專利名稱：用于定位金屬物體的傳感器以及用于分析這種傳感器的測(cè)量信號(hào)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的用于定位金屬物體的傳感器以及一種用于分析這種傳感器的測(cè)量信號(hào)的方法。
背景技術(shù)：
用于定位例如隱藏在建筑材料中的金屬物體的傳感器或探測(cè)器目前通常使用感應(yīng)方法。在此利用，導(dǎo)電以及鐵磁材料影響安置在環(huán)境中的電磁線圈的特性。由金屬物件引起的感應(yīng)特性的改變被這種探測(cè)器的接收電路記錄。以這種方式，例如被封閉在墻壁中的金屬物件原則上可以借助一個(gè)或多個(gè)被引導(dǎo)越過(guò)墻壁的線圈來(lái)定位。
在此，磁性和非磁性物體以不同的方式影響感應(yīng)傳感器。例如鐵磁性鐵棒插入傳感器線圈的磁場(chǎng)中可以通過(guò)該傳感器線圈的電感的增大來(lái)識(shí)別。與此相對(duì)，導(dǎo)電的非磁性材料通過(guò)在這些材料中所感生的渦流而引起探測(cè)器線圈的損耗的增大。因此，在傳感器的范圍內(nèi)導(dǎo)電的非磁性物件的存在可以通過(guò)傳感器線圈的品質(zhì)的下降來(lái)識(shí)別。金屬物體對(duì)感應(yīng)傳感器的特性的反作用通常是針對(duì)該傳感器所使用的頻譜的函數(shù)。首先應(yīng)該對(duì)鐵磁性物體、即特別是鐵和鋼起反應(yīng)的感應(yīng)傳感器合宜地在10kHz以及更小的范圍內(nèi)的頻率處工作，因?yàn)樵诟叩念l率處大多數(shù)磁性材料的磁導(dǎo)率快速降低。
在探測(cè)金屬物體時(shí)的技術(shù)難題在于，待定位的物件對(duì)傳感器裝置的一個(gè)線圈或多個(gè)線圈的反作用在數(shù)值上非常小。這特別是對(duì)非鐵磁性物體、如例如技術(shù)上重要的銅的影響適用。
基于感應(yīng)方法的探測(cè)器通常具有高的偏移、即在傳感器上可截取的高的信號(hào)，該信號(hào)已經(jīng)在沒(méi)有外部的、即待定位的金屬物件的影響的情況下由探測(cè)器的接收電路所測(cè)量。這種高的偏移使得難以檢測(cè)非常小的感應(yīng)變化，這些變化由被置于探測(cè)器附近的金屬物件引起。
由金屬物體引起的傳感器線圈的電感L的變化ΔL在實(shí)踐中非常小，并且特別是比相同線圈在不存在金屬物體時(shí)所具有的電感L小很多。在此，在探測(cè)時(shí)最大的技術(shù)難題不是提供傳感器特性的變化的小的絕對(duì)值、即電感變化ΔL，而是提供傳感器特性的通常幾乎極小的相對(duì)變化、即極小的商ΔL/L。
特別有干擾的是在探測(cè)非磁性材料時(shí)的偏移。用于實(shí)現(xiàn)高的測(cè)量效率的通常途徑是使用具有特別高的品質(zhì)的傳感器線圈。由待定位的物體引起的線圈品質(zhì)的輕微的降低隨后僅僅在較小的程度上被總歸存在的線圈損耗所掩蓋。通常所采取的途徑在于，在傳感器中使用具有高的繞組數(shù)目的接收線圈并且采用具有特別小的磁性損耗的鐵氧體磁心。
在非常大的偏移信號(hào)上探測(cè)非常小的傳感器特性變化的必要性以將窄公差的并且因此更昂貴的部件用于這種探測(cè)器為前提，并且此外要求漂移非常小的模擬電子設(shè)備，該模擬電子設(shè)備明顯提高傳感器或者相應(yīng)的定位設(shè)備的成本。
為了對(duì)付該偏移問(wèn)題，在現(xiàn)有技術(shù)中公開(kāi)了不同的方法，這些方法共同具有的目標(biāo)是，減小在金屬物體不存在時(shí)所存在的傳感器信號(hào)并且因此放大相對(duì)的信號(hào)變化。
通常在此情況下選擇多級(jí)方法，其中例如在第一步驟中使用傳感器線圈裝置，該裝置能夠在理想情況下已經(jīng)完全消除或者補(bǔ)償信號(hào)偏移。然而，在實(shí)踐中可實(shí)現(xiàn)的補(bǔ)償品質(zhì)經(jīng)常例如依賴于制造公差，使得信號(hào)偏移的完全消除經(jīng)常使在一定程度上用于精細(xì)補(bǔ)償?shù)牧硗獾姆椒ǔ蔀楸匾?br> 下面被納入上位概念“感應(yīng)補(bǔ)償傳感器”的金屬探測(cè)器系列所基于的共同思想在于，用多于一個(gè)的單線圈構(gòu)造探測(cè)器并且特別是區(qū)分用于激勵(lì)磁場(chǎng)的繞組系統(tǒng)和用于探測(cè)的繞組系統(tǒng)。特別是可以使用這樣的裝置，該裝置這樣在空間中定位反向纏繞的線環(huán)(Leiterschleifen)，使得在不存在金屬物體時(shí)由激勵(lì)磁場(chǎng)在接收機(jī)系統(tǒng)中所感生的電壓消失。這例如通過(guò)以下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，即由激勵(lì)磁場(chǎng)在被反向定向的接收線環(huán)中感生相同幅度的電壓，然而這些電壓由于定向而具有相反的符號(hào)并且因此相互抵消。
由DE 101 22 741 A1公開(kāi)了一種用于定位金屬物件的探測(cè)器，該探測(cè)器具有相互感應(yīng)耦合的接收線圈和第一發(fā)射或勵(lì)磁線圈。為了在探測(cè)器中出現(xiàn)盡可能小的偏移信號(hào)，存在同樣與接收線圈感應(yīng)耦合的第二發(fā)射線圈。接收線圈和兩個(gè)發(fā)射或勵(lì)磁線圈相對(duì)于共同的軸同心布置，其中兩個(gè)發(fā)射線圈在它們的繞組數(shù)目、定向和/或它們的尺寸方面這樣被確定，使得由這兩個(gè)發(fā)射線圈在接收線圈中所激發(fā)的磁通在不存在金屬物體時(shí)恰好相互補(bǔ)償。
