TW200404154A - Temperature measuring method, object detecting method and object detecting device with vibrating-type level sensor - Google Patents

Description

200404154 玖 、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 | <皿没剛定方 法、物體檢測方法及物體檢測裳 直 兀具疋關於一種 與設置於檢測管内之振動板的磁鐵隔著若干間隙 電磁鐵之線圈的振動頻率檢測出物體之有無的振動式二』 感測器之溫度測定方法、物體於 ^ 【先前技術】 」衣置。 σ日、J儆唂万塊圖， 栽方；日本4寸開平η_351944號公報。 邱Ί θ報罘1〇Α圖中，檢测 邛1疋將其基部i丨作為固定端 便其刖端部由閉塞邱！ 所閉塞而作為自由端。在檢測管 〇 j S。卩1的内部設有細長 · 狀的振動片2。振動片2是一

而固疋於檢測管部1的閉^ 部12 ’另一端則設有永久磁鐵3而作為 γ J 測管部1、閉塞部12及振動片2 而。此，； ^ ^ , 9 ^ . 乃2即構成使檢測管部丨在, 基。卩12返折，亚將該返折的 作為振動片2的返折懸」 4安裝成密接於檢測管部」月辛、向的方式將電有 電驅動時，由於電磁鐵4所產生：磁:電s磁鐵4受到交 王之磁％與永久磁鐵3 ^ 場的相吸互斥作用，在振動片2、 合！：/其邱11你& 閉基部12及檢測管， 會以基。卩11作為固定端而 ,^ 生返折懸臂樑的振動。 在k測官部]之基部丨丨 ,^斜&、目丨乂 ' t内側壁設有歪斜檢測j 5。正斜k測兀件5是用來檢 、出心測管部1之基部1 ] 314779 5 200404154 的振動振幅狀態而變換成電氣 、， ._ 电^ ^唬，亚供應至放大電路 大電路6是將所輪入的传 ^ 琥放大再輸入至電磁鐵4。 弟1 〇B、C圖是因為施加命 鐵4*永久磁趟…， 、-磁鐵4的電流而在電磁

-、水久磁鐵3之間所產座A 雷磁# d 生的相吸互斥力的圖。施加於 甩磁鐵4的電流之極性盥產 果是筮 ”生方；笔磁鐵4之磁場的關係如 弟1 〇B圖所不的關係，則盥永么妫# 1 4 ^ 锔 〜水久磁鐵3相對向的電磁

’载4磁極會變成n極，而 a ^ 人女政於振動片2之永久磁 鐵3的S極之間會產峰明七 、 ^ ^ . ，在與永久磁鐵3的N極之間 曰產生互斥力，且振動片 .,7 片〜的自由端在第1 0B圖中合在上 側承受力量而位移。 口甲《在上 反之’如果將施加於雷 則如第10C圖所示，盘永趙6、之極性倒過來’ 合反韓而你A e /·、K久磁鐵J相向側的電磁鐵4極性 曰反轉而k成S極，而且會金 互斥，A * Μ / 動片之水久磁鐵的S極 立作，而與Ν極相吸， 受力旦而b振動片2的自由端會在下測承 又刀里而改餐；振勤此能 .^ 心。因此，藉由配合返折縣臂_ $ 動系統固有振動頻率而如她 、研心#払之振 性，可持續產生振動。 机之極 弟1 〇 A圖所+ ώΑ y ϊ 7 统的#動而辫# 1 疋利用檢測元件5檢測出振動系 ::振動而讀成電氣信號，並利用 再輸入至電磁鐵4，π n士… 纷〇加以放大 同日寸《檢測電路7輸出檢 動的檢測元件5可使 H虎。振 元件容易破裂，且^ 牛或加速度傳感器、’但壓電 ,r ^ ^ 易受到利用接著劑貼在檢測管所導致 之％境性及溫度牿祕發从θ s尸/T ¥级 性低的問題。 〜響，也有壓電元件本身之可靠 314779 6 200404154 其他，例如也有使用曰本特開平卜23221 8號公報所示 之振動式位準檢測聚置的方法。此振動式位準檢 = 在振動體設有激振用壓電元件及收訊用麼電元件，：二 用激振用壓電元件使振動體激振，再藉由收訊用壓電元件 檢測出振動體的振動。然後，將來自收訊用屢電元件 出幸則入帶通攄波器’使振動體不與被檢測對象物接觸j 振動頻率fa通過，使振 9 動月“妾觸於被檢測對象物時的振動 頻率f b無法通過。將此帶 ♦ π l濾波杰的輸出供應至電壓 電路，然後與基準電壓進行比表六，告 χ 1 ^ f通4波讀$會變得比基準電屢低，接觸 B可則會變得比基準電壓高， — 蜀 、 …口此可铋測出被檢測對象物。 、而上4㈤白知例有檢測電路的零件數變多，成 且構造上也變得複雜，以致組裝工數也增多的問題。 令件數的增加會導致可靠性降低。 、 【發明内容】 本發明之主要目的在於提供—

