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CN106233403A - 场调节器 - Google Patents

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CN106233403A CN201580020114.5A CN201580020114A CN106233403A CN 106233403 A CN106233403 A CN 106233403A CN 201580020114 A CN201580020114 A CN 201580020114A CN 106233403 A CN106233403 A CN 106233403A
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Abstract

本发明通常涉及一种场调节器，尤其涉及一种用于谐振电路的场调节器、包括这种场调节器的发射器、包括这种发射器的接近检测系统以及调节谐振电路的方法。本发明的一个方案提供一种用于谐振电路的场调节器，所述谐振电路包括磁芯周围的电感器线圈，所述场调节器包括被配置为施加DC偏置电流至所述电感器线圈以用于调整所述电感器产生的电磁场的DC偏置电路。DC偏置电路可以被用于选择性地改变谐振电路中电感器的电感，以便维持变化环境中的一致场强，尤其在考虑存在大金属体的情形下，否则其可能不利地影响操作。具体地，DC偏置电流可以被用于选择性地改变谐振电路的固有频率，以将谐振电路移向期望谐振点。

Description

场调节器
技术领域
本发明通常涉及一种场调节器，尤其涉及一种用于谐振电路的场调节器、包括这种场调节器的发射器、包括这种发射器的接近检测系统以及调节谐振电路的方法。
背景技术
很多工作场所，诸如涉及车辆、设备和机器(例如，卡车、起重机、牵引车、叉车、输送机、自卸车辆、挖掘机、破碎机、地下采矿设备等等)的操作和移动的工程工地和物料搬运工地，经常需要特别措施以将伤害及其它损害的风险降到最低，并满足特定安全要求。
先前技术包括报警系统，诸如接近检测及防撞系统，其已被开发出来以辅助工人或设备操作员检测另一个工人或机器的靠近，从而避免碰撞。
一些接近检测系统使用无线通信，其中当接收器在发射器的预定范围内时，接收器(由人员携带)可以检测到发射器产生的电磁场。这允许采取措施来避免碰撞或事故。
然而，发射器操作环境的因素可以影响由发射器产生的电磁场的强度和范围。例如，来自一个发射器的信号有时可能干扰来自一个或多个其它发射器的信号。此外，操作环境中的金属物体可以具有显著地改变电路电感和发射器的谐振频率的效果，从而影响发射器产生的电磁场的强度。
此外，例如由于电路组件随着寿命和使用而恶化和/或受温度、压力、湿度和其它环境变量等影响，电路组件的材料属性(诸如电介质、绝缘、导体和电感器磁芯材料的特性的变化)可能变化。
这些因素具有限制一些工作作业场所中现有接近检测系统的效力的影响。这些接近检测系统产生的电磁场可以是弱的、不可靠的和/或易中断或干扰的。
在现有接近检测系统中使用的发射器中，已知使用可变电感器或可变电容器来补偿在特定环境中设立和操作过程中发射器性能的任何变化。通常通过手动控制或使用伺服机构来调整这些可变电感器和电容器。这些解决方案要么涉及场干预，要么引入额外的复杂性以及由此产生的费用和风险。
本发明旨在至少部分解决上述缺点或问题中的一个或多个，或至少给相关行业提供有用的选择。
本说明书中，在引用或者讨论文件、行为或知识条目时，这种引用或讨论并非承认该文件、行为或知识条目或者其任意组合在优选权日是公知常识的一部分，或者被已知与尝试解决本说明书所涉及的任何问题有关。
发明内容
根据本发明的一个方案，提供一种用于谐振电路的场调节器，所述谐振电路包括围绕磁芯的电感器线圈，所述场调节器包括DC偏置电路，所述DC偏置电路被配置为施加DC偏置电流至所述电感器线圈以调节由所述电感器产生的电磁场。
DC偏置电路可以被用于选择性地改变谐振电路中电感器的电感，以便维持一致的场强度。具体地，DC偏置电流可以被用于选择性地改变谐振电路的固有频率，以便将谐振电路移向期望的谐振点。