由US 5,729,143公開(kāi)了一種探測(cè)器，其目標(biāo)在于，盡可能地抑制前面提及的測(cè)量信號(hào)的偏移。為了該目的，US 5,729,143的探測(cè)器包括具有發(fā)射機(jī)的發(fā)射線圈以及具有接收機(jī)的接收線圈。該探測(cè)器的發(fā)射線圈和接收線圈以它們部分地相互重疊的方式彼此感應(yīng)耦合。由發(fā)射機(jī)給發(fā)射線圈饋送交變電流。電流流經(jīng)的該發(fā)射線圈通過(guò)其與接收線圈感應(yīng)耦合而在該接收線圈中激發(fā)在兩個(gè)線圈的重疊面中的第一部分磁通以及在接收線圈的剩余面中的第二部分磁通。發(fā)射線圈和接收線圈的中心之間的距離現(xiàn)在可以這樣來(lái)選擇，使得兩個(gè)具有相反的符號(hào)的部分磁通恰好相互補(bǔ)償。如果情況如此，則電流流經(jīng)的發(fā)射線圈(當(dāng)在線圈裝置的附近不存在外部的金屬物件時(shí))在接收線圈中不感生電流，使得在該理想情況下接收機(jī)也不會(huì)測(cè)量到偏移信號(hào)。只有當(dāng)線圈裝置被置于金屬物件附近時(shí)，由發(fā)射線圈所產(chǎn)生的場(chǎng)才被干擾，使得現(xiàn)在在接收線圈中激發(fā)不消失的磁通，該磁通在接收線圈中產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)，該測(cè)量信號(hào)不受偏移信號(hào)的影響并且可以由接收機(jī)或連接在該接收機(jī)之后的分析電路來(lái)分析。
在此，發(fā)射線圈和接收線圈的中心之間的相對(duì)距離是極其關(guān)鍵的參數(shù)，使得要理想地假設(shè)的、接收機(jī)線圈中感生電壓的不存在在實(shí)踐中只能以大的技術(shù)花費(fèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)。已經(jīng)表明，以這種方式在這種傳感器的批量生產(chǎn)的條件下不能實(shí)現(xiàn)磁通分量的充分的補(bǔ)償。
由于該原因，US 5,729,143提出一種電子電路，其事后以電子方法實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償并且使這種傳感器因此也實(shí)際可用。
在US 5,729,143中所描述的方法單頻工作。在激勵(lì)器側(cè)生成確定頻率f的交變磁場(chǎng)，并且所感生的電壓分量在接收機(jī)繞組中利用合適的模擬和數(shù)字濾波器頻率選擇性地正好在該頻率f處被分析。由于接收機(jī)和激勵(lì)器系統(tǒng)的不足的磁補(bǔ)償而在接收機(jī)繞組中所感生的頻率f的電壓U(f)具有依賴于溫度的幅度和相位，該電壓此外還受附加的同型元件參數(shù)差異的影響。US 5,729,143的方法現(xiàn)在基于，類似于在接收機(jī)繞組中所感生的電壓，添加校正電壓，該校正電壓的幅度和相位在工作頻率f處恰好補(bǔ)償誤差電壓U(f)。為此微處理器在頻率f處生成在相位和幅度方面受控的數(shù)字校正信號(hào)。在此，對(duì)于補(bǔ)償來(lái)說(shuō)所需的幅度和相位取決于相移，該相移由激勵(lì)器和接收機(jī)支路中的電路的部件引起。然而因此所需要的校正信號(hào)此外還受溫度漂移的影響。為了即使在工作溫度改變時(shí)也能補(bǔ)償誤差電壓U(f)，微處理器必須隨著溫度跟蹤校正信號(hào)的相位和幅度。此外通常需要由用戶進(jìn)行傳感器的重新校準(zhǔn)。
由EP 1092989 A1中公開(kāi)了一種用于補(bǔ)償例如由于制造公差而殘留的剩余偏移的替代方法。在該方法中不是將校正電壓添加到在接收機(jī)繞組中所感生的探測(cè)電壓上，而是利用附加的校正磁場(chǎng)。為此，磁場(chǎng)激勵(lì)的系統(tǒng)不僅僅由主勵(lì)磁線圈構(gòu)成，而是附加地添加所謂的微調(diào)繞組和校正繞組。在此，微調(diào)繞組和校正繞組之間的區(qū)別在于，校正繞組與主勵(lì)磁線圈串聯(lián)，并且因此總是流過(guò)相同的電流，而所謂的微調(diào)繞組可以被加載在校正和勵(lì)磁線圈中流過(guò)的電流的可調(diào)整的一小部分。以這種方式可以實(shí)現(xiàn)，在傳感器的環(huán)境中不存在金屬物體時(shí)，在探測(cè)器線圈中不產(chǎn)生感生電壓。EP 1092989 A1的方法在此情況下明顯更少地依賴于發(fā)射和接收電路中的漂移和部件公差。此外，測(cè)量并不局限于所選擇的工作頻率，因?yàn)檠a(bǔ)償很大程度上獨(dú)立于所使用的頻率。然而與此相對(duì)，根據(jù)EP 1092989 A1的傳感器的結(jié)構(gòu)明顯更復(fù)雜。US 5,729,143的傳感器僅僅各一個(gè)線圈用于發(fā)射和接收回路就夠了，而EP 1022989 A1的結(jié)構(gòu)在發(fā)射和激勵(lì)路徑中需要十個(gè)線圈以及需要四個(gè)線圈用于接收路徑。
與不區(qū)分獨(dú)立的激勵(lì)器系統(tǒng)和接收機(jī)系統(tǒng)的傳感器相比，金屬物體在補(bǔ)償傳感器中首先產(chǎn)生顯著更小幅度的信號(hào)變化。不僅由原始的激勵(lì)磁場(chǎng)所感生的電壓在接收支路中消除，而且弱的由待探測(cè)的物體所引起的磁場(chǎng)變化一般在一定程度上受到補(bǔ)償。
此外在補(bǔ)償傳感器中為磁心的使用設(shè)置了狹窄的界限。補(bǔ)償?shù)馁|(zhì)量在此敏感地依賴于所使用的鐵氧體的磁導(dǎo)率，該磁導(dǎo)率通常不能被足夠窄地確定公差。在實(shí)踐中，因此通常在補(bǔ)償傳感器中使用空氣線圈，其中必須考慮，線圈品質(zhì)急劇下降并且特別是使非磁性材料的探測(cè)變得困難。
用于規(guī)避在補(bǔ)償傳感器的情況下小的信號(hào)和低的空氣線圈品質(zhì)的問(wèn)題的通常方法在于，如例如在EP 1092989 A1中詳細(xì)闡述的，將接收線圈系統(tǒng)中的繞組數(shù)目選擇得盡可能高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所基于的任務(wù)在于，從現(xiàn)有技術(shù)的探測(cè)器或傳感器出發(fā)，給出開(kāi)頭提及的類型的補(bǔ)償傳感器，該補(bǔ)償傳感器的特性和測(cè)量結(jié)果隨著環(huán)境溫度盡可能僅僅微小地改變，使得即使在沒(méi)有定期的校準(zhǔn)過(guò)程的情況下也可以利用這種傳感器實(shí)現(xiàn)良好的測(cè)量結(jié)果。
