用于電感式位移傳感器特別是用于觸摸板的檢測器電路的制作方法

本發明涉及一種用于電感式位移傳感器的檢測器電路。

背景技術：

這種傳感器例如用于檢測游泳者對被稱為觸摸板的用于游泳比賽的計時系統的板的壓力。該類型的板被固定到游泳池的終點壁上，并且游泳者對觸摸板的壓力使得板更靠近壁。當傳感器檢測到該靠近運動時，測量游泳者時間的計時器停止或記錄中間時間。

電感式位移傳感器通常包括由檢測器電路提供的高頻交流電流激勵的線圈。導電或鐵磁的部分與線圈的接近導致在由線圈、部分和將它們分開的空氣間隙形成的磁路內的損耗，或/和改變線圈的電感。電路中的損耗的測量或該電感中的變化的測量因此允許識別出部分相對于線圈的位移。

該類型的檢測器電路的缺點在于在那里電流持續被消耗。因此，需要一種較低消耗的檢測器電路，其允許指示已超過磁路中的損耗閾值或其電感(閾值對應于例如游泳者對觸摸板的壓力)。

技術實現要素：

本發明的目的是響應上面提出的需要。

為此，本發明涉及一種用于檢測電感式位移傳感器的磁路的電感變化的電路，其中檢測器電路包括：

·第一觸發器(flipflop)，其被布置為提供第一信號以將線圈充電到閾值電流，該第一信號包括具有必要的和足夠的持續時間的電壓脈沖，其中第一信號被施加到線圈的第一端子；

·脈沖發生器，其被配置為提供包括參考脈沖的參考信號；

·時鐘信號發生器，其被布置為周期性地并且同時地觸發充電脈沖和參考脈沖；

·第二觸發器，其被布置為生成在參考脈沖的后沿上取得第一信號的狀態的輸出信號。

在已知的方式中，電感式位移傳感器，更確切地說，可變電感的位移傳感器包括集成線圈的固定鐵磁部分。當相對于固定部分可移動的鐵磁部分靠近固定部分放置時，包括與空氣間隙串聯的固定部分和可移動部分的磁路閉合。磁路的磁阻等于由固定(f)部分、可移動(m)部分和空氣間隙(e)形成的段(segment)的磁阻之和，即lf/μ0μfsf+lm/μ0μmsm+le/μ0se,，其中l表示磁路段的長度，μ為其相對磁導率，s為其截面，并且μ0為真空的磁導率。因此可以理解，磁路的磁阻與空氣間隙的長度(即可移動部分和固定部分之間的間距)成比例地變化。空氣間隙越短，磁路的磁阻越低，而線圈的電感越高。

根據本發明并且與現有技術的實踐相反，線圈不被高頻交流電流激勵，而是由充電脈沖串激勵。更確切地說，通過第一觸發器bd1周期性地向放置在可變磁阻磁路中的線圈施加電壓。在將該電壓施加到線圈的時刻，線圈中的電流以給定的速率開始增加，其中表示磁路的磁阻，u表示施加的電壓，并且n表示線圈匝數。

電感越高，達到固定電流值所需的充電脈沖的持續時間將越長，反之亦然。

充電脈沖的循環比基本上小于1％，并且允許獲得具有低能量消耗的傳感器。每個充電脈沖表示小于1納焦的功耗，即小于10微瓦的消耗。因此，限制了觸摸板上的傳感器組件的消耗。此外，假設這些充電脈沖以大于10000赫茲的頻率重復，可以獲得具有小于100微秒的延時(latency)的傳感器。

第二觸發器bd2用作參考脈沖的持續時間和充電脈沖的持續時間之間的比較器。如果電感低，則充電脈沖在參考脈沖的后沿處終止。相反，如果電感高，則充電脈沖仍然在參考脈沖的后沿上進行。因此，檢測器電路使得能夠提供指示電感是否高于閾值的輸出信號。

此外，根據本發明的檢測器電路可以以在所有技術上可能的組合的形式包括以下特征中的一個或多個。

在非限制性實施例中，檢測器電路包括比較器，其被布置并配置為提供第三信號，該第三信號在線圈的第二端子處觀察到的第二信號超過第一比較閾值時改變狀態，第一觸發器被布置成使得所述狀態的改變導致充電脈沖的終止。

