技术领域
[0001] 本
发明涉及具有振动传感器的测量装置。特别地，本发明涉及使用调制的校准元件来校准振动传感器。
背景技术
[0002] 振动传感器通常用于检测由各种物理效应引起的衰减或阻抗的变化。振动传感器通常具有振动器(oscillator)，该振动器包括由感测线圈和/或由感测电容器形成的
谐振电路。
[0003] 特别地，振动传感器通常例如应用于接近度传感器，其中应检测到感测线圈的感测范围内导电物体的存在、不存在或导电物体的运动。在操作期间，这种振动器振动，而感测线圈产生交变
磁场，该交变磁场实质地受到导电物体的存在的影响。因此，进入或离开感测线圈的感测范围或移入或移出感测范围的导电物体产生感测线圈的阻抗的变化。
[0004] 在操作期间，
谐振电路具有谐振
频率，该谐振频率由感测线圈的电感和由电容器的电容确定。借助反馈放大，谐振电路被激励，使得通过注入与振动同相的
能量来维持振动。此外，在感测范围内物体的存在导致由于在物体中产生涡
电流的能量损失引起的谐振电路的品质因数降低。在操作中，这导致激发的振动的频率的变化和振动的振幅的变化。
[0005] 例如，在应检测物体存在、不存在或运动的应用中，经常会分析振幅变动。因此，反馈放大的特性通常被配置为获得关于由于感测范围中物体的存在而引起的有关谐振特性的变化的振幅变化的高灵敏度。
[0006] 通常借助于可变的校准元件来进行这种振动传感器的灵敏度的校准和操作点的设置，该可变的校准元件可以是用于激励振动的反馈回路中的无源
电子部件。校准元件可以是
电阻器等。由于这种校准元件的激光校准昂贵并且不允许重新校准，因此电子校准是优选的。
[0007] 例如，文献WO2016/141965A1涉及一种具有谐振电路和反馈增益级的振动器。在反馈回路中，提供了调节
电阻器，其被配置为借助于
开关耦合到反馈回路中。通过借助脉冲宽度调制控制
信号的占空比来控制开关，可以设置调节电阻器的有效电阻用于校准。
[0008] 首先通过调节校准元件的电量来进行振动传感器的校准。如果校准元件是由脉冲宽度调制信号控制的可切换调节电阻，则占空比确定用于反馈耦合的有效电阻。
[0009] 然而，通过脉冲宽度调制的控制具有将低频谐波注入电路的潜在可能，该谐波实质地由脉冲宽度调制的周期频率和特定占空比确定。这些谐波不能轻易地从传感器信号中分离出来，并影响振动传感器的操作，使得
信噪比实质地降低。由于取决于占空比选择的校准，不同的谐波被引入每个振动传感器，使得谐波难以通过滤波消除。
[0010] 因此，本发明的目的是提供一种可调谐的振动传感器和测量装置，其可以通过可变的校准元件来校准，并且其中可以减小由脉冲宽度调制信号注入的调制的负面影响，以实现高的信噪比。
发明内容
[0011] 通过根据
权利要求1的振动传感器和根据另外的
独立权利要求的测量装置以及用于操作振动传感器的方法实现了上述目的。
[0012] 从属的从权利要求中指示了进一步的
实施例。
[0013] 根据第一方面，提供一种用于测量装置的振动传感器，该振动传感器包括：
[0014] -振动器，所述振动器包括
[0015] 谐振电路，用于提供振动信号；
[0016] 增益级，配置成反馈到谐振电路，以注入能量来激励谐振电路以维持振动；和[0017] 至少一个校准元件，以控制振动器的开环增益；
[0018] -校准单元，提供调制的校准
控制信号，以基于至少一个预定的占空比来选择性地调整至少一个校准元件的电测量，
[0019] 其中，调制后的校准控制信号具有不规则的时变周期频率。
[0020] 在上述振动传感器中，通过将由校准控制信号控制的校准元件耦合和去耦合，来提供电子校准，以提供校准元件的有效电测量。设置有效的电测量允许针对高灵敏度和操作点校准振动传感器。校准控制信号被设置为脉冲宽度调制信号，其中电测量由占空比确定。因此，可以通过适当选择占空比来进行校准。
[0021] 在上述振动传感器中，校准元件通过控制振动器的开环增益来控制用于激发谐振电路的振动的能量的量。开环增益定义为从在谐振电路处的振动的
