用于確定物體類型的方法和接近傳感器的制造方法
【專利摘要】如果物體改變從在諧振頻率之下和之上的頻率處的諧振結構反射的電力信號的相位，一種方法確定接近具有諧振頻率的諧振結構的物體的類型為金屬物體。否則，該方法確定該物體的類型為非金屬物體。
【專利說明】
用于確定物體類型的方法和接近傳感器
技術領域
[0001]本發明總體上涉及接近傳感器，并且更具體地涉及用于確定接近傳感器的物體的類型的接近傳感器。
【背景技術】
[0002]在接近傳感的領域中，需要確定接近傳感器的物體的類型，例如，金屬物體或非金屬物體。常規的傳感器使用電感傳感和電容傳感的組合來確定被檢物體的類型。那些傳感器包括分別進行電容傳感和電感傳感的至少兩個傳感單元。該雙重結構使傳感系統復雜化。
[0003]例如，U.S.20070159185描述了具有電容和磁傳感器陣列的安全掃描器。相似地，U.S.6801044號申請描述了包括由兩個相同且對稱布置的振蕩電路組成的復合測量單元的系統，其中，測量元件采用相同且對稱布置的電感線圈和電容器芯片的形式。
[0004]U.S.20130106769描述了使用交替的電感和電容模式的混合傳感方法。通過在不同模式中激勵傳感器來實現電感模式和電容模式。然而，該方法需要開關電路，這降低了檢測速度。

【發明內容】

[0005]本發明的一些實施方式是基于一種普遍認識，S卩，當源例如通過電纜向一結構發送信號時，信號的一部分例如經由同一電纜被該結構反射回所述源。反射信號的參數取決于所述結構的阻抗，并且所述結構的阻抗可能受到接近所述結構的另一物體的影響。因此，結構附近的物體的存在能夠影響反射信號的參數。
[0006]具體地，接近由電力信號供電的諧振結構的物體能夠改變從諧振結構反射的電力信號的相位。此外，由于電感耦合和電容耦合的原理的差異，不同類型的物體，即金屬物體或非金屬物體有區別地改變電力信號的相位。這樣的差異可以在從諧振結構反射的電力信號的非諧振頻率上檢測到。因此，包括諧振結構的接近傳感器能夠不利用結構的諧振特性，而使用它的非諧振特性來區分接近諧振結構的金屬物體和非金屬物體。
[0007]例如，接近具有諧振頻率的諧振結構的金屬物體能夠在兩種類型的非諧振頻率(即，諧振頻率之上的頻率上和諧振頻率之下的頻率)上改變反射信號的相位。相反，接近諧振結構的非金屬物體能夠在諧振頻率之上或之下的但不是同時在兩種類型的非諧振頻率上的頻率上改變電力信號的相位。
[0008]因此，通過在兩種或僅一種類型的非諧振頻率上檢測從諧振結構反射的電力信號的相位的改變，能夠區分接近諧振結構的物體的類型。
[0009]相應地，一個實施方式公開了一種用于確定接近具有諧振頻率的諧振結構的物體的類型的方法。該方法包括:如果所述物體在在諧振頻率之下和之上的頻率處改變從所述諧振結構反射的電力信號的相位，則確定所述物體的類型為金屬物體；以及否則就確定所述物體的類型為非金屬物體。
[0010]另一實施方式公開了一種接近傳感器，該接近傳感器包括:傳感器單元，其具有諧振結構，所述諧振結構具有諧振頻率；電源，其用于向所述諧振結構提供電力信號，所述電力信號包括具有第一非諧振頻率的第一信號和具有第二非諧振頻率的第二信號，所述第一非諧振頻率和所述第二非諧振頻率被選擇為使得所述諧振頻率的值在所述第一非諧振頻率的值與所述第二非諧振頻率的值之間；檢測單元，其用于在物體接近所述傳感器單元的情況下檢測所述第一信號的相位的第一改變和所述第二信號的相位的第二改變中的一個或二者；以及處理器，其用于在檢測到所述第一改變和所述第二改變二者的情況下確定所述物體的類型為金屬物體，并且用于在僅檢測到所述第一改變和所述第二改變中的一個的情況下確定所述物體的類型為非金屬物體。