在非限制性實施例中，第一觸發器是包括下列項的觸發器：

·受到時鐘信號控制的第一異步輸入set；

·受到第三信號控制的第二異步輸入clear。

在非限制性實施例中，檢測器電路包括在線圈的第二端子和檢測器電路的地線之間形成分路(branch)的電阻器。

在非限制性實施例中，比較器是具有受到第二信號控制的輸入的施密特觸發器。

在非限制性實施例中，脈沖發生器被布置并配置為使得輸出信號的狀態中的一個狀態導致參考脈沖的初始持續時間的減小，并且另一狀態導致參考脈沖返回到其初始持續時間。

在非限制性實施例中，脈沖發生器包括：

·受到時鐘脈沖控制的第一異步輸入trig；

·受到輸出信號控制的第二輸入。

在非限制性實施例中，第二觸發器是d觸發器，其包括：

·受到第一信號控制的第一同步輸入d；

·受到參考信號控制的第二輸入clk。

附圖說明

其他特征和優點將從通過參考附圖以非限制性示例的方式給出的以下描述而變得清楚：

圖1示出了用于檢測連接到所述線圈的端子的線圈的電感變化的電路；

圖2示出了表示在檢測器電路的不同點處觀察到的幾個信號的時間演進的時序圖。

具體實施方式

圖1示出了根據本發明的檢測器電路cd。檢測器電路cd能夠根據可變電感線圈bn的電感lx生成二進制輸出信號u5，其中所述線圈bn形成電感式位移傳感器cp的一部分。更確切地，檢測器電路cd使得如果電感lx高于第一電感閾值lon，則將輸出信號u5設為高值，而如果電感lx低于第二電感閾值lon-dl，則將輸出信號u5設為低值。

檢測器電路cd具有能夠生成時鐘信號u0的時鐘信號發生器gh。將時鐘信號u0的頻率選擇為傳感器的期望延時的倒數。例如，如果需要具有100微秒延時的傳感器，則將時鐘信號選擇為處于10千赫的頻率。事實上，如下面將要說明的，時鐘信號u0的每個行程(stroke)觸發系統的詢問(interrogation)，這潛在地導致電感lx的變化的檢測。

此外，檢測器電路cd包括被稱為bd1的第一觸發器(例如但不必須是d觸發器或sr觸發器)，其能夠根據時鐘信號u0和第三二進制信號u3生成第一二進制信號u1。更確切地說，時鐘信號u0被施加到由下降沿觸發的第一觸發器bd1的第一異步輸入set，并且第三信號u3被施加到第一觸發器bd1的第二異步輸入clear，其也由下降沿觸發。因此，當時鐘信號u0轉變為低狀態時，第一信號u1轉變為高狀態，啟動充電脈沖，而當第三信號u3轉變為低狀態時，第一信號u1轉變為低狀態，終止充電脈沖。線圈bn的第一端子受到第一信號u1的控制。

此外，檢測器電路cd具有在線圈bn的第二端子和檢測器電路cd的地線之間連接的電阻器rs。在線圈bn的第二端子上觀察到的信號被稱為第二信號u2。第二信號u2表示在電阻器rs的端子處的電壓，并且與線圈bn中的電流成比例。

此外，檢測器電路cd具有施密特觸發器st，其也被稱為閾值觸發器或施密特觸發電路(trigger)，其能夠生成作為第二信號u2的函數的第三信號u3。更確切地說，施密特觸發器st將第二信號u2與第一比較閾值se1和第二比較閾值se2進行比較。當第二信號u2變為大于第一比較閾值se1時，第三信號u3轉變為低狀態并經由異步輸入clear終止對處于低狀態的信號u1重新初始化的充電脈沖；當第二信號u2變得小于第二比較閾值se2時，第三信號u3轉變為高狀態，而對信號u1沒有任何影響。

此外，檢測器電路cd具有矩形脈沖發生器gp，其能夠生成參考信號u4，該參考信號u4具有作為時鐘信號u0和輸出信號u5的函數的參考脈沖ip4。更確切地說，時鐘信號u0被施加到由下降沿觸發的發生器gp的第一異步輸入trig，使得當時鐘信號u0轉變為低狀態時，參考信號u4同樣轉變為低狀態一段預定義的持續時間以便形成參考脈沖ip4。如下面將解釋的，輸出信號u5被用于可能地修改參考脈沖ip4的持續時間。作為用于位移傳感器cp的期望的檢測閾值的函數的預定義的初始持續時間tpw4被分配給參考脈沖ip4，但是作為輸出信號u5的狀態的函數，參考脈沖ip4的該持續時間可能被縮短持續時間dpw。更確切地說，如果輸出信號u5在時鐘信號u0的下降沿處于低狀態，則參考脈沖ip4具有預定義的初始持續時間tpw4。另一方面，如果輸出信號u5在時鐘信號u0的下降沿處于高狀態，則參考脈沖ip4具有持續時間tpw4-dpw。

