CN101019006A - 感应传感器 - Google Patents

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布莱德利·约翰·威尔逊
克里斯·詹姆斯·布朗
安德鲁·彼得·马修斯
安德鲁·罗伯特·哈耶斯
埃夫斯塔西奥斯·罗里达斯
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Abstract

一种传感器，其用于检测诸如度和例如人类手指等物体的存在状态的外部参数，包括：(i)激励线圈(68，70)；(ii)信号发生器(41，61，62，63)，可操作为生成激励信号，且被布置为将所生成的激励信号施加到激励线圈；(iii)传感器线圈(74)，其可以通过一般为无源谐振电路形式的中间装置或目标(74)而电磁耦合到激励线圈，从而响应由信号发生器施加到激励线圈的激励信号而在该传感器线圈中生成周期性电信号；和(iv)信号处理器，可操作为处理在传感器线圈中生成的周期性电信号以确定一表示所检测参数的值。所述中间装置对所要检测的参数敏感，例如通过包括PTC或NTC电阻器，或能够受物体的接近影响的电容器，从而使得在传感器线圈中生成的周期性电信号受所述参数影响。所述传感器也能够生成与激励信号基本上相同频率的附加信号，例如通过中间电路中的附加谐振电路，并且信号处理器可操作为从所述附加信号和所述在传感器线圈中生成的周期性信号来确定外部参数的值。例如，所述传感器可以被应用在触及驱动部件的阵列中以探测操作员在何时触及它们。

Description

感应传感器
本申请要求基于英国专利申请No.0417686.3的优先权，该申请通过引用以其全部并入此处，如同其在此处被完整地给出。
技术领域
本发明涉及检测装置，还涉及用于检测参数值的方法。
背景技术
多种形式的感应传感器已经被用来生成表示两个相对运动部件的位置的信号。典型地，一个部件载有激励线圈和两个或更多传感器线圈，而另一部件载有谐振电路。在谐振电路和每个传感器线圈之间的磁耦合随着位置而变化，使得通过向激励线圈施加处于谐振电路谐振频率的振荡信号，而在每个传感器线圈中感应出信号，该信号在谐振频率隔离(isolate)，但是其振幅作为两个部件相对位置的函数而变化。
在国际专利申请No.WO 03/038379中描述了一种形式的感应传感器，其中，激励信号包括被低频信号幅度调制的载波信号，并且在信号处理单元中解调在传感器线圈中感应出的信号，以确定元件的位置。国际专利申请No.WO 2004/036148描述一种改进形式的传感器，其中信号处理单元生成处于只少量偏离激励信号频率的中间频率处的第二信号，并且将第二信号和从传感器线圈接收的信号混频，以生成其相位包含与物***置相关的信息的低频信号。除了探测物体的位置，所述传感器也可以用作依靠具有不同谐振频率的共处一处的谐振电路来探测诸如温度和湿度的外部参数。通过获取对每个谐振电路的位置测量结果，位置测量结果中的差异可以形成对那些外部环境参数的测量结果。然而，这种传感器具有如下缺陷：必须在每个谐振电路的谐振频率附近进行测量，以获取参数的单个值。另外，采用具有相对高的品质因子(Q因子)的谐振电路，导致当谐振电路的谐振频率由于待确定参数中的变化而变化时，所接收信号的强度会相对快地下降。如果任何一个谐振电路的信号强度降到***的噪声电平以下，那么就不能确定参数的值了。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于检测外部参数的传感器，该传感器包括：
(i)激励线圈；
(ii)信号发生器，其可操作为用于生成激励信号，且被布置为将所生成的激励信号施加到激励线圈；
(iii)传感器线圈，其可以通过中间装置被电磁耦合到所述激励线圈，以响应由信号发生器施加到激励线圈的激励信号而在该传感器线圈中生成周期性电信号；和
(iv)信号处理器，其可操作为处理在传感器线圈中生成的周期性电信号，以确定一表示被检测参数的值；
其中，所述中间装置对所要检测的参数敏感，从而使得在传感器线圈中生成的周期性电信号受所述参数影响；所述传感器包括用于生成与所述在传感器线圈中生成的周期性电信号基本上频率相同的附加信号的装置，所述周期性电信号通常，但不是必须地，与所述激励信号频率相同；并且所述信号处理器可操作为根据所述附加信号和在传感器线圈中产生的所述周期性信号来确定外部参数的值。
术语“外部参数”意为不依赖于传感器的部分的位置的任何参数，例如中间装置或所谓“目标”的位置。因此，举例来说，可以采用所述传感器以探测任何会影响由所述中间装置生成的信号的环境参数，例如温度、湿度、电磁辐射强度、化学物类或生物学物类的存在状态或浓度以及类似物。所检测的电磁辐射可以具有任意的波长，例如可以是红外、可见或紫外、微波或x射线或者甚至是γ射线。
根据本发明的传感器的工作基于，如果中间装置对所要测量的外部参数中的变化敏感，那么外部参数中的任何变化将影响在中间装置中流动的电流，例如，在谐振电路情形中，通过改变谐振频率和/或通过改变该装置的Q因子，将会导致能够测量到的中间装置的视在位置中的变化。
根据本发明的传感器具有如下优点，传感器线圈探测到的是处于给定频率的单个信号，而不是必须分开处理的两个分离的信号。更进一步，因为所处理的信号具有基本上相同的频率并且由此形成单个信号，能够处理作为结果的信号以确定参数的值，即使由传感器线圈从中间装置所获得的信号已经下降到***或环境的噪声电平之下。例如，在由传感器线圈接收的信号和附加信号(也可以由传感器线圈从附加中间装置接收)具有不同相位的情况下，例如相差90°，即使其中一个信号具有低于环境噪声电平的幅度，作为结果的探测到的信号仍然具有可测量的相移。即使其中一个信号具有降低了90％的幅度，合成信号也是可探测的，并且仍然具有10°或附近的相移。
