CZ304954B6

CZ304954B6 - Bezkontaktní magnetický senzor polohy magnetických nebo elektricky vodivých objektů

Info

Publication number: CZ304954B6
Application number: CZ2013-822A
Authority: CZ
Inventors: Pavel Ripka; Jan Vyhnánek; Jan Včelák
Original assignee: České Vysoké Učení Technické V Praze Univerzitní Centrum Energeticky Efektivních Budov
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2015-02-04
Also published as: WO2015058733A1; CZ2013822A3

Abstract

Bezkontaktní magnetický senzor polohy magnetických nebo elektricky vodivých objektů sestává alespoň z jedné budicí cívky (10) připojené na zdroj (20) střídavého signálu. V dutině budicí cívky (10) je umístěn senzor (40) magnetického pole, jehož výstup je připojen na vstup zesilovače (60). Senzor obsahuje modulátor buzení (21), který je připojen ke zdroji (20) střídavého budicího signálu. Výstup zesilovače (60) je spojen se vstupem filtru (80) typu dolní propust, se vstupem filtru (81) typu pásmová propust a se vstupem filtru (82) typu horní propust. Zdroj (20) střídavého signálu generuje střídavý, s výhodou obdélníkový, proud a tím je v blízkosti budicí cívky (10) vytvářeno střídavé magnetické pole, které interaguje s materiály v blízkosti budicí cívky (10). Senzorem (40) magnetického pole může být anizotropní magnetorezistor AMR nebo Hallova sonda. V případě AMR senzoru je budicí signál budicí cívky (10) připojen přes oddělovací kapacitor (30) přímo k flipovacímu vstupu cívky AMR senzoru. Díky soufázovosti buzení budicí cívky (10), a tudíž i generovaného střídavého pole, a modulaci výstupu senzoru flipovacím obvodem dochází k řízenému usměrnění výstupního signálu ze senzoru a vlastní demodulaci výstupního signálu. Výstup senzoru je pak možné využít pro snímání polohy, detekci přiblížení nebo diskriminaci materiálů v blízkosti cívky.

Description

Oblast techniky

Předmětem vynálezu je bezkontaktní senzor polohy magnetických nebo elektricky vodivých objektů schopný detekovat objekty i za kovovým krytem. Senzor využívá metodu vlastní demodulace signálu.

Dosavadní stav techniky

Bezkontaktní senzory polohy/přiblížení jsou známy a hojně používány již řadu let. Nejčastěji využívají optických metod, kapacitních metod, ultrazvukových nebo magnetických/indukčních metod nebo jejich kombinací. Senzory přiblížení či polohy se využívají takřka ve všech průmyslových odvětvích. Bezkontaktní měření polohy se s výhodou využívá na automatických linkách v průmyslové automatizaci i v automobilovém a leteckém průmyslu.

Standardní senzory přiblížení/polohy indukčního typu jsou založeny na generování vířivých proudů v přiblíženém vodivém objektu, viz např. patenty US 2013229174, US 6 803 757 a US 4 042 876. Další rozsáhlou skupinou senzorů polohy/přiblížení jsou senzory pracující s proměnným magnetickým obvodem (viz např. US 5 027 066) nebo se saturovatelným jádrem cívky - viz např. US 4 719 362, US 4 587 486, US 4 140 971, EP 0 538 037 Bl. Posledním typem je magnetický senzor polohy využívající detekce stejnosměrného magnetického pole permanentního magnetu - viz např. JP 3460363 a US 484 116.

