TWI472757B - 具有可調範圍的非接觸式量測裝置 - Google Patents

Description

具有可調範圍的非接觸式量測裝置

本發明是有關於一種非接觸式量測裝置，且特別是有關於一種具有可調範圍的非接觸式量測裝置。

非接觸式量測裝置可在不破壞待測樣品的情況下，檢測出待測樣品的特性與缺陷，因此廣泛地應用在現今的工業界。非接觸式量測裝置的感應方式有許多種類型，其中一種是利用渦電流原理來進行感測。渦電流(eddy current)的作用原理是透過一交變磁場與待測樣品進行耦合，以致使待測樣品感應出漩渦式的電流，亦即渦電流。此外，待測樣品的特性會造成渦電流流向的改變，且渦電流會形成二次磁場抵抗交變磁場(一次磁場)的變化，因此可藉由待測樣品所造成之耦合特性的變化來檢測待測樣品的特性。

目前已有一些習知技術相繼提出以渦電流原理為主軸的非接觸式量測裝置，例如：美國專利第6,819,120號。其中，美國專利第6,819,120號是將感測模組當作振盪電路的諧振元件，以利用自回授共振的方式振盪出驅動電壓。然而，由於感測模組亦為振盪電路的諧振元件，因此振盪電路的振盪頻寬將受到限制。為了因應上述情況，此種量測裝置必須針對不同的待測樣品，更換不同的感測模組。

本發明提供一種具有可調範圍的非接觸式量測裝置，利用一阻抗控制訊號調整感測模組的量測範圍。藉此，非接觸式量測裝置將可在不更換感測模組的情況下，針對不同的待測樣品進行檢測。

本發明提出一種具有可調範圍的非接觸式量測裝置，包括振幅可控式振盪模組、感測模組以及電流感測器。振幅可控式振盪模組振盪出具有固定振幅的驅動電壓。感測模組包括可調阻抗單元。此外，感測模組依據阻抗控制訊號調整可調阻抗單元，並利用驅動電壓輻射出用以感測待測樣品的交變磁場。電流感測器用以檢測振幅可控式振盪模組所產生的驅動電流，並產生與待測樣品相關的檢出訊號。

在本發明之一實施例中，上述之具有可調範圍的非接觸式量測裝置更包括控制器。其中，控制器用以產生阻抗控制訊號。

在本發明之一實施例中，上述之控制器依據阻抗控制訊號從多個預設對照表中擇一作為一特定對照表，且控制器依據檢出訊號查詢特定對照表，以取得與待測樣品相關的特性值。

在本發明之一實施例中，上述之感測模組更包括驅動線圈，且感測模組透過驅動線圈幅射出交變磁場。其中，驅動線圈電性連接可調阻抗單元。

在本發明之一實施例中，上述之可調阻抗單元包括可調電容與可調電阻。其中，可調電容與驅動線圈相互並聯。可調電阻的第一端電性連接可調電容，且可調電阻的第二端接收驅動電壓。

基於上述，本發明是利用阻抗控制訊號來調整感測模組的量測範圍。藉此，非接觸式量測裝置將可以在不更換感測模組的情況下，針對不同的待測樣品進行檢測。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1為依據本發明之一實施例之具有可調範圍的非接觸式量測裝置的示意圖。如圖1所示，具有可調範圍的非接觸式量測裝置100包括感測模組110、振幅可控式振盪模組120以及電流感測器130。更進一步來看，感測模組110包括可調阻抗單元111與驅動線圈112。

在操作上，振幅可控式振盪模組120提供一驅動電壓V_D 給感測模組110，以致使感測模組110中的驅動線圈112產生一交變磁場。當交變磁場通過待測樣品101時，待測樣品101將感應出一渦電流，且渦電流的大小和待測樣品101的特性，例如：導電率、導磁率、厚度、缺陷及距離...等有關。此外，待測樣品101所感應出的渦電流會輻射出二次磁場，以抵抗感測模組110所產生之交變磁場(亦即一次磁場)的變化。