通过在谐振电路电感器上直接叠加DC偏置电流来实现电感的变化，而无需额外的控制绕组。
优选地，场调节器包括反馈控制系统，其中基于在所述谐振电路中测量到的电流来确定所施加的DC偏置电流的电平。
优选地，场调节器包括：
电流检测器，用于检测所述谐振电路的电流；以及
偏振电流控制器，用于基于所检测到的所述谐振电路的电流来控制所述DC偏置电流。
DC偏置电流的变化可以具有调整标称电路响应点附近的谐振电路响应特性的效果，并且这可以被用于将电路谐振点调整至目标谐振点。
为此，场调节器可以被配置为基于对所述DC偏置电流中递增变化的谐振电路响应，来调整所述DC偏置电流。具体地，偏置电流控制器可以被配置为响应于所述DC偏置电流中的递增变化，基于所检测到的所述谐振电路中所述电流的变化来调整所述DC偏置电流。
偏置电流控制器可以被配置为响应于确定谐振电路的电流响应于DC偏置电流的递增增大而减小和/或确定谐振电路的电流响应于DC偏置电流的递增减小而增大，从而减少DC偏置电流。
另外，偏置电流控制器可以被配置为响应于确定谐振电路的电流响应于DC偏置电流的递增增大而增大和/或确定谐振电路的电流响应于DC偏置电流的递增减小而减小，从而增大DC偏置电流。
理论上，谐振电路的电流响应于DC偏置电流的递增增大而增大和/或谐振电路的电流响应于DC偏置电流的递增减小而减小，这可以表明固有频率低于谐振电路的驱动频率。相反地，谐振电路的电流响应于DC偏置电流的递增增大而减小和/或谐振电路的电流响应于DC偏置电流的递增减小而增大，这可以表明固有频率高于谐振电路的驱动频率。
优选地，电流检测器包括电流传感电阻器。在一些实施例中，电流检测器可以包括霍尔效应装置、磁检测线圈等。电流检测器可以以规则间隔采样谐振电路的电流。在一些实施例中，电流检测器可以连续地检测谐振电路的电流。通过计算样本的平均值，偏置电流控制器可以确定谐振电路的电流。典型地，电流检测器被定时为采样电流的峰值。
可选地，偏置电流控制器可以被耦接至谐振电路控制器，所述谐振电路控制器控制至所述谐振电路的交流电源。基于来自谐振电路控制器的信息，偏置电流控制器可以确定适当的采样时刻。
谐振电路控制器可以包括用于控制驱动所述谐振电路的驱动频率的H-桥控制器。典型地，H-桥控制器包括用于确定H-桥的驱动频率的微处理器。
优选地，DC偏置电流源与谐振电路的高电压解耦(decouple)。在优选实施例中，场调节器包括一个或更多AC阻挡电感器，用于将DC偏置电流源与谐振电路的电压解耦。可以使用任何合适数量的阻挡电感器。优选地，场调节器包括连接在谐振电路与DC偏置电流源之间的一对阻挡电感器。具体地，阻挡电感器可以被连接至DC源的每个端子。尤其，每个阻挡电感器的电感值可以比谐振电路的电感器的电感值大至少一个数量级。根据本发明的另一方案，提供一种发射器，包括：
谐振电路，包括围绕磁芯的电感器线圈；以及
场调节器，包括DC偏置电路，所述DC偏置电路用于施加DC偏置电流至所述电感器线圈以调节由所述电感器产生的电磁场。
电感器可以包括非均匀透磁率的磁芯。优选地，磁芯的透磁率从中央部朝着外周边减小。磁芯可以包括沿着磁芯的外周边或者邻近磁芯的外周边均匀间隔开的多个空隙。尤其，空隙可以是沿着磁芯的轴向的延长槽。
优选地，谐振电路包括隔离所述电感器线圈的阻挡器件，使得所述DC偏置电流仅流过所述电感器线圈。换言之，阻挡器件有利地防止DC偏置电流影响除了电感器线圈之外的谐振电路的组件。
为此，谐振电路还可以包括两个或更多电容器。典型地，电容器串联连接至电感器线圈。具体地，电容器可以被串联耦合至电感器的每个端子。
优选地，谐振电路的电感与电容比(L/C比)在1000至1,000,000的范围内。电感器可以具有600μH左右的电感。该对电容器可以具有大约3.3nF的组合电容。
电流感测电阻器可以与电容器中的一个电容器串联连接，使得能够检测流过电感器的电流。
谐振器电路可以由任何合适的电源供电。谐振电路可以包括用于将来自DC电源的DC信号转换为用于驱动所述谐振电路的AC信号的H-桥。可替代地，可以使用来自任何合适AC电源的AC信号来驱动谐振电路。
