一种全金属面电感式传感器的制作方法

1.本实用新型涉及传感器领域，具体地，涉及一种全金属面电感式传感器。


背景技术：

2.现今电感式传感器在工业领域广泛应用。一般的电感式传感器也叫涡流传感器，由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场，当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，触发驱动控制器件，从而达到非接触式的检测目的。
3.与现技术相关的产品有全金属感应面型电感式接近开关，但是对于不同材质的金属检测距离会有不同程度的衰减。另外一种无衰减型电感式接近开关，虽然对于不同金属可实现无差别检测，但其感应面多采用陶瓷材料或者pc材料，在较恶劣使用环境下无法长期稳定使用。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种全金属面电感式传感器，该传感器通过采用发射电路生成斜坡信号，使得不同的材质具的被测金属物体具有不同的感应信号。
5.本实用新型提供的技术方案是：
6.一种全金属面无衰减型电感式传感器，其包括：
7.圆柱形壳体，其前端面为检测面用于朝向被测金属物体；检测面与圆柱形壳体的侧壁为一体式结构；
8.发射线圈以及接收线圈，均缠绕在所述圆柱形壳体内部的磁芯上，且位于所述检测面的后方；所述发射线圈连接有发射电路；所述接收线圈连接有信号接收电路；
9.控制模块，分别与所述发射电路以及所述信号接收电路电性连接，用于控制所述发射电路发射周期性斜坡信号，并通过所述信号接收电路对所述接收线圈感应到的信号进行接收处理。
10.本实用新型的进一步改进在于：所述圆柱形壳体内的所述磁芯的轴线与所述检测面垂直。
11.本实用新型的进一步改进在于：所述发射电路包括：
12.充电电容，其第一端与参考端连接；
13.充电电路，其控制端与所述控制模块的第一dac输出端连接，其输出端用于和所述充电电容的第二端连接，用于根据所述第一dac输出端的电压以相应大小的电流向所述充电电容充电；
14.放电三极管，其发射极与参考端连接，基极与所述控制模块的控制io连接，集电极与所述充电电容的第二端连接；所述放电三极管用于在所述控制模块的控制下拉低所述充电电容第二端的电压；
15.放大电路，其输入端与所述充电电容的第二端连接，其输出端与所述发射线圈连接。
16.本实用新型的进一步改进在于：所述充电电路包括第一晶体管、第一运放以及第一电阻；所述第一运放的同相端与所述第一dac输出端连接，其输出端与所述第一晶体管的栅极连接；所述第一晶体管的源极以及所述第一电阻的第一端均与所述第一运放的反相端连接；所述第一晶体管的漏极与所述充电电容的第二端连接；所述第一电阻的第二端与电源端连接。
17.本实用新型的进一步改进在于：所述放大电路包括第二运放、第三晶体管、第二电阻以及第一二极管，其中：
18.所述第二运放的同相端与所述充电电容的第二端连接，其输出端与所述第三晶体管的基极连接，其反向端与所述发射线圈的第二端子连接，并通过第二电阻连接至参考端；
19.所述第三晶体管的集电极与电源端连接，其发射极与所述发射线圈的第一端子以及所述第一二极管的负极连接；
20.所述第一二极管的正极与参考端连接。
21.本实用新型的进一步改进在于：所述参考端接地，所述电源端为正电源。
22.本实用新型的进一步改进在于：所述控制模块的控制io输出方波信号，以控制所述放电三极管周期性导通。
23.本实用新型的进一步改进在于：所述信号接收电路包括依次串联的电压跟随模块、滤波模块以及减法器模块；其中：所述电压跟随模块的输入端与所述接收线圈连接；所述滤波模块为带通滤波器；所述减法器模块的输出端与所述控制模块的adc输入端连接。
24.本实用新型的进一步改进在于：所述控制模块为mcu。
25.与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：
26.1)采用斜坡信号作为激励信号，对于不同的被测金属物体具有不同的响应，使得传感器可以分辨不同的材质及距离。
27.2)采用全金属一体化的外壳设计，保证产品对于环境的高适用性。
附图说明
28.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
29.图1为本实用新型全金属面电感式传感器的结构示意图；
30.图2为发射电路的原理图；
31.图3为信号接收电路的原理图；
32.图4为斜坡信号的波形图。
具体实施方式
33.下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
34.如图1、2、3所示，本实用新型的实施例提供一种全金属面无衰减型电感式传感器，其包括：圆柱形壳体10、发射线圈20、接收线圈30。发射线圈20连接有发射电路，接收线圈连接有信号接收电路。控制模块分别与发射电路以及信号接收电路电性连接，用于控制发射电路发射周期性斜坡信号，斜坡信号的波形图如图4所示。发射线圈发出的电磁波穿过检测面11之后与被测金属物体12发生感应，其感应信号会耦合至接收线圈，被信号接收电路进行接收处理，控制模块可根据信号接收电路处理后的信号判断被测金属物体12的材质和距离。