根据本发明的传感器还具有如下优点，为了探测外部参数中的变化而采用的相位变化不是位于载波信号频率的相位，这将导致由所谓突破信号引起的误差被明显降低，并且经常被基本上消除。突破信号是由传感器直接从激励线圈获取的信号，即没有通过中间装置接收的信号，所以与通过中间装置接收的信号具有90°的相位差(因为突破信号没有通过谐振电路发送)。因为突破信号与激励信号同相，而与来自中间装置的信号反相90°，所以来自突破信号的任何干涉可以阻止对所要检测的参数的精确和确定性的测量。也就是说，尽管可以探测到所接收信号中的变化，但很难说是什么引起了这些变化。在根据本发明的传感器中，所通常采用的同步探测器一般与从中间装置接收的信号而不是激励信号同步，其具有丢弃任何突破信号的效果。另一方面，在WO 2004/036148所描述的传感器中，所检测的是位于载波频率的信号的相位，结果传感器对突破信号及其敏感，所以难于实现确定性的检测。
通常，激励信号和附加信号的频率在外部参数的至少一个值处、优选地在参数测量的整个范围内相差不超过50％、特别是不超过10％的频率，从而使得信号强度不会下降到太低的值以至于只有一个信号被接收来进行处理。事实上，采用不同频率的信号没有什么优点，因此，激励信号和附加信号通常具有基本上严格相同的频率。
中间装置可以包括其他数量的例如由诸如铁氧体或导电材料的高磁导系数材料形成的装置。作为替换地，电装置可以用作例如有源或无源带通装置(简明起见，此后将其写为谐振器)。所述谐振器优选地具有基本上与激励信号的频率相等的谐振频率。在这种方式下，有害的更高次谐波被激励线圈和谐振器之间的电磁耦合充分滤除。谐振器可以具有相对较高的品质因子，至少是对于所检测的参数的某些值而言，例如至少是5以及特别地至少是10；主要根据关于环境中的变化和关于部件电学参数值中的公差(tolerance)而确保稳定的谐振频率的能力，来设置所述品质因子的上限。
由于附加信号不需要受所要确定的参数影响，因此可以由用于激励线圈的信号发生器生成所述附加信号并直接发送给信号处理器，或者由所述信号处理器自己生成。然而，在大多数情况下，中间装置将包括多个谐振器，每个谐振器将传感器线圈耦合到激励线圈，从而使得周期性电信号和附加信号都通过谐振电路传输。如果需要，通过例如以不同方向移动谐振频率或者改变该电路的Q因子，所有谐振电路可以被外部参数中的变化影响，或者其中一个谐振电路可以被参数中的变化影响，而其它可以对参数中的变化相对不敏感。
根据本发明的传感器可以是例如脉冲回波(pulse-echo)型传感器，或者是持续激励加平衡传感电路(continuous excitation plus balanced sensecircuit)型传感器。根据本发明的一优选方面，传感器是持续激励型传感器，其可以是或不是比率度量(ratiometric)。比例度量传感器具有如下优点：它们对***中的变化，例如由于电源纹波而引起的信号电平起伏，或者中间装置和传感器之间间隔(以及耦合)的改变，明显地较为不敏感。优选实施例为比率度量感应传感器，例如具有两个(或更多)激励线圈和单个如EP-A-1442273中所描述的传感器线圈的传感器，以及具有单个激励线圈和两个(或更多)如EP-A-0760087中所描述的传感器线圈的传感器。因此，举例来说，所述或每个激励线圈可以包括布置为在空间中相差四分之一周期的一对正弦回路，从而使得在每个回路中流动的相同电流产生具有正交关系的磁场。所述或每个激励线圈中的一个回路可以被布置为使得，所产生磁场的与线圈平面相垂直的幅度按照与参考点距离的正弦而变化；而所述或每个激励线圈中的另一个回路可以被布置为使得，所产生磁场的与线圈平面相垂直的幅度按照与参考点距离的余弦而变化。
此处所用的术语“正弦(sine)”和“余弦(cosine)”不意图被解释为严格的三角函数，而是意于包括彼此为正交关系的所有余函数(complementary function)。举例来说，用于激励线圈并且可能是数字信号的波形，所述数字信号例如直接从数字信号发生器产生(在必要时经过放大后)的方波信号。
根据另一方面，本发明提供了一种检测外部参数的方法，其包括：
向激励线圈施加激励信号；和
处理在通过中间装置与所述激励线圈电磁耦合的传感器线圈中，响应于向激励线圈施加所述激励信号而生成的信号，以确定一表示被测量参数的值：
其中，所述中间装置对所要检测的参数敏感，从而使得在传感器线圈中生成的周期性电信号受所述参数影响；生成与所述激励信号基本上相同频率的附加信号；并且根据所述附加信号和所述在传感器线圈中生成的周期性信号来确定所述外部参数的值。
附图说明
现在将通过参照附图的例子来描述根据本发明的各种形式的传感器，在附图中：
图1示意性地示出感应位置传感器的透视图，其图示根据本发明的传感器的原理；
图2示意性地示出图1中所示的位置传感器的主要组件；
图3A示出形成图1中所示位置传感器一部分的正弦线圈的布局；
图3B示出形成图1中所示位置传感器一部分的余弦线圈的布局；
图3C示出形成图1中所示位置传感器一部分的传感器线圈的布局；
图4示意性地示出在构成传感元件一部分的谐振电路中感应出的信号的相位如何随着驱动信号的频率变化；
图5示意性地示出在构成传感元件一部分的谐振电路中感应出的信号的振幅如何随着驱动信号的频率变化；
图6是示出线性可变相位变换器型传感器的处理线路的结构图；
图7是更详细地示出图6中处理线路的结构图；