^ 種可减少零件數，且可J

楗升可罪性的振動式位準感測器 I 、曰丨丨士、+ 度/則疋方法、物體檢 測方法及物體檢測裝置。 本發明之振動式位準感測器之㈤ 、 Μ罢女人 /服又/則定方法是利用盘 -置W測管内之振動板的磁鐵隔著若： 磁鐵之線圈的特性來測定溫度者，其特I y 、° 、 的it te相专A山 ’、.攻為.將以振動板 /、振頻率為中心掃描預定範圍内 線圈，並根據因為線圈之、、”所的交流電施加於 動的〜：= 導致的電阻值之變化而流 動的电*之相位角度的變化來測定溫度。 3]4779 7 200404154 與設置於檢測管内之心之物體檢測方法是根據 為·以預ίΓ 頻率來檢測出物體之有無者，其特徵 二振動板的共振頻率為中心掃 流電時，檢測出=1:;;施加於線圈，並且在施加交 、 疋否接觸於振動板而產生的相位變

化，亚根據所檢測出的相 又 定測定週期之前半期門押二 断物體之有無，在預 溫度，在預定週=半所檢測出的相位變化來測定 所要掃描的頻率 夺期間，根據溫度的測定結果改變 再者’其他發明 是根據與設置於檢二Γ 之物體檢測裝置 對向的電磁鐵之線圈^動板的磁鐵隔著若干間隙相 其特徵為具有頻率來檢測出物體之有無者， 率Α φ , 疋的測定週期’將以振動板的共振頻 率為中心在預定範圍内 、 流電施加機構；由交、,/Γ 父流電施加於線圈的交 依物體是否接觸於#:::力广冓施加交流電時，檢測出 構"《由相位檢測=二=相位變化的相位檢測機 之有無的判斷機構·在子Ρ 位變化來判斷物體 位檢_•之檢測輸出】==之;半期間，根據相. 在預定週期之後半期度的靡定齡以及 根據/皿度測定機構之測定結果改 交所要掃描的頻率的頻率變化機構。 才目位^ '則機構是用來檢測出因振動板之振動頻 率Μ交流電之掃描頻率的混合而在電磁鐵之線圈所產生的 3]4779 8 200404154 月氏衝頻率成分所導致的相位波動。 再者 波器。 相位檢測機構包含用來抽出脈種 于頻率成分的 ^者，溫度測定機構是根據因線圈溫度所導致的電阻 值變化而產生的電流相位角的變化來測定溫度。 [發明之效果] 如以上所述，根據本發 由於是採用一種以預定的測 率為中心掃描預定頻率範圍 物體是否接觸於振動板而產 無的物體檢測方法，因此可 鐵構成檢測部，所此在收訊 般採用壓電元件或加速度傳 提升裝置的可靠性。 明，在振動式位準感測器中， 定週期，將以振動板的共振頻 的交流電施加於線圈，並藉由 生的相位變化來判斷物體之有 僅由驅動用的電磁鐵及永久磁 用的感測器部分不需要如習知 感器’而可減少零件數，且可 而且，由於是在預定測定週期之前半期間根據所檢測 出的相位變化來歧溫度，在後半期間根據溫度的測定結 果使掃描頻率範圍最適當化，因此可加快檢測裝置的㈣ 再者，溫度測t方法是僅使用#為檢測部_動用電 磁鐵及永久磁鐵’因此不需要另外的敎命 。。 …、包|且，而可實現 構造的簡化及大幅的成本降低。 ' 【實施方式】 以下，利用圖面來說明本發明實施形態的振動式位準 感測器。在以下相同或相當的部分附卜知Η "Ί上相同的兀件符號， 314779 200404154 ，並省略其說明。 