[發明專利]電感式接近傳感器及校準電感式接近傳感器的方法

有效

• 申請號: 201080038498.0
• 申請日: 2010-08-25
• 公開（公告）號: CN102687399A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 陳衛華
• 申請（專利權）人: 陳衛華
• 主分類號: H03K17/95
• 分類號: H03K17/95;G01V3/10
• 代理公司: 深圳市凱達知識產權事務所 44256
• 代理人: 劉大彎

相關申請

本申請為2009年9月4日提交的美國臨時申請(申請號12/554，658)的繼續申請。本申請將引用上述申請的全部教導作為參考。

技術領域

本發明涉及一種電感式接近傳感器及校準電感式接近傳感器的方法。

背景技術

電感式接近傳感器一般根據渦電流抵消振蕩器(ECKO)原理設計。在這種接近傳感器中，使用電感電容(LC)振蕩器在電感器的線圈附近產生交流(AC)磁場，這樣，當金屬目標接近線圈時，便可以在目標中產生渦電流。產生的渦電流會產生能量損耗，以減弱或停止LC振蕩器。一般來說，這種接近傳感器采用電子電路來檢測振蕩幅度的變化，并將檢測到的幅度變化與預先確定的限值相比較。如果振蕩器的振蕩幅度將至限值以下，接近傳感器的輸出將會更新，表明目標在接近傳感器的附近出現。

然而，這種根據渦電流抵消振蕩器(ECKO)原理設計的電感式接近傳感器存在許多缺點，例如，由于它們的高熱敏性，造成它們能感應到的距離非常短。事實上，如果目標為有色金屬，這種傳感器所能感應的距離比鐵質目標還要短得多。此外，由于電感式接近傳感器無法排除外界的磁場干擾，因此這些磁場可能影響感應線圈中使用的鐵芯，造成傳感器的失靈。另外，電感式接近傳感器還存在切換速度過慢的問題。

為了達到非鐵質目標和鐵質目標之間相同的感應距離，提格斯(Tigges)(美國專利號：5,264,733)采用了一個發射線圈以及兩個接收線圈的設計取代傳統的渦電流損耗方法來檢測磁場干擾。由于在同樣的時間內操作頻率增加了，鐵質和非鐵質目標便能以相似方式影響AC磁場，這樣，當操作頻率足夠高時，便可以實現非鐵質目標和鐵質目標之間相同的感應距離。此外，提格斯還通過三個空心線圈的設計，使傳感器能夠排除外界磁場的干擾。然而，由于提格斯僅僅依靠相對位移，機械幾何以及線圈的旋轉來設置感應距離，因此感應距離無法通過電氣方式來調整，而且由于機械零件的熱變形，很可能導致溫度漂移。另外，由于必須使用至少三個線圈才能實現所述的發射線圈和接收線圈，物理成本可能會很高。

另外一種利用變壓器耦合原理的多線圈設計是由庫恩(Kuhn)(美國專利號：7,463,020)發明的。庫恩將所有線圈在印刷電路板(PCB)的表面排列成一個同心圓，并采用一個發射線圈和至少兩個接收線圈與PCB一起形成線圈組，同時確保各線圈之間的耦合因子的穩定性以及可重復性。接收線圈位于同一個平面內，這樣傳感器在感應目標時，其敏感性會比另外兩種方法相對較低。

另外一種實現非鐵質目標和鐵質目標之間相同的感應距離的方法是由提格斯等人(美國專利號：4,879,531)發明的。提格斯等人采用了一種包括兩個LC槽的振蕩器。第一個LC槽決定了振蕩的頻率，而第二個LC槽包括一個感應線圈，用于將振蕩放大。為了實現非鐵質目標和鐵質目標之間相同的感應距離，第一個槽的諧振頻率和第二個槽的臨界阻抗被諧調至第二個槽的阻抗頻率性質交點的坐標上，分別受到非鐵質目標和鐵質目標的影響。然而，Tigges的方法需要使用復雜的諧調程序才能實現相同的感應距離。此外，熱敏度問題可能會限制感應距離，同時多使用兩個線圈會增加額外的成本。

托米奧卡(Tomioka)等人(美國專利號：5,034,704)也使用了兩個LC槽來實現非鐵質目標和鐵質目標之間相同的感應距離。在實踐應用時，Tomioka還采用了振蕩器電路，與提格斯的發明存在類似的優缺點。

將電感式接近傳感器安裝在金屬材料上可能導致傳感器的感應距離發生變化，在更極端的情況下，甚至可能鎖定傳感器的輸出，造成傳感器失靈。文獻中介紹和實踐了多種不同的護罩設計技術，主要包括替換感應線圈周圍的金屬環(即被動接近)以及使用補充線圈(即主動接近)等。用這些方法可以保護電感式接近傳感器，使用擁有標準的感應距離，但對于擁有較長感應距離的傳感器來說，這種護罩在效果上就會產生很大的問題。

由于其出色的苛刻環境適應能力(例如灰塵、潮濕、存在化學液體等)，電感式接近傳感器已被廣泛應用。對于安裝材料所造成的影響，也可以通過在線校準方法或學習機制來抵消。但不幸的是，替換傳感器上的調整按鈕可能減少傳感器的密封等級。為了解決這個問題，一些傳感器在設計上采用了控制箱，并使用線纜以“麻花辮”形將控制箱連接到傳感器。該控制箱包括一個控制模塊，用于給傳感器編程，并抵消金屬安裝材料所造成的影響。不過，使用控制箱會大大增加產品的成本。此外，傳感器安裝后，需要先打開電源才能進行校準程序。而使用控制箱進行校準的傳感器可能偶爾需要重新校準，造成傳感器在工作過程中發生故障。

發明內容