一种提高电感接近开关响应频率的信号调制方法及系统

本发明属于信号调制领域，可应用于航空、航天、船舶、工业自动化等领域，具体是一种提高电感接近开关响应频率的信号调制方法及系统。

背景技术：

1、电感接近开关是采用电磁感应原理的非接触式电子开关，结构包括：电感探头、印制板电路、外壳、电缆引线，可以非接触检测金属导体的位置信息，并将位置信号转化为开关量的电信号，电感接近开关内置lc正弦波谐振电路，电感探头为lc正弦波谐振电路的组成电感，其功能是：当被检测金属导体靠近接近开关感应面时，由于涡流效应，会影响lc正弦波谐振电路的电感值、等效电阻值、品质因数q值的变化，当到达或小于接近开关的动作点位置时，接近开关输出的数字电平将发生反转；当被检测物体高速接近和远离电感接近开关感应面时，电感接近开关输出对应频率的高低电平信号。

2、当前现有电感接近开关的信号调制技术原理示意图如图1所示，通常由：lc正弦波谐振电路、峰值检波器电路（一般由二极管、电容组成）、滞回比较器电路、输出开关驱动电路等4部分组成。电感接近开关是以金属导体作为触发媒介的无触点电子开关，工作时在电感探头前方产生一个交变的磁场，当被检测金属导体接近时，在金属与电感探头间发生电磁耦合，从而导致正弦振荡信号峰值下降或停止振荡，lc振荡电路输出的正弦波振荡信号进入峰值检波器电路（由二极管与电容组成）如图1中所示，解调出正弦振荡信号的峰值，变为直流信号，解调出的直流信号经过滞回比较器转化为数字开关信号，再经过驱动电路后进行输出。

3、当前现有的信号调制技术，如图1中所示的峰值检波器电路，通常由二极管、电容组成，其功能是将lc正弦波谐振电路的正弦信号的峰值解调出来。电感接近开关一般工作于谐振频率附近，lc谐振频率由电感探头的电感值与谐振电容电容值按照公式计算得出。lc正弦波谐振电路工作时，电感储能与电容储能之间相互转化从而形成正弦振荡信号。当电感接近开关检测更远的距离时，需要直径更大的电感探头以产生更远的纵向（检测方向）分量磁场，因此需要更大容值的电容与电感探头配合进行谐振。因此电感接近开关振荡频率会随着检测距离的增加而降低。

4、如图2所示，以npn常开型或pnp常闭型电感接近开关（无金属导体靠近时，电感接近开关输出为高电平；金属导体靠近后，电感接近开关输出变为低电平）为例，当被测金属导体靠近时，会导致正弦振荡信号峰值降低或停止振荡。被测金属导体从远处不断接近电感接近开关感应面时，电感接近开关的lc振荡峰值随之不断降低，当被测金属导体到达操作点位置时，电感接近开关的lc振荡峰值衰减到操作点电压vop，此时电感接近开关的最终输出由电感接近开关断开状态（高电平）变为电感接近开关闭合状态（低电平）；反之被测金属导体从近处不断远离电感接近开关感应面时，电感接近开关的lc振荡峰值随之不断增加，当被测金属导体到达释放点位置时，电感接近开关的lc振荡峰值增加到释放点电压vrp，此时电感接近开关的最终输出由闭合变为断开；因此通过振荡正弦信号的峰值大小或有无，可判断被测导体的位置信息，通过图1中滞回比较器设定合适的操作点电压vop与释放点电压vrp，当金属导体靠近时到达或小于操作点位置（检测距离阈值）或远离时到达或大于释放点位置时，接近开关输出相应的低、高电平信号。操作点电压vop与释放点电压vrp取值并不相同，通常vrp＞vop，从而避免电感接近开关在操作点位置因抖动或其它原因出现反复触发、释放从而使电感接近开关输出不稳定的振荡脉冲信号。

5、现有信号调制技术如图1中所示的峰值检波器电路，通过正弦信号对电容充电和电容通过电阻的放电，达到解调出正弦信号峰值的目的，rc峰值检波器电路检波性能受到r值与c值大小的影响，为了输出信号稳定，需要足够大的r值与c值。对峰值信号解调时rc值大小受到正弦信号频率的影响，当正弦信号频率较低时，正弦信号对电容c充电频率低，因此为了稳定解调出的直流信号，电阻r值与电容c值也需要相应增加，以减小rc回路放电时间，因此rc时间常数也会变大，响应时间因此变大，响应频率从而降低。目前电感接近开关信号调制技术电感接近开关壳体直径、内置lc正弦波谐振电路振荡频率、检测距离、响应频率如表1所示。