【附圖說明】
[0011][圖1]
[0012]圖1是根據本發明的一些實施方式的用于確定接近諧振結構的物體的類型的系統和方法的示意圖。
[0013][圖2]
[0014]圖2是示出不同的非諧振頻率上的反射信號的相位的差異的圖表。
[0015][圖3A]
[0016]圖3A是根據本發明的一些實施方式的接近傳感器的框圖。
[0017][圖3B]
[0018]圖3B是圖3A的接近傳感器的示例性操作的流程圖。
[0019][圖4]
[0020]圖4是圖3A的接近傳感器的處理器的示例性操作的流程圖。
[0021][圖5]
[0022]圖5是示出根據本發明的一些實施方式的選擇具有多個諧振頻率的諧振結構的非諧振頻率的圖。
[0023][圖6]
[0024]圖6是根據本發明的一些實施方式的為操縱諧振頻率而調整的不同傳感器設計的比較。
[0025][圖7]
[0026]圖7是根據本發明的一些實施方式的檢測處理單元的框圖。
【具體實施方式】
[0027]本發明的一些實施方式是基于以下認識:接近由電力信號供電的諧振結構的物體能夠改變從諧振結構反射的電力信號的相位。由于電感耦合和電容耦合的原理上的差異，不同類型的物體(即，金屬物體或非金屬物體)有區別地改變電力信號的相位。這種差異可以在從諧振結構反射的電力信號的非諧振頻率上檢測到。
[0028]本發明的一些實施方式是基于一種普遍認識:當源例如通過電纜向一結構發送信號時，信號的一部分例如經由同一電纜被該結構反射回到源。反射信號的參數取決于該結構的阻抗，并且該結構的阻抗可能受到結構附近的另一物體的影響。因此，該結構附近的物體的存在能夠影響反射信號的參數。
[0029]具體地，接近由電力信號供電的諧振結構的物體能夠改變從諧振結構反射的電力信號的相位。此外，由于電感耦合和電容耦合的原理上的差異，不同類型的物體(即，金屬物體或非金屬物體)有區別地改變電力信號的相位。這種差異可以在從諧振結構反射的電力信號的非諧振頻率上檢測到。因此，包括諧振結構的接近傳感器能夠不利用結構的諧振特性而使用它的非諧振特性來區分接近諧振結構的金屬物體和非金屬物體。
[0030]圖1示出了根據本發明的一些實施方式的用于確定接近具有諧振頻率的諧振結構110的物體150的類型的方法和系統的示意圖。例如，接近諧振結構的金屬物體能夠在兩種類型的非諧振頻率(即，諧振頻率之上的頻率上和諧振頻率之下的頻率上)上改變反射信號的相位。相反，接近諧振結構的非金屬物體能夠在諧振頻率之上或之下但不是同時在兩種類型的非諧振頻率上的頻率上改變電力信號的相位。
[0031]因此，通過檢測從諧振結構反射的電力信號在兩種或僅一種類型的非諧振頻率上的相位的改變，能夠區分接近諧振結構110的物體150的金屬210和非金屬220類型。
[0032]相應地，本發明的一些實施方式確定240物體150是否在諧振頻率之下和之上的頻率處改變被諧振結構反射的電力信號的相位。如果是211，則確定物體的類型為金屬210。如果否222，例如，僅改變了諧振頻率之下或之上的一個非諧振頻率上的相位，則確定該物體的類型為非金屬220。
[0033]因此，通過檢測從諧振結構反射的電力信號在兩種類型的非諧振頻率或僅一種類型的非諧振頻率上的相位的改變，本實施方式能夠區分接近諧振結構的物體的類型。