Senzory pracující na indukčním principu, obr. 1, se skládají z budicí cívky 10 napájené ze zdroje 20 střídavého proudu. Senzor snímá polohu vodivého nebo feromagnetického objektu 50. V závislosti na poloze dochází ke změně indukčnosti cívky buď vlivem přiblíženého vodivého objektu, nebo permanentního magnetu. Výstupní zesilovač 60 s obvodem zpracování signálu 6_L obvykle vyhodnocuje ztrát/ v cívce, které převádí na dvoustavovou nebo spojitou informaci o poloze předmětu. Při přiblížení detekovaného objektu 50 vodivého materiálu se v něm indukují vířivé proudy působící svým magnetickým polem proti poli, které je vyvolalo. Tím dochází ke snížení indukčnosti budicí cívky 10, zvýšení ztrát a celkovému snížení činitele jakosti budicí cívky. Tyto změny jsou po zesílení v zesilovači 60 detekovány ve vyhodnocovacím obvodu 61 a převáděny na měřenou veličinu. Pro detektory přiblížení s velmi často využívají cívky buzené v rezonanci a vysazení oscilací RLC obvodu při přiblížení vodivého objektu nebo změna frekvence RLC obvodu při přiblížení nebo oddálení vodivého materiálu (Tumanski S, Thin film magnetoresistive sensors, ISBN-10: 0750307021, ISBN-13: 978-0750307024, Edition: lst, IOP (2001) a Ripka P. Magnetic Sensors and Magnetometers, ISBN-10: 1580530575, ISBN-13: 978-1580530576, Artech House Publishing (2001)). Indukční senzory pracují na budicích frekvencích 1 až 100 kHz. Výhodou tohoto řešení je jednoduchá a levná konstrukce. Nevýhodu indukčních metod je závislost indukovaného napětí na frekvenci, čím vyšší frekvence, tím vyšší indukované napětí a citlivost senzoru. Z tohoto důvodu tyto senzory obecně nelze použít při kmitočtech nižších než 1 kHz. Na druhou stranu klesá se zvyšující frekvencí hloubka vniku a senzor je ovlivňován parazitními kapacitami.

Magnetické pole způsobené vířivými proudy může být místo samotné indukční cívky měřeno pomocí jiného senzoru magnetického pole. Příkladem může být AMR/GMR senzor umístěný v budicí cívce, který měří celkové magnetické pole. Obr. 2. Na Obr. 2 je blokové schéma senzoru přiblížení/polohy využívající indukční cívky 10 buzené zdrojem střídavého signálu 20. Senzor snímá polohu vodivého nebo feromagnetického objektu 50. Výsledné pole vzniklé kombinací buzení cívky a blízkého vodivého objektu 50 nebo permanentního magnetu je snímáno senzorem magnetického pole 40. Signál ze senzoru je zesílen zesilovačem 60 a vyhodnocen synchronním demodulátorem 6U Výstup demodulátoru je míronosnou veličinou. V přítomnosti vodivého ob- 1 CZ 304954 B6 jektu 50 klesá celkové měřené pole díky účinkům vířivých proudů v detekovaném vodivém objektu 50.

Této metody se hojně využívá v defektoskopii a pro nedestruktivní testování materiálů na přítomnost nehomogenit a poruch celistvosti US 2012/0 274 319, US 2002/0 130 659, US 6 888 346, US 6 504 363, EP 0 228 473. V posledních třech uvedených dokumentech jsou na úpravu výstupního signálu magnetického senzoru použity dolní propust pro filtraci šumu nebo extrakci střední hodnoty signálu, nebo pásmová propust jako filtrace rušení před dalším vyhodnocením signálu. Hlavní nevýhodou tohoto řešení je konstrukční složitost vyžadující jak vhodný flipovací obvod AMR senzoru, tak synchronní demodulaci signálu ze senzoru. Mezi další nevýhodu zmíněných řešení patří, že senzory jsou schopny detekovat pouze daný typ materiálu, na který jsou konstruovány. Nejsou schopny rozlišit detekované materiály nebo kombinace různých materiálů.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody odstraňuje bezkontaktní magnetický senzor polohy magnetických nebo elektricky vodivých objektů sestávající z alespoň jedné budicí cívky připojené na zdroj střídavého signálu, kde v dutině budicí cívky je umístěn senzor magnetického pole. Výstup senzoru magnetického poleje připojen na vstup zesilovače, jehož výstup je připojen na vstup filtru typu dolní propust, na vstup filtru typu pásmová propust a na vstup filtru typu horní propust. Zapojení dále obsahuje modulátor buzení. Podstatou nového řešení je, že modulátor buzení senzoru magnetického poleje připojen ke zdroji střídavého budicího signálu cívky.

Je výhodné, když je zdroj střídavého budicího signálu zdrojem obdélníkového signálu.

Senzor magnetického pole může být například tvořen Hallovou sondou nebo anizotropním magnetorezistorem. V případě použití anizotropního magnetorezistoru je modulátor buzení senzoru magnetického pole tvořen oddělovacím kapacitorem. Jeden konec oddělovacího kapacitoru je připojen na flipovací vstup anizotropního magnetorezistoru a druhý konec je spojen se zdrojem střídavého budicího napětí budicí cívky.

Výhodou navrhovaného senzoru je citlivost senzoru na stejnosměrné magnetické pole i na střídavé pole způsobené vířivými proudy ve vodivých materiálech. Senzor je schopen detekovat široké množství materiálů a rozlišovat, který materiál je v daném okamžiku detekován. Detekované materiály jsou elektricky vodivé nemagnetické, například Al, Cu, magneticky měkké materiály, magneticky tvrdé materiály, tedy permanentní magnety, nebo kombinace výše uvedených materiálů.

