專利名稱：多線圈材料辨別型電感式傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)域，尤其是涉及一種用于測(cè)量金屬位置的多線圈材料辨別型電感式傳感器。
背景技術(shù)：
目前材料選擇型的電渦流式傳感器采用的方案是在傳統(tǒng)電渦流傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用并聯(lián)諧振回路的諧振特征曲線對(duì)鐵磁性材料和非鐵磁性材料進(jìn)行區(qū)分，基本原理如下，由電感線圈和固定高頻電容組成并聯(lián)諧振回路，當(dāng)電路處于諧振狀態(tài)，諧振回路的阻抗最大，諧振頻率為f0。在沒有目標(biāo)檢測(cè)體存在時(shí)，調(diào)整電容或電感使回路處于失諧狀態(tài)，也即fl位置，當(dāng)有鐵磁性目標(biāo)檢測(cè)體靠近時(shí)，由于電感量增加，使回路狀態(tài)往諧振狀態(tài)轉(zhuǎn)變，諧振電壓相應(yīng)增加，而當(dāng)非鐵磁性目標(biāo)檢測(cè)體靠近時(shí)，回路狀態(tài)往相反方向變化，諧振電壓相應(yīng)下降，這樣即可分辨出鐵磁性金屬和非鐵性金屬?，F(xiàn)有技術(shù)檢測(cè)距離有限，只能達(dá)到常規(guī)檢測(cè)距離；調(diào)校困難，一致性差，一定要采用磁芯以保證諧振回路具有很高的Q值；穩(wěn)定性較低，溫度漂移系數(shù)大，_25°C +70°C的溫度范圍內(nèi)，檢測(cè)距離漂移達(dá)±20%以上。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供一種多線圈材料辨別型電感式傳感器，用于感測(cè)金屬物質(zhì)，其包括
發(fā)射線圈組件:在驅(qū)動(dòng)電流的作用下產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)；
脈沖驅(qū)動(dòng)電路:與所述發(fā)射線圈組件連接，并為所述發(fā)射線圈組件提供脈沖驅(qū)動(dòng)電
流；
感應(yīng)線圈組件:與所述發(fā)射線圈組件平行設(shè)置，接收所述發(fā)射信號(hào)并產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)；信號(hào)處理系統(tǒng):分別連接所述感應(yīng)線圈組件和脈沖驅(qū)動(dòng)電路，接收所述感應(yīng)線圈組件產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)并對(duì)所述感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行處理得到輸出信號(hào)，所述脈沖驅(qū)動(dòng)電路接收所述輸出信號(hào)產(chǎn)生反相脈沖驅(qū)動(dòng)電流；
控制計(jì)算系統(tǒng):連接所述信號(hào)處理系統(tǒng)，為所述信號(hào)處理系統(tǒng)配置參數(shù)，并對(duì)所述輸出信號(hào)進(jìn)行處理得到金屬物質(zhì)的位置信息。較佳地，所述發(fā)射線圈組件包括兩發(fā)射線圈，所述感應(yīng)線圈組件包括兩感應(yīng)線圈。較佳地，所述發(fā)射線圈組件包括第一發(fā)射線圈和第二發(fā)射線圈，所述感應(yīng)線圈組件包括第一感應(yīng)線圈和第二感應(yīng)線圈。較佳地，所述脈沖驅(qū)動(dòng)電路包括第一脈沖振蕩器、第二脈沖振蕩器以及第一電流源、第二電流源，所述第一脈沖振蕩器與第一電流源連接，所述第二脈沖振蕩器與第二電流源連接，所述第一電流源與第二電流源分別在所述第一脈沖振蕩器與第二脈沖振蕩器的作用下輸出第一脈沖驅(qū)動(dòng)電流與第二脈沖驅(qū)動(dòng)電流。較佳地，所述第一發(fā)射線圈與第二發(fā)射線圈分別接收第一脈沖驅(qū)動(dòng)電流與第二脈沖驅(qū)動(dòng)電流生成第一發(fā)射信號(hào)與第二發(fā)射信號(hào)。較佳地，所述第一感應(yīng)線圈與第二感應(yīng)線圈分別接收所述第一發(fā)射信號(hào)和第二發(fā)射信號(hào)并分別生成第一感應(yīng)信號(hào)與第二感應(yīng)信號(hào)。 較佳地，所述控制系統(tǒng)包括差分電路、移相電路、同步解調(diào)電路以及積分電路，所述差分電路、移相電路、同步解調(diào)電路、積分電路與移相電路依次連接。較佳地，所述差分電路接收所述兩路感應(yīng)信號(hào)并對(duì)該兩路感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行差分處理得到一差分信號(hào)，所述移相電路對(duì)所述差分信號(hào)進(jìn)行移相，移相后的所述差分信號(hào)經(jīng)所述同步解調(diào)器輸出兩路解調(diào)信號(hào)。較佳地，所述積分電路輸入端連接所述同步解調(diào)電路的輸出端，所述積分電路對(duì)所述兩路解調(diào)信號(hào)進(jìn)行積分比較得到所述輸出信號(hào)，所述輸出信號(hào)控制所述脈沖驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生反相電流。較佳地，所述輸出信號(hào)輸入到所述控制系統(tǒng)經(jīng)所述控制系統(tǒng)計(jì)算得到金屬位置信