6、表1 目前技术电感接近开关响应频率

7、

8、由表1知电感接近开关内置lc正弦波谐振电路振荡频率远高于电感接近开关响应频率，响应频率仅达到三位数量级，为了进一步提高电感接近开关的响应频率，本发明设计了一种提高电感接近开关响应频率的信号调制方法及系统，在相同的检测距离下，可以使电感接近开关具有更高的响应频率，达到四位数量级，提高后响应频率可以达到目前技术的三倍以上。

技术实现思路

1、本发明为了进一步提高电感接近开关响应频率，提供了一种提高电感接近开关响应频率的信号调制方法及系统。

2、本发明的技术解决方案是：

3、一种提高电感接近开关响应频率的信号调制方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

4、1】产生正弦信号，当有金属导体靠近时，正弦信号的振幅降低或停止振荡；

5、2】设定电感接近开关的操作点电压vop与释放点电压vrp，操作点电压vop＜释放点电压vrp；采集步骤1】中的正弦信号的峰值电压并分别与操作点电压vop、释放点电压vrp进行比较，根据比较结果输出对应的控制信号：

6、当正弦信号峰值电压大于等于释放点电压vrp时，控制信号为两路方波信号；

7、当正弦信号峰值电压大于操作点电压vop且小于释放点电压vrp时，控制信号为一路方波信号；

8、当正弦信号峰值电压小于等于操作点电压vop时，控制信号为无任何信号；

9、3】对控制信号进行检测，并控制电感接近开关的开断，分为以下几种情况：

10、当控制信号一直为两路方波信号，电感接近开关为断开状态；

11、当控制信号由两路方波信号变为一路方波信号时，电感接近开关为断开状态；

12、当控制信号由两路方波信号变为无任何信号时，电感接近开关由断开状态变为闭合状态；

13、当控制信号一直为一路方波信号，电感接近开关维持之前的状态，不发生改变；

14、当控制信号由一路方波信号变为无任何信号时，电感接近开关为闭合状态；

15、当控制信号由一路方波信号变为两路方波信号，电感接近开关为断开状态；

16、当控制信号一直为无任何信号时，电感接近开关为闭合状态；

17、当控制信号由无任何信号变为一路方波信号时，电感接近开关为闭合状态；

18、当控制信号由无任何信号变为两路方波信号，电感接近开关由闭合状态变为断开状态。

19、具体的，上述步骤3】对控制信号进行检测并控制电感接近开关的开断是通过单片机实现的。

20、具体的，上述步骤3】中单片机的通过编程实现以下步骤：

21、3.1】打开单片机中断功能，设置单片机两个外部中断的触发方式为下降沿有效；在单片机中设置变量bop和变量brp的初始数值均为0；

22、3.2】延时等待，如果单片机外部中断引脚int0检测到下降沿，将变量bop置为1，否则仍为0；如果单片机外部中断引脚int1检测到下降沿，将变量brp置为1，否则仍为0；

23、3.3】关闭单片机中断功能；

24、3.4】判断变量brp是否等于1，然后判断bop是否等于1：

25、如果变量brp等于1，变量bop必然等于1，则将初始位置标志位initialstate置为1，单片机输出能够让电感接近开关断开的电平；

26、如果变量brp不等于1，变量bop等于1，则将初始位置标志位initialstate置为2，单片机输出能够让电感接近开关断开的电平；

27、如果变量brp不等于1，如果变量bop不等于1，则将初始位置标志位initialstate置为3，单片机输出能够让电感接近开关闭合的电平；

28、3.5】重新将变量bop和变量brp置为0，打开单片机中断功能；

29、3.6】延时等待，如果单片机外部中断引脚int0检测到下降沿，将变量bop置为1，否则仍为0；如果单片机外部中断引脚int1检测到下降沿，将变量brp置为1，否则仍为0；

30、3.7】关闭单片机中断功能；

31、3.8】先判断变量brp是否等于1，然后判断bop是否等于1：

32、如果变量brp等于1，则将当前位置标志位currentstate置为1，单片机输出能够让电感接近开关保持断开状态的电平；

33、如果变量brp不等于1，变量bop等于1，且初始位置标志位initialstate为1时，将当前位置标志位currentstate置为2，单片机输出能够让电感接近开关断开的电平；

