Индуктивный датчик

 

Использование: в электротехнике, в частности при конструировании индуктивных датчиков для поиска и обнаружения предметов, изготовленных из магнитного или электропроводящего материала. Сущность изобретения: устройство содержит печатную плату, на слоях которой расположены плоские спирали, размещенные попарно друг против друга, внутренние витки спиралей соединены друг с другом через контактные площадки и выполненные в них переходные металлизированные отверстия. На первом слое платы вдоль столбцов матрицы расположены вертикальные электропроводящие шины, к которым подключены внешние витки спиралей столбцов матрицы. На втором слое платы вдоль строк матрицы расположены горизонтальные электропроводящие шины, к которым подсоединены внешние витки спиралей строк матрицы. 5 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к конструированию индуктивных элементов, выполненных на печатных платах, и может использоваться в качестве датчиков для поиска и обнаружения предметов, изготовленных из магнитного материала, или электропроводящих элементов, расположенных в диэлектрической среде.

Известны индуктивные датчики, содержащие две плоские спиральные обмотки, в зазор между которыми помещен профилированный медный или алюминиевый диск, при перемещении которого изменяется индуктивность датчика, которая определяется измерительной схемой.

Недостатком известного индуктивного датчика являются ограниченные возможности, обусловленные невозможностью определения координат положения магнитного предмета на плоскости, а также невозможностью определения его формы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является индуктивный элемент, содержащий индуктивные секции, выполненные в виде плоских спиралей, расположенных попарно друг против друга на диэлектрическом основании (печатной плате) с согласованными между собой направлениями закрутки витков, внутренние витки попарно расположенных плоских спиралей соединены друг с другом через контактные площадки и выполненные в них металлизированные отверстия.

В известном индуктивном элементе индуктивные секции расположены линейно друг за другом и соединены последовательно через внешние витки спиралей.

Известный индуктивный элемент может быть использовано в качестве индуктивного датчика. При расположении на его поверхности предмета, выполненного из магнитного материала, изменяется результирующая индуктивность элемента, по величине которой можно судить о местоположении предмета на одной координатной оси.

Однако такой индуктивный датчик не позволяет определять положение предмета на плоскости одновременно по двум координатным осям (Х и Y) и форму предмета.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения возможности определения двумерных координат положения предмета на плоскости и определения его формы.

Это достигается тем, что в индуктивном датчике, содержащем чувствительные электромагнитные элементы, выполненные в виде плоских спиралей, расположенных попарно друг против друга на слоях печатной платы с согласованными между собой направлениями закрутки витков, внутренние витки попарно расположенных плоских спиралей соединены друг с другом через контактные площадки и выполненные в них переходные металлизированные отверстия, плоские спирали расположены на слоях печатной платы в виде матрицы, на одном из слоев печатной платы вдоль столбиков матрицы расположены вертикальные электропроводящие шины, подключенные к первой группе входов датчика, на другом слое печатной платы вдоль строк матрицы расположены горизонтальные электропроводящие шины, соединенные со второй группой входов датчика, на одном слое печатной платы внешние витки плоских спиралей подключены к соответствующим вертикальным электропроводящим шинам, а на другом слое печатной платы внешние витки плоских спиралей соединены с соответствующими горизонтальными электропроводящими шинами.

Анализ известных устройств - аналогов, проведенный по научно-технической литературе и по патентным источникам информации, показал наличие в предлагаемом индуктивном датчике новых свойств и признаков, отличающих его от известных датчиков, что свидетельствует о новизне и наличии существенных отличий. Предлагаемое техническое решение по известному уровню техники не является очевидным.

На фиг. 1 изображен первый слой печатной платы; на фиг. 2 - второй слой печатной платы; на фиг. 3 - совмещенное изображение двух слоев печатной платы; на фиг. 4 - совмещенное изображение одного из слоев печатной пласты и проекций пpедметов, размещенных на плоскости индуктивного датчика; на фиг. 5 - структурная схема устройства, обрабатывающего сигналы с индуктивного датчика.