发射器还可以包括H-桥控制器，用于控制驱动谐振电路的驱动频率。H-桥控制器可以与H-桥分开或者与H-桥集成。
以本发明的形式，电容器操作为阻挡电容器，用于将来自H-桥和H-桥控制器的DC偏置电流解耦。
利用将DC偏置电流源从电感器的AC信号解耦的阻挡电感器，阻挡电容器和电感器的配置允许主信号和偏置信号的有效解耦，使得能够使用DC偏置电流电路来调整电感器的操作，而不显著地影响其它电路组件。
谐振电路的操作频率可以在50kHz与150kHz之间。优选地，谐振电路的操作频率为大约125kHz。
发射器可以包括故障检测系统，用于当所需DC偏置电流调整超过操作限制时检测故障情况。
根据本发明的又一方面，提供一种接近检测系统，包括如上所述的发射器。
根据需要，接近检测系统可以包括多个发射器以适应特定应用。类似地，接近检测系统可以包括一个或更多接收器，用于检测从发射器产生的电磁场。
根据本发明的再一方案，提供一种调节谐振电路的方法，所述谐振电路包括电感器线圈，所述方法包括以下步骤：施加DC偏置电流至所述电感器线圈，用于调节由所述电感器产生的电磁场。
所述方法可以包括以下步骤：
将DC偏置电流设置为预定值；
测量所述谐振电路中电流对所述DC偏置电流中递增变化的响应；以及
确定是否需要改变所述DC偏置电流，以实现所述谐振电路的期望谐振点。
所述方法可以包括响应于确定不需要改变而维持DC偏置电流。
所述方法可以包括：
如果所述谐振电路的所述电流响应于所述DC偏置电流的递增增大而增大和/或响应于所述DC偏置电流的递增减小而减小，则增大所述DC偏置电流；和
如果所述谐振电路的所述电流响应于所述DC偏置电流的递增减小而增大和/或响应于所述DC偏置电流的递增增大而减小，则减小所述DC偏置电流。
所述方法可以包括通过调整所述DC偏置电流的脉冲宽度调制(PWM)占空比，调整所述DC偏置电流。
DC偏置电流可以被用于选择性地改变谐振电路中电感器的电感，以便实现和维持期望的场强度。通过在谐振电路电感器上直接叠加DC偏置电流来实现电感的变化，而无需额外的控制绕组。
本说明书中提及的“一实施例”或“一个实施例”意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，本说明书中各个位置出现的短语“在一实施例”或“在一个实施例”不一定都指相同的实施例。此外，本文描述的特定特征、结构或特性可以任何合适的方式组合在一个或多个组合方案中。
附图说明
现在将参考附图来进一步解释和说明本发明，其中：
图1是根据本发明实施例的发射器的示意图；
图2是示出外部磁化场与图1发射器的场生成天线的感应磁通密度之间关系的B-H曲线；
图3是示出谐振电路电流幅度与图1发射器的谐振电路的固有频率之间关系的响应曲线；
图4是示出图1发射器的调节电路的操作的流程图；以及
图5是示出根据本发明另一实施例的调节电路的操作的流程图。
具体实施方式
图1的发射器100形成接近检测系统(未示出)的一部分。在操作过程中，发射器100产生电磁场，用于当接收器在发射器100的范围内时由一个或多个接收器(未示出)进行检测，允许适当的警告措施和/或防撞措施。
发射器100包括谐振电路102和场调节电路104(场调节器)。谐振电路102包括用于在操作期间产生电磁场的天线106。天线106包括具有非均匀透磁率的圆柱形磁芯(未示出)的电感器108以及在磁芯周围的电感器线圈的单个绕组。具体地，磁芯包括在磁芯外周边周围等间隔的多个轴向延长槽。谐振电路102还包括一对电容器110、112。每个电容器110、112被串联耦合到电感器108的相对端子，如图所示。
谐振电路102的电感与电容比(L/C)为1000至1,000,000的范围。在被测试的电路中，电感器108具有大约600μH的电感，该对电容器112、110具有大约3.3nF的组合电容。已选择特定的电感和电容值来实现大约125kHz的目标谐振频率。
谐振电路还包括与电容器110串联耦合的电流传感电阻器114。电流传感电阻器114允许测量在电感器线圈108中的电流，以提供反馈到调节电路104。在H-桥116与电容器110之间放置电流传感电阻器114确保传感电阻器114和相关联的传感电路不受穿过电感器108的全谐振电压的影响。