Oproti standardnímu řešení, navržený senzor značně zjednodušuje potřebnou elektroniku k vyhodnocování signálu ze senzoru. Využívá princip vlastní demodulace, kdy je výstup senzoru magnetického pole modulován shodným nebo odvozeným signálem jako vlastní budicí cívka.

Objasnění výkresů

Na obr. 1 a na obr. 2 jsou schematicky uvedeny dosud známé senzory polohy respektive přiblížení kovových nebo elektricky vodivých objektů.

Obr. 3 znázorňuje blokové schéma senzoru přiblížení/polohy využívající vlastní demodulace podle předkládaného řešení.

Cívka 10 je buzena signálem z generátoru 20, Flipovací obvod senzoru magnetického pole 40 (Anizotropní magnetorezistor) je přes oddělovací kapacitor 30 připojen ke stejnému zdroji budicího signálu 20. Výstupní signál ze senzoru je zesílen zesilovačem 60 a zpracován různými typy

-2CZ 304954 B6 filtrů 80, 81, 82. Senzor umožňuje snímat přiblížení-polohu vodivého nebo feromagnetického objektu 50 přes kryt z vodivého materiálu 70.

Obr. 4.1 zobrazuje časový průběh napětí budicí cívky.

Na Obr. 4. 2 je časový průběh flipovacího proudu anizotropního magnetorezistoru tvořícího zde senzor magnetického pole.

Obr. 4.3 zobrazuje časový průběh výstupního napětí předmětného senzoru, pokud je umístěn v nulovém magnetickém poli a v blízkosti senzoru není umístěn žádný vodivý objekt ani permanentní magnet. Stejnosměrná hodnota průběhu je dána velikostí magnetického pole generovaného přímo budicí cívkou.

Obr. 4.4 zobrazuje časový průběh výstupního napětí v případě, že senzor měří externí magnetické pole nenulové hodnoty - například se v blízkosti senzoru nachází permanentní magnet.

Obr. 4.5 zobrazuje časový průběh výstupního napětí senzoru v případě, že je v blízkosti senzoru umístěn vodivý objekt.

Obr. 4.6 zobrazuje časový průběh výstupního napětí senzoru v případě, že senzor měří přiblížení/polohu objektu, kterým je permanentní magnet, přes vodivý kryt (Al) 70.

Obr. 5.1 až 5.4 zobrazují průběhy výstupního napětí po zpracování výstupu senzoru U_out pomocí filtrů typu dolní propust U_b pásmová propust U₂ a horní propust U₃.

Příklady uskutečnění vynálezu

Podstatou popisovaného vynálezu je senzor polohy/přiblížení využívající vylepšenou metodu detekce materiálů. Senzor, znázorněný schematicky na obr. 3, obsahuje zdroj 20 střídavého, s výhodou z obdélníkového budicího signálu, budicí cívku W nebo soustavu cívek, modulátor 21 buzení, senzor 40 magnetického pole umístěný v dutině budicí cívky 10. jehož výstup je připojen na vstup zesilovače 60. Modulátor 21 buzení senzoru 40 magnetického poleje připojen ke zdroji 20 střídavého budicího signálu. Výstup zesilovače 60 je spojen se vstupem filtru 80 typu dolní propust, se vstupem filtru 81 typu pásmová propust a se vstupem filtru 82 typu horní propust. Zde je uveden příklad, kdy senzor umožňuje snímat přiblížení-polohu vodivého nebo feromagnetického objektu 50 přes kryt z vodivého materiálu 70.