Индуктивный датчик выполнен в виде печатной платы на основе двустороннего фольгированного диэлектрика.

На слоях 1 и 2 платы в виде матрицы расположены чувствительные электромагнитные элементы, выполненные в виде плоских спиралей 3 и 4. Плоские спирали 3 и 4 расположены попарно друг против друга с совпадением центров и согласованными между собой направлениями закрутки витков. Внутренние витки попарно расположенных спиралей 3 и 4 соединены друг с другом через контактные площадки 5 и выполненные в них переходные металлизированные отверстия (не показаны).

На первом слое печатной платы вдоль столбцов матрицы расположены вертикальные электропроводящие шины 6, подключенные к первой группе входов индуктивного датчика, выполненных в виде внешних контактных площадок 7. На втором слое 2 печатной платы вдоль строк матрицы расположены горизонтальные электропроводящие шины 8, соединенные со второй группой входов индуктивного датчика, выполненных в виде внешних контактных площадок 9. Контактные площадки 10 дублируют контактные площадки 7, а контактные площадки 11 дублируют контактные площадки 8. Указанные площадки являются "резервными" и служат для удобства подключения к семе устройства, использующего индуктивный датчик. Внешние витки спиралей 3 подключены к соответствующим близлежащим вертикальным электpопроводящим шинам 6, а внешние витки спиралей 4 соединены с соответствующими горизонтальными электропроводящими шинами 8. При наложении слоев 1 и 2 друг на друга получается совмещенная картина слоев (фиг. 3), из которой видно, что чувствительные электромагнитные элементы, выполненные в виде пар плоских спиралей 3 и 4, образуют регулярную структуру - прямоугольную матрицу, элементы которой расположены по строкам и столбцам. При коммутации шин можно осуществлять выбор определенного элемента матрицы.

Предлагаемый индуктивный датчик включен в схему устройства (фиг. 5). Устройство содержит генератор 12 высокой частоты, первую группу ключей 13 (Кл-Кл), вторую группу ключей 14 (Кл-Кл), дешифратор 15 (по координате Х), дешифратор 16 (по координате Y), счетчик Х 17, счетчик Y 18, генератор 19 импульсов, элемент И 20, блок 21 управления, эталонный элемент 22 нагрузки R_эт, пороговый элемент 23, формирователь 24 импульсов и блок 25 ключей. Выход генератора 12 высокой частоты подключен к одним из входов ключей 13 (Кл-Кл), другие входы которых соединены с выходами дешифратора Х 15. Выходы ключей 13 подключены к контактным площадкам 7н, соединенным с вертикальными шинами 6 индуктивного датчика. Контактные площадки 9, соединенные с горизонтальными шинами 8 индуктивного датчика, подключены к одним из входов ключей 14 (Кл-Кл), другие входы которых соединены с выходами дешифратора Y 16. Выходы ключей 14 объединены и подключены через эталонный элемент R_эт нагрузки 22 к клемме питания + U_пит устройства. Элемент 22 подключен к входу порогового элемента 23, выход которого соединен с входом формирователя 24 импульсов, выход которого подключен к управляющему входу блока 25 ключей.

Информационные выходы счетчика Х 17 и счетчика Y 18 подключены соответственно к входам дешифратора Х 15 и дешифратора Y 16, а также к входам блока 25 ключей.

Выход генератора 19 импульсов подключен через элемент И 20 к счетному входу счетчика Х 17, выход переполнения счета которого соединен со счетным входом счетчика Y 18, выход 26 переполнения счета которого подключен к входу блока 21 управления. Блок 21 управления предназначен для обеспечения согласованной во времени работы всех элементов, узлов и блоков устройства. Выходы блока 21 подключены к одному из входов элемента И 20 и сбросовым входам (установка в "0") счетчика Х 17 и счетчика Y 18. Выходами устройства являются выход счетчика Y 18 и выходы 27 и 28 блока 25 ключей. Кнопка ПУСК 29 служит для запуска устройства в работу. Устройство, в котором используется предлагаемый индуктивный датчик, обеспечивает последовательный опрос состояния всех индуктивных элементов, образующих матричную структуру, и формирует на выходах 27 и 28 код координат (Х; Y) элементов, которые оказались в зоне расположения предмета, размещенного на поверхности датчика.