34、如果变量brp不等于1，变量bop等于1，且初始位置标志位initialstate为3时，将当前位置标志位currentstate置为2，单片机输出能够让电感接近开关闭合的电平；

35、如果变量brp不等于1，如果变量bop不等于1，则将当前位置标志位currentstate置为3，单片机输出能够让电感接近开关闭合的电平；

36、3.9】将当前位置标志位currentstate的数值赋给初始位置标志位initialstate；

37、3.10】重复步骤3.5】-3.9】。

38、具体的，上述步骤3.2】和/或3.6】，延时等待时间至少为正弦信号振荡周期的2倍时间。

39、具体的，上述步骤2】是通过双路比较器将采集到的正弦信号峰值电压分别与操作点电压vop、释放点电压vrp进行比较并输出方波信号或者不输出信号。

40、具体的，上述步骤1】是通过lc振荡电路产生正弦信号。

41、本发明还提供一种提高电感接近开关响应频率的信号调制系统，包括用于产生正弦信号的lc振荡电路，其特殊之处在于：还包括

42、用于将正弦信号的峰值电压分别与电感接近开关的操作点电压vop、释放点电压vrp进行比较并根据比较结果输出对应的控制信号的双路比较器，

43、用于检测来自双路比较器的控制信号变化情况，并输出开断信号以控制电感接近开关的开断的控制装置；

44、双路比较器包括比较器一与比较器二，比较器一与比较器二的参考电平分别设为电感接近开关的操作点电压vop与释放点电压vrp，操作点电压vop＜释放点电压vrp，

45、当正弦信号峰值电压大于等于释放点电压vrp时，双路比较器输出两路方波信号；

46、当正弦信号峰值电压大于操作点电压vop且小于释放点电压vrp时，双路比较器输出一路方波信号；

47、当正弦信号峰值电压小于等于操作点电压vop时，双路比较器不输出任何信号；

48、双路比较器的两个输出端与控制装置的两个外部中断引脚一一对应电连接；

49、当控制装置检测到双路比较器的输出一直为两路方波信号，电感接近开关为断开状态；

50、当控制装置检测到双路比较器的输出由两路方波信号变为一路方波信号时，电感接近开关为断开状态；

51、当控制装置检测到双路比较器的输出由两路方波信号变为无任何信号时，电感接近开关由断开状态变为闭合状态；

52、当控制装置检测到双路比较器的输出由一直为一路方波信号，电感接近开关维持之前的状态，不发生改变；

53、当控制装置检测到双路比较器的输出由一路方波信号变为无任何信号时，电感接近开关为闭合状态；

54、当控制装置检测到双路比较器的输出由一路方波信号变为两路方波信号，电感接近开关为断开状态；

55、当控制装置检测到双路比较器的输出一直为无任何信号时，电感接近开关为闭合状态；

56、当控制装置检测到双路比较器的输出由无任何信号变为一路方波信号时，电感接近开关为闭合状态；

57、当控制装置检测到双路比较器的输出由无任何信号变为两路方波信号，电感接近开关由闭合状态变为断开状态。

58、优选的，上述系统还包括与控制装置的输出端电连接的开关驱动电路。

59、优选的，上述控制装置为具有两路外部中断功能的单片机。

60、本发明还提供一种电感接近开关，其特殊之处在于，包括上述信号调制系统。

61、本发明的优点：

62、1.本发明的信号调制技术，在相同的检测距离下，可以使电感接近开关具有更高的响应频率。当前现有的电感接近开关，其响应频率与检测距离成反比，很难兼顾长检测距离与高响应频率，而响应频率和检测距离为电感接近开关两个重要参数指标，本发明在检测距离不变的基础上，增加电感接近开关响应频率，提高电感接近开关的频率响应性能。具体响应频率增加量见表1，表2对比参数所示，在相同的检测距离下，可以使电感接近开关具有更高的响应频率，达到四位数量级。

63、2.调试方便，本发明的信号调制技术由模拟电路结合单片机实现，调整电感接近开关的参数（例如输出类型：常开或常闭型输出）可以通调整单片机程序实现，而现有技术需要更改硬件电路，因此本发明适合产品通用化和批产化。

64、3.成本低，本发明的信号调制技术对器件性能要求不高，普通的小封装的51单片机可以实现技术功能，因此电感接近开关体积小、成本较低，具有成本优势。

65、4.广泛应用于航空、航天、船舶、工业自动化等领域，可以用于测量金属导体转动的转速、金属导体直线运动的直线速度，也可测量其它种类活动机构的位置信息。