无磁芯线圈设计方法、线圈、传感器、设备及存储介质与流程

1.本发明涉及传感器技术领域，尤其是涉及一种无磁芯线圈设计方法、线圈、传感器、设备及存储介质。


背景技术：

2.接近传感器，是代替限位开关等接触式检测方式，以无需接触检测对象进行检测为目的的传感器的总称，能检测对象的移动信息和存在信息转换为电气信号。在换为电气信号的检测方式中，包括利用电磁感应引起的检测对象的金属体中产生的涡电流的方式、捕测检测金属目标的接近引起的电气信号的容量变化的方式，电感式传感器即属于这种传感器。
3.电感式传感器主要由线圈、驱动电路、机械部件等组成，目前大多采用带磁芯线圈，结合相应的驱动电路，驱动带磁芯线圈产生磁场，磁场同时感知金属卡紧(靠近)的距离，来改变驱动电路的参数，达到无接触检测金属的目的。
4.因为磁芯的材料特性，能够束缚发散无序的磁感线、提高磁场强度，更有利于实现电感式传感器的基本距离或者大感应距离检测，但该类电感式传感器抗干扰能力弱，尤其在强磁环境中；并且因为材料和性能的特殊性，导致选择面窄、成本较高，并且对于性能评估需要耗费大量时间。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种无磁芯线圈设计方法、线圈、传感器、设备及存储介质。
6.第一方面，提供了一种无磁芯线圈设计方法，包括：
7.获取电感式传感器电路中振荡电路模块的目标振荡信号频率，所述振荡电路模块用于输出振荡信号驱动线圈产生磁场；
8.根据所述目标振荡信号频率计算流过所述线圈的趋肤深度；
9.根据所述趋肤深度，确定线圈的线材直径；
10.基于所述线圈的线材直径和初步设计尺寸，通过仿真操作调整并确定所述线圈的目标尺寸参数。
11.可选的，所述基于所述线圈的线径和所述初步设计尺寸，通过仿真操作调整并确定所述线圈的目标尺寸参数，包括：
12.基于所述线圈的线材直径和所述初步设计尺寸，通过仿真软件建立线圈仿真模型，以在涡流场对所述线圈进行所述仿真操作，包括：根据有检测目标时所述线圈的阻抗和无所述检测目标时所述线圈的阻抗计算所述线圈的阻抗变化率，所述检测目标根据预设传感器的类型设置在所述线圈响应的磁场范围内；
13.根据所述线圈的阻抗变化率调整所述线圈仿真模型，确定所述线圈的目标尺寸参数。
14.可选的，所述电感式传感器电路包括所述线圈、电源模块以及依次连接的所述振
荡电路模块、检波电路模块、整形电路模块和输出模块，所述振荡电路模块、所述检波电路模块、所述整形电路模块和所述输出模块分别与所述电源模块连接；
15.所述线圈用于在所述振荡电路模块的驱动下将检测参数转换为所述线圈的电感量变化，获得检测信号；
16.所述检波电路模块用于检测输入信号中的调制信号；所述输入信号由所述线圈在检测目标作用下的电感量变化产生；
17.所述整形电路模块用于对所述调制信号进行滤波处理；
18.所述输出模块用于检测所述滤波处理后的信号，以确定并输出传感器状态。
19.可选的，所述线圈的初步设计尺寸包括所述线圈的内径、外径以及厚度；在所述基于所述线圈的线材直径和初步设计尺寸，通过仿真操作调整并确定所述线圈的目标尺寸参数之前，所述方法还包括：
20.根据待设计的电感式接近传感器结构以及预设评估公式，确定所述线圈的内径、外径以及厚度。
21.可选的，所述线圈为使用多股绝缘铜线绞合形成一股线，再使用所述一股线绕制形成的线圈。
22.第二方面，提供了一种无磁芯线圈，所述无磁芯线圈应用于无磁芯电感式传感器；所述无磁芯线圈的目标尺寸参数通过如上述第一方面所述的无磁芯线圈设计方法获得。
23.第三方面，提供了一种无磁芯电感式传感器，所述无磁芯电感式传感器包括如上述第二方面所述一种线圈。
24.可选的，所述无磁芯电感式传感器还包括线圈骨架和印刷电路组件；
25.所述印刷电路组件一端设计有与所述线圈骨架的一端进行匹配的凸起，以用于与所述线圈骨架进行衔接；所述线圈骨架的另一端用于固定所述线圈。
26.第四方面，提供了另一种终端设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如第一方面及其任一种可能的实现方式的步骤。
27.第五方面，提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有一条或多条指令，所述一条或多条指令适于由处理器加载并执行如上述第一方面及其任一种可能的实现方式的步骤，或者如上述第一方面及其任一种可能的实现方式的步骤。
