本發(fā)明涉及接近傳感器，且更特定來說涉及基于反射導納進行距離確定。

背景技術：

接近傳感器廣泛用于眾多應用及工業(yè)中。此類傳感器可能夠?qū)崿F(xiàn)亞微米精確度。一些接近傳感器是基于以正弦波形激勵槽電路而操作。在附近金屬物體中誘導渦電流，所述渦電流又可作為可變并聯(lián)阻抗在槽電路中感測。并聯(lián)阻抗的量值隨槽電路與金屬物體之間的距離而變化。

技術實現(xiàn)要素：

所揭示實施例涉及基于激勵槽電路的反射導納而確定所述槽電路與諧振目標電路之間的距離。更特定來說，基于反射導納的虛數(shù)分量而確定距離。反射導納的虛數(shù)分量對溫度具有很小(如果有的話)相依性，且因此使用虛數(shù)分量使得能夠在不對溫度具有大的相依性的情況下確定距離。此外，反射導納的實數(shù)分量確實對溫度具有相依性，且因此可用于確定諧振目標的溫度。

在一些實施例中，一種距離測量系統(tǒng)包含：槽電路，其包含耦合到發(fā)射電容器的發(fā)射線圈；距離計算電路，其耦合到所述發(fā)射線圈；及目標諧振電路，其包含耦合到接收電容器的接收線圈。所述接收線圈用以接收由所述槽電路產(chǎn)生的磁場。所述距離計算電路用以確定反射導納。所述反射導納包含實數(shù)分量及虛數(shù)分量。所述距離計算電路用以基于所述反射導納的所述虛數(shù)分量而確定所述發(fā)射線圈與所述接收線圈之間的距離。

在其它實施例中，一種設備包含：發(fā)射線圈，其耦合到發(fā)射器電容器；及電感/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(LDC)，其耦合到所述發(fā)射線圈且經(jīng)配置以確定反射導納的虛數(shù)分量并基于所述反射導納的所述所確定虛數(shù)分量而確定到接收線圈的距離。

在另一實施例中，一種方法包含感測發(fā)射線圈電壓及電流，及確定發(fā)射線圈電壓及電流的實數(shù)分量及虛數(shù)分量。所述方法進一步包含確定反電動勢(BEMF)的實數(shù)分量及虛數(shù)分量，及確定反射導納的虛數(shù)分量。所述方法還包含基于所述反射導納的所述虛數(shù)分量而確定發(fā)射線圈與目標諧振電路中的接收線圈之間的距離。

附圖說明

為詳細描述各種實例，現(xiàn)在將參考附圖，其中：

圖1展示根據(jù)各種實例的距離測量系統(tǒng)的框圖；

圖2圖解說明根據(jù)各種實例的距離測量系統(tǒng)的一部分的電路模型；

圖3展示根據(jù)各種實例的反射導納的虛數(shù)分量與距離之間的關系；

圖4展示根據(jù)各種實例的距離測量系統(tǒng)的實施方案；

圖5展示根據(jù)各種實例的可在距離測量系統(tǒng)中使用的電感器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(LDC)的實施方案；

圖6展示根據(jù)各種實例的用于使用距離測量系統(tǒng)確定距離的方法；

圖7展示根據(jù)各種實例的用于確定諧振目標的諧振頻率的方法；及

圖8展示根據(jù)各種實例的用于確定目標的溫度的方法。

具體實施方式

遍及以下描述及權利要求書使用特定術語來指特定系統(tǒng)組件。如所屬領域的技術人員將了解，不同公司可以不同名稱指代一組件。本文檔并不打算區(qū)別在名稱上不同但在功能上相同的組件。在以下論述中及在權利要求書中，術語“包含”及“包括”是以開端方式使用且因此應解釋為意指“包含但不限于…”。而且，術語“耦合(couple或couples)”打算意指間接或直接有線或無線連接。因此，如果第一裝置耦合到第二裝置，那么所述連接可通過直接連接或通過經(jīng)由其它裝置及連接的間接連接。

一些位置傳感器的槽電路包含其上形成槽電路的印刷電路板(PCB)。此類槽電路的組件可包含電感器(線圈)及電容器。電容器及線圈的串聯(lián)電阻分別具有可隨溫度而變化的以法拉及歐姆為單位的分量值。此類溫度相依性影響從位置傳感器導出的位置讀數(shù)的準確度。電容器及串聯(lián)電阻的值還按制造容限變化。