[0034]圖2顯示了反射的電力信號在諧振頻率和非諧振頻率上的相位差異。通過比較兩個非諧振頻率處的相位改變，可以確定物體的類型。
[0035]在圖2中，線250表示在沒有任何物體接近諧振結構的情況下反射的電力信號的相位。線253表示當金屬物體接近諧振結構時反射的電力信號的相位，并且線256表示當非金屬物體接近諧振結構時反射的電力信號的相位。諧振頻率260是反射的電力信號的相位跨O度或180度的頻率。
[0036]相位改變280的差異用于確定物體的類型。例如，相對于相位250的改變270是在諧振頻率之下的頻率處的相位改變，這是例如由于與金屬物體的電感耦合。相對于相位250的改變275是反射的電力信號在諧振頻率之上的頻率處的相位改變，這是例如由于與金屬物體或非金屬物體的電容耦合。
[0037]圖3A和圖3B示出了根據本發明的一些實施方式的接近傳感器301的示例和接近傳感器301的操作。接近傳感器301包括傳感器單元110、電源120、檢測單元130和處理器140。傳感器單元具有諧振結構，該諧振結構具有與物體150相互作用的諧振頻率。電源120向諧振結構提供310電力信號。電力信號可以包括具有第一非諧振頻率的第一信號160和具有第二非諧振頻率的第二信號165，第一非諧振頻率和第二非諧振頻率被選擇為使得諧振頻率的值介于第一非諧振頻率的值與第二非諧振頻率的值之間。例如，第一信號具有諧振頻率之下的頻率并且第二信號具有諧振頻率之上的頻率。
[0038]兩個電力信號被供應至傳感器單元以感測接近諧振結構的物體，并且兩個電力信號被供應至檢測單元以作為參考。在一個實施方式中，在諧振頻率的電感或電容區域內選擇第一信號的頻率和第二信號的頻率。
[0039]兩個信號160和165被傳感器單元110反射320為與第一信號160的頻率對應的第一反射信號170和與第二電力信號165的頻率對應的第二反射信號175。
[0040]檢測單元130檢測330到信號160和165以及反射信號170和175。比較對應信號的相位以確定第一信號的相位的第一改變180和/或第二信號的相位的第二改變185。向處理器140發送表示檢測到的改變180和185的值。
[0041 ] 處理器分析340相位的改變，并且確定物體的類型195。例如，如果檢測到第一改變和第二改變二者，則處理器將物體的類型確定為金屬物體，而如果僅檢測到第一改變和第二改變中的一個，則處理器將物體的類型確定為非金屬物體。在一些實施方式中，分析的結果被呈現350，例如，至存儲器內、在顯示裝置上、或被發送至另一應用程序。應用程序的示例包括但不限制于自動鉆孔機器控制、汽車座椅占用檢測系統、機械臂/機械手感測、生物感測、工廠自動化和安全應用程序。
[0042]圖4示出了根據一個實施方式的處理器140的示例性操作的流程圖。處理器通過比較410兩個反射信號的相位與原來第一信號和第二信號的相位的參考值來確定物體是否接近諧振結構。處理器確定430是否存在第一改變或第二改變中的任一個。例如，在一個實施方式中，如果對應的提供的信號的相位與反射信號的相位之間的差異在閾值之上，則認為檢測到改變。
[0043]如果處理器未檢測到改變431，則在諧振結構附近不存在物體420。如果處理器檢測到432第一非諧振頻率處的電力信號的相位的第一改變，則物體接近諧振結構，并且處理器測試440第二非諧振頻率處的電力信號的相位的第二改變。如果檢測到第二改變，則處理器確定物體的類型為金屬物體426，否則確定物體的類型為非金屬物體423。