谐振电路102的H-桥116可以被用于将来自DC电源的DC信号转换为用于驱动谐振电路102的AC信号。可替代地，如果需要的话，H-桥116可以被用于调制AC电源的频率，使得选定操作频率下的AC驱动信号被施加至谐振电路102。
应该理解的是，作为这里描述的H-桥驱动的替代，可以由来自任何其它合适AC电源的AC信号来驱动谐振电路。
谐振电路102还包括H-桥控制器118，用于在适当驱动频率下驱动H-桥116，以产生所需的AC信号。尤其，H-桥控制器118包括被编程为控制驱动电路的微处理器，其在期望驱动频率下驱动H-桥。如上所述，谐振电路的操作频率通常为大约125kHz。
场调节电路104包括可变DC电流源120，用于经由偏置电流电路将DC偏置电流施加到电感器线圈108，以便调节由天线106产生的电磁场，如下进一步详细所述。
场调节电路104还包括DC偏置控制器122，用于控制由DC电流源120提供的DC偏置电流的电平。将参照图4进一步详细说明偏置电流控制器122的操作。
此外，场调节电路104包括一对电感器124、126，用于从谐振电路102的高电压解耦DC电流源120。每个电感器124、126被串联耦合到DC电流源120的相对端子，如图1所示。每个阻挡电感器124、126的电感值通常比电感器108的电感值大至少一个数量级。通过并联阻挡电感器124、126，这有利地防止天线106失谐。
在操作发射器100过程中，来自电源的输入信号被施加至谐振电路102。H-桥控制器118被配置为在适当切换频率下驱动H-桥116，以将输入信号转化为具有大约125kHz驱动频率和24V幅度的AC信号。选择这种AC信号以驱动谐振电路在谐振模式下操作，以产生具有所需场强度和范围的电磁场。
当发射器100被移动至接近其它金属物体时，可以影响由发射器100产生的电磁场的强度。
为了控制电磁场，调节电路104通过电感器线圈108施加变化的DC偏置电流，以便补偿电磁场中的任何变化。由此，在变化的外部操作条件下，变化的DC偏置电流被用于驱动谐振电路102在尽可能接近谐振点下操作。
具体地，通过检测响应于DC偏置电流的增大变化，在电流传感电阻器114两端测量到的流过电感器108的电流变化，偏置电流控制器122可以检测电磁场中的变化。然后基于所检测到的变化，偏置电流控制器122确定待施加到电感器线圈108的适当DC偏置电流。
电容器110、112串联耦接至电感器线圈108的相对端子，以便使H-桥控制器118与电感器108的DC偏置电流隔离。如前所述，电感器124、126阻挡DC电流源120免受电感器108两端的高电压AC信号。该解决方案提供了主AC电力信号和DC偏置信号的有效解耦，使得DC偏置电流可以被用于调节天线106的性能，而不影响其它电路组件的操作。
因此，DC偏置电流可以被施加到电感器线圈108，以改变电感器磁芯透磁率以及其电感，从而改变谐振电路102的固有频率。通过改变固有频率以紧密地匹配驱动频率，可以实现和维护谐振电路102的目标谐振点，以便建立发射器100的一致操作。
图2的B-H曲线(磁滞曲线)200示出被施加到天线106的外部磁化场H与天线106的感应磁通密度B之间的关系。曲线200的斜率表示电感器磁芯的磁导率，μ＝B/H。如曲线200所示，被施加到天线106的外部磁化场H的增大引起感应磁通密度B的增大，直到达到饱和状态为止。
为了有效的操作，选择在曲线200上具有变化斜率并且远离饱和的操作区域。例如，选择曲线200上A点周围的操作区域。在这个操作区域，可以通过改变外部磁化场H来改变曲线200的斜率。以这种方式，可以通过所施加DC偏置电流的变化有效地改变电感器108的磁导率。
在所测试的装置中，选择发射器100的电感值和电容值，使得谐振电路102的固有频率尽可能接近125kHz的期望操作频率。可以使用以下公式(1)表示谐振电路102的固有频率fn、电感L与电容C之间的关系：
f n = 1 2 π L C - - - ( 1 )
因此，电感L的增大引起谐振电路102的固有频率fn的减小，反之亦然。