然而，本文中所描述的距離測量系統(tǒng)會以很小(如果有的話)的因溫度或分量容限所致的變化來提供位置讀數(shù)或指示位置的數(shù)據(jù)。所揭示距離測量系統(tǒng)確定從激勵槽電路到諧振目標(而不是金屬物體)的距離。諧振目標包含接收線圈及電容器。使用激勵槽電路的反射導納來確定距離，且因此在一些實施例中不使用阻抗。更具體來說，計算反射導納的虛數(shù)分量且使用其來確定激勵槽電路中的發(fā)射線圈與諧振目標中的接收線圈之間的距離。此外，可使用反射導納的實數(shù)分量來產(chǎn)生諧振目標的溫度的估計。因此，所揭示距離測量系統(tǒng)可產(chǎn)生槽電路與目標之間的距離及目標的溫度中的任一者或兩者。

圖1展示包含耦合到槽電路114的距離計算電路110的距離測量系統(tǒng)100。系統(tǒng)100還包含諧振目標130(本文中還稱為“目標”)。目標130可相對于槽電路114移動，且因此槽電路與目標之間的距離DIST可變化。距離計算電路110確定此距離。在圖1的實例中，槽電路114包含與發(fā)射電容器C1并聯(lián)耦合的發(fā)射線圈L1，如所展示?；蛘?，電容器C1可與發(fā)射線圈L1串聯(lián)耦合或根本不被包含。目標130為諧振電路且可包含并聯(lián)耦合到接收電容器C2的接收線圈L2。距離DIST為槽電路114與目標130之間的距離，或更特定來說，為發(fā)射線圈L1與接收線圈L2之間的距離。還展示電流傳感器112(I_sense)以將指示通過發(fā)射線圈L1的電流(即，I_L1)的信號提供到距離計算電路110。

距離測量系統(tǒng)100為一種類型的位置傳感器，且可用于檢測目標130的存在，且在合意的情況下檢測到目標的距離。距離測量系統(tǒng)100可用于多種應用，例如汽車、工業(yè)、按壓按鈕、流量計、高速電動機/齒輪控制器等。在距離測量系統(tǒng)100的許多應用中，系統(tǒng)100應在面對大的溫度變化時為準確的，且為對其構成組件的制造容限相對不敏感的。所揭示實施例針對于實現(xiàn)這些目標的距離測量系統(tǒng)。

圖2展示激勵槽電路114及諧振目標130的示意性模型。發(fā)射線圈L1具有展示為R_S1的串聯(lián)電阻。類似地，接收線圈L2具有展示為R_S2的串聯(lián)電阻。槽電路114具備處于特定操作頻率(ω)的正弦輸入信號(由距離計算電路110產(chǎn)生)。諧振目標130具有基于L2及C2的值的諧振頻率。目標130的諧振頻率可給出為諧振目標130的諧振頻率可與操作頻率ω相同，或其可為不同的。發(fā)射線圈L1產(chǎn)生撞擊于接收線圈L2上的磁場。接收線圈L2的磁性環(huán)境的改變致使在接收線圈中誘導電動勢(EMF)。所誘導EMF在圖2中展示為模型化為EMF電壓源。流動通過諧振目標130的電流又產(chǎn)生磁通量，所述磁通量在發(fā)射線圈L1中產(chǎn)生反EMF(BEMF)電壓。

參數(shù)k指的是發(fā)射線圈L1與接收線圈L2之間的耦合系數(shù)。所述耦合系數(shù)可為介于0與1之間的數(shù)字，這取決于總磁通量線的切開線圈L1及L2兩者的部分。舉例來說，如果由發(fā)射線圈L1產(chǎn)生的所有通量線切開接收線圈L2且由接收線圈L2產(chǎn)生的所有的通量的線切開發(fā)射線圈L1，那么耦合系數(shù)將為1(單位)。由一個線圈產(chǎn)生的不與另一線圈鏈接的通量線表示“泄漏通量”，且發(fā)射線圈L1的泄漏通量無法將電壓誘導到接收線圈L2中。誘導到接收線圈中的電壓因此小于在不存在泄漏通量的情況下將產(chǎn)生的電壓。耦合系數(shù)強烈地取決于兩個線圈之間的距離。

所揭示實施例基于發(fā)射線圈L1的反射導納而確定距離DIST。為阻抗的倒數(shù)的反射導納由以下方程式給出：

由于在發(fā)射線圈中的驅(qū)動電流及跨越發(fā)射線圈的電壓為正弦信號，因此當包含信號的實數(shù)分量及虛數(shù)分量時，方程式(1)可變換為以下方程式：