為了調節持續時間tpw4從而同樣地調節傳感器的檢測閾值，檢測器電路cd具有連接到脈沖發生器gp的輸入端的調節元件er。這例如是具有可變容量或者同樣具有待編程的數字計數器的輸出值的電阻器。

此外，檢測器電路cd還具有類型d的被稱為bd2的第二觸發器，其例如能夠生成作為第一信號u1和參考信號u4的函數的輸出信號u5。更確切地說，第一信號u1被施加到第二觸發器bd2的同步輸入d，并且參考信號u4被施加到第二觸發器bd2的時鐘輸入clk，該第二觸發器bd2對輸入d進行采樣。因此，在參考信號u4的上升沿，將輸出信號u5設為第一信號u1的值，并且當第三信號u3轉變為低狀態時，第一信號u1同樣轉變為低狀態。在bd2的輸入d上的新的u1值將在下一個參考脈沖ip4處在u5上可見。

為了幫助理解電路的操作，在圖2中在時間上表示信號u1至u5。最初，線圈bn的電感lx高于第一電感閾值lon。然后，在時鐘信號u0的第一下降沿fd1和第二下降沿fd2之間，線圈bn的電感lx變得小于第二電感閾值lon-dl。讓我們假設時鐘信號u0和參考信號u4初始處于高狀態，并且第一信號u1和第二信號u2初始處于低狀態，第二信號u2將u3設定為高狀態。此外，讓我們假設輸出信號u5初始處于低狀態。所有這些初始狀態可以在檢測器裝置啟動時容易地設定。

在時鐘信號u0的第一下降沿fd1上，第一信號u1從低狀態轉變為高狀態。然后經受電壓階躍的線圈bn被充電，并且如第二信號u2所示，電阻器rs的端子處的電壓增加。當電阻器rs的端子處的電壓增加并且達到第一比較閾值se1時，第三信號u3從高狀態轉變為低狀態。當轉變為低狀態時，第三信號u3觸發第一信號u1從高狀態到低狀態的轉變。然后線圈bn放電，并且電阻器rs的端子處的電壓再次減小到零，如示出第二信號u2的時序圖所示。當電阻器rs的端子處的電壓減小并達到第二比較閾值se2時，第三信號u3從低狀態轉變為高狀態，而對信號u1沒有任何影響。第一信號u1和第二信號u2然后返回到其初始的低值，而第三信號u3返回到其初始的高值。

并行地，在時鐘信號u0的第一下降沿fd1上，參考信號u4從高狀態轉變為低狀態，然后在持續時間tpw4之后從低狀態再次到高狀態。當轉變為高狀態時，參考信號u4觸發將第一信號u1重新復制到輸出信號u5上。因此，由于線圈bn的電感lx最初為高，所以當參考信號u4在持續時間tpw4之后再次轉變為高狀態時，第一信號u1仍處于高狀態。換句話說，第一信號u1的矩形脈沖的持續時間tpw1大于參考信號u4的矩形脈沖的持續時間tpw4。因此，輸出信號u5從低狀態轉變為高狀態。因此檢測到電感的變化。如果傳感器與觸摸板相關聯，則其檢測到壓力已經施加在觸摸板上。

然后，第二時鐘沿fd2使第一信號u1再次從低狀態轉變為高狀態。同時，線圈bn的電感lx變得小于第二電感閾值lon-dl，線圈bn比以前更快地充電。因此，當參考信號u4在持續時間tpw4-dpw之后再次轉變為高狀態時，第一信號u1已經再次轉變為低狀態(應回想起先前提到的當輸出信號u5在時鐘信號u0的下降沿上處于高狀態時，參考脈沖具有持續時間tpw4-dpw)。換句話說，第一信號u1的矩形脈沖的持續時間tpw1小于參考信號u4的矩形脈沖的持續時間tpw4-dpw。然后，輸出信號u5從高狀態轉變為低狀態。

注意，當輸出信號u5處于高狀態時縮短參考脈沖ip4的持續時間使得能夠在電感lx高于第一電感閾值lon但是由于電路的電噪聲和傳感器的機械振動而隨機波動以致偶爾超過該閾值lon的情況下確保輸出電壓u5的穩定性。由于參考脈沖ip4的縮短，可以防止輸出電壓u5由于這些波動而再次隨機地轉變為低狀態。

當然，本發明不限于所示的示例，而是對于本領域技術人員顯而易見的多種變型和修改是開放的。