[0044]接近傳感器的感測在兩個非諧振頻率處工作，其中，一個非諧振頻率在諧振頻率之上并且另一個非諧振頻率在諧振頻率之下。對于僅具有單一諧振的結構，容易選擇諧振頻率之下或之上的頻率。諧振頻率之上的頻率是大于目標諧振頻率的頻率，并且諧振頻率之下的頻率是小于目標諧振頻率的頻率。
[0045]然而，諧振頻率可以具有多個諧振頻率。因此，一些實施方式選擇第一非諧振頻率和第二非諧振頻率，使得諧振頻率的僅一個值介于第一非諧振頻率的值與第二非諧振頻率的值之間。
[0046]圖5示出了 fl至f5的五個諧振頻率，其中，fl〈f2〈f3〈f4〈f5。頻率從最小至最大排序。諧振頻率之上的頻率是大于被定為目標的諧振頻率但小于下一個諧振頻率的頻率。按照這個順序，諧振頻率之下的頻率是小于被定為目標的諧振頻率但大于前一個諧振頻率的頻率。
[0047]如果選擇頻率f3作為用于感測物體的目標諧振頻率，則諧振頻率之上的頻率為大于f3但小于f4的頻率。諧振頻率之下的頻率是小于f3但大于f2的頻率。
[0048]諧振結構的形狀和尺寸影響諧振頻率的值。本發明的一些實施方式設計了各種諧振頻率以減小諧振頻率，這可以降低傳感器的成本。
[0049]圖6示出了由一些實施方式使用的諧振結構的一些示例。結構610是歐米茄形狀。通過使用多圈圓形螺旋結構620來重塑結構610的歐米茄形狀的弧形形狀，可以減小該結構的諧振頻率。可以將圓形螺旋結構重塑為矩形線圈結構630以進一步減小諧振頻率。為了進一步減小諧振頻率，可以用叉指結構640來替換底部處的兩個平行條。
[0050]圖7是根據本發明的一些實施方式的檢測和處理單元700的框圖。在一個實施方式中，使用矢量網絡分析儀來實現檢測和處理單元700。通常，矢量網絡分析儀既測量振幅特性也測量相位特性。該實施方式的檢測和處理單元包括電源710、定向耦合器740、相位和振幅鑒別器730以及處理器720。諧振結構750通常在該單元外部。
[0051]在另一實施方式中，傳感系統包括射頻集成電路(RFIC)。可以利用雙頻晶體振蕩器(例如，Si532)實現電源。可以利用AD8302來實現相位和振幅鑒別器，AD8302是完全集成的RFIC，用于測量輸入信號之間的振幅和相位。可以使用各種定向耦合器設計技術來實現行耦合器。
[0052]本發明的上述實施方式可以按照很多方式中的任一個實現。例如，可以使用硬件、軟件或它們的組合實現這些實施方式。當以軟件實現時，可以在任何合適的處理器或多個處理器上執行軟件代碼，無論處理器被提供在單個計算機中還是分布在多個計算機中。這些處理器可以被實現為集成電路，在集成電路組件中具有一個或多個處理器。盡管如此，可以以任何合適的格式使用電路實現處理器。處理器可以連接至存儲器、收發器和本領域已知的輸入/輸出接口。
[0053]此外，在本文中概述的各種方法和工藝可以編碼為可在采用各種各樣的操作系統或平臺中的任一個的一個或多個處理器上可執行的軟件。另選地或附加地，本發明可以具體實現為諸如信號的計算機可讀介質，而不是計算機可讀存儲介質。
[0054]術語“程序”或“軟件”在本文中在一般意義上使用以指代可采用的任何類型的計算機代碼或計算機可執行指令的集合，用于對計算機或其它處理器編程以執行如上述本發明的各個方面。
[0055]在權利要求中使用以修飾要求保護的元件的諸如“第一”、“第二”的序數詞本身不意味著任何優先權、在先、或一個要求保護的元件與另一個的順序、或執行方法的動作的時間順序，而是僅作為標記以將具有特定名稱的一個要求保護的元件從具有相同名稱(針對序數詞的使用)的另一元件區分開以區分要求保護的元件。
