基于受控負阻抗的諧振阻抗感測的制作方法
【技術領域】
[0001]本公開總體涉及到傳感器和感測，諸如可以被用于測量或檢測傳感器對目標的響應，例如，基于位置、接近度或物理狀態(tài)或條件。
【背景技術】
[0002]諧振傳感器包括諧振器，其被配置為以諧振頻率和振幅進行穩(wěn)態(tài)(非感測)操作。諧振感測基于傳感器諧振狀態(tài)的變化，該傳感器諧振狀態(tài)的變化是通過例如由響應目標的傳感器/諧振器諧振阻抗的變化而造成的諧振器振蕩振幅和頻率的變化來表現(xiàn)的。例如，通過相對于傳感器的目標的接近度或位置，或者一些感測到的目標的物理狀態(tài)，可以引起對目標的傳感器響應。
[0003]例如，在感應感測的情況下，傳感器(諧振器)阻抗受到從LC諧振器的感應感測線圈輸出的磁通量的存儲或損耗的影響，諸如，所述磁通量的存儲或損耗可以由與傳導目標相關的渦流效應造成。在傳感器具有基于可變電容器的諧振器的情況下，諧振器阻抗受到電場能量的存儲或損耗的影響。在壓電諧振器的情況下，傳感器阻抗受到壓電晶體上力學應力變化的影響。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]提供了使用諧振傳感器的諧振阻抗感測的裝置和方法，該諧振傳感器包含諧振器，其特征是諧振阻抗和諧振頻率，以及符合諧振器振蕩振幅和諧振器頻率的諧振狀態(tài)，所述諧振狀態(tài)包含符合穩(wěn)態(tài)振蕩(穩(wěn)態(tài)諧振)的諧振狀態(tài)，其中諧振阻抗和諧振狀態(tài)兩者響應目標而變化。
[0005]諧振阻抗感測方法的各個所述實施例可以包括:(a)生成被提供(present)給傳感器的受控負阻抗；(b)基于檢測到的諧振狀態(tài)控制負阻抗以便基本抵消傳感器諧振阻抗，從而使傳感器諧振狀態(tài)與穩(wěn)態(tài)振蕩對應，其中負阻抗由負阻抗控制回路控制，負阻抗控制回路包括作為回路濾波器的傳感器諧振器，以及(C)基于受控負阻抗提供傳感器響應數(shù)據(jù)，從而使傳感器響應數(shù)據(jù)表示傳感器對目標的響應。
[0006]—個裝置的實施例，其被配置為實施諧振阻抗感測方法，該裝置可以包括:(a)被配置耦接到傳感器并且被配置為響應于負阻抗控制信號向傳感器提供受控負阻抗的負阻抗電路；以及(b)阻抗控制電路，其被配置為基于所檢測到的傳感器諧振狀態(tài)生成負阻抗控制信號，從而使得受控負阻抗基本抵消傳感器諧振阻抗進而使傳感器阻抗狀態(tài)符合穩(wěn)態(tài)振蕩。負阻抗控制回路包括作為回路濾波器的傳感器諧振器，并且控制負阻抗從而使負阻抗控制信號符合表示傳感器對目標的響應的傳感器響應數(shù)據(jù)。
【附圖說明】
[0007]圖1A是具有受控負阻抗的諧振阻抗感測的示例功能圖示，根據(jù)本發(fā)明各個方面，其包括諧振傳感器(用與諧振阻抗并聯(lián)的諧振器來表示)和傳感器數(shù)據(jù)轉換器，傳感器數(shù)據(jù)轉換器包括負阻抗級和負阻抗控制級，負阻抗級和負阻抗控制級建立了負阻抗控制回路，其中受控負阻抗被提供給傳感器以維持穩(wěn)態(tài)振蕩。
[0008]圖1B示出了基于LC諧振器的用于感應感測的示例諧振傳感器，其中諧振阻抗可以通過(a)串聯(lián)電阻Rs和(b)表示并聯(lián)電阻Rp的等效電路來表征。
[0009]圖1C根據(jù)本發(fā)明的各個方面示出了基于LC諧振器的用于感應感測的諧振傳感器，其中并聯(lián)電阻Rp (阻抗)被親接到受控負電阻Rres，其中Rres = -Rp符合穩(wěn)態(tài)振蕩。
[0010]圖2示出了諧振阻抗感測的示例功能實施例，其中使用感應諧振傳感器(LC諧振器)，將受控負阻抗耦接到傳感器數(shù)據(jù)轉換器，傳感器數(shù)據(jù)轉換器包括負阻抗級和負阻抗控制級，其中負阻抗級由具有可變(可控)跨導納(trans-admittance) (gm)的跨導納放大器來實施，并且阻抗(導納)控制級提供gm控制信號以調(diào)制/調(diào)諧gm (導納)，并且進而控制負阻抗。
[0011]圖3示出了諧振阻抗感測的示例功能實施例，其中使用感應諧振傳感器(LC諧振器)，將受控負阻抗耦接到傳感器數(shù)據(jù)轉換器，傳感器數(shù)據(jù)轉換器包括負阻抗級和負阻抗控制級，其中負阻抗級由被配置為可在兩個離散的跨導納水平(例如8111_低/高)之間切換的跨導納放大器來實施，并且負阻抗控制級被配置為提供相應的8111_低/高控制信號。
[0012]圖4示出了具有受控負阻抗的諧振阻抗感測的示例實施例，其中負阻抗級采用基于A或AB類放大器配置的跨導納放大器來實施。