如图2所示，当天线106在A点操作时，DC偏置电流的增大具有增大外部磁化场H的效果，引起操作点稍微移动到A点的右侧。随着曲线200的斜率减小到A点的右侧，有效磁导率μ也减小，从而引起谐振电路102的电感L减小以及固有频率fn增大。
相反地，DC偏置电流的减小具有减小外部磁化场H的效果，引起电感器108的操作点稍微移动到A点的左侧。随着曲线200的斜率增大到A点的左侧，有效磁导率μ也增大，从而引起谐振电路102的电感L增大，进而固有频率fn减小。
可以通过在电流值周围少量地扰动DC偏置电流，并且响应于这个调谐变化比较谐振电路102中电流的变化，实现相对于驱动频率来确定普遍的(prevalent)固有频率。
如图3中的响应曲线300所示，水平轴表示驱动频率，作为谐振电路102的驱动频率f与谐振频率fn之间的比例。在曲线300的R点处实现谐振频率102的峰值谐振电流幅值，在该点处谐振频率fn等于谐振电路102的驱动频率f。在实践中，当固有频率fn几乎等于谐振电路102的驱动频率时，即，f≈fn，实现谐振峰值电流幅值。当谐振电路102在曲线300的B点操作时，固有频率fn大于驱动频率f。当谐振电路102在曲线300的C点操作时，固有频率fn低于驱动频率f。
如之前参照图2所讨论的，DC偏置电流的增大将减小电感器108的透磁率和电感L，因此增大谐振电路102的固有频率fn。相反地，DC偏置电流的减小将减小谐振电路102的固有频率fn。
为了确定谐振电路102的固有频率fn是否低于、大约等于或者大于驱动频率f，由电流传感电阻器114测量响应于输入DC偏置电流中的增大变化，谐振电路102的电流Ic的变化。
如果谐振电路102在曲线300的B点处操作，则固有频率fn大于驱动频率f。当输入DC偏置电流递增地增大时，固有频率fn也增大。在B点处，固有频率fn的增大将引起谐振电路102的操作点移至B点的左侧，导致谐振电路102的电流Ic相应减小。当DC偏置电流递增地减小时，反之亦然。因此，如果谐振电路102的电流Ic响应于DC偏置电流的递增增大而减小，并且响应于DC偏置电流的递增减小而增大，则谐振电路102运行至响应曲线300上谐振点R的左侧，并且固有频率fn大于驱动频率f。因此，偏置控制器122减小输入DC电流以减小固有频率fn，直到固有频率fn紧密地匹配驱动频率。
相反地，如果谐振电路102在曲线300的C点处操作，则固有频率fn低于驱动频率f。当输入DC偏置电流递增地增大时，固有频率fn也增大。在C点处，固有频率fn的增大将引起谐振电路102的操作点移至C点的左侧，导致谐振电路102的电流Ic相应增大。当DC偏置电流递增地减小时，反之亦然。因此，如果谐振电路102的电流Ic响应于DC偏置电流的递增增大而增大，并且响应于DC偏置电流的递增减小而减小，则谐振电路102运行至响应曲线300上谐振点R的右侧，并且固有频率fn低于驱动频率f。因此，偏置控制器22增大输入DC电流以增大固有频率fn，直到固有频率fn紧密地匹配驱动频率。
在实践中，通常通过调节DC偏置电流的PWM占空比来调节DC偏置电流。此外，通过以规则间隔采样电流Ic并且求出合适时间段内采样值的平均数来实施对谐振电路102电流的测量。
为了允许将谐振电路102的固有频率有效地调整为大约125kHz的期望操作频率，谐振电路102的零偏置谐振点被最初地设置在125kHz以下的设定点处，例如125kHz以下的5％-10％。
如上所述，在设置和操作过程中，例如周围环境中的金属物体可以影响谐振电路102的固有频率，进而影响由天线106产生的电磁场的强度。现在将参照图4来描述操作过程400，调节电路104通过该操作过程400调节天线106的感应磁通密度B以补偿场变化。
在步骤402，偏置电流控制器122将DC电流源120提供的DC偏置电流设置为预定值。该预定值可以是出厂设置或在初始设置时确定的任何合适的值。在过程400的开始时刻，电流控制器122启动传感模式400A，其中控制器122确定谐振电路102正在操作的响应曲线300的一般区域(即，不管固有频率高于、低于还是大致等于驱动频率)。传感模式400A包括步骤402到416。