反射導納的分母僅具有實數(shù)分量，且分子具有虛數(shù)分量。方程式(2)可進一步表示為：

項表示反射導納的實數(shù)分量，且項表示反射導納的虛數(shù)分量。有趣的是，反射導納的虛數(shù)分量包含電路分量C2、L1及L2。那些特定分量對溫度具有非常小(如果有的話)相依性。因此，所揭示實施例基于激勵槽電路的反射導納的虛數(shù)分量而確定到諧振目標130的距離。此外，基于反射導納的虛數(shù)分量確定的距離并不特別取決于分量C2及L2的容限。事實上，反射導納γ_BEMF可就ω₂而不是C2及L2來表達。諧振頻率ω₂可容易地確定為γ_BEMF等于0時所處的頻率ω。圖3圖解說明反射導納的虛數(shù)分量與距離之間的關系的實例。

反射導納的實數(shù)分量包含分量(R_s2)，分量(R_s2)的分量值可對溫度具有顯著相依性。分量的其余部分(L1及L2)對溫度具有很小(如果有的話)相依性。根據(jù)先驗容易確定R_s2的值與溫度之間的關系。舉例來說，如果電阻器R_s2是形成于銅印刷電路板上，那么對溫度的相依性基于銅的溫度系數(shù)，所述溫度系數(shù)為已知量。因此，根據(jù)所揭示實施例，可計算接收線圈的串聯(lián)電阻(R_s2)的值并使用其來確定目標130的溫度。

圖4展示距離測量系統(tǒng)100的發(fā)射側(cè)的實例。在圖4的實例中，距離計算電路110展示為包含耦合到電感/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(LDC)120的微控制器單元(MCU)116。LDC 120連接到包括C1及發(fā)射線圈L1的激勵槽電路114。在一些實施例中，LDC 120確定反射導納的實數(shù)分量及虛數(shù)分量且經(jīng)由接口118將那些值提供到MCU 116以分別由所述MCU用于確定溫度及距離。接口118可為串行接口，例如IC間(Inter-IC)(I2C)總線或其它適合通信接口。MCU 116可具有存儲于其中的查找表，所述查找表將反射導納的虛數(shù)分量映射到距離且將R_s2的值映射到溫度。可存取此類表以產(chǎn)生距離及溫度的值。

圖5展示LDC 120的實例。如所展示，LDC 120包含耦合到I2C接口126的核心122。核心122可實施為狀態(tài)機、可編程控制器或其它類型的電路。核心122將正弦信號提供到槽電路114且從I_sense112接收電流感測信號。I_sense112可實施為低電阻電阻器，所述低電阻電阻器的電壓與發(fā)射線圈電流I_L1成比例。來源于外部的時鐘(CLKout)或在內(nèi)部產(chǎn)生的時鐘(CLKin)可經(jīng)由多路復用器124提供到核心122。

LDC 120包含可用于各種目的的一或多個模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)128。一個此類目的為將指示發(fā)射器線圈電流及電壓的模擬信號數(shù)字化。此類數(shù)字值用于確定距離及溫度，如下文所解釋。

圖6展示距離測量系統(tǒng)100通過其確定距離的方法。所展示的各種操作可以所展示的次序執(zhí)行或以不同次序執(zhí)行。此外，所述操作中的兩者或兩者以上可并行而不是串行執(zhí)行。在一些實施例中，所述操作由距離計算電路110執(zhí)行。MCU 116及LDC 120可彼此合作來實施所規(guī)定方法。

在182處，所述方法包含感測發(fā)射器線圈電壓及電流。LDC 120產(chǎn)生待施加到槽電路的正弦電流(或電壓)。LDC 120從Isense 112接收指示發(fā)射器線圈電流IL1的信號、將所述信號數(shù)字化且在合意的情況下將其轉(zhuǎn)換為發(fā)射器線圈電流的值(例如，通過乘以預定因數(shù)以從電壓轉(zhuǎn)換為電流值)。還感測發(fā)射器線圈電壓并且也將其數(shù)字化。在一些實施例中，發(fā)射器線圈電壓及電流的經(jīng)數(shù)字化值可跨越接口118從LDC 120提供到MCU 116。MCU 116接著可執(zhí)行下文所解釋的計算的其余部分以確定DIST的值。

在184處，所述方法包含確定發(fā)射器線圈電壓及電流的實數(shù)分量及虛數(shù)分量。此操作可以若干種方式中的任一者執(zhí)行。舉例來說，可使用中頻取樣來對發(fā)射器線圈電流及電壓進行取樣。如果考慮類屬正弦信號，那么

