren la en 1b aangegeven bekende inductieve naderingssensor is met LI de meetspoel, met 8 het blok van magnetisch materiaal, en met 3 het naderende en te detecteren metalen voorwerp, bijv. een metaalplaat, aangeduid. De sensor in figuur la is van het zogenaamde "niet-bondige" type dat zodanig moet worden gemonteerd dat 20 er geen metaal in de directe nabijheid van deze sensor behalve dan het naderende metalen voorwerp, aanwezig is. In figuur lb is de bekende sensor van het zogenaamde "bondige" type aangegeen, welke in een metalen houder, bijv. robotarm en dergelijke kan worden ingebouwd. Deze sensor heeft een afschermring 4 bijv. van koper, rond het blok van 25 magnetisch materiaal ter afscherming van het magnetische veld. Eventueel kan ook een metalen plaatje aan de achterzijde van het blok van magnetisch materiaal zijn aangebracht. Door deze constructie is de equivalente verliesweerstand van de meetspoel alleen afhankelijk van de aanwezigheid of nadering van een metalen voorwerp aan de voorzijde van 30 de sensor.

De in figuur lc aangegeven electronische schakeling van de bekende sensor omvat een oscillator 5, bijv. een negatieve-impedantie oscillator, een detector 6, en een vergelijker 7. De waarde van de negatieve-impedantie wordt vastgelegd door de bij de oscillator aangegeven uit-35 wendige weerstand. Op deze oscillator is een door de sensormeetspoel gevormde LC-kring aangesloten. Wanneer de equivalente (verlies) parallelweerstand van de LC-kring ten gevolge van de nadering van een metalen voorwerp een bepaalde waarde overschrijdt, slaat de oscillator af. Dit afslaan van de oscillator wordt gebruikt om een nuttig signaal 8701980 * 6 af te geven. Dit betrekkelijk eenvoudige principe voldoet alleen zolang geen grote nauwkeurigheden worden gevraagd. Verder is de onnauwkeurigheid in de detectie-afstand zoals eerder toegelicht als gevolg van de door verandering van temperatuur veroorzaakte drift in de weerstand van 5 de spoeldraad en in het magnetische materiaal een groot probleem. De temperatuurcoëfficient bijv. van de verliezen in het magnetische materiaal heeft een spreiding die even groot is als de temperatuurcoëfficient zelf.

In figuur 2 is het algemene principe van de sensor volgens de 10 uitvinding aangegeven. Met L2 is een referentiespoel, met 9 is een metalen referentieplaat, en met 10 is het symmetriedwarsvlak van de sensor aangegeven. In dit principeschema is het magnetische materiaal als uit één stuk bestaand aangegeven. De equivalente verliesweerstanden van de meet- en referentiespoelen Ll, L2 worden door afzonderlijke 15 delen van de electronische schakeling onafhankelijk van elkaar gemeten. Daartoe wordt de meetspoel met een signaal met frequentie fl en de referentiespoel met een signaal met een frequentie f2 aangestuurd, waardoor deze spoelen elk in het magnetische materiaal een magnetisch B-veld opwekken. Door de permeabiliteit van het magnetische materiaal 20 zal het door de meetspoel opgewekte B-veld niet of nauwelijks omvat worden door de referentiespoel en omgekeerd. De aangegeven afschermring 4 zorgt ervoor dat het door de meetspoel opgewekte H-veld niet of nauwelijks door de referentiespoel wordt omvat en omgekeerd. Door deze uitvoering is een effectieve afscherming tussen beide spoelen gereali-25 seerd ook al bevinden zij zich dicht bij elkaar.

In de electronische schakeling wordt bij nadering of aanwezigheid van een metalen voorwerp, zoals de metaalplaat 3, het verschil gemeten tussen de equivalente verliesweerstand van de meetspoel Ll en die van de referentiespoel L2. Doordat de sensor spiegelsymmetrisch is 30 opgebouwd en de spoelen Ll en L2 identiek zijn, het magnetische materiaal homogeen is zal wanneer beide spoelen met identieke signalen (zelfde frequentie en zelfde amplitude) worden aangestuurd de equivalente verliesweerstand van de meetspoel gelijk zijn aan die van de referentiespoel wanneer de meetplaat 3 zich op een afstand dl bevindt 35 die gelijk is aan de afstand d2 van de referentiemeetplaat 9. Hierdoor is een nauwkeurige afstandsdetectie mogelijk onafhankelijk van de temperatuur. Indien hierbij het blok van magnetisch materiaal uit één stuk of twee stukken van homogeen materiaal bestaat worden de eigenschappen van dit materiaal met behulp van de referentiespoel via een 870 1 980 ..