在步骤404，电流传感电阻器114测量响应于DC偏置电流(IDC)的递增增大的谐振电路电流变化(△Ic)。
在步骤406，电流传感电阻器114测量响应于DC偏置电流(IDC)的递增减小的谐振电路电流变化(△Ic)。
在查询步骤408，偏置电流控制器122确定DC偏置电流是否过低。如之前参照图3所讨论的，响应于IDC递增增大的Ic的增大以及响应于IDC递增减小的Ic的减小表明谐振电路的固有频率低于驱动频率(fn＜f)，并且需要增大IDC来驱动固有频率(fn)更接近驱动频率。如果DC偏置电流过低，则过程400进入步骤410。如果不是，则过程400进入步骤416。
在步骤410，偏置电流控制器122施加递增增大到DC偏置电流。通常地，这是通过施加递增增大(例如，增大1％)到DC偏置电流的PWM占空比来实现的。在步骤410，控制器122启动第一调整模式400B，其中DC偏置电流增大，直到谐振电路102实现谐振峰值电流幅值。该第一调整模式400B包括方法步骤410至414。
在步骤412，电流传感电阻器114测量响应于DC偏置电流的递增增大的谐振电路电流变化(△Ic)。
在查询步骤414，偏置电流控制器122确定DC偏置电流是否仍过低。如果谐振电路电流响应于DC偏置电流的递增增大而增大，则DC偏置电流过低。查询步骤414与查询步骤408略有不同之处，在于：电流控制器122已经知道谐振电路102在固有频率(fn)低于驱动频率的区域中(即，朝着图3中响应曲线300的右侧)操作。因此，没有必要还确定响应于DC偏置电流的递增增大的谐振电路电流变化(△Ic)。如果DC偏置电流过低，则过程400返回至步骤410。如果不是，则过程400进入步骤424。
在查询步骤416，偏置电流控制器122确定DC偏置电流是否过高。如之前参照图3所讨论的，响应于IDC递增增大的Ic的减小以及响应于IDC递增减小的Ic的增大表明谐振电路的固有频率高于驱动频率(fn＞f)，并且需要减小IDC来驱动固有频率(fn)更接近驱动频率。如果DC偏置电流过高，则过程400进入步骤418。如果不是，则过程400进入步骤424。
在步骤418，偏置电流控制器122施加递增减小至DC偏置电流。在步骤418，控制器122启动第二调整模式400C，其中DC偏置电流减小，直到谐振电路102实现谐振峰值电流幅值。该第二调整模式400C包括方法步骤418至422。
在步骤420，电流传感电阻器114测量响应于DC偏置电流的递增减小的谐振电路电流变化(△Ic)。
在查询步骤422，偏置电流控制器122确定DC偏置电流是否仍然过高。如所述的，如果谐振电路电流响应于DC偏置电流的递增减小而增大，则DC偏置电流过高。查询步骤422与查询步骤416略有不同之处，在于：电流控制器122已经知道谐振电路102在固有频率(fn)高于驱动频率的区域中(即，朝着图3中响应曲线300的左侧)操作。因此，没有必要确定响应于DC偏置电流的递增增大的谐振电路电流变化(△Ic)。如果DC偏置电流过高，则过程400返回至步骤418。如果不是，则过程400进入步骤424。
在步骤424，已经实现谐振电路102的谐振电流峰值幅值，并且偏置电流控制器122实施一合适时间段(例如60秒)的延迟。从步骤424开始，控制器122启动跟踪模式400D，其中通过对DC偏置电流值进行适当的递增调整来维持所实现的谐振电流峰值幅值。延迟的原因在于在跟踪模式下，电流控制器122在比传感模式400A、调整模式400B和400C更低的频率下对谐振电路电流采样。
在步骤426，电流传感电阻器114测量响应于DC偏置电流的递增增大的谐振电路电流变化(△Ic)。
在查询步骤428，偏置电流控制器122确定DC偏置电流是否过低。如果谐振电路电流响应于DC偏置电流的递增增大而增大，则DC偏置电流过低。如果DC偏置电流过低，则过程400进入步骤430。如果不是，则过程400进入步骤432。
在步骤430，电流控制器122施加递增增大至DC偏置电流。
在步骤432，电流传感电阻器114测量响应于DC偏置电流的递增减小的谐振电路电流变化(△Ic)。