28.本技术实施例提供的一种无磁芯线圈设计方法，获取电感式传感器电路中振荡电路模块的目标振荡信号频率，所述振荡电路模块用于输出振荡信号驱动线圈产生磁场；根据所述目标振荡信号频率计算流过所述线圈的趋肤深度；根据所述趋肤深度，确定线圈的线材直径；基于所述线圈的线材直径和初步设计尺寸，通过仿真操作调整并确定所述线圈的目标尺寸参数，可以合理设计用于电感式传感器中的无磁芯线圈，以规避磁芯对电感式传感器的设计带来的风险，提高电感式传感器的抗干扰能力，并且降低选择磁芯时的设计成本和开发时间。
附图说明
29.为了更清楚地说明本技术实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本技术实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。
30.图1为本技术实施例提供的一种带磁芯电感式传感器的结构示意图；
31.图2为本技术实施例提供的一种无磁芯线圈设计方法的流程示意图；
32.图3为本技术实施例提供的一种电感式传感器的电路结构示意图；
33.图4为本技术实施例提供的一种无磁芯电感式传感器的结构示意图；
34.图5为本技术实施例提供的一种终端设备的结构示意图。
具体实施方式
35.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
36.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
37.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
38.下面结合本技术实施例中的附图对本技术实施例进行描述。
39.为了更清楚地说明本技术实施例中的方法，首先介绍一种带磁芯电感式传感器的总体设计方案。
40.参见图1，图1为本技术实施例提供的一种带磁芯电感式传感器的结构示意图，如图1所示，其中带磁芯电感式传感器包括塑胶帽、带磁芯线圈(线圈和磁芯)、印刷电路组件(pcba)、金属螺纹壳、塑胶尾盖以及电源线，该带磁芯线圈可以理解为线圈嵌入匹配的磁芯结构，可为固定结构或活动连接。
41.带磁芯电感式传感器采用带磁芯线圈，结合相应的驱动电路，可驱动带磁芯线圈产生磁场，磁场同时感知金属卡紧的距离，来改变驱动电路的参数，达到无接触检测金属的目的。
42.一般的，在如图1所示的一类带磁芯电感式传感器的设计制造中，将线圈放在磁芯中间，通过胶水将他们结合在一起，然后通过治具定位磁芯和线路板的位置，确保磁芯和线路板中心垂直，最后通过治具与塑胶帽确定位置关系，将磁芯和线路板放在塑料帽的中间，注入环氧树脂，固化他们的结构。
43.通常认为使用磁芯能够束缚发散无序的磁感线，提高磁场强度，更有利于实现电感式传感器的基本距离或者大感应距离检测。
44.而本技术提供一种无磁芯线圈设计方法，设计适用于电感式传感器的无磁芯线圈，可以不需要再结合磁芯结构，同时也能实现大感应距离检测，保证无磁芯电感式传感器的灵敏度性能。
45.请参阅图2，图2是本技术实施例提供的一种无磁芯线圈设计方法的流程示意图。该方法可包括：
46.201、获取电感式传感器电路中振荡电路模块的目标振荡信号频率，上述振荡电路模块用于输出振荡信号驱动线圈产生磁场。
47.本技术实施例中需要设计的线圈是用于电感式传感器，因此在设计过程中可以结合电感式传感器的相关电路进行。
48.电感式传感器电路中的振荡电路模块可以输出一定频率的振荡信号驱动线圈产生磁场。上述线圈可以是由铜线构成的，在不同的频率下，流过铜线的电流会逐渐趋于铜线的外表面，导致流过铜线的频率越高，电阻越大，线圈磁场分布也会受到影响。
49.在一种可选的实施方式中，可以根据电感式传感器的振荡电路设计要求，计算出大致需要的振荡信号频率(即上述目标振荡信号频率)和阻抗。
50.在一种可选的实施方式中，上述电感式传感器电路包括上述线圈、电源模块以及依次连接的上述振荡电路模块、检波电路模块、整形电路模块和输出模块，上述振荡电路模块、上述检波电路模块、上述整形电路模块和上述输出模块分别与上述电源模块连接；
51.上述线圈用于在上述振荡电路模块的驱动下将检测参数转换为上述线圈的电感量变化，获得检测信号；
52.上述检波电路模块用于检测输入信号中的调制信号；上述输入信号由上述线圈在检测目标作用下的电感量变化产生；