Zdroj 20 střídavého signálu pro budicí cívku 10 generuje proud s obdélníkovým průběhem s danou frekvencí fa amplitudou I. Zdroj 20 střídavého signálu je připojen ke kontaktům budicí cívky 10. Proud 1 procházející budicí cívkou 10 generuje střídavé magnetické pole, které v detekovaném blízkém vodivém materiálu indukuje vířivé proudy. Senzor 40 magnetického pole je umístěn ve středu budicí cívky W tak, že jeho osa citlivosti je totožná s osou budicí cívky 10, tedy s normálou budicí cívky 10 procházející jejím pomyslným středem. Senzorem 40 magnetického pole může být anizotropní magnetorezistor (AMR) nebo Hallova sonda. Vlastní AMR senzor se skládá zvláštního AMR prvku, který měří magnetické pole, flipovací cívky, případně kompenzační cívky. Budicí signál cívky je přes oddělovací kapacitor 30 připojen přímo k flipovacímu vstupu cívky AMR senzoru. Tím by při působení externího stejnosměrného magnetického pole docházelo k modulaci výstupu senzoru. Díky soufázovosti buzení budicí cívky 10, a tudíž generovaného střídavého pole, a modulaci výstupu senzoru 40 magnetického pole dochází k řízenému usměrnění výstupního signálu ze senzoru a vlastní demodulaci výstupního signálu. Kapacitor 30 zajišťuje flipování AMR prvku pomocí úzkých proudových pulsů. Tím dochází k vlastní demodulaci výstupu senzoru 40 magnetického pole bez nutnosti přidružené elektroniky nebo synchronního demodulátoru. Sdružené účinky pole budicí cívky 10, pole vířivých proudů v blízkém vodivém materiálu, a externího magnetického pole jsou snímány magnetorezistorem

-3CZ 304954 B6 nebo jiným senzorem magnetického pole. Výstup senzoru 40 magnetického poleje zesílen zesilovačem 60, na jehož výstupu 90 je napětí υ^, které je zpracováváno třemi základními filtry, a to filtrem 80 typu dolní propust, filtrem 81 typu pásmová propust a filtrem 82 typu horní propust.

Výstupní signál senzoru může vypadat dle obr. 4.1 až 4.6 a 5.1 až 5.4. Ua je napětí v první půlperiodě budicího signálu a Ur je napětí v druhé půlperiodě budicího signálu. Toto napětí je složeno z několika složek. Složka Uac je úměrná velikosti pole generovaného samotnou budicí cívkou 10, případně zesíleného, působením blízkého magneticky měkkého materiálu. Složka Unc ie úměrná externímu stejnosměrnému magnetickému poli vytvořenému například permanentním magnetem nebo magnetickým polem Země.

Tučně vyznačené části jsou způsobeny vířivými proudy vznikajícími působením budicího pole na objekty 50 z elektricky vodivých materiálů.

Při filtraci signálu filtrem 80 typu dolní propust se získá napětí Uj, které odpovídá střední hodnotě signálu Uguj. Uj je podle rovnice (3) rovno hodnotě Uac, což je přímo úměrné velikosti pole generovaného budicí cívkou 10 případně zesíleného magneticky měkkým materiálem v její blízkosti.

Při filtraci signálu filtrem 81 typu pásmová propust nastaveným na frekvenci shodnou s budicím signálem f, se získá signál Uj, jehož rozkmit, tedy hodnota špička-špička, je dle rovnice (4) roven 2 Unc, a tudíž přímo úměrný měřenému externímu stejnosměrnému poli.

Při filtraci signálu filtrem 82 typu horní propust se získá signál U3, který odpovídá pouze účinkům vířivých proudů a tudíž přiblížení objektu 50 z vodivého materiálu.

Ua=Uac+U_Dc (1)

Ub=U_Ac-Udc (2)

Ui=(Ua+Ub)/2=Uac (3)

U2(p.p)=(Ua-Ub)=2Udc (4)

Při detekci střídavého magnetického pole pracuje senzor již od velmi nízkých budicích frekvencí, kde mají senzory pracující na indukčním principu malou citlivost. Citlivost AMR senzoru je frekvenčně nezávislá do frekvencí pod 100 kHz.

Hloubka vniku magnetického pole závisí u vodivých materiálů na frekvenci budicího pole. Se zvyšující se frekvencí klesá hloubka vniku. Díky použití AMR senzorů, jako detektoru magnetického pole je možné volit nízké budicí frekvence, tím zvyšovat hloubku vniku. S výhodou je pak tento senzor možné použít pro měření polohy objektů za krytem z elektricky vodivého materiálu.

Jak již bylo uvedeno, oproti standardnímu řešení, navržený senzor značně zjednodušuje potřebnou elektroniku k vyhodnocování signálu ze senzoru. Využívá princip vlastní demodulace, kdy je výstup senzoru magnetického pole modulován shodným nebo odvozeným signálem jako vlastní budicí cívka.

Filtrací výstupního signálu senzoru je možné diskriminovat detekované materiály podle jejich elektrických a magnetických vlastností. To je zejména výhodné v situaci, kdy detekovaný materiál není předem znám.