換言之，感測模組110會接收到二次磁場的變化，亦即感測模組110與待測樣品101之間將產生一耦合效應。藉此，感測模組110將可透過磁場的耦合來達成其與待測樣品101之間的能量傳遞。此外，在耦合的過程中，待測樣品101的相關資訊也將透過非接觸的方式耦合至具有可調範圍的非接觸式量測裝置100。

為了致使本領域具有通常知識者能更加了解本實施例，以下將先就感測模組110與待測樣品101之間的耦合效應進行說明。

先就感測模組110中的驅動線圈112與待測樣品101來看。圖2為依據本發明之一實施例之感測模組的耦合模型的示意圖。參照圖2，耦合效應可利用變壓器模型來做近似。在此，變壓器T₂ 的主線圈L₁ 相當於感測模組110中的驅動線圈111，而電流I₁ 則相當於振幅可控式振盪模組120所產生的驅動電流。再者，待測樣品101所產生的渦電流，亦即電流I₂ ，則是相當於由變壓器T₂ 的次線圈L₂ 所產生，且R_L 為待測樣品101的阻抗。其中，變壓器T₂ 的中間為空氣所隔開，故存在介於0到1之間的耦合係數K。

參照圖2的耦合模型，將可計算出感測模組110的等效阻抗Z=X+jY，並可以圖3的等效電路來表示，其中圖3為依據本發明之一實施例之感測模組的等效電路圖，且等效阻抗Z的實部X與虛部Y將如式(1)與式(2)所示：

依據式(1)與式(2)來看，感測模組110之等效阻抗的改變包括待測樣品101之阻抗R_L 的變化與耦合係數K。此外，倘若感測模組110與待測樣品101之間的距離為固定，則耦合係數K將為固定值。藉此，感測模組110的等效阻抗將隨著待測樣品101的阻抗R_L 產生相應變化，進而達成感測待測樣品101的目的。

另一方面，就待測樣品101的阻抗R_L 而言，以電磁波在介面的反射現象來看，電磁波的傳遞阻抗會近似於傳輸線定理，並可透過介面的穿透反射來計算出。依據上述原理，倘若待測樣品101為不導磁材料的薄膜時，則待測樣品101的阻抗R_L 將近似於薄膜的片電阻值，且如式(3)所示：

其中，σ為材料的電導率，t為材料厚度。換言之，當待測樣品101為不導磁材料的薄膜時，待測樣品101的片電阻值將視為電阻，並透過交變磁場耦合至感測模組110。亦即，感測模組110的阻抗特性將因應待測樣品101的片電阻值產生相應的變化。舉例來說，依據式(1)及式(2)來看，當待測樣品101的阻抗R_L 減少時，感測模組110的虛部阻抗Y將減少，且實部阻抗X將增加。此外，虛部阻抗Y的減少將導致感測模組110的諧振頻率上升，進而造成角頻率的增加。

在本實施利中，感測模組110更包括可調阻抗單元111，因此圖2所示的耦合模型將擴展成如圖4所示，其中圖4為依據本發明之另一實施例之感測模組的耦合模型的示意圖。參照圖4，可調阻抗單元111包括可調電容VC與可調電阻VR。其中，可調電容VC與驅動線圈112(亦即主線圈L₁ )相互並聯，且可調電阻VR的第一端電性連接可調電容VC，可調電阻VR的第二端接收驅動電壓V_D 。

再者，參照圖4的耦合模型，感測模組110的等效電路將可利用圖5來表示，其中圖5為依據本發明之另一實施例之感測模組的等效電路圖，且Z_in 與Z_out 分別為可調阻抗單元111與驅動線圈112之間的等效輸入阻抗與等效輸出阻抗。值得一提的是，在圖1實施例中，感測模組110中的可調阻抗單元111與驅動線圈112為振幅可控式振盪模組120的諧振元件，因此感測模組110會操作在諧振頻率上。

當操作在諧振頻率時，感測模組110的複數阻抗將已達到共軛匹配。此時，圖5之感測模組110的等效電路將可簡化成如圖6所示，其中圖6為依據本發明之又一實施例之感測模組的等效電路圖，且圖6中的等效電阻R_eq 、等效電感L_eq 、可調電阻R_s 與可調電容C_s 將如式(4)至式(7)所示。