第圖及第1B圖是本發明實施形態之振動式位準感 測态的動作原理說明圖。如第1 A圖所示，一般都知、、, 棒狀電磁鐵21與磁鐵22保持若干間隙而相對向，並且使 換*到電磁鐵2〗之電流的方向時，如果電磁鐵幻的極性 經過切換而與相對向的磁鐵22之極性相同時就合 果不同極就會相吸。 將此原理應用在第1B圖所示的縱振動型振動 二由將振動板23前端的磁鐵22的分極方 為；度方向(弟】B圖當中’上側為為N#，下 則可相對於磁鐵2 "、極）’ 城“以电飢的流向施加 ^由於是位於#ώ 力上下方向的力。磁鐵 疋证万、振動板的自由端，因 鐵21的雷泣 U此/、要使流到電磁 致，振動板2, 振動板23的共振週期一 疋折返懸臂樑，與振動板23之 I 〇振動杈式 異，但基本上和同。 早-的早純模式有若干的差 習知的振動式位準感測器 驅動部的電磁鐵4、以及 $ 1〇A圖所示，使作為 的零件構成,^ 為收讯部的檢測元件5由不同 』7忏構成，但本發明的 田个」 的電磁鐵構成。 疋使驅動部及收訊部由共通 第2圖是本發明之振 將電池32箄夕++感測器的原理圖。例如 寻之电源連接於電 使電動機3 1旋鰣。仏士 、J 1 8守’電流就會流動而 。接下來，用手抓住電動 】毛動機3丨的電流假設為 "° 1的旋轉軸使其停止旋轉時， Α^ι 314779 10 200404154 :電動機si流動的電流會增加到b。這是 在旋轉中會因盍+ &、 ~甩勒械3 1、 曰口為电動機31旋轉所產生的發電作用 反向電流（電力），而且會抑 生 的旋轉停止時，此… 而§使電動機31 制效果。 此反向笔流（電力）就會消失，而且沒有抑 機2 == 式位準感測器並不是第2圖所示的電動 目所不，當電流流到電磁鐵而使磁 為了 ^ ^ 與前述電動機31的說明同.樣可抑制 輕…主而流動的電流。在檢測部由粉體等所覆蓋而不會 ϋΓ ，固^於振動板23上的磁鐵22所產生的發 :2就會消失，驅動電流就會流動而不會受到任何的抑 二口：，藉由檢測出驅動電流，即可知道振動的大小， 可進仃粉體之有無的檢測。 振動式位準感測器是使驅動電流的頻率與振動板。 :::員率一致，藉此產生振動，但振動板23所振動的頻 =度_於聊z(代表值）的中心頻率為±qiHz，範圍 田：狹小，不可能經常在此頻率内保持驅動電流的頻率， 本發明是如第3圖所示，使頻率在中心頻率之上下一 二粑圍反覆變化（掃描）。如上所述藉由掃描頻率，可解決 视法檢測出共振狀態的疑慮。 ' 而且，振動板23的振動頻率是以大約_〇·□的比例 =於溫度而變化，因此掃描頻率範圍也是以此比例進行 …制(修正)。亦即，隨著溫度的上升，掃描頻率會降 314779 11 200404154 氏从進行修正。頻率的掃描範圍是在基準值9·4Ηζ到6 的上下 并 5·7Ηζ之間。此處的基準值並不是振動板23的共 ^ ^，而是相對於干擾電壓之峰值的頻率，有關於此容 頻率的掃描速度之一例是11. 1Hz/秒，也就是以丨 掃 4 苗 1 S 8 秒 ^ Z。掃描速度越慢，越可詳細觀測振動的變化，