7 ► zogenaamde directe of indirecte meting bepaald. Wanneer de meetspoel en de referentiespoel zo goed mogelijk identiek zijn worden de eigenschappen van de meetspoel via een zogenaamde indirecte meting bepaald.

De in. de figuren 3a tot 3c aangegeven sensoren van het zogenaamde 5 "bondige" inbouwbare type zijn voorzien telkens van een afschermring 4.

Deze afschermring steekt aan de zijde van de referentiespoel een stuk uit en neemt hiermee de functie over van de referentieplaat 9. Ook hier is de equivalente verliesweerstand van de referentiespoel L2 niet of nauwelijks afhankelijk van de aanwezigheid van metalen voorwerpen die 10 zich eventueel achter de uitstekende afschermring bevinden. Ook kan het uiteinde van de uitstekende afschermring weer worden afgesloten met een metalen of koperen plaat. Door weer het verschil in de equivalente verliesweerstand van de meetspoel en de referentiespoel in de electro-nische schakeling te vergelijken met een instelbare waarde kan de 15 detectie-afstand van de sensor worden ingesteld. De invloed van de temperatuur hierop is weer minimaal.

In figuur 3a bestaat het blok 8 van magnetisch materiaal uit één stuk van homogeen materiaal waardoor weer de eigenschappen van dit materiaal door middel van de spoel direct worden gemeten. In figuur 3b 20 bestaat het blok 8 uit twee stukken van in hoofdzaak identiek homogeen magnetisch materiaal, waardoor de eigenschappen van het magnetische materiaal, dat zich om de meetspoel Ll bevindt, indirect worden gemeten door de eigenschappen te bepalen van het magnetische materiaal dat zich om de referentiespoel L2 bevindt.

25 Bij de in figuur 3c aangegeven uitvoeringsvorm bestaat het blok 8 van magnetisch materiaal weer uit twee stukken van in hoofdzaak identiek homogeen materiaal die aan weerszijden van het symmetrievlak op afstand tegeover elkaar liggen. De eigenschappen van het magnetische materiaal om de meetspoel worden weer via een indirecte meting bepaald.

30 Door temperatuurvariatie veroorzaakte drift in de weerstand van de beide spoelen en het bijbehorende kernmateriaal beïnvloedt de detectie-af stand. Doordat bij deze uitvoeringsvorm de kans op een groter temperatuurverschil tussen beide spoelen en kernen van magnetisch materiaal aanwezig is, is deze uitvoeringsvorm wat onnauwkeuriger dan 35 die van de figuren 3a en 3b.

De in de figuren 4a tot 4c aangegeven sensoren van het zogenaamde "niet-bondige" inbouwbare type hebben een afschermring die zich slechts over een kleine afstand rond de omtrek van het blok van magnetisch materiaal uitstrekt. Deze ring heeft weer tot doel om de door beide 8701980 * 8 spoelen opgewekte magnetische H-velden niet of nauwelijks op elkaar te laten overspreken. Door de geringe uitstrekking van deze afschermring is de differentiële gevoeligheid van de sensor wat groter dan die van het "bondige" inbouwbare type waardoor een grotere detectie-afstand 5 ontstaat.

Bij boven aangegeven uitvoeringsvormen kan aan de achterzijde van de sensor een metalen referentieplaat aanwezig zijn. De sensor is dan niet meer gevoelig voor metalen voorwerpen die zich achter deze referentieplaat bevinden, zodat daar bijv. de electronische schakeling 10 kan zijn ondergebracht.

Zoals eerder vermeld moeten de equivalente verliesweerstanden van beide spoelen bij een bepaalde frequentie worden gemeten. Indien geen enkele koppeling tussen beide spoelen aanwezig is, zoals bijv. in geval van de figuren 3c en 4c, kan de meting van de equivalente verlies-15 weerstand plaats vinden door aansturing met twee identieke signalen, dat wil zeggen identieke frequentie en amplitude.