此外，本發(fā)明的任務(wù)在于，特別是低成本地并且以對(duì)制造公差盡可能低的要求以及盡可能小的安裝花費(fèi)實(shí)現(xiàn)這種傳感器。
本發(fā)明所基于的任務(wù)通過(guò)具有權(quán)利要求1的特征的用于定位金屬物體的傳感器來(lái)解決。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)根據(jù)本發(fā)明的用于定位金屬物體的傳感器具有彼此感應(yīng)耦合的發(fā)射或勵(lì)磁線圈和接收導(dǎo)線結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明，至少接收導(dǎo)線結(jié)構(gòu)通過(guò)電路板上的印制導(dǎo)線系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
有利地，本發(fā)明傳感器中的至少一個(gè)接收線環(huán)系統(tǒng)因此用電路板的銅結(jié)構(gòu)、即印制電路來(lái)代替。這例如可以以印制布局(Print-Layout)的形式來(lái)產(chǎn)生。在線環(huán)作為銅結(jié)構(gòu)的這種擴(kuò)展方案中，一方面不產(chǎn)生用于制造和安裝接收繞組系統(tǒng)的另外的顯著的成本或提高的時(shí)間花費(fèi)。作為電路板上的印制導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的接收線環(huán)系統(tǒng)的本發(fā)明實(shí)施除了幾乎消失的成本之外還具有以下優(yōu)點(diǎn)，即線環(huán)的尺寸正確度可以非常高地被實(shí)施。以25微米的精度在電路板上制造銅結(jié)構(gòu)在技術(shù)上不引起大的問(wèn)題。
使用印制導(dǎo)線結(jié)構(gòu)作為接收導(dǎo)線結(jié)構(gòu)導(dǎo)致，傳感器的接收系統(tǒng)中的繞組數(shù)目必須被明顯減小。這又導(dǎo)致接收系統(tǒng)的非常小的電感。與轉(zhuǎn)換所需要的測(cè)量和分析方法一樣，以下認(rèn)識(shí)是本發(fā)明的主題，即盡管接收系統(tǒng)的單位長(zhǎng)度電感(Induktivitaetsbelag)極小，仍然可以構(gòu)造高級(jí)的感應(yīng)傳感器，該感應(yīng)傳感器與通常的補(bǔ)償傳感器相比可能甚至明顯更溫度穩(wěn)定并且更易于制造。
根據(jù)本發(fā)明的探測(cè)器的有利的改進(jìn)方案和實(shí)施形式由從屬權(quán)利要求的特征得出。
特別是為了定位非磁性材料，使用較高頻率是有利的，因?yàn)樵谶@些頻率處磁場(chǎng)到待定位的物體中的滲透深度下降并且因此在物體中所感生的渦流變得更有意義。因?yàn)樵?00kHz的工作頻率時(shí)到銅中的滲透深度已經(jīng)是大約0.2mm的數(shù)量級(jí)，但是在實(shí)踐中為了提高探測(cè)品質(zhì)而將工作頻率提高到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)200kHz一般不能達(dá)到目的。至少在使用感應(yīng)傳感器來(lái)找到建筑材料中的金屬時(shí)，該長(zhǎng)度已經(jīng)顯著小于相關(guān)物體、例如電線、水管或鋼筋的尺寸。
不僅應(yīng)該對(duì)導(dǎo)電物體而且也應(yīng)該對(duì)鐵磁物體起反應(yīng)的傳感器必須在頻率選擇方面達(dá)成妥協(xié)，并且因此合宜地在1kHz和10kHz之間的頻率范圍內(nèi)工作。特別合適的是4-6kHz的頻率，因?yàn)樵谠擃l率窗口中含鐵的物體和具有可比較的大小的導(dǎo)電物件產(chǎn)生近似相同幅度的測(cè)量信號(hào)。
為了使用在1kHz和100kHz之間的測(cè)量頻率，也談及以下事實(shí)，即分析電路和電子部件在此可以特別便宜地并且以低花費(fèi)來(lái)構(gòu)造。
為了精確地調(diào)整在補(bǔ)償傳感器中在接收路徑中所感生的電壓的補(bǔ)償，需要考慮，“探測(cè)器線圈”不僅感應(yīng)地起作用，而且同樣具有不消失的單位長(zhǎng)度電容值。用于定位設(shè)備的探測(cè)器線圈通常借助漆包銅線來(lái)制造。典型地被用于這些線圈的絕緣漆僅僅具有幾個(gè)微米數(shù)量級(jí)的小的厚度。因此，兩個(gè)并排的線圈不僅作為電感起作用，而且在一定程度上也作為電容器起作用，該電容器以絕緣漆作為電介質(zhì)。由于在使用漆包線時(shí)的小的絕緣厚度，寄生電容可以容易地不取可忽略的值。特別是在多層纏繞的線圈中情況如此。因?yàn)闉榱藢?shí)現(xiàn)最佳的補(bǔ)償幾何結(jié)構(gòu)，直到ppm數(shù)量級(jí)的電感的確定是重要的，所以在使用僅僅幾kHz的頻率時(shí)，該電容性影響也不再能夠被忽略。在此情況下要注意的是，通過(guò)寄生電容器而終止的電流在線圈的另外的繞組內(nèi)被升壓變換，并且因此總計(jì)可能導(dǎo)致顯著的干擾電位。在此，寄生電容此外遭受顯著的溫度漂移，因?yàn)榻^緣漆的介電常數(shù)不是熱穩(wěn)定的。這特別是在使用所謂的烤漆(Backlack)時(shí)適用。
有利地，根據(jù)本發(fā)明的接收系統(tǒng)的線環(huán)自動(dòng)地平面地被構(gòu)造，即在推廣的意義上被單層地“盤(pán)繞”。以這種方式可以簡(jiǎn)單地減小單位長(zhǎng)度電容值。平面的、單層的幾何結(jié)構(gòu)使得能夠保持大的回路與回路之間的間距并且因此減小單位長(zhǎng)度寄生電容值。此外因此保證，剩余的單位長(zhǎng)度電容值在熱學(xué)上幾乎是不變的，使得寄生電容的溫度漂移不再這樣重要。