53.上述整形电路模块用于对上述调制信号进行滤波处理；
54.上述输出模块用于检测上述滤波处理后的信号，以确定并输出传感器状态。
55.图3为本技术实施例提供的一种电感式传感器的电路结构示意图。如图3所示，其中电感式传感器电路包括检测线圈、电源模块以及依次连接的振荡电路模块、检波电路模块、整形电路模块和输出模块，振荡电路模块、检波电路模块、整形电路模块和输出模块分别与电源模块连接，其功能不再赘述。电感式传感器电路中的检测线圈在电路驱动下产生磁场，感知被测目标与其的距离，来改变电路的参数，无接触检测被测目标。该电感式传感器为一种无磁芯电感式传感器，其中线圈采用本技术实施例中的无磁芯线圈。
56.电感式传感器还可以根据需要调整电路设计，采用本技术实施例中的无磁芯线圈，实现检测功能。
57.202、根据上述目标振荡信号频率计算流过上述线圈的趋肤深度。
58.本技术实施例中涉及的趋肤效应，也称集肤效应(skin effect)，是指导体中的交变电流在趋近导体表面处电流密度增大的效应。电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导体内部实际上电流较小。
59.本技术实施例中涉及的邻近效应是指，当高频电流在相互靠近的导体中流动时，电流主要集中分布在两导体邻近的地方流动。
60.具体的，为了降低频率带来的影响，增强磁场强度，可以根据目标振荡信号频率计算出流过线圈的趋肤深度，如下公式所示：
[0061][0062]
其中，δ为穿透深度(m)；ω为角频率(rad/s)，ω＝2πf，f为磁场频率；μ为磁导率
(h/m)，ρ为电阻率(ω
·
m)，σ为角频率(s/m)。
[0063]
203、根据上述趋肤深度，确定线圈的线材直径。
[0064]
可以根据计算出的趋肤深度，选定线圈的线材直径，比如线圈使用铜线的直径。
[0065]
可选的，趋肤深度与线材直径的对应关系可以根据需要预先设置，在应用时可以使用该对应关系和计算的趋肤深度确定线圈的线材直径，本技术实施例对此不做限制。
[0066]
具体还可以根据需要设计的电感式传感器的结构尺寸，评估需求线圈的相关参数。
[0067]
在一种可选的实施方式中，该方法还包括：
[0068]
根据待设计的电感式接近传感器结构以及预设评估公式，确定上述线圈的内径、外径以及厚度。
[0069]
上述预设评估公式可以根据需要进行设置，比如可以采用如下公式：
[0070]
l＝(k*μ0*μs*n2*s)/l；
[0071]
其中，μ0为真空磁导率＝4π*10-7
；μs为线圈内部磁芯的相对磁导率，本技术中采用无磁芯的空心线圈时μs＝1；n2为线圈圈数的平方；s为线圈的截面积，单位为平方米；l为线圈的长度，单位为米；k为预设系数，取决于线圈的半径(r)与长度(l)的比值。
[0072]
在一种可选的实施方式中，上述线圈为使用多股绝缘铜线绞合形成一股线，再使用上述一股线绕制形成的线圈。
[0073]
如目标振荡信号频率为500khz驱动线圈，流过线圈铜线形成的趋肤深度为0.09mm，那线圈的直径即可以设置为0.09mm。采用单股0.09mm铜线绕制线圈时，由上述公式可知，线圈的电感量很大，线圈分布电容大，而且匝与匝之间的趋肤效应与邻近效应，也会降低线圈的品质因素(即阻抗值达不到上面电路计算出来的需求)和线圈磁场的分布。
[0074]
本技术实施例中，为了削弱上述采用单股线的影响，可使用多股0.09mm绝缘铜线相互绞合形成一股线，再绕制成相应结构的线圈，这样便可消除线圈之间的趋肤效应和邻近效应，提高线圈的品质因素，削弱了电流在导线中分布不均匀现象，进而增强线圈的磁场强度。
[0075]
单股线和多股线绕制相同尺寸的线圈时，多股线绕制的线圈，圈数减小，电感量减小，单位面积磁感线增加，磁场强度越大，电磁感应现象越剧烈，进而在检测相同的目标时，多股线绕制的线圈具有更强的阻抗变化率。
[0076]
204、基于上述线圈的线材直径和初步设计尺寸，通过仿真操作调整并确定上述线圈的目标尺寸参数。
[0077]
在确定好线圈线材之后，可以通过仿真软件对线圈进一步仿真求解。
[0078]
可选的，可以使用如ansys仿真软件建立线圈模型，在涡流场对线圈进行仿真操作。上述初步设计尺寸可以是前述基于待设计的电感式接近传感器结构初步评估的线圈的内径、外径以及厚度等特征信息，本技术实施例对此不做限制。
[0079]
在一种可选的实施方式中，上述步骤204包括：