其中V是信號的振幅，T是其周期，t是時間且θ是其相位。

在此技術中，在特定時間點t_i＝i*N*T/4(其中i＝0、1、2、3…，且N是任意奇整數(shù))處對基礎時變信號進行取樣。將獲得對應于正進行取樣的信號的實數(shù)分量及虛數(shù)分量的后續(xù)樣本(在相量表示中)。即，

在i＝1時，＝>v_i(t_i)＝-A*cos(φ)(其中A及φ是信號的振幅及相位)

在i＝2時，＝>v_i(t_i)＝-A*sin(φ)

在i＝3時，＝>v_i(t_i)＝A*cos(φ)

在i＝4時，＝>v_i(t_i)＝A*sin(φ)

…

這些值可用于計算反射導納的實數(shù)分量及虛數(shù)分量。

在此時，已確定發(fā)射器線圈電壓的實數(shù)分量及虛數(shù)分量。在186處，基于發(fā)射器線圈電壓的實數(shù)分量及虛數(shù)分量而確定BEMF電壓的實數(shù)分量及虛數(shù)分量。舉例來說，假設忽略發(fā)射線圈L1的寄生電容，總線圈電壓為：

發(fā)射器線圈電壓＝BEMF+I_L1*(jωL1+R_s1) (4)

BEMF的值可通過從所感測發(fā)射器線圈電壓減去I_L1*(jωL1+R_s1)而導出。即，BEMF可根據(jù)以下公式來計算：

BEMF＝發(fā)射器線圈電壓B-I_L1*(jωL1+R_s1) (5)

如果將包含發(fā)射器線圈L1的寄生電容，那么可采用類似技術。

在188處，所述方法包含確定反射導納的虛數(shù)分量。反射導納的虛數(shù)分量計算為發(fā)射線圈電流的虛數(shù)分量對BEMF的實數(shù)分量與虛數(shù)分量的和的比率。即，

其中Im(I_L1)是發(fā)射線圈電流的虛數(shù)分量，Re(BEMF)是BEMF的實數(shù)分量，且Im(BEMF)是BEMF的虛數(shù)分量。

在190處，基于反射導納的虛數(shù)分量Im(γ_BEMF)而確定發(fā)射線圈L1與接收線圈L2之間的距離DIST。在一些實施例中，可將查找表預存儲于LDC 120中(例如，在核心122中或可由核心122存取)。查找表可包含多個條目，且每一條目可包含反射導納的虛數(shù)分量的不同值及對應距離值。舉例來說，可基于圖3中所描繪的關系而創(chuàng)建查找表。

因此，基于反射導納的虛數(shù)分量，距離測量系統(tǒng)100確定發(fā)射線圈L1與諧振目標130之間的距離。距離測量系統(tǒng)100可將距離值報告給其它邏輯及/或基于所確定距離值而致使發(fā)生響應。舉例來說，可確定已按下按鈕，或可調(diào)整電動機的速度。

如上文所解釋，距離測量系統(tǒng)100還可確定諧振目標的溫度。如上文所述，項表示反射導納的實數(shù)分量。即，

接收線圈L2的串聯(lián)電阻R_s2取決于溫度，且因此可用作用于諧振目標130的溫度傳感器。根據(jù)各種實施例，從上文方程式(7)計算R_s2。Re(γ_BEMF)的值計算(例如，由MCU 116)為：

可如上文關于圖6中的操作186所解釋而計算BEMF的實數(shù)分量及虛數(shù)分量。還可如上文關于圖6中的操作184所解釋而計算發(fā)射線圈電流的實數(shù)分量。在一些實施例中，在確定距離之后不重新計算這些值，且將這些值保存于LDC的核心122中的存儲裝置中并在需要時檢索來計算Re(γ_BEMF)的值。

返回參考方程式(7)，ω是槽電路114的操作頻率且因此是已知的并存儲于距離計算電路110中。類似地，發(fā)射線圈L1及接收線圈L2的電感值是在電路的設計期間確定及/或可在制作期間測量且不隨溫度有大的變化。因此，L1及L2的值也是根據(jù)先驗已知的且存儲于距離計算電路110中。

為了從方程式(7)計算R_s2，需要確定耦合系數(shù)(k)。可基于反射導納的虛數(shù)分量確定k(或k²)的值。按上文方程式(3)，反射導納的虛數(shù)分量是應用代數(shù)學且簡化所述表達得出用于反射導納的虛數(shù)分量的以下公式：