構(gòu)造有接收線環(huán)系統(tǒng)的印制導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的電路板在根據(jù)本發(fā)明的傳感器中產(chǎn)生特別的意義。該電路板不僅僅用作傳感器的必要的電子電路的載體材料，而且作為功能部分是傳感器的整體的組成部分。在此，傳感器的各種不同的部件直接作為電路板上的印制導(dǎo)線結(jié)構(gòu)被構(gòu)造，這導(dǎo)致多個(gè)單個(gè)部件是多余的。
由于小數(shù)量的線環(huán)，在根據(jù)本發(fā)明的傳感器中一般除了激勵(lì)器系統(tǒng)和接收機(jī)系統(tǒng)的感應(yīng)耦合之外，寄生電容耦合也不再可忽略。為了能夠在很大程度上抑制這種寄生耦合，有利地在電路板上在纏繞的勵(lì)磁線圈和接收機(jī)結(jié)構(gòu)之間附加地布置屏蔽導(dǎo)線結(jié)構(gòu)或者直接將該屏蔽導(dǎo)線結(jié)構(gòu)構(gòu)造為印制導(dǎo)線結(jié)構(gòu)。這些能夠被置于地電位的結(jié)構(gòu)在制造傳感器時(shí)絲毫不引起值得一提的更高成本。特別地，在接收線環(huán)的根據(jù)本發(fā)明的平面的幾何結(jié)構(gòu)的情況下，平面的屏蔽結(jié)構(gòu)也可以提供良好的結(jié)果。
然而在施加屏蔽線路或屏蔽結(jié)構(gòu)時(shí)必須注意，在屏蔽幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)電流回路不能閉合。有利地，屏蔽結(jié)構(gòu)因此被構(gòu)造為由盡可能薄的單導(dǎo)線構(gòu)成的曲折結(jié)構(gòu)或梳狀結(jié)構(gòu)。
作為發(fā)射線圈或勵(lì)磁線圈工作的線圈位于與電路板在高度上錯(cuò)位的、即在z方向上被移動(dòng)的平行的第二平面中。這有利地能夠?qū)崿F(xiàn)，在發(fā)射線圈之下也可以布置附加的繞組，這些繞組允許顯著地降低對(duì)勵(lì)磁線圈的定位和尺寸公差的要求。
與所涉及的接收繞組的距離越大，勵(lì)磁線圈相對(duì)于所設(shè)置的位置的錯(cuò)誤定位就在越小的程度上對(duì)被不同地定向的單線環(huán)產(chǎn)生作用。即在勵(lì)磁線圈錯(cuò)誤定位時(shí)，在更近的接收線環(huán)中所感生的電壓必要時(shí)比在被相反地定向并且更遠(yuǎn)離的線環(huán)中更強(qiáng)烈地改變。因此結(jié)果是，所感生的電壓幅度的良好補(bǔ)償只能在高的位置正確度時(shí)才被保證。
除了有意義地以至發(fā)射線圈大的距離被布置的接收系統(tǒng)的繞組或線環(huán)之外，在勵(lì)磁線圈之下布置補(bǔ)償繞組，這些補(bǔ)償繞組在理想情況下應(yīng)該對(duì)由待探測(cè)的物體所生成的測(cè)量信號(hào)沒(méi)有影響。
在此，這樣確定相應(yīng)的補(bǔ)償繞組的數(shù)量和位置，使得在接收線環(huán)系統(tǒng)中所感生的電壓對(duì)勵(lì)磁線圈的高度錯(cuò)誤定位、即在z方向上的錯(cuò)誤調(diào)整的依賴性被盡可能精確地補(bǔ)償。因此，勵(lì)磁或發(fā)射線圈在z方向上的微小的錯(cuò)誤定位對(duì)在接收繞組中總計(jì)所感生的電壓不再起作用或者不再這么強(qiáng)烈地起作用。
有利地，補(bǔ)償繞組也被實(shí)現(xiàn)為電路板上的銅結(jié)構(gòu)。理想地，補(bǔ)償繞組和接收線圈的繞組在相同的電路板上構(gòu)造為印制導(dǎo)線結(jié)構(gòu)。
在這種探測(cè)器幾何結(jié)構(gòu)的情況下，得到在勵(lì)磁線圈在其位于接收線圈的平面之上的高度(z方向)上的定位方面的明顯減小的公差敏感性。
在本發(fā)明傳感器的一種有利的改進(jìn)方案中，接收線環(huán)系統(tǒng)的補(bǔ)償繞組被構(gòu)造在電路板的兩個(gè)相對(duì)的側(cè)面上。在此，順時(shí)針?lè)较蛞约澳鏁r(shí)針?lè)较蚶p繞的兩個(gè)補(bǔ)償環(huán)在盡可能相同的幾何結(jié)構(gòu)的情況下在不同的高度上、例如在電路板的兩側(cè)并且有利地作為印制導(dǎo)線結(jié)構(gòu)被施加。
通過(guò)位于傳感器內(nèi)部的補(bǔ)償繞組對(duì)幾乎相同地成形在電路板的正面和背面上，在至金屬物體的距離大的情況下，傳感器的方向特性不失真。以這種方式可以將補(bǔ)償繞組布置在勵(lì)磁線圈下方，而不消極地影響感應(yīng)傳感器的方向特性。
有利地，本發(fā)明傳感器的發(fā)射線圈被施加在線圈架上，該線圈架在安裝時(shí)接著被固定、例如被焊或者夾(eingeclipst)在電路板上。勵(lì)磁或發(fā)射線圈的繞組因此位于電路板之上確定的、限定的高度上，并且因此位于接收導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的平面之上。支承發(fā)射線圈的繞組的線圈架因此有利地也用作發(fā)射線圈或者其繞組相對(duì)于接收系統(tǒng)的線環(huán)的機(jī)械距離保持裝置，并且因此保證發(fā)射和接收繞組的限定的距離。
特別有利地，勵(lì)磁線圈通過(guò)被放入壓鑄零件中的觸針被電接觸，這些觸針被焊接在電路板上的為此所設(shè)置的孔內(nèi)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的也是機(jī)械的接觸，在此有益的是，使用多于兩個(gè)的電學(xué)上所需要的觸針，并且例如附加地設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)盲的、即不電接觸的引腳。以這種方式，勵(lì)磁線圈可以通過(guò)焊接工藝也在機(jī)械上精確地被固定。