[0080]
基于上述线圈的线材直径和上述初步设计尺寸，通过仿真软件建立线圈仿真模型，以在涡流场对上述线圈进行上述仿真操作，包括：根据有检测目标时上述线圈的阻抗和无上述检测目标时上述线圈的阻抗计算上述线圈的阻抗变化率，上述检测目标根据预设传感器的类型设置在上述线圈响应的磁场范围内；
[0081]
根据上述线圈的阻抗变化率调整上述线圈仿真模型，确定上述线圈的目标尺寸参数。
[0082]
具体的，可以根据电感式传感器的类型，将检测目标(被测目标)设定在响应的磁场范围内；当有检测目标时，线圈的阻抗为z1，无检测目标时，线圈的阻抗为z2。
[0083]
可通过以下公式，计算检测目标有无时，线圈的阻抗变化率δz：
[0084]
δz＝(z1-z2)/z1*100％；
[0085]
根据线圈的阻抗的变化率，可以逐步调整线圈的仿真模型，即可得到最佳的线圈尺寸、电感量及品质因素。
[0086]
本技术实施例中涉及的品质因数(q值)是表征电子电路中谐振回路特性的基本参数。其中，阻抗变化率越大，越有利于传感器检测距离的实现和提升整个系统的稳定性。因为线圈的结构设计受限于整个传感器结构的设计，如磁帽的内径、外径、高度等等，所以线圈的外径、内径、厚度不能够无限制的调整。当得到最佳的阻抗变化率时，此时的线圈的电感量和品质因素即可视为系统的最佳参数。
[0087]
本技术实施例中的无磁芯线圈设计方法，通过获取电感式传感器电路中振荡电路模块的目标振荡信号频率，所述振荡电路模块用于输出振荡信号驱动线圈产生磁场；根据所述目标振荡信号频率计算流过所述线圈的趋肤深度；根据所述趋肤深度，确定线圈的线材直径；基于所述线圈的线材直径和初步设计尺寸，通过仿真操作调整并确定所述线圈的目标尺寸参数，可以合理设计用于电感式传感器中的无磁芯线圈，以规避磁芯对电感式传感器的设计带来的风险，提高电感式传感器的抗干扰能力，并且降低选择磁芯时的设计成本和开发时间，同时可以具有与带磁芯时相当甚至的金属灵敏度。
[0088]
基于上述无磁芯线圈设计方法实施例的描述，本技术实施例还公开了一种无磁芯线圈，可以直接应用于电感式传感器，可以不需要结合磁芯实现电感式传感器的稳定、精准检测。
[0089]
根据本技术的一个实施例，该无磁芯线圈可以通过图2所示的无磁芯线圈设计方法设计，此处不再赘述。
[0090]
基于上述无磁芯线圈设计方法实施例的描述，本技术实施例还公开了一种电感式传感器，该电感式传感器为无磁芯电感式传感器，可以采用本技术中的无磁芯线圈代替常用的带磁芯线圈，即可以不需要使用磁芯结构则实现稳定、精准检测。
[0091]
根据本技术的一个实施例，该无磁芯电感式传感器中的线圈可以通过图2所示的无磁芯线圈设计方法设计，此处不再赘述。
[0092]
在一种可选的实施方式中，无磁芯电感式传感器还包括线圈骨架和印刷电路组件；
[0093]
上述印刷电路组件一端设计有与上述线圈骨架的一端进行匹配的凸起，以用于与上述线圈骨架进行衔接；上述线圈骨架的另一端用于固定上述线圈。
[0094]
图4为本技术实施例提供的一种无磁芯电感式传感器的结构示意图，如图4所示，该无磁芯电感式传感器包括如本技术实施例中的无磁芯线圈，以及磁帽、线圈骨架、印刷电路组件(pcba)、螺纹管、透光件、线套和电源线；
[0095]
pcba一端设计有与线圈骨架的一端进行匹配的凸起，可以与线圈骨架衔接，线圈骨架的另一端可以将无磁芯线圈嵌入，再由磁帽(可以为其他材质，如塑胶帽)封闭，能够便
捷地固定线圈。
[0096]
上述无磁芯电感式传感器的结构工艺简单，不需要通常带磁芯电感式传感器制造时的定位和组装方法，即可达到定位和结构配合。
[0097]
上述无磁芯电感式传感器的结构还可以根据需要进行适应性调整，以上仅作示意，本技术实施例对此不做限制。
[0098]
本技术实施例中的无磁芯电感式传感器具有以下优势：
[0099]
利用无磁芯线圈，实现大感应距离；
[0100]
成本低，无需考虑磁芯带来的不确定性，开发时间短；
[0101]
工艺简单，即可达到定位和结构配合；
[0102]
产品温度特性可控，应用温度范围广，性能稳定；
[0103]
抗干扰能力强。
[0104]
基于上述无磁芯线圈设计方法实施例的描述，本技术实施例还公开了一种终端设备。
[0105]