Voor deze meting wordt parallel aan de meetspoel als ook parallel aan de referentiespoel een capaciteit aangebracht, zoals aangegeven is in figuur 5. De kring met de meetspoel LI heeft een resonantie-20 frequentie fl en de kring met de referentiespoel L2 heeft een resonantiefrequentie f2. De meetkring wordt aangestuurd met een signaal iinl met frequentie fosl en de referentiekring wordt aangestuurd met een signaal iin2 met frequentie fos2. In het ideale geval is dan fosl = fl en fos2 = f2. De amplitude over de meetkring is een maat voor 25 de equivalente verliesweerstand Rl van de meetspoel, en hetzelfde geldt voor de equivalente verliesweerstand R2 van de referentiespoel L2. De amplitude van de kringspanning kan met behulp van een topdetector 20, 21 of een synchrone detector 22, 23 worden gedetecteerd. Het na de detector opgenomen laagdoorlaatfilter 24 bepaalt de bandbreedte van de 30 detectie en dit filter onderdrukt eventuele stoorsignalen die aan de uitgang van de detector aanwezig zijn en buiten de doorlaatband liggen. Het verschil in gelijkspanning na de detector wordt vergeleken met een instelbare spanningswaarde Vref in de vergelijker 25. Met deze instelbare waarde kan de detectie-afstand worden ingesteld. Op de synchrone 35 detector 22, 23 is telkens een bij de synchrone detectie behorende locale oscillator 26, 27 aangesloten.

Bij vrijwel alle uitvoeringsvormen van de sensor zal een kleine parasitaire koppeling tussen de spoelen optreden die in parasitaire overspraak tussen de signalen in de beide kringen resulteert. Zo zal in 870H80 9 ί .

de meetkring een stoorstroombron met frequentie fos2 optreden die een stoorspanning met frequentie fos2 over de kring oplevert naast het gewenste signaal met frequentie fosl. Dit geldt eveneens voor het stoorsignaal over de referentiekring.

5 Bij toepassing van een topdector transformeert de amplitude van het gewenste signaal naar een gelijkspanning Ug en eveneens wordt de amplitude van het stoorsignaal omgezet in een gelijkspanning Usl, zodat aan de uitgang de som van beide gelijkspanningen üg + Usl ontstaat.

Naast deze gelijkspanning is een stoorsignaal Us2 met frequentie 10 (fosl - fos2) aanwezig. De door parasitaire koppeling ontstane stoorgelijkspanning Usl treedt altijd op ongeacht of de frequenties fosl en fos2 al dan niet aan elkaar gelijk zijn. Het door parasitaire koppeling veroorzaakte gedetecteerde stoorsignaal wordt alleen door de filterwerking van de resonantiemeetkring zelf verminderd. Indien fosl 15 ongeveer gelijk is aan fl en fos2 ongeveer gelijk is aan f2 moet het frequentieverschil tussen de beide oscillatorsignalen groter zijn dan de halve bandbreedte van de resonantiemeetkring om van deze filterwerking gebruik te maken.

Bij toepassing van een synchrone detector wordt de amplitude van 20 het gewenste signaal met frequentie fosl omgezet naar een gelijkspanning Ug die een maat is voor de amplitude van dit gewenste signaal.

Het stoorsignaal met frequentie fos2 wordt omgezet in een stoorsignaal Us met frequentie (fosl - fos2). Dit signaal kan door het filter na de detector worden onderdrukt. Daartoe moet het frequentieverschil tussen 25 de beide aanstuursignalen groter zijn dan de bandbreedte van dit filter, dat wil zeggen de detectiebandbreedte. Ook dit stoorsignaal wordt natuurlijk door de resonantiemeetkring evenals bij de topdetector gefilterd. Om weer van deze filterwerking gebruik te maken moet het frequentieverschil tussen beide oscillatoren groter zijn dan de halve 30 bandbreedte van de resonantiemeetkring.

In geval dat de oscillatorfrequenties en de resonantiefrequenties van de kringen precies gelijk zijn, namelijk fosl = fl = fos2 = f2, leveren beide detectoren naast de gelijkspanning Ug een door parasitaire koppeling veroorzaakte stoorgelijkspanning Us op. De op de meet-35 kring volgende topdetector meet nu een spanning Uga + Usa en de op de referentiekring aangesloten detector meet een spanning Ugb + Usb. De detectieafstand van de sensor kan dan onafhankelijk van de temperatuur worden ingesteld, wanneer geldt:

Usa - Usb = KI (Uga - Ugb) + K2 (l) 8701980 10 waarin Kl en K2 contanten zijn. Kl moet tevens kleiner dan één zijn waaraan is voldaan bij kleine koppelingsfactor tussen de kringen.