在查询步骤434，偏置电流控制器122确定DC偏置电流是否过高。如果谐振电路电流响应于DC偏置电流的递增减小而增大，则DC偏置电流过高。如果DC偏置电流过高，则过程400进入步骤436。如果不是，则过程400返回至步骤424。
在步骤436，电流控制器122施加递增减小至DC偏置电流。
DC偏置电流IDC的典型操作值的范围可以为50mA至2000mA。在如上所述的实施例中，IDC的典型电流值为350mA至400mA。
图5示出可替代操作过程500，其中调节电路104控制DC偏置电流以实现谐振电路的期望固有频率。
在步骤502，偏置电流控制器122驱动DC电流源120以提供具有在所设置的电流值IDC附近临界波动的DC偏置电流。
在步骤504，通过电流传感电阻器114检测响应于DC偏置电流波动的谐振电路电流的变化。
在步骤506，偏置电流控制器122以之前所述方式，基于在步骤504检测到的电流变化，来确定或估计相对于驱动频率的谐振电路102的固有频率fn。
在查询步骤508，偏置电流控制器122确定谐振电路102的固有频率fn是否高于期望操作频率范围的上限fup，例如130kHz。如果固有频率fn高于上限fup，则过程500进入步骤512。可替代地，过程进入步骤510。在一个示例中，可以通过测量响应曲线300上谐振电路102的操作点处谐振电路电流幅度的衰减来估计固有频率。
在查询步骤510，偏置电流控制器122确定谐振电路102的固有频率fn是否低于期望操作频率范围的下限flow，例如120kHz。如果固有频率fn低于下限flow，则过程500进入步骤514。可替代地，过程返回至步骤502，而不改变所设定的电流值IDC。
在步骤512，偏置电流控制器122将DC偏置电流源120提供的所设定电流值IDC减小递增量。如之前参照图2所示，DC偏置电流的减小引起谐振电路102的固有频率减小。
在步骤514，偏置电流控制器122将DC偏置电流源120提供的所设定电流值IDC增大递增量。如之前参照图2所示，DC偏置电流的增大引起谐振电路102的固有频率也增大。
因此，场调节器104提供了反馈控制系统，其被配置为通过检测谐振电路电流变化来检测在操作过程中由谐振电路102产生的电磁场的变化并且然后通过调节DC偏置电流来自动补偿变化。
因此，场调节器104提供了调节发射器100性能的有成本效益方式，而无需手动校准或额外的组件(诸如伺服机构)。
此外，在接近检测系统的初始设置过程中，发射器被安装到工作场所的各种车辆、机器和设备。车辆、机器和设备的金属可以影响各个谐振电路102的谐振频率。在初始设置之后，每个谐振电路102的场调节器104自动地调节谐振电路102的谐振频率，使得可以维持由每个发射器100产生的电磁场的强度和范围。
此外，场调节器104可以用于协助谐振电路102的初始调谐过程。在初始调谐过程中，必须为电路电容和电感确定适当的值，以实现谐振电路的特别谐振频率。在电路电感相对高的情形(上述实施例的情形)下，匹配电容器必须具有非常低的电容值(例如在nF范围内)。调谐过程涉及选择标准值和制造公差的电容器，然后将它们串联和并联组合以实现所期望的总有效电容。同时，必须考虑电容器组合的低公差、高电压、低温度敏感性、低串联电阻、以及低标称值的要求。因此，通常难以实现适当的电路电容以匹配目标谐振频率的特别电路电感。可以使用本发明的场调节器提供的DC偏置电流来改变谐振电路的透磁率和电感，使得即使使用可得组件不能实现精确的电路电容，但是仍可以实现适当的谐振频率。
虽然上述示例描述了关于接近检测系统的发射器100使用的场调节器104，但是本领域技术人员应该理解场调节器104的概念也可以用于其它应用中，例如，期望调谐和调整谐振电路(串联或并联)的电感器特性的应用、或期望产生和维持特定强度和范围的振荡磁场或电场的应用。一些示例包括有源滤波器、用于公共广播或点对点通信的发射器、金属或矿石检测、具有比较器和反馈控制的载波跟踪、使用谐振点去谐来产生AM信号、以及通过跟踪瞬时传输频率来维持FM传输中的高SNR。此外，场调节器可以用于AM、VHF、HF和LF应用中。
本说明书中使用的词“包括”及词“包括”的形式不限制本发明，本发明不排除任何变型或附加。