Предлагаемый индуктивный датчик работает в составе устройства следующим образом.

Перед началом работы счетчик Х 17 и счетчик Y 18 обнулены установочными сигналами с блока 21 управления, а элемент И 20 находится в закрытом состоянии. При этом дешифратор Y 16 подключает один из ключей 14 к первой горизонтальной шине 8 индуктивного датчика и подключает питание +U_пит через эталонный элемент 22 нагрузки к плоским спиралям 3(4), соединенным с этой шиной.

Поскольку в начальный момент времени дешифратор Х 15 находится в нулевом состоянии, то сигнал высокой частоты с генератора 12 не будет поступать ни на одну из вертикальных шин 6, а следовательно, и на спирали 3(4). При этом на элементе 22 нагрузки будет отсутствовать сигнал переменной составляющей и пороговый элемент 23 не сработает.

При нажатии кнопки ПУСК 29 блок 1 управления открывает элемент И 20 и через него на счетный вход счетчика Х 17 начинают поступать импульсы с генератора 19 импульсов. При этом по первому импульсу на первом выходе дешифратора Х 15 появляется высокий уровень потенциала, по которому первый в строке матрицы ключ 13 открывается и через него на спиральные элементы 3(4) поступает сигнал высокой частоты. Поскольку образуется замкнутая электрическая цепь (генератор ВЧ 12 - ключ Кл 13 -вертикальная шина 6 - плоские спирали 3(4) - горизонтальная шина 9 - ключ Кл 14 - элемент 22 нагрузки - источник питания +Uпит), то в указанной электрической цепи начинает протекать переменный ток с частотой генератора 12. При этом уровень тока определяется индуктивным сопротивлением плоских спиралей 3(4).

Индуктивное сопротивление связано прямой пропорциональной зависимостью с величиной индуктивности плоских спиралей 3(4), которая тем выше, чем больше величина магнитной проницаемости, среды, которая находится вблизи этих спиралей.

Поэтому, если на поверхности индуктивного датчика будут размещены предметы, изготовленные из магнитного материала (железа, никеля, магнитных сплавов), то индуктивность спиралей 3(4), которые находятся под указанными предметами, возрастет по отношению к величине индуктивности спиралей, которые не попали в зону расположения таких предметов.

Возрастание индуктивности спиралей вызовет увеличение их индуктивного сопротивления для сигнала высокой частоты, что в свою очередь приводит к уменьшению тока в указанной выше замкнутой электрической цепи.

Отмеченное обстоятельство приводит к изменению уровня сигнала переменной составляющей на элементе 22 эталонной нагрузки. Пороговый элемент 23 зафиксирует это изменение в виде перепада уровня сигнала на своем выходе, по которому формирователь 24 импульсов сформирует короткий импульс, поступающий на вход опроса блока 25 ключей, на выходы которого будут выданы коды координат Х; Y элемента матрицы, который находится в зоне размещения предмета. Коды координат при этом снимаются с информационных выходов счетчиков 17 и 18, помеченных на фиг. 5 двойными линиями.

При поступлении второго импульса от генератора 19 через от крытый элемент И 20 на счетный вход счетчика Х 17 последний увеличивает свое содержание на единицу, а дешифратор Х 15 отключает первый ключ Кл 13 и включает второй ключ Кл 13. При этом сигнал высокой частоты поступает на второй элемент матрицы индуктивного датчика и формирование сигналов кодов осуществляется аналогично описанному выше.