其中，Q _L =R _L /ωL ₂ ，且感測模組110的諧振頻率ω₀ 如式(8)所示。

參照圖6，當感測模組110操作在諧振頻率ω₀ 時，待測樣品101的片電阻值將近似於串連的等效電阻R_eq 與可調電阻R_s 。此外，此時傳遞至感測模組110的平均功率將如式(9)所示：

其中，I_Lm 為驅動電流的最大振幅。當I_Lm =V_D /(2R_eq )時，傳遞至感測模組110的平均功率將最大化。換言之，倘若等效電阻R_eq 相等於可調電阻R_s 時，傳遞至待測樣品101之阻抗R_L 的功率將最大化。亦即，當感測模組110操作在諧振頻率時，且感測模組110的實部阻抗又相互匹配，則傳遞至阻抗R_L 的功率將最大化。

此外，當待測樣品101導致感測模組110的等效電阻為R_eq =±ΔR_eq 時，則驅動電流的最大振幅I_Lm 將如式(10)所示：

根據式(10)來看，倘若±ΔR_L 為非接觸式量測裝置100所欲量測之待測樣品101的阻抗範圍，且為所欲量測之阻抗範圍的中間值，ΔR_L 為所欲量測之阻抗範圍的帶寬時，可先依據決定感測模組110之等效電阻的中間值，並設計匹配的阻抗，以提升非接觸式量測裝置100的靈敏度。

值得注意的是，在實際設計上，感測模組110還包括一內部電阻R₁ ，且此內部電阻R₁ 與等效電阻R_eq 、等效電感L_eq 相互串接。相對地，驅動電流的最大振幅I_Lm 將可進一步地表示成如式(11)所示。

需注意的是，如果內部電阻R₁ 遠大於ΔR_eq 時，會導致電流變化相當不靈敏。且知，ΔR_eq 正比於1/R_L 。換言之，具有高阻抗的待測樣品通常會導致電流變化變得相當不靈敏。為了解決上述情況，基於耦合的片電阻關係，亦即R _eq K /n ² R _L ，可使用圈數較少的驅動線圈112來增加R_eq 的變化量。反之，當待測樣品為低阻抗的導體時，驅動線圈112的圈數應增加。

依據上述概念，反觀圖1實施例。感測模組110可依據一阻抗控制訊號SI調整可調阻抗單元111。藉此，如圖4-6所示，在一較佳實施例中，可調阻抗單元111中的可調電容VC的電抗值與可調電阻VR的電阻值將產生相應的改變。此時，參照式(8)，隨著感測模組110中可調電容VC的改變，感測模組110的諧振頻率ω₀ 將產生相應的變動，進而致使非接觸式量測裝置100可以針對不同量測範圍的待測樣品進行檢測。此外，隨著感測模組110中可調電阻VR的改變，將可致使感測模組110的實部阻抗相互匹配，進而致使所傳遞的能量為最大化。

換言之，感測模組110可依據阻抗控制訊號SI來調整其量測範圍。因此，儘管振幅可控式振盪模組120是以自回授共振的方式來進行振盪，非接觸式量測裝置100只需利用阻抗控制訊號SI更改感測模組110的量測範圍，即可針對不同的待測樣品進行檢測。如此一來，針對不同的待測樣品，將可免除更換感測模組110的操作，進而有助於提升非接觸式量測裝置100在使用上的便利性，並降低裝置的硬體成本與人力成本。

另一方面，由於感測模組110是透過振幅可控式振盪模組120來進行驅動，因此感測模組110所消耗的功率也將反應在振幅可控式振盪模組120的輸出功率上。此外，振幅可控式振盪模組120是產生具有固定振幅的驅動電壓V_D ，因此感測模組110的阻抗變化將反應在振幅可控式振盪模組120所產生的驅動電流上。因此，電流感測器130是用以檢測振幅可控式振盪模組120的驅動電流，並據以產生一檢出訊號SD來反應待測樣品101的特性。