图8是示出线性可变位移变换器型传感器的处理电路的框图；
图9是示出可以在根据本发明的温度传感器中采用的的一种形式的中间装置或目标的示意图；
图10是示出可以在根据本发明的光传感器中采用的目标的示意图；
图11是示出可以在根据本发明的化学传感器中采用的目标的示意图；
图12是可以在能够探测目标是否被触及的传感器中采用的目标的示意图；
图13是形成具有一对谐振电路的目标的底板的示意图；
图14是示出对图12中所示可以用于探测手指存在状态的目标的修改的示意图；
图15是可以应用在旋转传感器中的目标的示意图；
图16是示出形成目标的一对谐振电路的加权平均位置作为在谐振电路中感应出的电流的相对电平的函数的曲线图；和
图17是示出这种目标的敏感度作为在谐振电路中感应出的电流的相对电平的函数的曲线图。
具体实施方式
图1图示了用于探测传感器元件1的位置的位置传感器，其中所述传感器元件1被可移动地安装在支架3上以允许沿着测量方向(图1中的X方向)的线性移动。印刷电路板(PCB)5邻近支架3沿着测量方向延伸，并在其上印刷有导电轨道，该导电轨道形成正弦线圈7、余弦线圈9和传感线圈11，每个线圈均与控制单元13相连接。显示器15也与控制单元13相连接，用于显示表示传感器元件2沿着支架3的位置的数字。
如图1所示，PCB 5在形状上通常为纵轴对准测量方向而横轴垂直于测量方向的矩形。正弦线圈7、余弦线圈9和传感线圈11通过PCB 5的纵向边缘与控制单元3相连接，所述纵向边缘对应于x等于零的位置值，而位置值从对应于x等于零的纵向边缘开始沿着PCB 5的纵向逐渐增大。
现在将参照图2来概述图1中所示位置传感器的工作。控制单元13包括正交信号发生器21，其在相应的不同输出端生成同相信号I(t)和正交信号Q(t)。使用在调制频率f1振荡的第一调制信号来对具有载波频率f0的振荡载波信号进行幅度调制，从而生成同相信号I(t)，其中所述f0在本实施例中为2MHz，所述f1在本实施例中为3.9MHz。因此，该同相信号的形式为：
I(t)＝Asin2πf1tcos2πf0t    (1)
与此相似，使用在调制频率f1振荡，但是与第一调制信号具有π/2弧度(90°)相位差的第二调制信号，来对具有载波频率f0的振荡载波信号进行幅度调制，从而生成正交信号Q(t)。因此，该正交信号的形式为：
Q(t)＝Acos2πf1tcos2πf0t    (2)
将同相信号I(t)施加到正弦线圈7，并且将正交信号Q(t)施加到余弦线圈9。
形成正弦线圈7的图案引起流经正弦线圈7的电流产生第一磁场B1，其分解后其垂直于PCB 5的场强分量沿着测量方向按照下列函数正弦地变化：
B1＝Bsin(2πx/L)    (3)
其中L为正弦线圈在x方向的周期。
与此相似，形成余弦线圈9的图案引起流经余弦线圈9的电流产生第二磁场B2，其分解后垂直于PCB 5的场强分量也沿着测量方向正弦地变化，但是与第一磁场B1的相位存在π/2弧度(90°)的相位差，其函数为：
B2＝Bcos(2πx/L)    (4)
按照这种方式，在沿着测量方向的任何位置处生成的总磁场BT由来自第一磁场B1的第一分量和来自第二磁场的第二分量形成，而且第一分量和第二分量分解后垂直于PCB 5的分量的幅度沿着测量方向变化。
通过将同相信号I(t)和正交信号Q(t)分别施加到正弦线圈7和余弦线圈9，所生成的分解后垂直于PCB 5的总磁场分量BT根据在调制频率f1变化的振幅包络函数在载波频率f0振荡，振幅包络函数的相位沿着测量方向变化。因此：
BT ∝cos2πf0tcos(2πf1t-2πx/L)    (5)
实际上，振幅包络函数的相位沿着测量方向循环。
在本实施例中，传感器元件1包括谐振频率基本上等于载波频率的谐振电路。因此，总磁场分量BT在谐振电路中感应出的电信号振荡于载波频率f0，该电信号的幅度被以依赖于传感器元件1沿着测量方向的位置的相位而调制在调制频率f1。在谐振电路中感应出的电信号进一步生成在传感线圈11中感应出检测电信号S(t)的磁场，并且检测电信号S(t)在载波频率f0处振荡。检测信号S(t)的幅度也被以依赖于传感器元件1沿着测量方向的位置的相位而调制在调制频率f1。检测信号S(t)被输入到相位探测器23，相位探测器23解调该检测信号S(t)，以消除在载波频率f0处的分量，并且探测剩余的振幅包络函数相对于激励波形的相位。然后，相位探测器23将表示所探测相位的相位信号P(t)输出给位置计算器25，位置计算器25将所探测相位转换为相应的位置值，并将驱动信号输出给显示器15，从而显示相应的位置值。
通过采用大于调制频率f1的载波频率f0，在远离诸如50/60Hz电力网等低频噪声源的频率处进行感应耦合，而仍然可以在更适于数字处理的相对较低频率处进行信号处理。进一步，增加载波频率f0有助于缩小传感器元件1，这在许多应用场合中是显著的优势。增加载波频率f0还生成更高的信号强度。
现在将更详细地描述图1所示位置传感器的分立部件。
如图3A所示，形成正弦线圈7的导电轨道通常围绕PCB 5的远离交叉点的***走行，所述交叉点在测量方向上位于沿着PCB 5的一半处，PCB 5的各横向边缘上的导电轨道在该交叉点与PCB 5的对面横向边缘上的导电轨道相交。按照这种方式，有效地形成了第一电流回路21a和第二电流回路21b。当信号被施加到正弦线圈7上时，电流绕着第一电流回路21a和第二电流回路21b以相反的方向流动，并且由此绕着第一电流回路21a流动的电流所生成的磁场与绕着第二电流回路21b流动的电流所生成的磁场极性相反。这导致了上述等式3所给出的、分解后垂直于PCB 5的第一磁场B1的分量的场强的正弦变化。