^疋可兼顧計測時間等而設定此值。 第4圖是用來說明干擾電壓（脈衝）的 頻率混合時，已知會重新產生該頻率的和以及差的 合丰成/刀。例如，將380ΗΖΑ 385ΗΖ的頻率加以混合時， 曰產生765 Hz及5 Hz的頻率成分。 動板圖所說明，α n.1Hz/秒的速度掃描振 Γ _ 〃振頻率的上下15·7Ηζ的頻率範圍。如第4圖 ^所不’剛開始掃描之後，掃料率與共 眾〜#近共振頻率時，振動板23的振動就 :值亚且在頻率一致時達到最大值，…流也會達到： :值。如㈣所示’之後掃描頻率會以-定的速度持續： ^振動板23的振動頻率會維持在⑼達到最: 振頻率而慢慢衰減。 W共 在此，於㈣的振動衰減期間使振 當重要，如果頻率會變化的驅動電流的择描頻二:: 不會變化的反向電流 ：/、頻率 率的發生。利用_波哭㈣/相互此合’會Μ脈衝頻 心°。出所產生的脈衝頻率中差的頻

334779 12 200404154 率成分（會變化），並以其大小判斷粉體之有無。 檢測部由粉體所覆蓋以致振動板； 會發生反向電流，也不會產生脈衝頻率。不以曰下振即動:，並不 =式位準感難之實施形態力"χ詳細說明。 θ是本發明一實施形態的振動式位準；^、列5^ 塊圖。第5 FI 士 、m +软測益的方 電L二產生，腦40包含用來產生掃描頻率之脈衝 51經由電= 所產生的脈衝電厂堅會從驅動電路 52备檢，|屮、、“ | 尤至-磁鐵21。電流檢測電路 ^ ‘、机電磁鐵21的脈衝電流而供應至相位比較 相位比較電路53則是檢測出該脈衝電流與從脈 χ生笔路所供應之脈衝電壓的相位差。 。粉體未接觸於檢測部時，振動才反23就會振動，並且在 °八包飢產生刖述脈衝成分，因此在相位比較電路53的輸 出冒產生波動。粉體接觸於檢測部時，振動板U並不會振 動八因此不會產生此相位的波動。此相位比較電路53的輸 出冒供應至平滑電路54，並且作為捕獲訊號輸入至微電腦 4〇 :由於相位比較電路53的輸出是-種PWM訊號，因此 平π兒路54會將其變換成容易處理的類比電壓。 …藉由平滑電路54所變換的類比電壓會供應至帶通濾 波叩（BPF)55 ’並且供應至内藏於微電腦4〇的ι〇位元八爪 變換器42而變換成數位訊號。此數位訊號是用來作為溫度 計測用的輸入。BPF55只會檢測出5Hz附近的波動（脈衝） 成分。該檢測訊號會藉由放大電路56而放大並供應至内藏 於微電腦40的10位元A/D變換器43。經由a/d變換器 314779 13 200404154

43變換後的數位訊號則是作為粉體檢測訊號，以2 2切 的間隔讀入微電腦40。 SeC 於微電腦40連接有延遲電路58及動作顯示 ^ 、 且〇 y。料·

笔腦4 0是對於所讀入的檢測訊號進行運算處理以求出其 峰值，並且將該峰值與預設的設定值進行比較。再者 包細40會根據比較結果，將用來顯示被檢測物之有無 號輸出至延遲電路58及動作顯示燈59。 、、況 在微電腦40中與電磁鐵21的連接鬆 -， 项吊會雜 不出不可能的溫度值，因此可將此視為錯誤而藉 = 5 7等機構發出警報。 口 5 3檢測出波 位差的其他 此外，上述實施形態是利用相位比較電路 動，但亚不限定於此，亦可使用用以檢測出相 機構。

弟6圖是第 圖’第7圖是第 圖 。 5圖所示之振動式位準感測器的計測程序 6圖之計測程序中的粉體檢測期間的詳細 祕電腦40是如第6圖所示，例如以大約4秒為一個測 ::期進行位準計測。…4秒的—個測定週期中例如 則+部分大約2.2秒設定為溫度敎週期，將後半大約Η 秒設定為粉體檢測週期。前半部分的溫度測定週期中 電腦-是根據靖換器42的數位輪出來計測溫度值： 广：電腦40會藉由該測定的溫度值來控制粉體檢測週 〃月的掃描頻率範圍。 溫度計測期間中，如第6圖所示，掃描頻率是固定在 314779 ]4 200404154 5〇〇Ηζ，如第7圖所示，粉體檢測期間開始之後〇·54秒會 受到從500Hz切換至掃描開始頻率所導致的驅動電流之^ 擾的影響’因此會使A/D變換器43的輸出變成〇ff而不 、行兒C的加入，在之後的期間才使A/D變換器的輸 出變成ON而讀入電壓。 ’又有粕版犄疋如第7圖所示，會產生因脈衝電壓等所 :欠：波動成刀’ |測部由粉體等所覆蓋而不會振動時則 是如第7圖的粗線私— . 斤不’不會發生因波動所產生的電壓。 此振幅值就是振動佶 ^ y w