图5为该终端设备可以包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序。如图5所示，该终端设备500包括存储器502和处理器501，所述存储器502中的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器501执行时，使得所述处理器501可以执行如前述方法实施例中的任意步骤。
[0106]
处理器501(或称cpu(central processing unit，中央处理器))是终端设备500的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或多条指令，具体适于加载并执行一条或多条指令从而实现相应方法流程或相应功能；在一个实施例中，本技术实施例上述的处理器501可以用于进行一系列的处理，包括如图2中所示的方法所涉及的各个步骤，此处不再赘述。
[0107]
本技术实施例还提供了一种计算机存储介质(memory)，上述计算机存储介质是电子设备(终端设备)中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机存储介质既可以包括电子设备中的内置存储介质，当然也可以包括电子设备所支持的扩展存储介质。计算机存储介质提供存储空间，该存储空间存储了电子设备的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或多条的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机存储介质可以是高速ram存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器；可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器的计算机存储介质。
[0108]
在一个实施例中，可由处理器加载并执行计算机存储介质中存放的一条或多条指令，以实现上述实施例中的相应步骤；具体实现中，计算机存储介质中的一条或多条指令可以由处理器加载并执行如图2所示的方法所涉及的各个步骤，此处不再赘述。
[0109]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0110]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，该模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。所显示或讨论的相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0111]
作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
[0112]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。该计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行该计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本技术实施例的流程或功能。该计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。该计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过该计算机可读存储介质进行传输。该计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(digital subscriber line，dsl))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。该计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。该可用介质可以是只读存储器(read-only memory，rom)，或随机存储存储器(random access memory，ram)，或磁性介质，例如，软盘、硬盘、磁带、磁碟、或光介质，例如，数字通用光盘(digital versatile disc，dvd)、或者半导体介质，例如，固态硬盘(solid state disk，ssd)等。