具体而言，正弦线圈7的布局使得：由流经正弦线圈7的电流产生的、分解后垂直于PCB 5的第一磁场B1的分量的场强，沿着测量方向从x等于0的点处的近似零值，变化到x等于L/4(图3A中的位置A)处的最大值，然后再变化到x等于L/2(图3A中的位置C)处的零值、然后再变化到x等于3L/4处的最大值(与位置A处的最大值具有相反的极性)、然后回到x等于L处的零值。这样，正弦线圈7所生成的与PCB 5垂直的磁场分量根据正弦函数的一个周期而变化。
如图3B所示，形成余弦线圈9的导电轨道通常围绕PCB 5的远离两个交叉点的***走行，所述两个交叉点在测量方向上分别位于沿着PCB 5的四分之一处和四分之三处。按照这种方式，形成了三个回路23a、23b和23c，其中外侧回路23a和23c的尺寸为内侧回路23b尺寸的一半。当信号被施加到余弦线圈9上时，电流在一个方向上绕着外侧回路23a和23c流动，并且在相反的方向上绕着内侧回路23b流动。按照这种方式，绕着内侧回路23b流动的电流所生成的磁场与绕着外侧回路23a和23c流动的电流所生成的磁场具有相反的极性。这导致了上述等式4所给出的分解后垂直于PCB 5的第二磁场B2的分量的场强的正弦变化。
具体而言，余弦线圈9的布局使得：由流经余弦线圈9的电流产生的、分解后与PCB 5相垂直的第二磁场B2的分量的场强，沿着测量方向从x等于0处的最大值，变化到x等于L/4(图3B中的位置A)处的零值、然后回到x等于L/2(图3B中的位置C)处的最大值(与x等于0处的最大值具有相反的极性)、然后再回到x等于3L/4处的零值、然后回到x等于L处的最大值(与x等于0处的最大值具有相同的极性)。这样，余弦线圈9所生成的与PCB 5垂直的磁场分量根据如上述等式4所给出的余弦函数的一个周期而变化。
如图3C所示，传感线圈11由通常围绕PCB 5的***走行并形成单个回路的导电轨道形成。
正弦线圈7的布置使得，围绕第一电流回路21a流动的电流在传感线圈11中所感应出的电流，基本上被围绕第二电流回路21b流动的电流在传感线圈11中所感应出的电流所抵消。与此类似，对于余弦线圈9，外侧回路23a、23c在传感线圈11中所感应出的电流，被内侧回路23b在传感线圈11中所感应出的电流所抵消。使用这样的平衡线圈，其进一步的优点在于，来自正弦线圈7和余弦线圈9的电磁发射随着距离以高于单个平面绕组的速率减小。这允许使用更大的驱动信号，而仍然满足电磁发射规定的要求。由于电磁发射规定的要求变得越来越严格，所以这就特别的重要。
如上所述，当振荡驱动信号被施加到正弦线圈7和余弦线圈9中的一个或全部时，在传感单元1的谐振电路中感应出相同频率的振荡信号。然而，在驱动信号和感应出信号之间会发生相位延迟(尽管这不是用来确定外部参数值的相位延迟)，相位延迟的量依赖于驱动信号的频率和谐振电路的谐振频率之间的关系。如图4所示，相位延迟在谐振电路的谐振频率附近变化得最快，并且谐振频率处的相位延迟为π/2弧度(90°)。谐振电路的品质因子越高，相位在谐振频率附近就变化得越快。然而，如图5所示，谐振电路的品质因子越低，在谐振电路中感应处的电信号的幅度就越小。因此，在选择谐振电路的品质因子的值时，就需要达到信号强度和相位随频率的变化速率之间的折中。
图6示出了根据本发明的一种形式的LVPT传感器的全部设计。在该传感器中，由微处理器41中的单元61生成频率近似为2MHz的载波信号，然后使用由单元62和63生成的彼此正交的两个调制信号来调制该载波信号。调制后的信号64和66然后被发送给具有如图3A和3B所示的正弦和余弦几何形状的激励线圈68和70，调制后的信号被激励线圈传输，并且被谐振电路，通常是无源RLC谐振电路，形式的目标72获得。目标72的电感器会将信号传输到具有如图3C所示形式的传感器线圈，此处信号电压会是具有调制相移θ的所传输信号的总和，其中所述调制相移θ由目标关于激励线圈的位置决定，并且所述信号电压会具有方框74中所示的一般形式。用相移后的载波信号61同步探测所接收到的信号，并且经过滤波以留下包括相位信息的所接收到的调制信号80。在方框82中将其与微处理器产生的两个调制信号进行比较，来根据相移θ获取关于目标位置84的信息。
现在将参照图7描述用于产生同相信号I(t)、正交信号Q(t)和反相信号I(t)、以及处理检测信号S(t)以确定位置值的处理线路。如图7所示，该处理线路包括微处理器41、数字部件61、模拟驱动线路81和模拟信号处理部件91。
微处理器41包括第一方波振荡器43，其以载波频率f0的两倍(例如在4MHz)生成方波信号。该方波信号从微处理器41输出到方波分割器(divider)单元63，其将方波信号除以2并形成位于载波频率的同相数字载波信号+I、位于载波频率的反相数字载波信号-I以及也位于载波频率的正交数字载波信号+Q。如同此后所描述的那样，调制正交数字载波信号+Q以形成施加到正弦曲线7和余弦曲线9的驱动信号，而同相和反相数字载波信号±I被用来进行同步探测以解调检测信号S(t)。
微处理器41还包括第二方波振荡器45，其输出位于调制频率f1的调制同步信号MOD SYNC，以提供参考定时。调制同步信号MOD SYNC被输入到脉冲宽度调制(PWM)类型的图案发生器47，其生成的位于2MHz的数字数据流代表位于调制频率，例如3.9kHz，的调制信号。具体来说，PWM类型的图案发生器47生成相位彼此正交的两个调制信号，即余弦信号COS以及正的正弦或负的正弦信号±SIN，产生正的还是负的正弦信号依赖于产生同相信号I(t)还是产生反相信号I(t)。