助值。此振動值是〇至1〇23(10位元A/D 變換器43)的值。 弟8A、8B圖异楚 、罘7圖之A/D變換器43的輸入電壓 形的實測值。第闫η冰认 Α圖疋使檢測管1之前端形成自由狀能 時的波形，第8Β圖每心 用手握住檢測管1前端時的波形圖。 如果將弟8A圖及楚 #卜心〗” 圖進行對照即可明瞭，在前半期間 w '、s月"尚形成自由狀態時與加以拘束時，波彤有 明顯的不1¾，因此又么士， J不t波形有 兄。 不會有粉體有無之判斷產生錯誤的情 弟9 A圖及莖q h 的溫度測定詳細圖：ί第5圖所示之振動式位準感測器 含線圈，並且使弟9Β圖所示，電磁鐵21可視為包 感XL及電阻R等效串聯連接去 此電路施加交流（阶& 文百田對 ,(胍衝）電壓，則電流會因為電感及電阻 R所構成的相位延浐 ^ 1 崚而流動。當線圈的溫度變化時，電阻

曰口刖尸处產生變化，4 X 因此如第+日日·度而變動。 '、，因溫度變化所導致之電阻變化而流 15 314779 200404154 動的電流的相位角會產生變化。 鄉使驅動頻率固定於5 〇 〇 Η z是為了避免機械性振動的影 響，並且消除因頻率變動所產生的誤差。流到電磁鐵η 的電流的相位是由相位比較電路53與供應至驅動電路5ι 之基準相位進行比較，並且變成對應於平滑電路Μ後之相 位差的直流電麼而供應至A/D變換器❿因此，溫度的解

析能是由A/D變換器42的解析能所決定，第5圖的電路 是使溫度資料相對於大約3.3t的變化改變一個讀數。 此外，對於驅動資料是由vw古a a 田55去除直流變化部分， 大此因溫度變化所導致的電壓變化不會受到影響。 振動板23的振動頻率在製作 ▲ 衣作上有某種程度的參差不 片，且標準形及長形的振動頻率备 ,,^ 千曰有所差異，而且在组| 〜束後或檢測部更換後，必彡f验 、 乂肩將檢測部的動作頻 微電腦40。此動作稱為調諧。 、 自俊，根據以下式子，灼二田 為時所儲存的溫度資料及頻率資 凋 瞀山丄 貝枓以及計測時的溫度資料 U計測時的|準（掃描）頻率範圍。# + 掃描頻率而進行計測。 决疋取彳土的

Fs-(Ts-Tt) · k=Ft

Tt :調諧時的溫度資料、

Ft… 十Ts · 5十測時的溫度資料、

Ft ·调諧時的頻率資料、F h•计測時的基準頻率、 k ·比例係數 、羊 【圖式簡單說明】 弟1A圖、第1B圖是振動式位準 圖。 的的原理說明 16 314779 200404154 第2圖是本發明之娘&、 辰動式位準感測器的原理說 第3圖是頻率之掃描盥、㈤ 兄月圖、 一 /皿度修正的關係曲線 第4圖是用來說明+ Λ ; π 匕毛壓（脈衝）的波形圖。 弟5圖是本發明~實播犯& >以& 塊圖 圖 圖 、也形恶之振動式位準感測器的方 〇 弟6圖疋弟5圖之据叙-V j^r ^ 振動式位準感測器的計測 第7圖是第6圖之吋、、則#左κ ^ 口 。十測私序的粉體計測期間的詳細 第8Α圖及第8Β圖是Α/η龄她 口疋A/D，交換為43的輸入電壓波形 第9A圖及第9B圖是第5圖振 度測定詳細圖。 振動式位準感測器的溫 第10A圖是習知振動式位準感測器的概略方塊圖1 iOB、第1〇C圖是表示因施加於電磁鐵4的電流而在永久 磁鐵3之間所產生的相吸互斥力的圖。 1 檢測管部 2 振動片 3 永久磁鐵 4 電磁鐵^ 5 歪斜檢測元件 6 放大電路 7 檢測電路 11 基部 12 閉塞部 21 電磁鐵 22 磁鐵 23 振動板 3 1 電動機 32 電池 4 0 微電腦 41 脈衝產生電路 λ ·α.ί Π4779 ]7 200404154 42 > 43A/D 變 換器 51 馬區 動 電 路 52 電 流檢 測電路 53 相 位 比 較 電 路 54 平 滑 電 路 55 帶 通 濾、 波 器 (BPF) 56 放 大 電 路 57 蜂鳴 器 58 延 遲 電 路 59 動 作 顯 示 燈 XL 電 感 R 阻