In de praktijk is het voordelig om de storing door filtering te onderdrukken door middel van een frequentie-offset tussen beide 5 oscillatorsignalen. Hierdoor ontstaat echter een geringe fout in het sensorsysteem, die echter klein kan worden gehouden door de frequentie-offset niet groter te kiezen dan strikt noodzakelijk is voor een goede filterwerking.

In de electronische schakeling wordt een afgeleide grootheid van 10 de equivalente serieweerstand van de spoel gemeten daar deze weerstand in serie met de zelfindunctie van de spoel staat. Daarom wordt de equivalente parallelweerstand van de resonantiekring gemeten waarin de meetspoel zich bevindt. Deze parallelweerstand wordt gegeven door:

Rp = (1/ (41/2)) . (L/CKI/Rs) (2) 15 waarin Rp = equivalente parallelweerstand van de kring Rs s equivalente serieweerstand van de spoel L - zelfinductie van de spoel C = parallelcapaciteit over de spoel.

Een kleine verandering in de resonantiefrequentie door een kleine 20 variatie in de parallelcapaciteit van de kring heeft een verwaarloosbare invloed op de zelfinductie en op de equivalente serieweerstand van de spoel. Verondersteld wordt dat beide spoelen en hun verliezen precies gelijk aan elkaar zijn. Door de capaciteit over beide spoelen iets van elkaar te laten verschillen wordt een klein verschil in de 25 resonantiefrequentie van beide kringen geïntroduceerd. Hierdoor is de verhouding, namelijk "versterking", tussen de weerstand Rs en de parallelweerstand Rp voor beide resonantiekringen verschillend. Dit kan eenvoudig gecompenseerd worden door middel van een versterkingsverschil in de beide detectoren. Hierdoor wordt bereikt dat gelijke 30 veranderingen in L en Rs van de beide sensorspoelen ten gevolge van de temperatuur geen invloed hebben op de detectie-afstand.

De gestuurde fout in het systeem tengevolge van het feit dat de eigenschappen van het magnetisch materiaal van de spoelen bij twee verschillende frequenties worden gemeten, kan zeer klein worden 35 gehouden door, zoals gesteld, de frequentie-offset niet groter te kiezen dan absoluut noodzakelijk is.

Indien de frequentie van het stuursignaal niet precies gelijk is aan de resonantiefrequentie van de aangestuurde kring, dan zal hierdoor een gelijkspanning Us3 ontstaan die wordt afgetrokken van de spanning » 8701980 11 die optreedt bij resonantie van de kring. Indien dan weer wordt voldaan aan de vergelijking (1), waarin in de spanning Us ook Us3 moet worden gegrepen, dan heeft Us3 geen invloed op de werking van de sensor.

Resumerend kan worden gesteld dat het bij aanwezigheid van para-5 sitaire koppeling tussen beide sensorspoelen voordelig is om bij synchrone detectie een frequentie-offset aan te brengen tussen de stuursignalen van beide kringen ten einde het stoorsignaal weg te filteren.

Het voorgaande is van toepassing op de niet-bondig inbouwbare 10 sensoren. Bij de bondig-inbouwbare sensoren, zoals aangegeven in figuur 3, zal de uitstekende ring resulteren in een verstemming van de referentiekring. Deze verstemming kan wanneer nodig aangevuld worden door het aanbrengen van een capaciteit over de kring om de gewenste frequentie-offset te bereiken.

15 Het opwekken van de aanstuursignalen kan geschieden zowel met externe oscillatoren, waarbij de sensorspoelen geen deel uitmaken van de oscillatorketens, als met interne oscillatoren, waarbij de sensorspoelen wel deel uitmaken van de oscillatorketens.

In figuur 6 is een uitvoeringsvorm voor het geval met externe 20 oscillatoren aangegeven. Het voor aansturing van de spoel LI te gebruiken oscillatorsignaal iinl moet een frequentie hebben gelijk aan de resonantiefrequentie van de kring. Hiertoe is een oscillatorregellus nodig die de frequentie van het oscillatorsignaal bijregelt op de resonantiefrequentie. In figuur 6 is een fasevergrendelde lus aan-25 gegeven met een oscillator 32, een 90°-fasedraaier 36, een menger 35, een lusfilter 33, en een versterker 34, welke lus ervoor zorgt dat de spanning over de resonantiekring en de stroom naar de resonantiekring in fase zijn. Het oscillatorsignaal van de oscillator 32 kan tevens worden gebruikt als locaal oscillatorsignaal voor de synchrone detector 30 31. Dezelfde opbouw is van toepassing voor de aansturing van de resonantiekring met de referentiespoel L2.