余弦信号COS由微处理器41输出，并被施加到在本实施例中为NOR门的第一数字混频器65，其将余弦信号与正交数字载波信号+Q混频，以生成正交信号Q(t)的数字表示。正弦信号±SIN由所述微处理器输出，并与正交数字载波信号+Q一起被施加到在本实施例中为NOR门的第二数字混频器，以生成同相信号I(t)或者反相信号I(t)的数字表示。从第一和第二数字混频器65、67输出的数字信号被分别输入到第一和第二线圈驱动电路83、85，然后由线圈驱动器83、85输出的经过放大的信号分别被施加到余弦线圈9和正弦线圈7。
施加到正弦线圈7和余弦线圈9的驱动信号的数字生成引入高频谐波噪声。然而，线圈驱动器65、67消除了这些高频谐波噪声中的一些，如同余弦和正弦线圈7、9的频率响应特性那样。进一步，传感器元件1中的谐振电路不会响应远高于谐振频率的信号，因此，谐振电路也过滤出部分有害的高频谐波噪声。
如上所述，施加到正弦线圈7和余弦线圈9的信号在传感器元件1的谐振电路中感应出电信号，该电信号进一步在传感线圈11中感应出检测信号S(t)。该检测信号S(t)通过模拟信号处理部件91。具体而言，检测信号S(t)最初通过高通滤波放大器93，其不仅放大所接收的信号，还去除低频噪声(例如，来自50Hz干线电供给设备)和所有的DC偏移。从高通滤波器93输出的经过放大的信号接着被输入到交叉模拟开关95，其使用由正交分割器21所生成的同相和反相方波载波信号±I，在载波频率2MHz进行同步探测。正交数字载波信号被用来产生施加到正弦线圈7和余弦线圈9的驱动信号，而与正交数字载波信号+Q存在90°相位差的同相和反相数字载波信号被用于进行同步探测，因为，如上所述，传感器元件1的谐振电路向载波信号引入了大约90°的相移。
从交叉模拟开关95输出的信号大致上相当于输入到交叉模拟开关95的信号的完全整流版本(即，信号中的负电压波谷被折叠到零电压线以上来形成位于原来的电压波峰之间的电压波峰)。经过整流的信号然后通过低通器滤波放大器97，低通滤波放大器97本质上产生时间平均的或者平滑的信号，该信号具有DC分量和处于调制频率f1的分量。DC分量表现为由同步探测过程所执行的整流的结果。
从低通滤波放大器97输出的信号接下来被输入到中心位于调制频率f1的带通滤波放大器99，该带通滤波放大器99去除DC分量。从带通滤波放大器99输出的信号被输入到比较器101，其将输入信号转换为方波信号，将方波信号的定时与调制同步信号MOD SYNC的定时进行比较，从而确定传感器元件1的位置。
根据本发明的传感器也可以被实现为线性可变位移变换器(LVDT)，例如图8中所示的一般形式。在这种形式的变换器中，载波信号由单元80产生，并被发送到激励线圈驱动器82，然后由具有图3C所示配置的单回路形式的激励线圈84传输。该信号由谐振电路形式的目标86获得，并被传输到回路对形式的传感器线圈，回路对中的一个具有如图3A所示的正弦配置，而另一个具有如图3B所示的余弦配置。如在方框88和90中所示的接收到的信号均具有与sinθ或cosθ成比例的幅度。由传感器线圈回路接收的信号被多路复用，并在方框92中与原始信号同步。在方框94滤波之后，留下直流信号96，其具有与目标位置相关的信息。
参照图9至16描述根据本发明的传感器的各种形式。由于在上面已经描述了与信号的产生和处理相关的电子技术，所以这里只需要描述所述目标。在每个这样的传感器中，目标以谐振电路对的形式存在，其中一个谐振电路可以用作参考；尽管也可以在目标中只使用单个谐振电路，并且从信号发生器中提取传输信号作为参考。另外，如果期望额外的信息，例如目标的位置或者关于其它外部参数的信息，那么可以在目标中采用多于两个的谐振电路。
图9显示了根据本发明的用于温度传感器的简单目标电路，其采用的两个谐振电路具有沿测量方向物理分开的电感器。该电路包括电容器，该电容器被调谐以使得RLC电路的每一半都在传感器的传输器频率处谐振，这意味着所述两个电感器具有相同的电感。另外，每个谐振电路具有温敏电阻器，一个具有正温度系数(PTC)，另一个具有负温度系数(NTC)。当激励线圈在电感器两端感应出电压时，不同的电流将根据两个电阻器在所讨论的温度处的相对值而围绕每个谐振电路流动，使得目标每一侧的品质因子随温度的变化在某种意义上与另一侧的变化相反，并且目标对激励线圈进行响应而生成的电磁场的幅度和空间变化在温度改变时发生变化。
对于LVDT类型的传感器，被传输的场通常在跨越目标的范围内一致，并且在两个电感器上感应出相同的电压，但是随着温度的增加，左手侧回路中的电流将会变得比右手侧回路中的电流小。与L1相比，在电感器L2中产生更高的场，这导致由接收器线圈所检测到的总场将偏向L2的位置，从而使目标显得已经向该目标物理中心的右边移动。在低温时，接收线圈将会探测显得是在该目标中心左边生成的场。因此，当温度改变时，目标的视在位置(apparent position)以确定性的方式移动，并且目标由此可以被用作远程温度传感器。
所述两个谐振电路，或者更确切地说两个谐振电路的电感器，可以具有一定的间隔范围。如果电感器之间的间隔增加了，那么传感器的分辨率也增加，但是一旦该间隔增加到超过了90°(即正弦回路或余弦回路的四分之一)，目标的两个部分就开始以破坏性的方式干扰，从而导致信号电平下降。
当目标被LVPT类型的传感器询问时，被传输的场越过目标而变化，使得谐振电路中的电流I1和I2不同，并且它们通常具有不同的相位。相位变化可以位于载波频率，也可以位于不同的调制频率。所接收信号的相位是两个电流的相对幅度及其相位差的函数。这种情况下电阻器的作用是偏置在传感器中感应出的总电流的相位，从而使得目标的视在位置作为该目标温度的函数而改变。