這種具有根據(jù)本發(fā)明的傳感器幾何結(jié)構(gòu)的用于定位金屬物體的探測(cè)器因此有利地僅僅需要單個(gè)通常的線圈，并且使另外的纏繞的傳感器線圈與否則需要的單個(gè)線圈的高精度定位一樣多余。此外，本發(fā)明傳感器還具有良好的探測(cè)定向作用，并且在溫度變化時(shí)僅僅顯示出微小的漂移特性。
所描述的措施允許顯著地降低盡管有制造公差和熱漂移但仍殘留的信號(hào)偏移。然而，為了能夠?qū)崿F(xiàn)非常小的金屬物體的探測(cè)，可以值得期望的是，進(jìn)一步減小偏移。
根據(jù)本發(fā)明的解決方案在于，與電氣精細(xì)補(bǔ)償或者勵(lì)磁場(chǎng)修改的公知方法相反，修改接收幾何結(jié)構(gòu)。為此可以借助開(kāi)關(guān)裝置將線環(huán)或者線環(huán)的一小部分連接至接收系統(tǒng)或從其斷開(kāi)。在該調(diào)整環(huán)的合適的尺寸確定的情況下可以實(shí)現(xiàn)，在這些導(dǎo)線組中所感生的電壓恰好補(bǔ)償殘留的偏移電壓。
一種特別有利的技術(shù)解決方案是，用于精細(xì)補(bǔ)償?shù)木€環(huán)被構(gòu)造為印制導(dǎo)線上的導(dǎo)線組，因?yàn)檫@樣同樣實(shí)現(xiàn)幾十μm的高的由制造引起的尺寸正確度并且實(shí)現(xiàn)幾乎任意選擇該調(diào)整線環(huán)的幾何結(jié)構(gòu)的可能性。
使用電路板上的導(dǎo)線組來(lái)代替接收系統(tǒng)的線圈和/或?qū)崿F(xiàn)分路電阻和/或調(diào)整繞組對(duì)于隨后的信號(hào)處理來(lái)說(shuō)具有已導(dǎo)致根據(jù)本發(fā)明的分析電子設(shè)備或者相應(yīng)的分析方法的一系列后果。
一方面，通過(guò)在前面的段落中所描述的措施，已可以在這樣高的程度上抑制偏移，使得對(duì)于本發(fā)明傳感器來(lái)說(shuō)現(xiàn)在只還有在通常的探測(cè)器的情況下曾是不可見(jiàn)的漂移效應(yīng)變成重要的，因?yàn)檫@些漂移效應(yīng)大多被那里殘留的、偏移的漂移完全遮蓋。特別地，現(xiàn)在在本發(fā)明傳感器的情況下使人察覺(jué)到勵(lì)磁線圈的歐姆電阻隨著溫度的變化。本發(fā)明描述了一種有利的解決方案，其中借助分路電阻測(cè)量勵(lì)磁線圈中的電流的變化，并且實(shí)現(xiàn)該漂移效應(yīng)的補(bǔ)償。有利地，在此在激勵(lì)電流流經(jīng)的分路電阻的兩側(cè)截取并分析測(cè)量電壓。在使用兩個(gè)截取點(diǎn)的情況下，電路板上的測(cè)量電位的變化可以有利地被補(bǔ)償。在一種有利的實(shí)施方案中，分路電阻的決定電阻的材料本身由銅構(gòu)成。
在知道激勵(lì)支路中的電流和該電流的相位的情況下可以在計(jì)算上與必要時(shí)產(chǎn)生的相移一樣補(bǔ)償例如出現(xiàn)的測(cè)量幅度的減小，其中該測(cè)量幅度的減小例如由以下情況引起，即激勵(lì)信號(hào)中的電流由于勵(lì)磁線圈的銅電阻隨著溫度的增大而下降。
有利地，這種分路電阻同樣可以通過(guò)印制電路板上的導(dǎo)線組來(lái)形成。由于這種傳感器的分析電路的高的放大因數(shù)，分路電阻上的非常小的電壓幅度就足夠了，使得該分路電阻也可以有利地通過(guò)印制電路板上的由銅導(dǎo)線組構(gòu)成的短的曲折結(jié)構(gòu)形成，并且以這種方式避免附加的分離的部件。在實(shí)踐中，為此大約1-2cm的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)作為分路電阻足夠了。
在本發(fā)明傳感器的一種特別有利的實(shí)施形式中，為了測(cè)量分路電阻中的電流，使用相同的測(cè)量放大器，該測(cè)量放大器也被用于分析在接收線環(huán)系統(tǒng)中所感生的電壓。這可以通過(guò)在測(cè)量放大器的輸入端處使用合適的開(kāi)關(guān)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。優(yōu)點(diǎn)在于，以這種方式方法，測(cè)量放大器電路內(nèi)的長(zhǎng)時(shí)間效應(yīng)和溫度漂移效應(yīng)以與對(duì)線圈信號(hào)相同的方式對(duì)分路信號(hào)的測(cè)量起作用。此外，有利地避免構(gòu)造用于分路電壓的分離的測(cè)量放大器的成本，這些成本甚至在考慮所需要的開(kāi)關(guān)裝置的成本的情況下也導(dǎo)致顯著的成本降低。
在本發(fā)明傳感器的情況下，接收系統(tǒng)中的高的尺寸正確度的優(yōu)點(diǎn)以及因此可實(shí)現(xiàn)的偏移補(bǔ)償首先通過(guò)以下方式來(lái)得到，即探測(cè)器繞組的數(shù)目極其受限。由此引起的極小的、具有僅僅幾十nV數(shù)量級(jí)的電壓的信號(hào)電平要求特定的電路技術(shù)解決方案以及合適的信號(hào)處理，以便在分析測(cè)量信號(hào)時(shí)減小噪聲帶寬以及抑制寄生干擾信號(hào)。
在小的信號(hào)電平以及因此所需的高的放大因數(shù)的情況下，一方面要注意測(cè)量放大器的噪聲特別低的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可以特別有利地利用測(cè)量放大器的雙極輸入級(jí)以及非常低歐姆的反饋電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一方面，極高的放大因數(shù)和低的信號(hào)電平的組合導(dǎo)致，例如測(cè)量放大器的供給中的干擾信號(hào)對(duì)該測(cè)量放大器的輸入的串?dāng)_可能變得重要。本發(fā)明建議，借助合適的開(kāi)關(guān)裝置將測(cè)量放大器的輸入端直接置于地電位，以便能夠測(cè)量該干擾信號(hào)的幅度，并且在隨后的數(shù)字信號(hào)處理中將該干擾信號(hào)從測(cè)量信號(hào)中減去。