【主權項】
1.一種確定接近具有諧振頻率的諧振結構的物體的類型的方法，該方法包括: 如果所述物體在所述諧振頻率之下和之上的頻率處改變被所述諧振結構反射的電力信號的相位，則確定所述物體的類型為金屬物體;以及否則，確定所述物體的類型為非金屬物體。2.根據權利要求1所述的方法，該方法還包括: 在第一非諧振頻率處檢測所述電力信號的所述相位的第一改變； 在第二非諧振頻率處測試所述電力信號的所述相位的第二改變，其中，所述諧振頻率的值介于所述第一非諧振頻率的值與所述第二非諧振頻率的值之間； 如果檢測到所述第二改變，則確定所述物體的類型為金屬物體；以及 否則，確定所述物體的類型為非金屬物體。3.根據權利要求2所述的方法，該方法還包括: 向所述諧振結構提供所述電力信號，所述電力信號具有在所述諧振頻率的電感區域或電容區域內的所述第一非諧振頻率和所述第二非諧振頻率處的頻率成分。4.根據權利要求3所述的方法，其中，所述測試包括: 在所述第二非諧振頻率處確定發送至所述諧振結構的電力信號的相位與被所述諧振結構反射的電力信號的相位之間的差異；以及 如果所述差異在閾值之上，則檢測到所述第二改變。5.根據權利要求4所述的方法，該方法還包括: 將所述電力信號分為發送至所述諧振結構的第一電力信號以及第二電力信號；以及 使用所述第二電力信號，檢測發送至所述諧振結構的電力信號的相位。6.根據權利要求3所述的方法，其中，所述諧振結構具有多個諧振頻率，該方法還包括: 選擇所述第一非諧振頻率和所述第二非諧振頻率，使得僅所述諧振頻率的一個值介于所述第一非諧振頻率的值與所述第二非諧振頻率的值之間。7.一種接近傳感器，該接近傳感器包括: 傳感器單元，其包括具有諧振頻率的諧振結構； 電源，其用于向所述諧振結構提供電力信號，所述電力信號包括具有第一非諧振頻率的第一信號和具有第二非諧振頻率的第二信號，所述第一非諧振頻率和所述第二非諧振頻率被選擇為使得所述諧振頻率的值介于所述第一非諧振頻率的值與所述第二非諧振頻率的值之間； 檢測單元，其用于在物體接近所述傳感器單元的情況下檢測所述第一信號的相位的第一改變和所述第二信號的相位的第二改變中的一個或兩個;以及 處理器，其用于在檢測到所述第一改變和所述第二改變二者的情況下確定所述物體的類型為金屬物體，并且在僅檢測到所述第一改變和所述第二改變中的一個的情況下確定所述物體的類型為非金屬物體。8.根據權利要求7所述的接近傳感器，其中，所述第一非諧振頻率和所述第二非諧振頻率在所述諧振頻率的電感區域或電容區域內。9.根據權利要求7所述的接近傳感器，其中，所述電源通過傳輸線向所述傳感單元供電，其中，所述檢測單元包括耦合器，所述耦合器連接至所述傳輸線以接收由所述電源提供的電力信號和從所述傳感單元反射的電力信號。10.根據權利要求9所述的接近傳感器，其中，所述處理器在所述第一非諧振頻率或所述第二非諧振頻率處確定發送至所述諧振結構的電力信號的相位與被所述諧振結構反射的電力信號的相位之間的差異，并且在所述差異在閾值之上的情況下檢測到所述第一改變或所述第二改變。
【文檔編號】G01V3/00GK105960601SQ201580006246
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2015年1月16日
【發明人】王炳南, 龍江, 張坤好
【申請人】三菱電機株式會社