没必要让每个电阻器都是温敏的。例如，一个电阻器可以是温敏的，要么是PTC要么是NTC，而其它电阻器是热稳定的，尽管采用两个温敏电阻器能够提高温度分辨率。作为替换地，如果需要，可以使用诸如热敏器或可控硅的其它温敏部件。另外，谐振电路的无功部件(reactive component)可以是温敏的，而不用电阻器。例如，可以采用电容器(例如Y5V类型的)、或者温敏铁氧体(ferrite)。在这种情况下，由于附加的重要阻抗会使***的谐振频率移动，所以附加部件的阻抗(例如电容或电感)应该小于调谐电容器C1或者电感器L1或L2的阻抗。这种谐振频率的移动会引起电流I1和I2的变化，但是两个电路中至少一个电路需要接近在传输器频率处的谐振。
另外，两个谐振电路没有必要分享公共的电容器，事实上在许多***中谐振电路是彼此分离的。
图10显示了可能在光传感器中采用的目标。在这种情况下，不采用温敏组件，当目标处于黑暗中时，一对背对背的光电二极管阻止电流在左手侧电路中流动。当目标处于光亮中时，电流在电路的两侧中流动，并且感应传感器探测到目标位置的视在变化。如果需要频率选择性传感器，那么光电二极管可以是专用的，以便在狭窄的光学带宽处探测。当光电二极管被照亮时，所产生的电压必须足够高，以便克服二极管的压降，这可以通过增加目标电感器上的匝数来达到。
在目标目标中使用诸如二极管、晶体管以及等同物的非线性器件，无论是在温度传感器、光传感器或其它形式的传感器中加以采用，具有额外的优点：目标能够产生与激励信号的频率不同的信号，例如处于能被传感器线圈进行检测的两倍频率(或者更高次谐波)。这种***使得传感器能够具有显著改进的信噪比，并且在以Sensopad有限公司和David Alun James的名义、题为“检测装置及方法”的共同未决国际专利申请No.        中得到了描述，该申请也要求英国专利申请No.0417686.3的优先权，并与本申请同日递交，其公开内容通过引用合并于此。这样，在光探测器中所采用的目标可以包括在一半中的一对对光不敏感的背对背的二极管，和在另一半中的一对背对背的光电二极管。
如同用于图9中所示的温敏传感目标中的那样，两个谐振电路不需要共享公共的电容器，而可以物理地和电子地分离。作为补充地或者作为替换地，在谐振电路中也可以采用诸如光敏电阻器或光敏晶体管的其它光敏部件。
图11显示了用于化学物类(chemical species)或生物学物类(biologicalspecies)的传感器所可以采用的目标。该目标采用了ISFET、IMFET或者其它像FET或双极晶体管的化学物或生物学物传感电部件。当在ISFET的离子选择性膜的表面上存在越多的化学物时，电流I1从不存在离子的零点开始增加，其结果为，目标的视在位置移动并且可以探测到离子。
如图12所示的目标可以被看作分为了两部分，左手侧部分包括经过调谐的电路L1、C1和C3，右手侧部分包括经过调谐的电路L2、C2和C3。当该目标位于电磁场附近时，在电感器两端感应地耦合出电压。如果这些电压具有目标中任一调谐电路的谐振频率附近的分量，由于目标在该频率处的低阻抗，导致在该侧中流动的电流，要么是I1要么是I2，相对较大。这些大电流被强烈地耦合回传感器线圈。选择C1而使其电容由于环境中的变化而发生变化，从而使得L1耦合到传感器线圈的信号的幅度也发生变化，而从L2耦合到传感器线圈的信号的幅度不发生变化。因此，净传感器信号相应地发生变化，允许确定将要产生的电容的变化。
如上所述，目标的两个谐振电路可以具有公共电容器。这就消除了由通常也对环境敏感的电容器自身所导致的任何变化。然而，由于谐振电路依靠激励绕组和传感绕组而感应地耦合，尽管不是直接地耦合，因此没有将谐振电路连接起来。图13显示了这种目标的一种形式，其中两个谐振电路彼此隔离，并形成在单个底板上。在该情况下，其中的一个电容器可以对例如温度、湿度或手指(finger)的存在状态等环境参数敏感，而另一个电容器不敏感。
图15显示了另一种形式的对手指敏感的目标。在这种情况中，电阻器R1连接到C1的两端。当手指触及目标时，电阻器R1将短路，从而改变其电阻。这种电阻改变将引起左手侧电路的频率响应发生变化，其谐振频率将偏移，且该电路也将具有与右手侧电路不同的品质因子。按照这种方式，从左手侧电路所检测到的信号将发生变化，因此使得***失去平衡，并且使得***能够探测到手指的存在。部件R1，不管其是否被看作电阻器，可以包括例如具有气隙的两个暴露的衬垫。当不存在手指时，跨越所述衬垫的电阻为大，通常大于1MΩ，但是当所述衬垫被手指桥接时，衬垫的电阻下降到1kΩ范围内的值。实际上，对于该设计，可以在手指接近时让跨越所述衬垫的电阻发生一些变化，从而获得双重效果。
尤其是在测量检测信号的相角以探测目标位置的多激励类型的***中，采用这种形式的目标可以带来好处。可以将所述传感器布置为探测例如手指等物体的存在与否，然后，一旦探测到物体，再确定其它参数，例如目标的位置。这种***能够使能手动设备，例如像控制台之类的阵列上的旋钮，在其***作时进行探测以确定该旋钮被设置到的位置。在具有大量设备项目的复杂控制台的情形下，例如100或更多的传感器分别被一旋钮控制，需要相当长的时间来轮询控制台的每个传感器以确定其所在的位置或者与其相关的其他数量值。
然而，仅仅具有两个结果的对旋钮是否被抓住的探测显著地更加快速。这样，可以在由目标形成所述旋钮或者其他待触设备的一部分的***中采用这样的目标，所述旋钮或者其他待触设备只有在其被抓住时才进行诸如数量确定的一些功能。