為了分析本發(fā)明傳感器，建議執(zhí)行用于減小噪聲帶寬的測(cè)量信號(hào)的窄帶數(shù)字濾波。在此有利地執(zhí)行激勵(lì)信號(hào)的數(shù)字生成和傳感器的測(cè)量放大器的輸出信號(hào)的相位同步的模數(shù)轉(zhuǎn)換。有利地，模數(shù)轉(zhuǎn)換的頻率至少對(duì)應(yīng)于磁場(chǎng)的振蕩頻率的四倍。
本發(fā)明使得能夠?qū)崿F(xiàn)低成本的傳感器，該傳感器通過(guò)以下方式使盡可能多的成本高的部件和設(shè)備元件變得多余，即傳感器的電路板不僅僅被用作電子電路的載體材料，而且作為功能部分是傳感器的整體的組成部分，其中各種不同的部件直接被構(gòu)造為該功能部分的印制導(dǎo)線結(jié)構(gòu)。
這例如通過(guò)用根據(jù)本發(fā)明的電路板上的導(dǎo)線組來(lái)代替迄今典型地使用的、纏繞的接收線圈以及在電路板上設(shè)置合適的導(dǎo)線組用于屏蔽勵(lì)磁線圈和探測(cè)器線圈以便抑制繞組的容性耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，例如分路電阻也可以直接通過(guò)該電路板的印制導(dǎo)線來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中該分路電阻能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量傳感器的激勵(lì)器支路中的電流，并且因此確定勵(lì)磁線圈中的電流的溫度漂移。
有利地，可以通過(guò)使用合適的開(kāi)關(guān)裝置在同一個(gè)放大器中進(jìn)行測(cè)量信號(hào)和分路信號(hào)的分析，該放大器理想地附加地允許分離地測(cè)量可能存在的由寄生干擾信號(hào)構(gòu)成的背景。以這種方式方法，漂移效應(yīng)例如在放大時(shí)同向地出現(xiàn)并且可以被補(bǔ)償。
由此可以實(shí)現(xiàn)一種感應(yīng)補(bǔ)償傳感器，該傳感器在第一步驟中具有有利的解決方案，用于通過(guò)避免附加的線圈以及考慮制造公差而對(duì)感應(yīng)傳感器的偏移信號(hào)進(jìn)行粗略補(bǔ)償。
在第二步驟中，能夠?qū)崿F(xiàn)有利的、用于該傳感器的溫度不變的精細(xì)調(diào)整的解決方案，以及通過(guò)其分析電路能夠?qū)崿F(xiàn)有利的解決方案和方法，以便通過(guò)模擬和數(shù)字信號(hào)處理來(lái)解決對(duì)于這種傳感器來(lái)說(shuō)特定的技術(shù)問(wèn)題、如例如極小的信號(hào)幅度。
具有前面闡述的優(yōu)點(diǎn)的本發(fā)明傳感器因此能夠?qū)崿F(xiàn)一種可靠的并且廉價(jià)的測(cè)量設(shè)備、特別是用于定位金屬物件的探測(cè)器，該探測(cè)器在沒(méi)有定期的校準(zhǔn)過(guò)程的情況下不依賴于溫度而提供良好的測(cè)量結(jié)果。這種測(cè)量設(shè)備例如可以被構(gòu)造為手持式定位設(shè)備。
此外，有利地可以將本發(fā)明傳感器集成在機(jī)床中或機(jī)床上，以便使應(yīng)用者能夠無(wú)危險(xiǎn)地并且可靠地利用這種機(jī)器工作。因此，傳感器例如可以被集成在鉆孔或鑿子工具中，或者被構(gòu)造為可以與這種工具連接的模塊。有利地例如灰塵抽吸裝置適合作為本發(fā)明傳感器的一種可能的安裝位置，該灰塵抽吸裝置與機(jī)床相連接，或者可以與該機(jī)床相連接，并且由功能決定在待處理的墻壁的附近使用。


在附圖中示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器的實(shí)施例，這些實(shí)施例將在隨后的描述中被進(jìn)一步闡述。附圖的圖、其描述以及權(quán)利要求包含很多組合形式的特征。本領(lǐng)域技術(shù)人員也應(yīng)單獨(dú)考慮這些特征并且將其概況為另外的有意義的組合，這些組合因此應(yīng)被視為同樣在說(shuō)明書(shū)中被公開(kāi)。
圖1以示意圖示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的、用于定位金屬物體的傳感器的傳感器幾何結(jié)構(gòu)的原理構(gòu)造，圖2以簡(jiǎn)化的示意圖示出本發(fā)明傳感器的線圈裝置的第一實(shí)施例，圖3以與圖2類似的視圖示出本發(fā)明傳感器的線圈裝置的第二實(shí)施例，圖4以電路板結(jié)構(gòu)的俯視圖示出本發(fā)明傳感器的接收機(jī)繞組的導(dǎo)線幾何結(jié)構(gòu)的布局，圖5示出根據(jù)圖4的電路板的電路板結(jié)構(gòu)的底視圖，圖6示出用于分析和處理本發(fā)明傳感器的測(cè)量信號(hào)的分析電路的示意圖。
具體實(shí)施例方式
為了介紹，下面首先簡(jiǎn)短地探討由現(xiàn)有技術(shù)公開(kāi)的用于在使用三個(gè)同心的傳感器線圈的情況下粗略補(bǔ)償偏移的原理。
隨后的段落的主題是根據(jù)本發(fā)明的原理，該原理導(dǎo)致利用該構(gòu)造可實(shí)現(xiàn)的粗略補(bǔ)償更不敏感地對(duì)制造公差和安裝公差作出反應(yīng)。特別是探討為了該目的附加的補(bǔ)償繞組的使用，示出以何種方法能夠避免這些補(bǔ)償繞組對(duì)傳感器的方向特性產(chǎn)生影響。
緊接著描述一個(gè)實(shí)施例的布局，該布局示出根據(jù)本發(fā)明的傳感器原理的實(shí)現(xiàn)。借助該例子，緊接著示例性地示出，如何可以將屏蔽幾何結(jié)構(gòu)用于抑制激勵(lì)器路徑和接收機(jī)路徑之間的容性耦合，以及如何可以借助開(kāi)關(guān)裝置通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)偏移的精細(xì)調(diào)整，即電路板上的線環(huán)可以選擇性地被接通或者斷開(kāi)。