[0013]圖5示出了具有受控負阻抗的諧振阻抗感測的示例實施例，其中負阻抗級采用基于D類放大器配置的連接(interface)到具有接地參考的H橋的諧振傳感器的跨導納放大器來實施。
[0014]圖6示出了具有受控負阻抗的諧振傳感器系統(tǒng)的示例實施例，其包括用基于接地參考的H橋D類跨導納放大器的D類負阻抗級來實施的電感數(shù)字轉換器(LDC)。
[0015]圖7A和圖7B根據(jù)本發(fā)明的各方面示出了用于諧振阻抗感測的示例應用，其包括(7A)軸向位置感測，其中傳感器對目標的響應符合相對于目標的傳感器的軸向(z軸)位置和/或取向，和(7B)橫向位置感測，其中傳感器響應符合傳感器和目標的相對橫向(xy)位置并且取決于被暴露給由傳感器生成的磁通量的一小部分的目標區(qū)域。
具體實施例
[0016]示例實施例通常在感應感測的背景下被給出，其中感應諧振傳感器(LC諧振器)被用于與傳導目標連接，以使得諧振傳感器對目標的響應符合感應諧振傳感器輸出的磁通量能量的存儲或損耗。實施例不局限于應用到感應感測，而其通常可應用到諧振阻抗感測(例如，包括電容和機械諧振阻抗感測)。
[0017]圖1A是具有受控負阻抗的諧振阻抗感測的示例功能性圖示。諧振阻抗感測系統(tǒng)10包含諧振傳感器50和傳感器數(shù)據(jù)轉換器100。
[0018]諧振傳感器50包含諧振器51，其特征可以是諧振阻抗53和以諧振器振蕩振幅和頻率為特征的諧振狀態(tài)。諧振傳感器50可以通過將能量充分地注入諧振器51以克服諧振阻抗53的損耗來以符合于穩(wěn)態(tài)振蕩的諧振狀態(tài)來操作。
[0019]目標的存在(與目標的交互)被反映為傳感器/諧振阻抗和頻率的變化，傳感器/諧振阻抗和頻率的變化進而導致了諧振狀態(tài)的變化。根據(jù)本發(fā)明的各個方面，通過將諧振器51維持在穩(wěn)態(tài)振蕩所需的受控負阻抗提供給諧振傳感器，捕獲諧振傳感器50 (諧振器51)對目標的響應并且將其轉換成傳感器響應數(shù)據(jù)。即，傳感器響應數(shù)據(jù)量化維持穩(wěn)態(tài)振蕩所需的負阻抗。例如，可以將這種傳感器響應數(shù)據(jù)提供給處理器或控制器以便檢測、測量或進行其他的處理。
[0020]圖1B示出了基于LC諧振器51的感應傳感的示例諧振傳感器50，所述LC諧振器51由感應器感測線圈和并聯(lián)電容器組成，其中諧振阻抗53被表示為串聯(lián)電阻Rs。同樣說明了具有被表示為電阻Rp的并聯(lián)阻抗53的等效LC諧振器51電路，其中Rp = L/(C Rs) 0在本說明書及附圖中，根據(jù)Rp = L/(C Rs)可互為交換使用Rs和Rp。
[0021]圖1C示出了諧振傳感器50，其具有LC諧振器51和表示為電阻Rp的并聯(lián)諧振阻抗53。根據(jù)本發(fā)明的各個方面，傳感器數(shù)據(jù)轉換器100將被表示為傳感器電阻Rres的受控負阻抗55提供給諧振傳感器，從而建立穩(wěn)態(tài)振蕩的條件為Rres = -Rp,以便抵消傳感器電阻Rp 0
[0022]參考圖1A和圖1C，傳感器數(shù)據(jù)轉換器100被配置為轉換/捕獲諧振傳感器50對目標的響應。根據(jù)本發(fā)明的各個方面，通過將受控負阻抗55提供給諧振傳感器50，傳感器數(shù)據(jù)轉換器100實施了諧振阻抗感測方法，從而基本抵消諧振阻抗53進而維持諧振狀態(tài)符合穩(wěn)態(tài)振蕩。結果，維持穩(wěn)態(tài)振蕩所需的受控負阻抗可以被量化為傳感器響應數(shù)據(jù)。傳感器數(shù)據(jù)轉換器可以被配置為提供與諧振阻抗并聯(lián)的受控負阻抗，如圖1A所說明的，或者提供與諧振阻抗串聯(lián)的受控負阻抗。
[0023]傳感器數(shù)據(jù)轉換器100被耦接到諧振傳感器50。轉換器100包括負阻抗級120，之后是負阻抗控制級130。負阻抗級120被配置為響應于由于感測目標的存在或與感測目標的交互而造成的諧振狀態(tài)(諧振器振蕩振幅和頻率)的變化向諧振傳感器提供受控的負阻抗。
[0024]通過將額外的電抗組件連接到諧振傳感器(諧振器51)，例如，并聯(lián)或串聯(lián)電容器，或者并聯(lián)或串聯(lián)電感，或者兩者的組合，可以配置/優(yōu)化諧振阻抗感測系統(tǒng)10以便以規(guī)定的諧振器頻率操作。這種系統(tǒng)配置可以使傳感器數(shù)據(jù)轉換器100獨立于諧振傳感器50的設計/配置而被設計/配置。于是，通過并入額外的電抗組件，并且然后將傳感器數(shù)據(jù)轉換器耦接到具有添加的電抗組件的諧振傳感器，而可以針對現(xiàn)有的諧振傳感器50來配置/優(yōu)化諧振阻抗感測系統(tǒng)10，所述添加的電抗組件被