肩、O較佳地，其還包括狀態(tài)指示電路和電源。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下:
本發(fā)明采用全新的多線圈組合方式，使檢測(cè)距離大幅度提高，最大檢測(cè)距離可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)距離的3 5倍；采用移相采樣技術(shù)，根據(jù)不同材質(zhì)金屬的特征曲線，即可分辨不同材質(zhì)金屬；性能穩(wěn)定，抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)，溫度漂移系數(shù)小，_25°C +75°C溫度范圍內(nèi)的溫度漂移小于10%，甚至小于5% ；
當(dāng)然，實(shí)施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時(shí)達(dá)到以上所述的所有優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明的任意產(chǎn)品并不局限于以上優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的電路原理示意 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的移相電路示意 圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的發(fā)射線圈組件和接收線圈組件的結(jié)構(gòu)示意 圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的在b點(diǎn)取樣的移相取樣示意 圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的在c點(diǎn)取樣的移相取樣示意圖。
具體實(shí)施例方式下方結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。
實(shí)施例本發(fā)明提供了一種多線圈材料辨別型電感式傳感器，用于感測(cè)金屬物質(zhì)，其包括 發(fā)射線圈組件:在驅(qū)動(dòng)電流的作用下產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)；
脈沖驅(qū)動(dòng)電路:與所述發(fā)射線圈組件連接，并為所述發(fā)射線圈組件提供脈沖驅(qū)動(dòng)電流；
感應(yīng)線圈組件:與所述發(fā)射線圈組件平行設(shè)置，接收所述發(fā)射信號(hào)并產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)；信號(hào)處理系統(tǒng):分別連接所述感應(yīng)線圈組件和脈沖驅(qū)動(dòng)電路，接收所述感應(yīng)線圈組件產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)并對(duì)所述感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行處理得到輸出信號(hào)，所述脈沖驅(qū)動(dòng)電路接收所述輸出信號(hào)產(chǎn)生反相脈沖驅(qū)動(dòng)電流；
控制計(jì)算系統(tǒng):連接所述信號(hào)處理系統(tǒng)，為所述信號(hào)處理系統(tǒng)配置參數(shù)，并對(duì)所述輸出信號(hào)進(jìn)行處理得到金屬物質(zhì)的位置信息。本實(shí)施例中發(fā)射線圈組件包括兩個(gè)發(fā)射線圈，接收線圈組件包括兩個(gè)接收線圈，本實(shí)施例并不代表本發(fā)明，具體發(fā)射線圈和接收線圈的數(shù)量并不局限于本實(shí)施例，本實(shí)施例提供的多線圈材料辨別型電感式傳感器優(yōu)選采用兩個(gè)發(fā)射線圈和接收線圈。