描述的結(jié)束段落涉及電路技術(shù)解決方案的一個(gè)實(shí)施例以及信號(hào)處理的方法，特別需要該實(shí)施例和該方法，以便盡管本發(fā)明特定地極小的信號(hào)幅度，仍能確保良好的測(cè)量效率。
為了把補(bǔ)償傳感器的基本原理解釋清楚，圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于定位金屬物件的傳感器或探測(cè)器的原理構(gòu)造。在本文的范圍內(nèi)，概念“探測(cè)器”和“傳感器”被同義地使用。這種探測(cè)器在其傳感器幾何結(jié)構(gòu)10中具有三個(gè)線圈。連接到第一發(fā)射機(jī)S1上的第一發(fā)射線圈12，連接到第二發(fā)射機(jī)S2上的第二發(fā)射線圈14，以及連接在接收機(jī)E上的接收線圈16。這里，每個(gè)線圈都被示出為圓形的線。這三個(gè)線圈12、14、16的布置的特點(diǎn)在于，它們都相對(duì)于共同的軸18同心地布置。在此，各個(gè)線圈12、14、16具有不同的外部尺寸，使得線圈12可以相對(duì)于軸18同心地置入線圈14中。兩個(gè)發(fā)射線圈12和14由其發(fā)射機(jī)S1和S2饋送相反相位的交流電流。因此，第一發(fā)射線圈12在接收線圈16中感生磁通，該磁通與由第二發(fā)射線圈14在接收線圈16中所感生的磁通方向相反。在接收線圈16中感生的兩個(gè)磁通相互補(bǔ)償，使得如果沒(méi)有外部的金屬物件位于線圈裝置10附近，則接收機(jī)E在接收線圈16中探測(cè)不到接收信號(hào)。由單個(gè)發(fā)射線圈12或14在接收線圈16中激發(fā)的磁通φ依賴于不同的量、如例如線圈12或14的繞組數(shù)目和幾何結(jié)構(gòu)，以及依賴于饋入到兩個(gè)發(fā)射線圈12或14中的電流的幅度以及這些電流的相互的相位。
這些量在現(xiàn)有技術(shù)的探測(cè)器中最終必須這樣來(lái)優(yōu)化，使得在不存在金屬物件的情況下在電流流經(jīng)發(fā)射線圈12或14時(shí)在接收線圈16中不激發(fā)磁通或者激發(fā)盡可能小的磁通φ。在根據(jù)圖1的線圈裝置10中，連接到第一發(fā)射機(jī)S1上的第一發(fā)射線圈12以及連接到第二發(fā)射機(jī)S1上的第二發(fā)射線圈14彼此同軸地被布置在共同的平面中。接收線圈16被布置在與兩個(gè)發(fā)射線圈12和14錯(cuò)位的平面中。
圖2以大大簡(jiǎn)化的原理圖示出用于定位金屬物體的本發(fā)明傳感器的傳感器幾何結(jié)構(gòu)110的第一實(shí)施例。傳感器幾何結(jié)構(gòu)的這種優(yōu)化的構(gòu)造在勵(lì)磁線圈在高度上的定位方面減小公差敏感性。根據(jù)圖2的傳感器幾何結(jié)構(gòu)110具有兩組反向的接收線環(huán)112或114，它們?cè)诠餐钠矫?26中彼此同軸地布置。發(fā)射機(jī)線圈116位于該共同的接收機(jī)平面126之上一定距離z處，該發(fā)射機(jī)線圈同樣與接收機(jī)系統(tǒng)112或114同軸地布置。
接收線環(huán)112或114的線路段具有平面的、單層的繞線幾何結(jié)構(gòu)。接收線環(huán)系統(tǒng)112、114的這種構(gòu)造開(kāi)辟以簡(jiǎn)單的方式使單位長(zhǎng)度電容值最小化的可能性。在此情況下可以保持繞組與繞組的大的間距并且因此保持小的單位長(zhǎng)度寄生電容值。
以還要描述的方式將接收線環(huán)構(gòu)造在印制布局中、即構(gòu)造為電路板上的印制導(dǎo)線結(jié)構(gòu)或所印制的線環(huán)。在這樣的實(shí)現(xiàn)中不產(chǎn)生接收機(jī)線圈的制造和安裝費(fèi)用。用電路板上的印制導(dǎo)線結(jié)構(gòu)112或114來(lái)代替兩個(gè)接收機(jī)線圈除了消失的費(fèi)用之外還具有以下優(yōu)點(diǎn)，即繞組的尺寸精確度非常高。在電路板上精確地制造最大25微米的銅結(jié)構(gòu)在技術(shù)上不造成任何問(wèn)題。
圖2以同樣非常示意性的方式示出傳感器的線圈配置，以便說(shuō)明接收繞組的布置。在此，為了更好的可見(jiàn)性，Z軸120相對(duì)于X和Y軸122或124被拉伸。為了解釋清楚該圖示，相應(yīng)的度量值位于圖的相應(yīng)的軸上，然而這些度量值不是幫助獲得該實(shí)施例中各個(gè)軸的任意單位的刻度的絕對(duì)值，而是幫助獲得該刻度的相對(duì)大小。此外，在圖2中為了橫截面的更好的可見(jiàn)性而分別從線圈中切除一段。
兩個(gè)相反地被定向的接收線環(huán)112或114位于平面126中，該平面在此應(yīng)象征性地表示未被進(jìn)一步示出的電路板100，并且在圖2中由X軸122和Y軸124所張開(kāi)。該平面126在此例如可以對(duì)應(yīng)于電路板100的正面或背面。接收系統(tǒng)114的繞組115在此例如以順時(shí)針?lè)较蚶p繞，而結(jié)構(gòu)112的位于外部的繞組113逆時(shí)針?lè)较蚨ㄏ?。在這些繞組113、115中所感生的電壓因此具有相反的符號(hào)，并且在適當(dāng)?shù)卮_定尺寸時(shí)在不存在外部的金屬物體的情況下彼此完全補(bǔ)償。
勵(lì)磁或發(fā)射線圈116位于電路板100的平面126之上，即在Z方向120上錯(cuò)位。特別有利的是，發(fā)射線圈在線圈架上被制造，該線圈架隨后可以被焊到電路板126上。發(fā)射線圈116的繞組117因此位于電路板平面126之上的確定的、預(yù)先限定的高度z上。由于必需的穩(wěn)定性，所以制造具有1毫米以下的壁厚的線圈架是關(guān)鍵的。因此，應(yīng)力求電路板和發(fā)射線圈116之間的1毫米以及更大的距離。