电压振幅与在
放大器输入端处的可变振幅的比率得出的增益，即从谐振电路与增益级输入之间的开路连接得出的总增益。由于至少一个校准元件由脉冲宽度调制信号控制，因此其周期频率会
叠加谐振电路的振动。在通常的情况下，振动频率不对应于周期频率的整数倍，会导致对振动振幅的调制效应。在将传感器信号振幅用作振动传感器的测量信号的情况下，这将导致信噪比实质降低。
[0022] 本发明的一个观点是提供相应的校准控制信号作为具有随着时间或随着随后的PWM周期不规则地变化的周期频率的脉冲宽度调制信号。与标准脉冲宽度调制方案相比，上述方法允许减小调制影响，因为在每个周期中用于激励的注入能量的变化都是随机进行的，使得不会产生
覆盖振幅信号的占主导地位的频率。通过随时间不规则地改变周期频率，没有将特定的频率引入振动传感器的振幅特性中，这实质上改善了从中得出的振幅信号的信噪比。术语“不规则地改变”在本文中应被理解为连续周期之间连续周期频率变化的稳定地差异改变。例如，术语“不规则”可以包括彼此不同的至少两个、至少三个、至少四个或至少五个连续的周期频率变化。
[0023] 已经通过使用不会导致谐波周期频率的两个不同的连续周期频率变化，可以实质上改善信噪比。
[0024] 此外，调制的校准控制信号可以对应于脉冲宽度调制信号。
[0025] 此外，校准元件可以被配置为由调制的校准反馈控制信号控制，其中特别地，校准元件包括：无源电子部件，特别是电阻器；以及由调制的校准反馈控制信号控制的开关。
[0026] 附加地或替代地，校准元件可以包括由调制的校准增益控制信号控制的增益控制元件，用于调节增益级的增益，其中特别地，校准元件可以包括电阻器和由调制的校准增益控制信号控制的开关。
[0027] 根据一个实施例，校准单元被配置为在改变周期频率的同时维持占空比。
[0028] 此外，校准单元可以被配置为在校准控制信号的调制的每一个、两个或三个到五个周期之后周期地改变周期频率。
[0029] 可以规定，校准单元配置成根据均匀分布的周期频率的预定集合来周期地改变周期频率。
[0030] 特别地，校准单元可以被配置为借助于提供伪随机数的伪随机移位寄存器来提供均匀分布的周期频率的集合，并且将对应的周期频率与每个伪随机数相关联。
[0031] 根据一个实施例，谐振电路可以具有感测线圈和/或感测电容器。
[0032] 根据另一方面，提供一种测量装置，该测量装置包括振动传感器和分析电路，该分析电路被配置为接收振动信号的指示并且提供振幅信号作为指示振动信号的振幅的传感器信号。
[0033] 此外，谐振电路可以具有感测线圈，用于检测在感测线圈的感测范围内的导电物体。
[0034] 根据另一方面，提供了一种用于操作振动传感器的方法，该方法包括：振动器，包括：谐振电路，用于提供振动信号；增益级，被配置为反馈到谐振电路，以注入能量来激励谐振电路以维持振动，以及用于调整振动器的开环增益的校准元件，其中基于调制的校准控制信号的预定占空比来调整校准元件的电测量，其中调制的校准控制信号具有改变的周期频率。
附图说明
[0035] 结合附图更详细地描述实施例，其中：
[0036] 图1示出了包括电感式传感器的接近度传感器的示意图。
[0037] 图2示出了具有校准单元的电感式传感器的更详细的示意图。
[0038] 图3a和3b示出了当使用单个调制周期频率时调制的影响的示例。
[0039] 图4a和图4b示出了在谐波和非谐波激励的情况下包括振动器信号和校准控制信号的信号图。
[0040] 图5a和5b示出了周期频率不改变并且随机应用32个不同周期频率的情况的比较。
[0041] 图6是校准单元的配置的实施例。
具体实施方式
[0042] 图1示意性示出了具有振动传感器2和分析电路3的测量装置，分析振动传感器2分析的振动信号的振幅，并且产生传感器信号S。振动传感器2具有形成振动器的放大器22和谐振电路21。
[0043] 分析单元3可以基本包括振幅确定电路31，该振幅确定电路31提供振幅信号作为表示振动振幅的传感器信号。