35.具体的，圆柱形壳体10的前端面为检测面11，用于朝向被测金属物体12。检测面11与圆柱形壳体10的侧面为一体式结构，这种结构密封性更好，可耐受恶劣的工作环境。
36.本实施例中，发射线圈以及接收线圈均缠绕在圆柱形壳体10内部的磁芯上。磁芯位于检测面12的后方。在一些具体实施例中，磁芯的轴线与检测面垂直。
37.本实施例中，发射电路包括：充电电容c1、充电电路51、放电三极管t2以及放大电路52，具体的：
38.充电电容c1的第一端与参考端连接。
39.充电电路51的控制端与控制模块的第一dac输出端连接，其输出端用于和充电电容c1的第二端连接，用于根据第一dac输出端的电压以相应大小的电流向充电电容c1充电。充电电路51的输出电流由第一dac输出端的电压进行控制。
40.具体的，充电电路51包括第一晶体管t1、第一运放iop1以及第一电阻r1。第一运放iop1的同相端与第一dac输出端连接，其输出端与第一晶体管t1的栅极连接。第一晶体管t1的源极以及第一电阻r1的第一端均与第一运放iop1的反相端连接。第一晶体管的漏极与充电电容c1的第二端连接。第一电阻r1的第二端与电源端连接。
41.充电电路51在充电过程中，控制模块的第一dac输出端输出小于电源端电压的直流控制信号，使得第一晶体管t1源漏极之间的电流恒定。第一晶体管t1源漏极之间的电流为充电电路51的输出电流，该电流用于向充电电容c1进行充电。充电电流恒庆的情况下，充电电容c1两端的电压按照恒定速率增长，其电压增长率(波形斜率)与充电电流以及第一dac输出端输出的电压存在一一对应的关系。
42.放电三极管t2的发射极与参考端连接，基极与控制模块的控制io连接，集电极与充电电容c1的第二端连接；放电三极管t2用于在控制模块的控制下拉低充电电容c1第二端的电压。当放电三极管t2截止时，充电电容c1持续充电，使得其第二端的电压按照指定速率增长。当放电三极管t2导通时，充电电容c1快速放电，从而形成图4所示的波形。因此，为了输出周期性斜坡信号，本实施例中控制模块的控制io输出方波信号以控制所述放电三极管周期性导通。综上所述，周期性斜坡信号的斜率由第一dac输出端的输出电压控制，周期性斜坡信号的频率及占空比由控制io的方波频率及占空比进行控制。
43.放大电路52的输入端与充电电容c1的第二端连接，其输出端与发射线圈连接。放大电路52用于对充电电容c1的第二端上的周期性斜坡信号进行放大，并采用放大后的信号对发射线圈进行驱动。放大电路52包括第二运放iop2、第三晶体管t3、第二电阻r2以及第一二极管d1，其中：
44.第二运放iop2的同相端与充电电容c1的第二端连接，其输出端与第三晶体管t3的基极连接，其反向端与发射线圈20的第二端子连接，并通过第二电阻r2连接至参考端。第三
晶体管t3的集电极与电源端连接，其发射极与发射线圈20的第一端子以及第一二极管d1的负极连接。第一二极管d1的正极与参考端连接。
45.本实施例中，参考端接地，电源端为正电源。
46.信号接收电路包括依次串联的电压跟随模块61、滤波模块62以及减法器模块63；其中：
47.电压跟随模块61的输入端与接收线圈30连接，电压跟随模块61用于改善信号的驱动能力，用于驱动滤波模块62以及减法器模块63。
48.滤波模块62为带通滤波器，其输出端连接至减法器模块63反相端。减法器模块63的同相端为分压电路，该分压电路的输入端与控制模块的第二dac输出端连接，减法器模块63用于为待处理信号施加直流偏置，该偏置的电压值由控制模块决定。减法器模块63的输出端与控制模块的adc采集模块连接。
49.由于发射线圈20发射的信号为斜坡信号，电磁感应定律可推知接收线圈30的输出电压为恒定电压值(式中，e指接收线圈30的感应电动势，k为发射线圈20和接收线圈30的耦合系数，为发射线圈产生的磁场穿过接收线圈的磁通量的变化率)，它与耦合系数k呈以发射信号的电流变化率相关的线性关系。当线圈结构固定后，有磁性检测物质(被测金属物体12)出现在检测区域时，耦合系数则与检测目标的材质、厚度、提离、形状等相关。感应出涡流的被测物可等效lc并联谐振电路，当其出现时，对特定频谱的能量产生吸收作用，使得接收线圈的输出信号的相应频谱衰减，从而改变信号曲线，通过对输出信号的感应电压的时域信号进行傅里叶变换等处理，便可以提取出检测目标的材质、厚度、提离、形状等信息。
50.例如，控制模块可对信号接收电路接收到的电压信号进行模数转换，并对转换后的结果进行傅里叶变换，并提取若至少两个频率点(可选择周期性斜坡信号的倍频率点)，得到接收信号的频域数值。随后，控制模块可通过查表的方式确定被测金属物体的材质以及距离。查找表为传感器对不同材质以及距离下的标定数据，傅里叶变换以及查表均为本领域的惯用技术手段，不涉及方法以及软件的改进。
51.在一个具体实施例中，控制模块为mcu。
52.以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。