值得一提的是，在一較佳實施例中，具有可調範圍的非接觸式量測裝置100更包括一控制器140。其中，控制器140用以產生阻抗控制訊號SI，並依據檢出訊號SD來判別待測樣品101的特性。舉例來說，在一實施例中，待測樣品101為一薄膜，且所述薄膜由不導磁材料所構成。此時，控制器140將依據檢出訊號SD取得待測樣品101的一特性值，亦即所述薄膜的片電阻值。

在實際操作上，控制器140存有多個預設對照表，且每一個預設對照表都記錄著電流值與片電阻值的相對關係。當控制器140發出阻抗控制訊號SI來控制感測模組110時，控制器140更依據阻抗控制訊號SI從所述多個預設對照表擇一作為特定對照表。藉此，當檢出訊號SD回授至控制器140時，控制器140將依據檢出訊號SD查詢特定對照表中的電流值，以取得相應的片電阻值，亦即所檢測到之待測樣品101的片電阻值。如此一來，將有助於提升非接觸式量測裝置在使用上的便利性，並降低非接觸式量測裝置的硬體成本與人力成本。

更進一步來看，如圖1所示，振幅可控式振盪模組120包括振盪電路121、振幅控制電路122以及電壓產生器123。其中，振盪電路121會利用感測模組110振盪出驅動電壓V_D 。亦即，感測模組110中的可調阻抗單元111與驅動線圈112為振盪電路121的諧振元件，以促使感測模組110以自回授共振的方式振盪出驅動電壓V_D 。另一方面，振幅控制電路122會接收來自感測模組110的驅動電壓V_D ，並將所接收的驅動電壓V_D 轉換為一偵測電壓。此外，振幅控制電路122會將偵測電壓與一參考電壓V_R 進行比較，並依據比較結果產生一控制資訊DT。其中，參考電壓V_R 是由電壓產生器123所提供。藉此，振盪電路121將依據控制資訊DT調整驅動電壓V_D 的振幅，以致使驅動電壓V_D 的振幅維持固定。

雖然圖1實施例列舉了振幅可控式振盪模組120的實施型態，但其並非用以限定本發明。本領域具有通常知識者，可依據設計所需更改振幅可控式振盪模組120的實施型態。舉例來說，在一較佳實施例中，振幅可控式振盪模組120中的振盪電路121可以置換成一功率放大器與一鎖相迴路。藉此，鎖相迴路將可自行振盪出一振盪電壓，並透過功率放大器的放大而形成用以驅動感測模組110的驅動電壓。此外，功率放大器將會依據來自振幅控制電路122的控制資訊，將其所產生之驅動電壓的振幅維持固定。再者，鎖相迴路所接收的輸入訊號為來自感測模組110的驅動電壓，因此感測模組110將可持續地操作在諧振頻率上。值得注意的是，由於鎖相迴路可自行振盪出振盪電壓，故此種型態的振幅可控式振盪模組120更可以配合感測模組110的量測範圍振盪出不同頻率的振盪電壓。

綜上所述，本發明是利用阻抗控制訊號來調整感測模組的量測範圍。藉此，儘管振幅可控式振盪模組是以自回授共振的方式來進行振盪，非接觸式量測裝置依舊可以在不更換感測模組的情況下，針對不同的待測樣品進行檢測。如此一來，將有助於提升非接觸式量測裝置在使用上的便利性，並降低非接觸式量測裝置的硬體成本與人力成本。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．具有可調範圍的非接觸式量測裝置