[0044] 谐振电路21具有可以设置为感测线圈的电感器。在操作中，谐振电路21在感测线圈周围的感测范围内振动并产生交变磁场。交变磁场受到在感测范围内存在或移动的任何导电物体的影响。这是由在感测范围内的导电物体中感应出的
涡流引起的，使得能量从谐振电路21中抽出。这种能量损耗影响了感测线圈的电感的变化和振动的衰减。由于谐振电路21的变化的衰减，可以根据在感测范围中导电物体的存在与否而改变振动的振幅。
[0045] 在图2中，更详细示出了感应传感器2。振动器由带有感测线圈211和电容器212的谐振电路21形成，而放大器22具有增益大于1的增益级221和反馈电路222。在所示的实施例中，反馈电路222包括具有电阻R1的第一电阻器223和与第一校准开关225
串联的具有电阻R修整的第二电阻器224。第一校准开关225可以实现为任何种类的电子开关，例如MOSFET晶体管或双极晶体管。
[0046] 第二电阻器224和第一校准开关225一起用作校准电阻器(校准元件)，该校准电阻器可以由调制的校准反馈控制信号FC控制，以调整增益级221和谐振电路21之间的反馈耦合。
[0047] 增益级221的增益可以借助于另外的校准元件来调整，所述另外的校准元件可以包括增益控制元件，该增益控制元件由调制的校准增益控制信号GC来控制，以用于调整增益级221的增益。增益控制元件通常可以是任何种类，使得由调制的校准增益控制信号GC的占空比来控制增益级221的增益。在给定的示例中，增益控制元件可以包括校准元件226、227，其可以包括具有R增益的电阻的第三电阻器226和第二校准开关227。第二校准开关227由调制的校准增益控制信号GC控制。第二校准开关227可以被实现为任何种类的电子开关，诸如MOSFET晶体管或双极晶体管。在其他实施例中，增益级221可以被配置为由调制的校准增益控制信号GC控制，而无需切换电阻器。
[0048] 通常，反馈电路222的校准元件和/或增益级221的校准元件可以形成为包括开关的电阻器网络，使得电阻器网络的电阻可以通过相应的控制信号FC、GC在两个不同的电阻值(包括非常高/无限的电阻值)之间切换。因此，开关相对于电阻的布置可以是并联和串联连接的任意组合。
[0049] 提供校准单元24，用于将调制的校准反馈控制信号FC提供给第一校准开关225的控制
端子以控制第一校准开关225打开或闭合，和/或用于将调制的校准增益控制信号GC提供给第二校准开关227的控制端以控制第二校准开关227打开或闭合。
[0050] 通过控制第一校准开关225，可以控制反馈电路222的有效电阻，特别是串联的校准开关和第二电阻器224的有效电阻。为了改变第二电阻器224的有效电阻，第一校准开关225由具有周期频率fPWM和占空比DC的脉冲宽度调制(PWM)信号控制。类似地，通过控制第二校准开关227，可以控制增益级221的增益。为了改变由第三电阻器226和第二校准开关227形成的有效电阻，第二校准开关227由具有周期频率fPWM和占空比DC的脉冲宽度调制(PWM)信号控制。
[0051] 周期频率fPWM由周期时间确定，该周期时间被定义为包括第一时间和第二时间的总期间，在第一时间中校准开关闭合，在第二时间中校准开关打开。占空比指示其中校准开关闭合的第一时间与周期时间的比率。用脉冲宽度调制的控制信号进行的控制导致第二电阻器224的有效电阻确定为第二电阻器224的电阻与占空比的商(quotient)。
[0052] 通过确定适当的占空比来进行校准以设置第二电阻器224的有效电阻。通常首先进行该校准，并且将一直维持该校
准直到将执行重新校准为止。此外，可以连续地或有规律地进行校准调整，用于补偿诸如
温度等的短期影响。