在采用具有两个谐振电路的目标的实施例中，一个电路，例如图12至14中所示的右手侧电路，可以被调谐至激励频率。如果另一个电路也被调谐至该频率，当电容器C1处于其标称值时(例如0％的湿度或者没有手指存在)，来自每个电路的信号将相等地生成传感器线圈上的信号，结果是传感器将输出两个电路的平均位置。当环境因子变化时，例如当目标被抓住时，目标的左手侧电路的谐振响应将被从该频率解谐(de-tune)，传感器线圈上的信号将逐渐变得愈加被来自目标的右手侧部分的信号独自支配。
如同用在上述温度传感器中的那样，通过这样的布置，即不仅其中一个电容器对环境敏感而且两个电容器彼此相反地进行感知，可以使得传感器更加敏感。例如，在零湿度，左手侧电路可以在载波频率谐振，而右手侧部分则不是。随着湿度增加，左手侧谐振电路可以被解谐，而右手侧部分可以逐渐变为调谐至载波频率，从而使得目标的视在位置(由谐振电路对形成)发生变化。
这可以从数学上举例说明如下：在如图6所示的多激励类型的***中，如果目标的各个分离部分位于不同的位置，这由检测信号的相移指示。如果左手侧电路被物理地放置为使其具有0°的幅度调制相移，并且右手侧电路被物理地放置为使其具有的AM相移。来自左手侧电路的信号电平为A，而来自右手侧的为B，那么传感线圈上的总信号为这些信号的和：
Acos(ω0t)cos(ω1t)+Bcos(ω0t)cos(ω1t-)    (6)
然后，该信号穿过同步探测器和低通滤波器，从而只留下AM分量：
Acos(ω1t)+Bcos(ω1t-)                      (7)
这可以改写为以下形式：
Rcos(ω1t-θ)
其中R＝√(A2+2ABcos()+B2)                   (8)
tan(θ)＝Bsin()/[(A+B)cos()]              (9)
因此，在标称情形下，当两个信号具有相同的幅度(A＝B)时，可以示出θ＝/2，即检测到的位置为目标中两个部分的平均位置。当右手侧部分被解谐时，B→0，以及θ→0，即检测到的位置变为目标中左手侧部分的位置。相应地，当左手侧部分被解调时，A→0，从而使得θ→，即检测到的位置变为目标中右手侧部分的位置。用该数学表达式生成图16和17。
在测量检测信号的相角以确定目标位置的多激励类型的***中，两个目标之间最大的角度间距为180°，因为在如图6和8所示类型的***中，如果角度间距为，那么多个目标的加权平均位置可以从0°变化到。如果大于180°，那么该角取180°-的值。然而，在180°，加权平均位置从0°切换到180°而不经过任何中间位置，这是因为来自两个电路的信号彼此异相，并且在传感器看到的一切都是不带相位变化的信号电平中的减少，直到第二目标相比第一目标占优势，相位在该点反转。
在图16中，针对谐振电路角度间距的若干值，示出了两个电路的加权平均位置作为各电路中相对电流的函数；从此可以看出，针对环境中任何变化，角度间距越大则角度变化就越大；但是还可以看出，随着角度间距增大，传感器的响应变得愈发非线性。另外，如同从图17中可以看出的那样，当角度间距增加时，所接收到信号的幅度降低。换言之，当电路的角度间距增大时，***变得更加准确(即使非线性)，但是灵敏度降低。对于许多应用来说，电路间的最佳角度间距处于从90°至150°的范围，优选地处于从120°至150°的范围，特别地处于135°附近；这是由于在显著大于该角度的角度时，信号电平会下降到使得信噪比水平成为难题的程度。另一方面，对于仅需要对环境因子中的变化快速反应的***，例如确定旋钮是否被抓住，两个电路间最佳间距适合更大，例如位于从170°至190°的角间距，特别是如下所述的180°。
对于基于多激励***的实施例，可以将所述目标布置为使得在目标中两个电感器L1和L2的两端所感应出的电压相等并且相反。在旋转***中，这可以通过让两个电感器分开180°来达到。如果电路的两侧都被相等地调谐至载波频率(即C1＝C2)，那么电流I1和I2也将相等并且相反，从而没有净信号被引入传感器线圈。然而，当电容器C1的值由于手指的靠近而改变时，目标的该侧被解谐至远离该载波频率。电流I1由此被显著地降低，从而使得在传感器绕组上感应出的净信号几乎全部仅归因于I2。相应地，当没有手指触及旋钮时就没有检测信号，但是只要旋钮被触及，就在传感器线圈中感应出信号，并且该信号指示旋钮的角位置。
从数学上来说，这相当于将上述表达式(6)替换为＝180°的表达式，但是由于cos(x-180°)＝-cos(x)，因此在同步探测器和低通滤波器之后的检测信号为：
(A-B)cos(ω1)。
换言之，如果A＞B，则检测到的位置为0；如果B＞A，检测到的位置为180°，且不存在中间检测位置。当A＝B时，检测信号的幅度小，可以采用阈值探测器电路以丢弃这些小信号。
对于基于多传感类型***的实施例，在两个电感器L1和L2两端所感应出的电压通常基本上相等。然而，在这些实施例中，将两个电感器分离180°的效果是，如果该电路的两侧都被相等地调制到载波频率，那么在传感器线圈中感应出的电压相等并且相反，所以没有净检测信号。当手指的存在将目标的一侧解谐时，可归因于目标另一侧的信号占优势，并在传感绕组中被感应。因此，尽管针对两种类型传感器的目标中的信号不同，但是目标设计和外部参数中最终检测到的改变是相同的。
上述形式的传感器中，目标中的谐振电路之间的180°距离是尤其有利的；在大量传感器，例如以不同旋钮的形式，被布置在控制台中的***中，可以采用上述形式的传感器，从而可以通过触及旋钮来激活任意一个传感器。在这样的***中，能够复用每个旋钮中作为输入的传感器线圈，以便那些电子器件迅速地检测哪个输入高于阈值。由于在任何时候，用户通常只使用一只手去旋转单个旋钮，所以通常只有一个输入位于阈值之上。一旦确定旋钮被用户触及，那么可以对与该旋钮相关的传感器进行较慢的旋转位置测量。