110．．．感測模組

111．．．可調阻抗單元

112．．．驅動線圈

120．．．振幅可控式振盪模組

121．．．振盪電路

122．．．振幅控制電路

123．．．電壓產生器

130．．．電流感測器

101．．．待測樣品

SI．．．阻抗控制訊號

SD．．．檢出訊號

V_D ．．．驅動電壓

V_R ．．．參考電壓

DT．．．控制資訊

T₂ ．．．變壓器

L₁ ．．．主線圈

L₂ ．．．次線圈

I₁ 、I₂ ．．．電流

R_S 、R_L ．．．阻抗

R_eq ．．．等效電阻

L_eq ．．．等效電感

VC、C_s ．．．可調電容

VR、R_s ．．．可調電阻

Z_in ．．．等效輸入阻抗

Z_out ．．．等效輸出阻抗

圖1為依據本發明之一實施例之具有可調範圍的非接觸式量測裝置的示意圖。

圖2為依據本發明之一實施例之感測模組的耦合模型的示意圖。

圖3為依據本發明之一實施例之感測模組的等效電路圖。

圖4為依據本發明之另一實施例之感測模組的耦合模型的示意圖。

圖5為依據本發明之另一實施例之感測模組的等效電路圖。

圖6為依據本發明之又一實施例之感測模組的等效電路圖。

100．．．具有可調範圍的非接觸式量測裝置

110．．．感測模組

111．．．可調阻抗單元

112．．．驅動線圈

120．．．振幅可控式振盪模組

121．．．振盪電路

122．．．振幅控制電路

123．．．電壓產生器

130．．．電流感測器

101．．．待測樣品

SI．．．阻抗控制訊號

SD．．．檢出訊號

V_D ．．．驅動電壓

V_R ．．．參考電壓

DT．．．控制資訊

Claims (10)

1. 一種具有可調範圍的非接觸式量測裝置，包括：一振幅可控式振盪模組，振盪出具有固定振幅的一驅動電壓；一感測模組，包括一可調阻抗單元，其中該感測模組依據一阻抗控制訊號調整該可調阻抗單元，並利用該驅動電壓輻射出用以感測一待測樣品的一交變磁場；以及一電流感測器，檢測該振幅可控式振盪模組所產生的驅動電流，並產生與該待測樣品相關的一檢出訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具有可調範圍的非接觸式量測裝置，更包括：一控制器，產生該阻抗控制訊號。
3. 如申請專利範圍第2項所述之具有可調範圍的非接觸式量測裝置，其中該控制器依據該阻抗控制訊號從多個預設對照表中擇一作為一特定對照表，且該控制器依據該檢出訊號查詢該特定對照表，以取得與該待測樣品相關的一特性值。
4. 如申請專利範圍第3項所述之具有可調範圍的非接觸式量測裝置，其中該待測樣品為由不導磁材料所構成的一薄膜，且該特性值為該薄膜的片電阻值。
5. 如申請專利範圍第1項所述之具有可調範圍的非接觸式量測裝置，其中該感測模組更包括一驅動線圈，且該感測模組透過該驅動線圈幅射出該交變磁場，其中該驅動線圈電性連接該可調阻抗單元。
6. 如申請專利範圍第5項所述之具有可調範圍的非接觸式量測裝置，其中該可調阻抗單元包括：一可調電容，與該驅動線圈相互並聯；以及一可調電阻，其第一端電性連接該可調電容，該可調電阻的第二端接收該驅動電壓。
7. 如申請專利範圍第6項所述之具有可調範圍的非接觸式量測裝置，其中該可調電容包括一變容二極體。
8. 如申請專利範圍第1項所述之具有可調範圍的非接觸式量測裝置，其中該振幅可控式振盪模組包括：一振幅控制電路，接收來自該感測模組的該驅動電壓，並將所接收的該驅動電壓轉換為一偵測電壓，且該振幅控制電路將該偵測電壓與一參考電壓進行比較，並依據比較結果產生一控制資訊；以及一振盪電路，利用該感測模組振盪出該驅動電壓，並依據該控制資訊調整該驅動電壓的振幅，以致使該驅動電壓的振幅維持不變。
9. 如申請專利範圍第8項所述之具有可調範圍的非接觸式量測裝置，其中該振幅可控式振盪模組包括更包括：一電壓產生器，產生該參考電壓。
10. 如申請專利範圍第1項所述之具有可調範圍的非接觸式量測裝置，其中該待測樣品為一薄膜，且該薄膜由不導磁材料所構成。