用于嵌入安装的感应式接近传感器及其设计方法技术

本发明专利技术涉及一种感应式接近传感器，用于嵌入在金属安装板中，包括：壳体，具有合成材料制成的前壁，前壁在壳体的前端形成感测面；振荡器，包括带芯体的传感器线圈，芯体由相对磁导率大于１的典型为铁素体的材料制成，芯体布置在前壁后面的壳体内，从而芯体的开口侧朝向感测面，以使传感器线圈的磁场指向感测面前方的目标；中空圆柱金属元件，垂直于感测面布置并包围芯体；以及测量电路，检测由于涡流导致的振荡器的衰减。为了提高传感器的可嵌入性，芯体径向包围有电阻率小于１５μΩ.ｃｍ且厚度小于４０μｍ的金属层。可替代地，如果金属元件的电阻率调整到１５μΩ.ｃｍ至５０１５μΩ.ｃｍ之间范围内的值，可省略该薄金属层。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种依据权利要求1或9前序部分的用于嵌入在金属 安装板中的感应式接近传感器及其设计方法。
技术介绍
接近传感器包括带传感器线圏的RLC振荡器，传感器线圏的磁 场在目标中产生涡流。这些涡流导致的功率损耗表达了随着传感器和 目标之间的距离的缩短而使所述振荡器衰减增强的负载。振荡器将其储存能量消耗的速率测量为品质因数Q，品质因数Q 为每个周期内所存储能量对所消耗能量的比率的2兀倍。在传感器的非 嵌入状态下且不存在目标的情况下，测量感应式接近传感器的振荡系 统的最大品质因数Qmax。在操作中，品质因数Q由于安装板中和/或 目标中的涡流损耗而降低。将品质因数Q对最大品质因数Qmax归一化，相对品质因数Qrd定义为如下如果传感器的环境中无任何场影响物体存在，则Q等于Qmax，并由此Qw等于1。先前针对品质因数Q所提及的内容也适用于相对品 质因数Qrel:由于安装板和/或目标中的涡流损耗使得每个周期的能耗 增加的事实，故相对品质因数降低。该降低的量为振荡器衰减的度量衰减-卜Qre,Qm股-Q (2) Q max感应电路包括检测电路，所述检测电路设置成产生输出信号，所 述输出信号为该衰减的函数。在开关感应式接近传感器和模拟感应式接近传感器之间做 了区 分。接近开关的检测电路布置成衰减一达到参考阈值就将输出信号从一个状态切换到另一个状态，在本文中参考阈值也称为工作阈值；然 而，模拟接近开关的检测电路布置成针对衰减超过参考阈值而产生输 出信号，所述输出信号为振荡器衰减的单调函数。传感器壳体的外表面包括感测面，传感器线圏的磁场通过芯体指 向感测面。目标距离为从该感测面到目标之间的距离，且传感器范围 为需使目标距离减少(通过使目标接近感测面)到使传感器输出信号 发生变化的值。如果传感器为接近开关，则由此定义的传感器范围称 为工作距离。在传感器的数据表中规定的范围称为额定范围。由于例 如制造误差，传感器的实际范围可能偏离其额定范围。作为感应范围的检测和规格基础，国际标准IEC60947-5-2定义了 所采用的目标的尺寸和材料。标靶为厚度lmm、边长等于感测面直径 或者为3倍传感器额定范围(以更大的为准)的方形低碳钢板。感应式接近传感器的范围及其可嵌入性为反向关联。目标距离越 大，目标中的涡流损耗越小，这导致安装板中的涡流损耗对所确定的 振荡器衰减的总涡流损耗量的影响增加。使传感器的参考阈值降低，以使传感器的范围增加。在下表中， 对比了标准IEC 60947-5-2规定的嵌入式接近开关的额定工作距离(可 采用大约35%的参考阈值来获得)和相应尺寸状态的现有技术的接近 开关所测得的工作距离(以仅10%的参考阈值为特征)。表1传感器尺寸工作多巨离IEC标准10%阈值M5一1.2mmM81 mm2.2mmM122mm3.7mmM185mm6.5mmM3010mm13.0mm在该表中，传感器的尺寸由形成传感器壳体的外螺紋套筒的直径 来规定。6长程接近传感器以10%或更小的参考阈值为特征。通过使参考阈 值降低到10%以下，可实现具有更长程的传感器。具有低于5%参考 阈值的长程传感器在本领域中是公知的。基于上表右列中的值，长程 传感器的最小范围S^可近似地采用下面的公式来确定其中，d为毫米表示的传感器壳体套筒的外径，S^n为毫米表示的感应范围。通常的长程传感器不是完全可嵌入在钢安装板中，这是因为在嵌 入状态下由安装板引起的衰减几乎等于或超过传感器的参考阈值，这 尤其地致使任何开关式接近传感器不可工作。为了减轻安装板的影响，德国专利申请DE3438998A1建议采用 屏蔽裙板包围线圏和芯体来防止传感器场到达安装板。设计成担当免 受交变磁场影响的屏蔽物的金属层在厚度上至少与所述层的材料在场 振荡频率下的趋肤深度相同，而且优选更厚。材料的趋肤深度可计算 为其中p为材料的电阻率(n'm) ,/为场的角频率(Hz) ， A为自 由区的磁导率(N/A2) ， A为材料的相对磁导率。例如，铜在lMHz频率下的趋肤深度为66jim。为了达到长工作 距离，带芯体的传感器线圏的传感器的工作频率优选在50 kHz以上但 通常在lMHz以下，且由此为了充当屏蔽物，包围芯体的铜层必须更 厚。