如圖3所示為本實(shí)施例提供的接收線圈組件和發(fā)射線圈組件的結(jié)構(gòu)圖，其中發(fā)射線圈組件包括發(fā)射線圈SI與發(fā)射線圈S2，接收線圈包括接收線圈El和接收線圈E2，發(fā)射線圈SI和發(fā)射線圈S2平行設(shè)置，接收線圈El和接收線圈E2平行設(shè)置，發(fā)射線圈SI和發(fā)射線圈S2為螺旋形，接收線圈El和接收線圈E2也為螺旋形，發(fā)射線圈SI的螺線范圍在接收線圈El螺線范圍的內(nèi)部，發(fā)射線圈S2的螺線范圍在接收線圈E2螺線范圍的內(nèi)部；本實(shí)施例并不代表本發(fā)明，本實(shí)施例提供的接收線圈組件和發(fā)射線圈組件的結(jié)構(gòu)和形狀僅為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選例，具體還可以設(shè)置為其它各種形狀，在此不一一舉例說明。本發(fā)明采用全新的多線圈組合方式，使檢測(cè)距離大幅度提高，最大檢測(cè)距離可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)距離的3 5倍。所述脈沖驅(qū)動(dòng)電路包括兩個(gè)脈沖振蕩器以及兩個(gè)電流源，第一脈沖振蕩器與第一電流源連接并輸出第一脈沖驅(qū)動(dòng)電流，第二脈沖振蕩器與第二電流源連接輸出第二脈沖驅(qū)動(dòng)電流，脈沖驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)輸出兩路脈沖驅(qū)動(dòng)電路；發(fā)射線圈SI和發(fā)射線圈S2分別接收第一脈沖驅(qū)動(dòng)電流和第二脈沖驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生并生成第一發(fā)射信號(hào)與第二發(fā)射信號(hào)，感應(yīng)線圈El和感應(yīng)線圈E2分別接收所述第一發(fā)射信號(hào)和第二發(fā)射信號(hào)并分別生成兩路感應(yīng)信號(hào)，兩路感應(yīng)信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)。如圖1所示，所述信號(hào)處理系統(tǒng)包括差分電路、移相電路、同步解調(diào)電路以及積分電路，所述差分電路、移相電路、同步解調(diào)電路、積分電路依次連接。差分電路包括一個(gè)差分放大器，差分放大器接收所述兩路感應(yīng)信號(hào)并對(duì)該兩路感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行差分處理得到一差分放大信號(hào)，所述移相電路對(duì)所述差分信號(hào)進(jìn)行移相，移相后的所述差分信號(hào)經(jīng)所述同步解調(diào)器輸出兩路解調(diào)信號(hào)。。所述同步解調(diào)電路包括一個(gè)同步解調(diào)器，所述積分電路包括一個(gè)積分解調(diào)器。如圖2所示為本實(shí)施例提供的移向電路，其設(shè)于所述差分放大器與同步解調(diào)器之間。所述移相電路對(duì)所述差分放大信號(hào)進(jìn)行移相，從而對(duì)本發(fā)明提供的多線圈傳感器的檢測(cè)金屬進(jìn)行選擇。以鐵磁性金屬和非鐵磁性金屬為例分析不同金屬材質(zhì)與檢測(cè)距離的信號(hào)幅值曲線，如圖4和圖5所示，在相同檢測(cè)距離時(shí)，鐵磁性金屬與非鐵磁性金屬產(chǎn)生的信號(hào)幅值曲線和無金屬時(shí)的信號(hào)幅值曲線，這些曲線雖然峰峰值差別很大，但曲線之間會(huì)有交叉點(diǎn)，各交叉點(diǎn)處的變量值即代表不同金屬材料在相同檢測(cè)位置的信息，由于本系統(tǒng)采樣點(diǎn)始終保持在脈沖的中間點(diǎn)，通過采用移相電路調(diào)整信號(hào)的相位，將所需信號(hào)交叉點(diǎn)移至脈沖中點(diǎn)位置，即可實(shí)現(xiàn)材料選擇的功能。其中圖3所示，將采樣點(diǎn)在b處，則非鐵磁性材料被屏蔽，僅對(duì)鐵磁性金屬材料檢測(cè)；圖4所示，如采樣點(diǎn)在c處，則鐵磁性金屬材料被屏蔽，僅對(duì)非鐵磁性材料檢測(cè)；還有第三種情況，如采樣點(diǎn)在b和C之間，則可同時(shí)檢測(cè)這兩種材料，且可進(jìn)行區(qū)分，信號(hào)為正向變化的是鐵磁性材料，信號(hào)為負(fù)向變化的為非鐵磁性材料，通過驅(qū)動(dòng)兩路輸出即可進(jìn)行選擇。移相后的所述差分信號(hào)經(jīng)所述同步解調(diào)器輸出兩路解調(diào)信號(hào)，所述積分電路輸入端連接所述同步解調(diào)器的輸出端，所述積分電路對(duì)所述兩路解調(diào)信號(hào)進(jìn)行積分比較得到所述輸出信號(hào)，所述輸出信號(hào)控制所述脈沖驅(qū)動(dòng)電路的兩個(gè)脈沖電流控制器產(chǎn)生反相電流。所述輸出信號(hào)輸入到所述控制計(jì)算系統(tǒng)經(jīng)所述控制系統(tǒng)計(jì)算得到金屬位置信息。其計(jì)算原理如下:
兩個(gè)脈沖振蕩器產(chǎn)生相位相反的信號(hào)通過電流控制器驅(qū)動(dòng)兩個(gè)發(fā)射線圈，接收線圈接收感應(yīng)信號(hào)通過差分放大器得到兩個(gè)線圈感應(yīng)信號(hào)的差分值并經(jīng)過同步解調(diào)器解調(diào)出兩個(gè)信號(hào)，積分器對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行積分比較，并將比較值反相控制電流控制器，使驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈的電流反相變化，通過這個(gè)循環(huán)最終使差分放大器的輸出值恒為“O”。當(dāng)有金屬物體接近發(fā)射和接收(感應(yīng))線圈系統(tǒng)的磁場(chǎng)，并產(chǎn)生渦流破壞接收線圈(感應(yīng))的輸出平衡，即不為“0”，此信號(hào)經(jīng)上述系統(tǒng)循環(huán)調(diào)整后，差分放大器輸出重新變?yōu)椤?”，而積分器的輸出則包含了金屬物體的位置信息?？梢杂靡韵聰?shù)學(xué)關(guān)系來表述:
D=f (x, n, i, A,)
式中，D:金屬物體與線圈系統(tǒng)的距離；
X:積分器的變化量；
η:發(fā)射和接收(感應(yīng))線圈之間的耦合系數(shù)；
1:發(fā)射線圈的初始電流；
A:差分放大器的增益；
上述公式為多變量函數(shù)，但一旦系統(tǒng)成型后，H，i，A將為常量，所以金屬物體對(duì)線圈系統(tǒng)的距離和積分器的變化量成一元函數(shù)關(guān)系，并且通過調(diào)節(jié)其他參數(shù)可以改變距離。本發(fā)明還包括指示及輸出電路以及穩(wěn)壓電源，指示電路與信號(hào)處理系統(tǒng)連接并對(duì)該信號(hào)處理系統(tǒng)中信號(hào)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行指示，輸出電路根據(jù)將計(jì)算驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算出的結(jié)果進(jìn)行輸出；穩(wěn)壓電源為系統(tǒng)提供高效穩(wěn)定的電源。
以上公開的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例只是用于幫助闡述本發(fā)明。優(yōu)選實(shí)施例并沒有詳盡敘述所有的細(xì)節(jié)，也不限制該發(fā) 明僅為所述的具體實(shí)施方式
。顯然，根據(jù)本說明書的內(nèi)容，可作很多的修改和變化。本說明書選取并具體描述這些實(shí)施例，是為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實(shí)際應(yīng)用，從而使所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員能很好地理解和利用本發(fā)明。本發(fā)明僅受權(quán)利要求書及其全部范圍和等效物的限制。
權(quán)利要求
1.一種多線圈材料辨別型電感式傳感器，用于感測(cè)金屬物質(zhì)，其特征在于，包括發(fā)射線圈組件:在驅(qū)動(dòng)電流的作用下產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)； 脈沖驅(qū)動(dòng)電路:與所述發(fā)射線圈組件連接，并為所述發(fā)射線圈組件提供脈沖驅(qū)動(dòng)電流； 感應(yīng)線圈組件:與所述發(fā)射線圈組件平行設(shè)置，接收所述發(fā)射信號(hào)并產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)； 信號(hào)處理系統(tǒng):分別連接所述感應(yīng)線圈組件和脈沖驅(qū)動(dòng)電路，接收所述感應(yīng)線圈組件產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)并對(duì)所述感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行處理得到輸出信號(hào)，所述脈沖驅(qū)動(dòng)電路接收所述輸出信號(hào)產(chǎn)生反相脈沖驅(qū)動(dòng)電流； 控制計(jì)算系統(tǒng):連接所述信號(hào)處理系統(tǒng)，為所述信號(hào)處理系統(tǒng)配置參數(shù)，并對(duì)所述輸出信號(hào)進(jìn)行處理得到金屬物質(zhì)的位置信息。