Bij aanwezigheid van parasitaire koppeling tussen beide sensorspoelen zal het stuursignaal voor de referentiespoel L2 overspreken op de meetepoel Ll en ontstaat er een stoorsignaal met frequentie fos2 als 35 stroombron parallel aan de resonantiekring met spoel Ll. Wanneer de stoorstroom binnen de doorlaatband van de kring valt treedt er geen demping op van het stoorsignaal. De stoorspanning over de kring leidt vervolgens tot een stoorsignaal met frequentie (fosl - fos2) in de regellus. De invloed van dit stoorsignaal op het oscillatorsignaal 8701980 12 wordt bepaald door de filterwerking van de regellus. Valt de stoor-component buiten de doorlaatband van de regellus dan wordt de invloed daarvan gereduceerd.

Daar bijna altijd zal gelden dat fosl ongeveer gelijk is aan fl en 5 fos2 ongeveer gelijk is aan f2, kan men van de filterwerking van beide filters profiteren door het frequentieverschil tussen de twee oscil-latoren zo groot te maken dat (fosl - fos2) groter is dan de halve bandbreedte van de resonantiekring en tevens groter is dan de lusband-breedte.

10 Het stoorsignaal in de oscillatorregellus heeft tot gevolg dat de oscillatorfrequentie fosl niet meer gelijk is aan de resonantie-frequentie fl en enigszins opschuift in de richting van fos2. Het oscillatorsignaal dat de nieuwe frequentie fosl = fl + A f1 heeft, is verder frequentiegemoduleerd met het stoorsignaal met frequentie 15 (fosl - fos2).

Bij nadering van een metalen plaat zal niet alleen de equivalente verliesweerstand van de meetspoel veranderen maar ook in geringe mate de zelfinductie van de spoel. Hierdoor ondergaat de resonantie-frequentie van de kring een kleine verandering. De oscillatorregellus 20 moet derhalve een voldoende grote lusbandbreedte hebben, bij voorkeur groter dan de detectiebandbreedte, om dit te accomoderen.

In figuur 7 is een uitvoeringsvorm gegeven voor het geval met aansturing met interne oscillator. In dit geval is de resonantiekring direct in de oscillatorketen opgenomen waardoor geen regellus meer 25 nodig is zoals in het geval met externe oscillatoraansturing. De parasitaire koppeling tussen de beide sensorspoelen veroorzaakt weer over-spraak en alle parasitaire effecten zoals toegelicht bij aansturing met externe oscillatoren treden ook hier op. In dit geval ontbreekt echter de filtering in de oscillatorregellus, waardoor de invloed van over-30 spraak in dit geval groter is. Zo kan ook, indien de oscillator- frequenties te dicht bij elkaar worden gekozen, injectie-vergrendeling optreden waardoor de frequenties van beide oscillatoren aan elkaar gelijk worden. Hierdoor wordt de sensor onbruikbaar aangezien de constante KI in de vergelijking (1) bijna één is geworden. Dat wil 35 zeggen dat door de nadering van een metalen voorwerp aan de zijde van de meetspoel de uitgangsspanningen van beide detectoren in gelijke mate veranderen. De verschilspanning tussen beide detectoren ondergaat geen verandering waardoor detectie van het metalen voorwerp onmogelijk is.

Bij het voorgaande werd de equivalente verliesweerstand gemeten 870 1 080 , 13 door de amplitude van de kringspanning bij resonantie te meten waarbij de amplitude van het aanstuursignaal iin van de kring constant werd gehouden (zie figuur 6). Het is ook mogelijk de stroom iin met een regellus zodanig bij te regelen dat de amplitude van de kringspanning 5 bij resonantie constant blijft bij variatie in de waarde van de equivalente verliesweerstand. De grootheid die de amplitude van in bijregelt is dan een maat voor de verliesweerstand.