其中ω₂是諧振目標130的諧振頻率。諧振目標130的諧振頻率可與激勵槽電路114的操作頻率相同或不同?？蓮姆匠淌?9)計算k(或k²)的值，但必須確定諧振目標的諧振頻率(ω₂)以便計算k。方程式(9)中的其它值是已知的，即，反射導納的虛數(shù)分量(在上文操作188中確定)、發(fā)射線圈L1的電感值及操作頻率ω。

在一些實施例中，在校準過程中確定諧振目標130的諧振頻率。校準過程可由LDC的核心122自動實施且以規(guī)則間隔(例如，每天一次)運行。圖7展示圖解說明用以確定目標130的諧振頻率ω₂的一種方式的流程圖。所展示的操作可通過MCU 116與LDC 120的合作行動執(zhí)行。

流程圖展示操作頻率橫掃過一頻率范圍。在每一操作頻率下，距離計算電路110確定反射導納的虛數(shù)分量是否為0。按方程式(9)，反射導納的虛數(shù)分量為0時所處的操作頻率是諧振目標130的諧振頻率。即，當ω₂＝ω時，比率變?yōu)?，且Im(γ_BEMF)的值因此變?yōu)?。按方程式(6)，當發(fā)射線圈電流(Im(I_L1))的虛數(shù)分量為0時，反射導納的虛數(shù)分量將為0。

在202處，選擇激勵頻率ω。選定頻率可在已知捕獲諧振目標130的諧振頻率的范圍內(nèi)?？蓪⒊跏歼x定頻率ω選擇為所述范圍中的最低頻率且可使其隨圖7的過程的每一反復以固定量遞增直到確定目標130的諧振頻率為止。

在204處，在選定頻率下激勵槽電路114。在激勵槽電路的同時，在206處感測發(fā)射線圈電流。可使用I_sense112來將指示發(fā)射線圈電流的信號提供到LDC 120。在208處，所述方法包含確定發(fā)射線圈電流的虛數(shù)分量。在此校準過程期間，可使用與上文關于圖6中的184所描述的過程相同或類似的過程來確定發(fā)射線圈電流的虛數(shù)分量。

在210處，做出對發(fā)射線圈電流的虛數(shù)分量是否為0(或小于接近于0的預定閾值)的確定。如果發(fā)射線圈電流的虛數(shù)分量不等于0(或不小于所述預定閾值)，那么過程在202處重復以選擇新激勵頻率開始。然而，如果發(fā)射線圈電流的虛數(shù)分量等于0(或小于所述閾值)，那么過程在212處停止。在所述時刻，針對當前反復，諧振目標130的諧振頻率ω₂與在202處選擇的操作頻率ω相同。可將ω₂的值存儲于距離計算電路110中(例如，在MCU 116中)以便隨后用于確定諧振目標130的溫度。

圖8圖解說明用于確定諧振目標的溫度的方法。在一些實施例中，所述方法可由MCU 116執(zhí)行。一旦已知諧振頻率ω₂(例如，按圖7的過程)，那么按方程式(9)，可確定(222)耦合系數(shù)k(或k²)。MCU 116可使用方程式(9)計算k(或k²)的值。

在224處，所述方法包含確定反射導納的實數(shù)分量。反射導納的實數(shù)分量計算為發(fā)射線圈電流的實數(shù)分量對BEMF的實數(shù)分量與虛數(shù)分量的和的比率。即，

其中Re(I_L1)是發(fā)射線圈電流的實數(shù)分量，且如先前所述，Re(BEMF)及Im(BEMF)是BEMF的實數(shù)分量及虛數(shù)分量。

一旦確定耦合系數(shù)及反射導納的實數(shù)分量，便可在方程式(7)中使用那些值，可從方程式(7)確定R_s2的值。L1、L2的值及操作頻率ω也是已知的。唯一未知值是R_s2，且因此其可由(舉例來說)MCU 116計算。

一旦確定了接收線圈L2的串聯(lián)電阻(R_s2)的值，在228處，便可基于R_s2的值確定諧振目標130的溫度。如同距離確定一樣，可創(chuàng)建查找表且將其存儲于距離計算電路中(例如，在MCU 116中)。查找表可包含多個條目，且每一條目提供R_s2的不同值及對應溫度值。查找表中的數(shù)據(jù)可根據(jù)經(jīng)驗產(chǎn)生。

以上論述意在說明本發(fā)明的原理及各種實施例。一旦完全了解以上揭示內(nèi)容，所屬領域的技術人員便將明了眾多變化及修改。打算將所附權利要求書解釋為囊括所有此類變化及修改。