对本发明的修饰和改进对于本领域普通技术人员而言是显而易见的。这些修饰和改进理应落入本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种用于谐振电路的场调节器，所述谐振电路包括围绕磁芯的电感器线圈，所述场调节器包括DC偏置电路，所述DC偏置电路被配置为施加DC偏置电流至所述电感器线圈以调节由所述电感器产生的电磁场。
2.根据权利要求1所述的场调节器，包括反馈控制系统，其中基于在所述谐振电路中测量到的电流来确定所施加的DC偏置电流的电平。
3.根据权利要求2所述的场调节器，包括：
电流检测器，用于检测所述谐振电路的电流；以及
偏置电流控制器，用于基于所检测到的所述谐振电路的电流来控制所述DC偏置电流。
4.根据权利要求3所述的场调节器，被配置为基于对所述DC偏置电流中递增变化的谐振电路响应，来调整所述DC偏置电流。
5.根据权利要求4所述的场调节器，其中所述偏置电流控制器被配置为响应于所述DC偏置电流中的递增变化，基于所检测到的所述谐振电路的电流的变化来调整所述DC偏置电流。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的场调节器，其中所述电流检测器包括电流传感电阻器。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的场调节器，其中所述电流检测器被配置为以规则间隔采样所述谐振电路的电流。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的场调节器，其中所述偏置电流控制器被耦接至谐振电路控制器，所述谐振电路控制器控制至所述谐振电路的交流电源。
9.根据权利要求8所述的场调节器，其中所述交流电源包括用于控制用以驱动所述谐振电路的驱动频率的H-桥控制器。
10.根据任意前述权利要求所述的场调节器，其中DC偏置电流源与所述谐振电路的高电压去耦。
11.一种发射器，包括：
谐振电路，包括围绕磁芯的电感器线圈；以及
场调节器，包括DC偏置电路，所述DC偏置电路用于施加DC偏置电流至所述电感器线圈以调节由所述电感器产生的电磁场。
12.根据权利要求11所述的发射器，其中所述谐振电路包括阻挡器件，以隔离所述电感器线圈，使得所述DC偏置电流仅流过所述电感器线圈。
13.根据权利要求12所述的发射器，其中所述谐振电路包括串联连接至所述电感器线圈的两个或更多电容器。
14.根据权利要求13所述的发射器，其中电流传感电阻器与所述电容器中的一个或更多电容器串联连接，使得能够检测流过所述电感器的电流。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的发射器，其中所述谐振电路包括H-桥，所述H-桥用于将来自DC电源的DC信号转换成用于驱动所述谐振电路的AC信号。
16.一种接近检测系统，包括根据权利要求11至15中任一项所述的发射器。
17.一种调节谐振电路的方法，所述谐振电路包括电感器线圈，所述方法包括以下步骤：
施加DC偏置电流至所述电感器线圈，用于调节由所述电感器产生的电磁场。
18.根据权利要求17所述的方法，包括以下步骤：
将DC偏置电流设置为预定值；
测量所述谐振电路中电流对所述DC偏置电流中递增变化的响应；以及
确定是否需要所述DC偏置电流的改变，以实现所述谐振电路的期望谐振点。
19.根据权利要求18所述的方法，包括以下步骤：
如果所述谐振电路的电流响应于所述DC偏置电流的递增增大而增大和/或响应于所述DC偏置电流的递增减小而减小，则增大所述DC偏置电流；或
如果所述谐振电路的电流响应于所述DC偏置电流的递增减小而增大和/或响应于所述DC偏置电流的递增增大而减小，则减小所述DC偏置电流。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其中调整所述DC偏置电流涉及调整所述DC偏置电流的脉冲宽度调制(PWM)占空比。
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