[0053] 图3a和3b示出了注入到谐振电路21中的能量的振幅调制对比用于示例性测量装置的能量注入的调制频率的特性的示例性傅立叶图。如图所示，脉冲宽度调制的周期频率fPWM为25kHz，占空比0.3和振动频率fOSC分别为100.05kHz和100.25kHz，并且示出了在振动信号上的振幅调制的低频范围。可以看出，由于PWM控制的反馈电路222，取决于周期频率fPWM的选择并取决于振动信号的频率，将分别地产生在谐振电路21的振动信号上的振幅调制的100Hz和500Hz的调制频率。低频振幅调制在振动信号上的信号部分无法滤除，因为它属于分析振动信号以获得传感器信号的
频率范围。
[0054] 可以参考图4a和4b的图来说明在由脉冲宽度调制的能量注入产生的振动信号上的低频振幅调制的发展。图4a和4b显示了占空比信号(UPWM)的特性以及占空比和振动频率信号的乘积(UOSC*UPWM)。如图4a所示，其中振动频率是周期频率的整数倍，从占空比窗口中的振动信号的相同特性可以看出，由于注入谐振电路21的能量具有相同的
相位并且因此对于全部周期具有相同的量，不引起注入到谐振电路21中的能量的调制。
[0055] 然而，如图4b所示，由于通常不能将振动频率精确地设置为脉冲宽度调制的周期频率fPWM的整数倍，所以将引起对注入谐振电路21的能量的调制，从而将生成具有调制频率fmod＝2(fOSC–n×fPWM)的振幅调制。该调制从占空比窗口中振动信号调制的不同特性可以看出。虽然未在图中直接地显示调制，但可以看到在正弦振动的每个相位
角处能量的注入都不相等，这可能导致脉冲宽度调制与振动之间的缓慢变化相位移位，形成振动振幅的低频调制。
[0056] 为了避免产生注入到谐振电路21中的能量的振幅调制，改变脉冲宽度调制的周期频率fPWM。通过永久地变化周期频率fPWM，可以大大减小振幅调制并在
频谱上扩展，从而减少了注入谐振电路21的谐振能量。可以在脉冲宽度调制的每个周期之后或在较少的周期数(例如2至5个周期)之后应用周期频率fPWM的变化。
[0057] 通过应用大量不同的周期频率的集合用于借助校准反馈控制信号和/或增益控制信号GC进行脉冲宽度调制，可以在给定的周期频率范围内均匀地扩展周期频率fPWM，其导致能量注入的基本上均匀的分布。
[0058] 图5a和5b示出了向谐振电路21中注入的能量的调制振幅对比能量注入的调制频率的特性的进一步的示例性傅立叶图。如图5a和5b中的比较所示，在不改变周期频率fPWM的情况下，以及在分别地相继应用32个不同的周期频率的情况下。可以看出，在后一种情况下，调制振幅低。
[0059] 不同周期频率的连续可以是随机的、伪随机的或预定的，但是优选周期频率fPWM周围的均匀分布可能是优选的，例如，在预定周期频率fPWM的±15％(摆动)范围内。
[0060] 在图6中，示出了校准单元24的实施例。校准单元24包括周期频率振动器242，该周期频率振动器242将周期频率信号fPWM提供给PWM单元241，该PWM单元241根据各自的占空比DC，提供一个或多个脉冲宽度调制信号作为校准反馈控制信号FC和/或校准增益控制信号GC。周期频率振动器242获得频率指示FI并产生相应的周期频率信号fPWM。频率指示FI由频率变化单元243提供。
[0061] 频率变化单元243可以包括可以被周期性地轮询的随机分布的频率的表。
[0062] 可选地，频率变化单元243可以包括线性反馈移位寄存器，其伪随机地生成0和2N-1之间的数字n，其中N对应于所使用的寄存器的数目。在操作中，线性反馈移位寄存器会生成连续随机数，其伪随机输出以2到2N-1之间的周期重复。
[0063] 伪随机输出可以直接地从线性反馈移位寄存器的一部分
锁存器或所有锁存器的输出中导出/分接(tapped)，或可以根据线性反馈移位寄存器的一部分或全部锁存器的输出由附加逻辑生成。这种线性反馈移位寄存器在本领域中是众所周知的，并且可以输出在0…2N-1的数字范围内基本均匀分布的二进制值，并且可以用作二进制值的伪随机序列。优选地，线性反馈移位寄存器被配置为具有大于10000的连续的二进制值的重复。然后可以通过基本频率fbas和数n与增量频率Δf的乘积来计算频率指示FI，例如FI＝fbas+n×Δf。