Kromě detektoru přiblížení senzor funguje i jako senzor polohy objektů za elektricky vodivou překážkou. Je možné měřit polohu objektu z feromagnetického materiálu za překážkou z vodivé-4CZ 304954 B6 ho neferomagnetického materiálu, například hliník nebo měď. V případě, že se detekovaný objekt 50, jehož poloha se měří, ukrývá za plechem z magnetického materiálu, je možné měřit polohu objektu tak, že magnetický materiál krytu 70 uvedeme do stavu magnetického nasycení.

Senzor zároveň měří stejnosměrnou složku pole tak i odezvu vířivých proudů. Vyhodnocením výstupního signálu je možné získat informaci o poloze ale i o typu přiblíženého materiálu. Z výstupní odezvy senzoru je možné rovněž rozlišit detekované materiály na vodivé, feromagnetické ajejieh kombinace.

Podle uvedeného řešení bylo vyrobeno zařízení, které je zobrazené na obr. 1. Skládá se z budicí cívky 10 kruhového průřezu s 75 závity o průměru 46 mm a délce 22 mm. Budicí cívka 10 je napájena ze zdroje 20 střídavého signálu proudem obdélníkového průběhu o amplitudě 70 mA pp a frekvenci 1 kHz. Frekvence může být i jiná v závislosti na požadované hloubce vniku. Budicí cívka 10 vytváří v místě senzoru 40 magnetického pole, kterým zde je AMR senzor, střídavé magnetické pole o velikosti 115 A/m. Flipování senzoru 40 magnetického poleje zajištěno interní cívkou v senzoru 40 magnetického pole s pulsním proudem o velikosti 1.2Ap-p díky vybíjením kapacitoru 30 o velikosti 6.8nF. Modulátor buzení 30 je tvořen kapacitorem, který je přímo připojen k budicímu signálu ze zdroje 20 střídavého signálu 30Vp-p. Ve středu budicí cívky 10 se nachází senzor 40 magnetického pole HMC1001. Výstup senzoru 40 magnetického pole je zesílen zesilovačem 60 a podstoupen pro další zpracování signálu pomoc í jednotlivých filtrů.

Průmyslová využitelnost

Senzor s vlastní demodulací lze využít pro detekci polohy/přiblížení objektu za krytem z elektricky vodivých materiálů jako jsou hliníkový plech, pozinkovaný železný plech atd. Senzor lze využít jako koncový spínač umístěný za plechovým krytem nebo jako koncový spínač s detekcí fáze zavírání. Senzor lze rovněž s výhodou využít jako detektor kovových částí za krytem z vodivých kovů.

Předmětný senzor je možné využít pro nedestruktivní bezkontaktní defektoskopii tloušťky/stavu stěn zásobníků, potrubí přes kovový kryt a vrstvu izolace. Ze srovnávacího měření je možné určovat stupeň koroze nebo narušení vnitřní stěny.

Předmětný senzor lze použít k diskriminaci materiálů na elektricky vodivé, magneticky měkké a magneticky tvrdé nebo jejich kombinace. Pro každou složku lze navíc měřit její velikost a tak odhadovat blízkost předmětu, jeho polohu nebo velikost.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Bezkontaktní magnetický senzor polohy magnetických nebo elektricky vodivých objektů sestávající z alespoň jedné budicí cívky (10) připojené na zdroj (20) střídavého budicího signálu, kde v dutině budicí cívky (10) je umístěn senzor (40) magnetického pole, jehož výstup je připojen na vstup zesilovače (60) a výstup tohoto zesilovače (60) je připojen na vstup filtru (80) typu dolní propust, na vstup filtru (81) typu pásmová propust a na vstup filtru (82) typu horní propust, a dále obsahující modulátor (21) buzení, vyznačující se tím, že modulátor buzení (21) senzoru (40) magnetického poleje připojen ke zdroji (20) střídavého budicího signálu cívky (10).

2. Bezkontaktní magnetický senzor podle nároku 1, vyznačující se tím, že zdroj (20) střídavého budicího signálu zdrojem obdélníkového signálu.

-5CZ 304954 B6

3. Bezkontaktní magnetický senzor podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že senzor (40) magnetického poleje tvořen Hallovou sondou.

4. Bezkontaktní magnetický senzor podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že 5 senzor (40) magnetického pole je tvořen anizotropním magnetorezistorem a modulátor buzení (21) senzoru (40) magnetického poleje tvořen oddělovacím kapacitorem (30), jehož jeden konec je připojen na flipovací vstup anizotropního magnetorezistoru a druhý konec je spojen se zdrojem (20) střídavého budicího napětí budicí cívky (10).