2.如權(quán)利要求1所述的多線圈材料辨別型電感式傳感器，其特征在于，所述發(fā)射線圈組件包括第一發(fā)射線圈和第二發(fā)射線圈，所述感應(yīng)線圈組件包括第一感應(yīng)線圈和第二感應(yīng)線圈。
3.如權(quán)利要求2所述的多線圈材料辨別型電感式傳感器，其特征在于，所述脈沖驅(qū)動(dòng)電路包括第一脈沖振蕩器、第二脈沖振蕩器以及第一電流源、第二電流源，所述第一脈沖振蕩器與第一電流源連接，所述第二脈沖振蕩器與第二電流源連接，所述第一電流源與第二電流源分別在所述第一脈沖振蕩器與第二脈沖振蕩器的作用下輸出第一脈沖驅(qū)動(dòng)電流與第二脈沖驅(qū)動(dòng)電流。
4.如權(quán)利要求3所述的多線圈材料辨別型電感式傳感器，所述第一發(fā)射線圈與第二發(fā)射線圈分別接收第一脈沖驅(qū)動(dòng)電流與第二脈沖驅(qū)動(dòng)電流生成第一發(fā)射信號(hào)與第二發(fā)射信號(hào)。
5.如權(quán)利要求4所述的多線圈材料辨別型電感式傳感器，其特征在于，所述第一感應(yīng)線圈與第二感應(yīng)線圈分別接收所述第一發(fā)射信號(hào)和第二發(fā)射信號(hào)并分別生成第一感應(yīng)信號(hào)與第二感應(yīng)信號(hào)。
6.如權(quán)利要求5所述的多線圈材料辨別型電感式傳感器，其特征在于，所述信號(hào)處理系統(tǒng)包括差分電路、移相電路、同步解調(diào)電路以及積分電路，所述差分電路、移相電路、同步解調(diào)電路、積分電路與移相電路依次連接。
7.如權(quán)利要求6所述的多線圈材料辨別型電感式傳感器，其特征在于，所述差分電路接收所述兩路感應(yīng)信號(hào)并對(duì)該兩路感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行差分處理得到一差分信號(hào)，所述移相電路對(duì)所述差分信號(hào)進(jìn)行移相，移相后的所述差分信號(hào)經(jīng)所述同步解調(diào)電路輸出兩路解調(diào)信號(hào)。
8.如權(quán)利要求7所述的多線圈材料辨別型電感式傳感器，其特征在于，所述積分電路輸入端連接所述同步解調(diào)電路的輸出端，所述積分電路對(duì)所述兩路解調(diào)信號(hào)進(jìn)行積分比較得到所述輸出信號(hào)，所述輸出信號(hào)控制所述脈沖驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生反相電流。
9.如權(quán)利要求8所述的多線圈材料辨別型電感式傳感器，其特征在于，所述輸出信號(hào)輸入到所述控制計(jì)算系統(tǒng) 經(jīng)所述控制系統(tǒng)采樣計(jì)算得到金屬位置信息。
10.如權(quán)利要求1所述的多線圈材料辨別型電感式傳感器，其特征在于，其還包括狀態(tài)指示電路和電源。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多線圈材料辨別型電感式傳感器，用于感測(cè)金屬，包括發(fā)射線圈組件在驅(qū)動(dòng)電流的作用下產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)；脈沖驅(qū)動(dòng)電路與所述發(fā)射線圈組件連接，并為所述發(fā)射線圈組件提供脈沖驅(qū)動(dòng)電流；感應(yīng)線圈組件接收所述發(fā)射信號(hào)并產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)；信號(hào)處理系統(tǒng)接收所述感應(yīng)線圈組件產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)并對(duì)所述感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行處理得到輸出信號(hào)，所述脈沖驅(qū)動(dòng)電路接收所述輸出信號(hào)產(chǎn)生反相脈沖驅(qū)動(dòng)電流；控制計(jì)算系統(tǒng)連接所述信號(hào)處理系統(tǒng)，為所述信號(hào)處理系統(tǒng)配置參數(shù)，并對(duì)所述輸出信號(hào)處理得到金屬的位置信息。本發(fā)明采用多線圈組合方式，使檢測(cè)距離大幅度提高，采用移相采樣技術(shù)，根據(jù)不同材質(zhì)金屬的特征曲線，即可分辨不同材質(zhì)金屬，且性能穩(wěn)定。
文檔編號(hào)G01B7/00GK103115634SQ20131006925
公開日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月5日
發(fā)明者姜春華, 許用疆, 謝勇 申請(qǐng)人:上海蘭寶傳感科技股份有限公司