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Claims (1)

1. 200404154 拾、申請專利範圍： 1. 一種振動式位準感測器之溫度測定方法，係利用與設置 於檢測管（1)内之振動板（23)的磁鐵（22)隔著若干間隙 相對向的電磁鐵（21)之線圈的特性來測定溫度者，其特 徵為： ^ 將以前述振動板（23)的共振頻率為中心掃描預定 範圍内之頻率的交流電施加於前述線圈，並根據因前述 線圈之溫度所導致的電阻值變化而流動的電流之相位 角的變化來測定溫度。 2· —種振動式位準感測器之物體檢測方法，係根據與設置 於檢測管（1)内之振動板（2 3)的磁鐵（2 2)隔著若干間隙 相對向的電磁鐵（2 1}之線圈的振動頻率來檢測出物體 之有無者，其特徵為： 以預定的測定週期，將以前述振動板的共振頻率為 中心掃描預定範圍内之頻率的交流電施加於前述線 圈，亚且在施加前述交流電時，檢測出依前述物體是否 接觸於前述振動板而產生的相位變化，並根據前述所檢 =出的相位變化來判斷前述物體之有無，在前述預定測 定週期之前半期間根據前述所檢測出的相位變化來測 定溫度，在前述預定週期之後半期間，根據前述溫度的 測定結果改變前述所要掃描的頻率。 3. -種振動式位準感測器之物體檢測裝置’係根據與設置 於檢測管⑴内之振動板（23)的磁鐵（22)隔著若干間隙 相對向的電磁鐵（2 1)之線圈的振動頻率來檢測出物體 314779 19 200404154 之有無者，其特徵為具有： 以預定的測定调& 中心在預定範以前述振動板的共振頻率為 ▼描頻率的交流電施加於前述線圈 的父/瓜電施加機構； 、、水囿 由前述交流命 ,w ^ e ^ . ^⑪加機構施加交流電時，檢測出依前 述物體疋否接觸於 山很月J y ± 迷振動板（23 )而產生的相位#仆 的相位檢測機構； I王Η日i夂化

   根據由前试；A 、， ,m ^ , ^ 双測機構所檢測出的相位變化來 列斷則2物體之有無的判斷機構； ㈣月』Γ預疋測定週期之前半期間，根據前述相位檢 測機構之檢測輸出來 ，、j疋/皿度的溫度測定機構；以及 在前述預定週期夕彡H M ^ ^ ^ S 二 + J間，根據前述溫度測定機 、Μ改變丽述所要掃描的頻率的頻率變化機 構。 4·=請專利範圍第3項之振動式位準感測器之物體檢 測裝置，其中，前述相位檢測機構是用來檢測出因前述 振動_之振動頻率與前述交流電之掃描頻率的混 合而在前述電磁鐵之線圈所產生的脈衝頻率成分所導 致的相位波動。 、申#專利乾圍第4項之振動式位準感測器之物體檢 測裝置，其中，前述相位檢測機構包含用來抽出前述脈 衝頻率成分的濾波器（55)。 6.如:請專利範圍第3項之振動式位準感測器之物體檢 測裝置，其中’前述溫度測定機構是根據因前述線圈之 3J4779 20 200404154 溫度所導致的電阻值之變化而產生的電流之相位角度 的變化來測定溫度。 314779