Een mogelijke uitvoeringsvorm hiertoe is aangegeven in figuur 7. De zogenaamde interne oscillator 42, waarbij de resonantiekring deel 10 uitmaakt van de oscillatorketen, wordt gebruikt voor het opwekken van het stuursignaal voor de spoel en omvat versterker 44 en menger 45. De amplitude van dit stuursignaal wordt bijgeregeld door de instelstroom-bron 50. Deze stroombron wordt bijgeregeld door een lus, die synchrone detector 41, lusfilter 43, versterker 46 met aan de ingang een instel-15 bare spanningsbron, en instelstroombron 50 omvat, zodanig dat de spanning uit de detector constant wordt gehouden op de spanning Vamp, waarmee de amplitude over de kring is vastgelegd. De sturende spanning, die de stroombron 50 bijregelt is dan een maat voor de verliesweerstand. Eenzelfde schakeling is natuurlijk aanwezig waarin de 20 referentiespoel L2 is opgenomen. Via het filter 47 resp. 48 worden de sturende spanningen van beide schakelingen toegevoerd aan de verschil-versterker 49 en weer vergeleken met de instelbare spanningsbron Vref voor het instellen van de detectieafstand.

8701980

Claims (13)

1. Inductieve naderingssensor voorzien van een meetspoel, een blok magnetisch materiaal dat de meetspoel zijdelings en aan de achterzijde omsluit en de voorzijde vrijlaat die gekeerd is naar de richting van een te detecteren metalen voorwerp, en een electronische schakeling om 5 de meetspoel met een ac-signaal te voeden, en om de equivalente ver1iesweerstand van de meetspoel te meten en hieruit de afstand tot cq. aanwezigheid van het metalen voorwerp te bepalen, met het kenmerk, dat in het blok van magnetisch materiaal een referentiespoel is aangebracht en dat de electronische schakeling is uitgevoerd om de 10 referentiespoel met een ac-signaal te voeden en om de equivalente verliesweerstand van de referentiespoel te meten, waarbij de invloed van veranderingen in de eigenschappen van het magnetische materiaal en van de meetspoel op de detectie-afstand wordt gecompenseerd.

2. Inductieve naderingssensor volgens conclusie 1, met het 15 kenmerk, dat de referentiespoel in hoofdzaak identiek is aan de meetspoel.

3. Inductieve naderingssensor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de meetspoel en de referentiespoel zodanig in het blok van magnetisch materiaal aan weerszijden van een symmetrievlak zijn 20 aangebracht dat een spiegelsymmetrische opbouw van de sensor is verkregen.

4. Inductieve naderingssensor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat een afschermring van geleidend materiaal rond het blok van magnetisch materiaal is aangebracht om onderlinge overspraak van 25 magnetische velden opgewekt door beide spoelen te ondervangen.

5. Inductieve naderingssensor volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat het blok van magnetisch materiaal uit een stuk van homogeen magnetisch materiaal bestaat dat de beide spoelen zijdelings en aan hun achterzijden omsluit.

6. Inductieve naderingssensor volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat het blok van magnetisch materiaal uit twee stukken van in hoofdzaak identiek, homogeen magnetisch materiaal bestaat, welke stukken bij het symmetrievlak tegen elkaar liggen en waarvan het ene stuk de meetspoel en het andere stuk de referentiespoel omsluit.

7. Inductieve naderingssensor volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat het blok van magnetisch materiaal uit twee gescheiden stukken van in hoofdzaak identiek, homogeen magnetisch materiaal 8701980 bestaat, welke stukken aan weerszijden van het symmetrievlak op afstand tegenover elkaar liggen en waarvan het ene stuk de meetspoel en het andere stuk de referentiespoel omsluit.

8. Inductieve naderingssensor volgens conclusie 1, 2 of 3, met het 5 kenmerk, dat tegenover de voorzijde van de referentiespoel een referentiemetaalplaat is aangebracht.

9. Inductieve naderingssensor volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de afschermring zich over een deel van de omtrek rond het blok van magnetisch materiaal uitstrekt.

10. Inductieve naderingssensor volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de afschermring zich over de breedte van de omtrek rond het blok van magnetisch materiaal uitstrekt.

11. Inductieve naderingssensor volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de afschermring tevens aan de zijde van de referentiespoel 15 uitsteekt, waardoor de functie van een referentiemetaalplaat wordt verkregen.

12. Inductieve naderingssensor volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat de electronische schakeling voor elke spoel een afzonderlijke synchrone detector met eigen oscillator heeft.

13. Inductieve naderingssensor volgens conclusie 12, met het ken merk, dat de beide oscillatoren van de synchrone detectoren onderling een frequentie-offset hebben. 8701980