[发明专利]电感式接近传感器及校准电感式接近传感器的方法

说明书

相关申请

本申请为2009年9月4日提交的美国临时申请(申请号12/554，658)的继续申请。本申请将引用上述申请的全部教导作为参考。

技术领域

本发明涉及一种电感式接近传感器及校准电感式接近传感器的方法。

背景技术

电感式接近传感器一般根据涡电流抵消振荡器(ECKO)原理设计。在这种接近传感器中，使用电感电容(LC)振荡器在电感器的线圈附近产生交流(AC)磁场，这样，当金属目标接近线圈时，便可以在目标中产生涡电流。产生的涡电流会产生能量损耗，以减弱或停止LC振荡器。一般来说，这种接近传感器采用电子电路来检测振荡幅度的变化，并将检测到的幅度变化与预先确定的限值相比较。如果振荡器的振荡幅度将至限值以下，接近传感器的输出将会更新，表明目标在接近传感器的附近出现。

然而，这种根据涡电流抵消振荡器(ECKO)原理设计的电感式接近传感器存在许多缺点，例如，由于它们的高热敏性，造成它们能感应到的距离非常短。事实上，如果目标为有色金属，这种传感器所能感应的距离比铁质目标还要短得多。此外，由于电感式接近传感器无法排除外界的磁场干扰，因此这些磁场可能影响感应线圈中使用的铁芯，造成传感器的失灵。另外，电感式接近传感器还存在切换速度过慢的问题。

为了达到非铁质目标和铁质目标之间相同的感应距离，提格斯(Tigges)(美国专利号：5,264,733)采用了一个发射线圈以及两个接收线圈的设计取代传统的涡电流损耗方法来检测磁场干扰。由于在同样的时间内操作频率增加了，铁质和非铁质目标便能以相似方式影响AC磁场，这样，当操作频率足够高时，便可以实现非铁质目标和铁质目标之间相同的感应距离。此外，提格斯还通过三个空心线圈的设计，使传感器能够排除外界磁场的干扰。然而，由于提格斯仅仅依靠相对位移，机械几何以及线圈的旋转来设置感应距离，因此感应距离无法通过电气方式来调整，而且由于机械零件的热变形，很可能导致温度漂移。另外，由于必须使用至少三个线圈才能实现所述的发射线圈和接收线圈，物理成本可能会很高。

另外一种利用变压器耦合原理的多线圈设计是由库恩(Kuhn)(美国专利号：7,463,020)发明的。库恩将所有线圈在印刷电路板(PCB)的表面排列成一个同心圆，并采用一个发射线圈和至少两个接收线圈与PCB一起形成线圈组，同时确保各线圈之间的耦合因子的稳定性以及可重复性。接收线圈位于同一个平面内，这样传感器在感应目标时，其敏感性会比另外两种方法相对较低。

另外一种实现非铁质目标和铁质目标之间相同的感应距离的方法是由提格斯等人(美国专利号：4,879,531)发明的。提格斯等人采用了一种包括两个LC槽的振荡器。第一个LC槽决定了振荡的频率，而第二个LC槽包括一个感应线圈，用于将振荡放大。为了实现非铁质目标和铁质目标之间相同的感应距离，第一个槽的谐振频率和第二个槽的临界阻抗被谐调至第二个槽的阻抗频率性质交点的坐标上，分别受到非铁质目标和铁质目标的影响。然而，Tigges的方法需要使用复杂的谐调程序才能实现相同的感应距离。此外，热敏度问题可能会限制感应距离，同时多使用两个线圈会增加额外的成本。

托米奥卡(Tomioka)等人(美国专利号：5,034,704)也使用了两个LC槽来实现非铁质目标和铁质目标之间相同的感应距离。在实践应用时，Tomioka还采用了振荡器电路，与提格斯的发明存在类似的优缺点。

将电感式接近传感器安装在金属材料上可能导致传感器的感应距离发生变化，在更极端的情况下，甚至可能锁定传感器的输出，造成传感器失灵。文献中介绍和实践了多种不同的护罩设计技术，主要包括替换感应线圈周围的金属环(即被动接近)以及使用补充线圈(即主动接近)等。用这些方法可以保护电感式接近传感器，使用拥有标准的感应距离，但对于拥有较长感应距离的传感器来说，这种护罩在效果上就会产生很大的问题。

由于其出色的苛刻环境适应能力(例如灰尘、潮湿、存在化学液体等)，电感式接近传感器已被广泛应用。对于安装材料所造成的影响，也可以通过在线校准方法或学习机制来抵消。但不幸的是，替换传感器上的调整按钮可能减少传感器的密封等级。为了解决这个问题，一些传感器在设计上采用了控制箱，并使用线缆以“麻花辫”形将控制箱连接到传感器。该控制箱包括一个控制模块，用于给传感器编程，并抵消金属安装材料所造成的影响。不过，使用控制箱会大大增加产品的成本。此外，传感器安装后，需要先打开电源才能进行校准程序。而使用控制箱进行校准的传感器可能偶尔需要重新校准，造成传感器在工作过程中发生故障。

发明内容