尽管参照了使用多激励线圈的旋转传感器来描述本实施例，但是本实施例也可以应用到其它形式的传感器，例如线性(2D或3D)曲线，或者其他使用多传感器线圈的传感器，在该情况下180°的间隔对应于所述传感线圈长度的一半。

Claims (30)

1、一种用于检测外部参数的传感器，该传感器包括：
(i)激励线圈；
(ii)信号发生器，其可操作为用于生成激励信号，且被布置为将所生成的激励信号施加到激励线圈；
(iii)传感器线圈，其可以通过中间装置被电磁耦合到所述激励线圈，以响应由信号发生器施加到激励线圈的激励信号而在该传感器线圈中生成周期性电信号；和
(iv)信号处理器，其可操作为处理在传感器线圈中生成的周期性电信号，以确定一表示被检测参数的值；
其中，所述中间装置对所要检测的参数敏感，从而使得在传感器线圈中生成的周期性电信号受所述参数影响；所述传感器包括用于生成与所述周期性电信号频率基本上相同的附加信号的装置；并且所述信号处理器可操作为根据所述附加信号和在传感器线圈中产生的所述周期性信号来确定外部参数的值。
2、如权利要求1所述的传感器，其中所述激励信号和所述附加信号的频率在所述外部参数的至少一个值处相差不超过50％。
3、如权利要求2所述的传感器，其中所述激励信号和所述附加信号的频率在所述外部参数的整个取值范围内相差不超过50％。
4、如权利要求1至3中任一项所述的传感器，其中所述中间装置包括具有规定的磁导系数或介电常数的物体。
5、如权利要求4所述的传感器，其中所述中间装置包括谐振器，其具有基本上等于所述激励信号频率的谐振频率。
6、如权利要求5所述的传感器，其中所述谐振器包括无源LC电路。
7、如权利要求5或6所述的传感器，其中所述谐振器的品质因子至少为10。
8、如权利要求1至7中任一项所述的传感器，其中所述中间装置包括多个谐振器，每个谐振器将所述传感器线圈耦合到所述激励线圈，并且其中至少一个谐振器在传感器线圈中生成所述附加信号。
9、如权利要求8所述的传感器，其中随着所要检测的外部参数的变化，每个谐振器的谐振频率在某种程度上与其他谐振器的谐振频率相反地变化。
10、如权利要求8所述的传感器，其中至少一个所述谐振器具有随所要检测的外部参数中的变化而变化的品质因子。
11、如权利要求10所述的传感器，其中随着所要检测的外部参数的变化，每个谐振器的品质因子在某种程度上与其他谐振器的品质因子相反地变化。
12、如权利要求8所述的传感器，其中生成所述附加信号的谐振器基本上对所要检测的外部参数的变化不敏感。
13、如权利要求8至12中任一项所述的传感器，其中所述激励线圈或所述传感器线圈包括至少两个正弦回路。
14、如权利要求13所述的传感器，其中所述两个回路中的每一个与所述两个回路中的另一个在空间中相差四分之一周期。
15、如权利要求8至14中任一项所述的传感器，其中所述或每个激励线圈包括被布置成在空间相差四分之一周期的一对正弦回路，从而使得在每个回路中流动的相同电流生成具有正交关系的磁场。
16、如权利要求14或15所述的传感器，其中所述谐振器彼此物理地分离，分离的距离对应于所述回路空间维度的90°至150°范围中的值。
17、如权利要求8至16中任一项所述的传感器，其中在传感器线圈中生成的信号为来自每个谐振器的信号的总和，并且所述信号处理器可操作为根据所述在传感器线圈中生成的信号中的相移检测外部参数中的改变。
18、如权利要求8至15中任一项所述的传感器，其中所述中间装置包括一对谐振电路，其被布置为使得，在所述外部参数的一个值处，在传感器线圈中生成的信号基本上相互抵消。
19、如权利要求18所述的传感器，其中所要检测的外部参数为物体的存在状态。
20、如权利要求19所述的传感器，其中所要检测的外部参数为人体某部分的存在状态，并且其中，当不存在所述部分时，传感器线圈中的所述信号基本上相互抵消，但是当存在所述部分时，谐振器中的一个被解谐。
21、如权利要求20所述的传感器，其可操作为在检测到存在人体所述部分时执行一不同功能。
22、一种包括多个如权利要求20或21所述传感器的***，其包括一布置，该布置用于周期性地对不同传感器进行寻址以确定是否存在人体的所述部分以及，如果存在，则询问所述传感器以获取不同的信息。
23、如权利要求1至18中任一项所述的传感器，其中所确定的参数为温度。
24、如权利要求1至18中任一项所述的传感器，其中所确定的参数为湿度。
25、如权利要求1至18中任一项所述的传感器，其中所确定的参数为化学物类或生物学物类的存在状态或浓度。
26、如权利要求1至18中任一项所述的传感器，其中所确定的参数为电磁辐射的强度。
27、如权利要求1至26中任一项所述的传感器，其中所述激励线圈和所述传感器线圈基本共面。
28、如权利要求1至27中任一项所述的传感器，其中所述信号发生器可操作为生成数字激励信号。
29、如权利要求1至28中任一项所述的传感器，其中所述激励信号的频率至少为100kHz。
30、一种检测外部参数的方法，其包括：
向激励线圈施加激励信号；和
处理在通过中间装置与所述激励线圈电磁耦合的传感器线圈中，响应于向激励线圈施加所述激励信号而生成的信号，以确定一表示被测量参数的值；
其中，所述中间装置对所要检测的参数敏感，从而使得在传感器线圈中生成的周期性电信号受所述参数影响；生成与所述激励信号基本上相同频率的附加信号；并且根据所述附加信号和所述在传感器线圈中生成的周期性信号来确定所述外部参数的值。
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