技术实现思路
本专利技术的目的在于在对传感器的范围无反向影响的情况下提高接 近传感器的可嵌入性。该目的可由依据权利要求1或9的嵌入式接近传感器以及依据权 利要求13或14的设计这种传感器的方法来实现。Smin=0.14+0.114*d本专利技术的优选特征在从属权利要求中予以说明。 附图说明下面将结合附图给出的优选实施方式来详细说明本专利技术。图1以透视图示出了齐平安装在安装板中的感应式接近传感器； 图2示出了一结构的示意图，所述结构包括依据图l安装在安装 板中的传感器以及位于传感器前面的目标；图3示出了图2所示的传感器的振荡器的相对品质因数Qw为目标距离x的函数的曲线图4示出了包括传感器、安装板以及目标的结构，其定义有限元 法模型的几何模型；图5示出了有限元法(FEM)模拟具有依据图4的几何形状的传 感器而计算出的总涡流损耗的曲线图6示出放大比例下的感应式接近传感器前部的纵剖视图； 图7示出了依据图6的备选实施方式的传感器前部。具体实施例方式图1示出了在安装板2中安装的感应式接近传感器1。所述传感 器的壳体大体由非铁磁金属制成的圆柱套筒3构成，套筒3在其外侧 上有螺紋并旋入到相应的安装板2的螺紋通孔中，从而所述壳体的与 套筒轴线垂直的感测面4和安装板2的前表面5齐平。术语"齐平安装，， 用作下文"嵌入"的同义词，并暗示了安装板的通孔在安装板的前表面 5附近不会扩大，从而传感器1的前部周围未设有任何空间。图2为一结构的示意图，所述结构包括依据图1安装在安装板2 中的感应式接近传感器1以及位于传感器的感测面4前方的目标板6。 所述传感器具有单独给出的电路和磁路。具有传感器线圏7的电路以 框图示出，而磁路可通过磁场线8和暴露在磁场下的不同材料体(即 传感器线圏7的开口壶型芯体9、径向包围芯体9的壳体套筒3、安装 板2、以及目标6)来表示。这些物体示出在沿穿过套筒3中部的剖面得到的剖视图中，套筒3为圆柱形且横截面为圓形。电路和磁路由传 感器线圏7相联。所述电路也称为传感器电路，所述传感器电路包括RLC振荡器 10, RLC振荡器10的感应元件L由传感器线圏7和该线圏的芯体9 形成。芯体9由相对磁导率大于1的材料制成，所述材料典型地为铁 素体。所述传感器线圏的磁场在目标6中产生涡流，而且由这些涡流 引起的功率损耗代表着随着感测面4和目标6之间的距离减小而使振 荡器10衰减增加的负载，所述距离称为目标距离x。所述传感器电路还包括测量电路11和输出电路12。测量电路11 设计成基于电量来检测所述振荡器的衰减，所述电量为该衰减的单调 函数。例如，依赖于所述振荡器的电子设计，该电量可以为振荡器的 振幅或者可以为所述振荡器的反馈放大器的输出电流。所述测量电路 包括可位于整流器13之前的信号转变单元14。接近开关的信号转变 单元14为比较器，所述比较器设置成将所述衰减和预定参考阈值来对 比，所述预定参考阈值在本文中也称为工作阈值。与此相反，模拟接 近传感器的信号转变单元14具有转换功能，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于嵌入在金属安装板（２）中的感应式接近传感器（１），其包括：　壳体，其具有由合成材料制成的前壁（１６），所述前壁（１６）在所述壳体的前端形成感测面（４）；　振荡器（１０），其包括带芯体（９）的传感器线圈（７），所述芯体（９ ）由相对磁导率大于１的材料制成，所述材料通常为铁素体，所述芯体（９）布置在所述前壁（６）后面的所述壳体内，从而所述芯体（９）的开口侧朝向所述感测面（４），以使所述传感器线圈的磁场指向所述感测面（４）前面的目标（６）；　中空圆柱形金属元 件，其垂直于所述感测面（４）布置并包围所述芯体（９）；以及　测量电路（１１），用于检测由于涡流导致的所述振荡器（１０）的衰减；　其特征在于，所述芯体（９）由金属层（１８，１８″）径向地包围，所述金属层的电阻率小于１５μΩ.ｃｍ并 且厚度小于４０μｍ。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：M德于，P海姆利希尔，C雷姆，P韦尼耶，
申请(专利权)人：奥普托塞斯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：CH[瑞士]