Таким образом, осуществляется последовательный опрос плоских спиралей 3(4) в первой строке матрицы, по окончании которого счетчик Х 17 формирует на своем выходе сигнал переполнения, поступающий на счетный вход счетчика Y 18, содержимое которого увеличивается на единицу, и дешифратор Y 16 отключает первый ключ Кл 14 и включает второй ключ Кл 14, подключая тем самым вторую горизонтальную шину 8 к элементу 22. После этого осуществляется опрос состояния элементов матрицы-спиралей 3(4), расположенных во второй строке.

По мере опроса состояния элементов матрицы индуктивного датчика на выходах 27 и 28 устройства формируются коды координат (Х, Y соответствующие положению предмета на поверхности индуктивного датчика. Если при этом в теле предмета будут обнаружены "пустые" зоны (отверстия, пазы, канавки и т. п. ), то соответствующие элементы матрицы (спиpали 3 (4) не изменят значения своей начальной индуктивности, что приводит к изменению уровня переменного сигала высокой частоты на выходах 27 и 28 устройства.

Процесс считывания и преобразования координат с помощью индуктивного датчика продолжается до тех пор, пока не будут опрошены все элементы последней строки матрицы. При поступлении очередного импульса с генератора 19 происходит переполнение обоих счетчиков 17 и 18 и на вход 26 поступает сигнал, сигнализирующий об окончании процесса опроса всех элементов матрицы. По этому сигналу блок 21 управления закрывает элемент И 20, в результате чего поступление импульсов на счетный вход счетчика Х 17 прекратится и элементы, узлы и блоки устройства установятся в исходное состояние.

При необходимости повторить процесс считывания координат положения другого предмета, установленного на поверхность индуктивного датчика, следует повторно запустить блок 21 управления кнопкой ПУСК 29.

Предлагаемый индуктивный датчик позволяет считывать координаты положения сразу нескольких предметов (см. например, фиг. 4).

Совокупность или последовательность координат, формируемых устройством, однозначно соответствует положению предмета на поверхности предмета, прилегающей к плоскости индуктивного датчика.

Формируемые коды координат могут передаваться далее во внешнее запоминающее устройство или в ЭВМ для последующей информационной обработки (например, для определения типа детали или ее площади, а также периметра в зависимости от решаемой технической задачи).

Экспериментально установлено, что детали, выполненные из немагнитных материалов (из меди, бронзы, латуни и других немагнитных металлов и сплавов) при расположении их на поверхности предлагаемого индуктивного датчика вызывают уменьшение индуктивности спиральных элементов.

Поэтому при соответствующей настройке порогового элемента 23 с помощью датчика можно осуществлять поиск и обнаружение предметов, изготовленных из немагнитных электропроводящих материалов, расположенных в диэлектрической среде.

Таким образом, изобретение позволяет не только расширить функциональные возможности, позволяя определять на плоскости двумерные координаты положения предмета и обеспечивать возможность определения формы предметов, но и расширить область его применения, позволяя работать как с магнитными, так и с немагнитными электропроводящими материалами.

Формула изобретения

ИНДУКТИВНЫЙ ДАТЧИК, содержащий чувствительные электромагнитные элементы, выполненные в виде плоских спиралей, расположенных попарно одна напротив другой на слоях печатной платы с согласованными между собой направлениями закрутки витков, внутренние витки попарно расположенных плоских спиралей соединены друг с другом через контактные площадки и выполненные в них переходные металлизированные отверстия, отличающийся тем, что он снабжен двумя группами электропроводящих шин с контактными площадками на концах, плоские спирали расположены на слоях печатной платы в виде матрицы, одна из групп электропроводящих шин расположена горизонтально между строками матрицы на одном слое печатной платы, на другом слое которой между столбцами матрицы расположена другая группа электропроводящих шин, на одном слое печатной платы внешние витки спиральных элементов, расположенных в каждой строке матрицы, соединены с соответствующей горизонтальной шиной, на другом слое печатной платы внешние витки спиральных элементов, расположенных в каждом столбце матрицы, соединены с соответствующей вертикальной электропроводящей шиной.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5