圖2中所示出的構(gòu)造就發(fā)射線圈116在徑向、即X或Y方向122或124上的錯(cuò)誤定位而言不太關(guān)鍵，如也已經(jīng)在現(xiàn)有技術(shù)中、例如在DE 10122741 A1中所指出的那樣。為了附加地補(bǔ)償在Z方向120上的錯(cuò)誤定位，除了由現(xiàn)有技術(shù)公開(kāi)的、布置在傳感器的外部區(qū)域中的接收繞組115或113之外，按照?qǐng)D2的根據(jù)本發(fā)明的傳感器幾何結(jié)構(gòu)110直接在發(fā)射線圈116之下具有補(bǔ)償繞組130或132。在圖2的實(shí)施例中，這些補(bǔ)償繞組由兩個(gè)順時(shí)針?lè)较虻睦@組132和一個(gè)逆時(shí)針?lè)较虻睦@組130構(gòu)成。此外，補(bǔ)償作用可以通過(guò)補(bǔ)償繞組130或132的半徑的匹配而被優(yōu)化。補(bǔ)償繞組的數(shù)目和位置在此應(yīng)這樣來(lái)確定，使得在具有接收繞組115和補(bǔ)償繞組130的接收線環(huán)114中或者在具有接收繞組113和補(bǔ)償繞組132的接收線環(huán)112中所感生的電壓對(duì)發(fā)射線圈116在z方向120上的錯(cuò)誤定位的依賴性被補(bǔ)償。補(bǔ)償繞組130或132被布置在發(fā)射線圈116之下與接收線環(huán)系統(tǒng)112和114相同的平面126中，并且與這些接收線環(huán)系統(tǒng)同軸地延伸。補(bǔ)償繞組130或132的半徑因此是不同的，然而被選擇成比接收機(jī)繞組112和114的半徑更小，使得補(bǔ)償繞組130或123位于發(fā)射線圈116之下。補(bǔ)償繞組可以因此同樣被實(shí)現(xiàn)為共同的電路板上的印制結(jié)構(gòu)。然而補(bǔ)償環(huán)130或132的半徑也可以比發(fā)射線圈116的繞組117的半徑更大或更小。
該補(bǔ)償通過(guò)以下方式來(lái)進(jìn)行，即由于較大的距離而產(chǎn)生的、發(fā)射線圈116的錯(cuò)誤定位對(duì)接收線環(huán)112的繞組系統(tǒng)113的較小影響通過(guò)以下方式被均衡，即在至發(fā)射線圈116的非常小的距離內(nèi)同樣設(shè)置接收線環(huán)112的接收機(jī)補(bǔ)償繞組132。該補(bǔ)償繞組132更加受發(fā)射線圈116的移動(dòng)的影響。因此，發(fā)射線圈116的微小的錯(cuò)誤定位對(duì)在接收繞組中總計(jì)、即包括其補(bǔ)償繞組130和132在內(nèi)所感生的電壓并不產(chǎn)生作用。這理想地自然僅僅針對(duì)發(fā)射線圈116的實(shí)際設(shè)置的Z位置的范圍內(nèi)的窄窗口而實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)用于發(fā)射線圈116的線圈架的壁厚的制造公差的要求例如可以被減小到能夠簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)的+/-0.1mm。
然而，在根據(jù)圖2的實(shí)施例的傳感器幾何結(jié)構(gòu)110的情況下這樣實(shí)現(xiàn)的更高的制造友好性通過(guò)以下方式換來(lái)，即通過(guò)在勵(lì)磁線圈116之下添加補(bǔ)償繞組130或132，感應(yīng)傳感器的方向特性受消極影響。
圖3在傳感器幾何結(jié)構(gòu)210的一種替代的實(shí)施例中針對(duì)用于定位金屬物體的本發(fā)明傳感器示出一種補(bǔ)償構(gòu)造，該構(gòu)造明顯地緩和失真的方向特性的問(wèn)題。在該實(shí)施例中，順時(shí)針或逆時(shí)針纏繞的補(bǔ)償繞組230或233被施加在例如電路板200的兩個(gè)不同側(cè)，其中該電路板200應(yīng)通過(guò)平面226來(lái)表示。在此，這種電路板必須被實(shí)施為至少兩層。但是，因此出發(fā)的多層電路板也同樣是可能的。通過(guò)位于內(nèi)部的補(bǔ)償繞組對(duì)隨后能夠以幾乎相同的半徑來(lái)構(gòu)造，在至金屬物體的大距離的情況下，傳感器的方向特性不再失真。因?yàn)檠a(bǔ)償繞組230或232的半徑現(xiàn)在幾乎相同，所以其相應(yīng)的繞組數(shù)目被利用，以便能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射線圈216的定位公差的最佳匹配。
根據(jù)圖3的本發(fā)明傳感器的改善的方向特性可以直觀地通過(guò)以下的定性的理由來(lái)解釋。若對(duì)接收機(jī)繞組215和230或213和232饋電，則通過(guò)位于內(nèi)部的以及分布在電路板200的正面和背面的補(bǔ)償繞組230或232生成磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)良好近似地相當(dāng)于磁四極子(Quadropol)。該場(chǎng)隔一定距離消失，該距離大于在電路板200的正面和背面的兩個(gè)補(bǔ)償繞組系統(tǒng)230或232的距離，因此該場(chǎng)隨著距離增大而非常快速地消失。在至電路板大約1厘米的距離內(nèi)，位于內(nèi)部的補(bǔ)償繞組230和232就已經(jīng)不再明顯地對(duì)總磁場(chǎng)作出貢獻(xiàn)。這種對(duì)用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的補(bǔ)償繞組的使用適用的考慮也可以推廣到所產(chǎn)生的接收特性。
根據(jù)圖3的補(bǔ)償繞組230或232只導(dǎo)致接收特性的微小的變形，而其對(duì)在接收繞組215或213中所感生的電壓的影響不可忽略。
發(fā)射線圈216位于電路板上方大約1mm的距離內(nèi)，其中該距離大致與電路板本身的厚度一樣大。
圖4以電路板200的正面201的俯視圖示出前面示出的作為電路板100或200上的印制結(jié)構(gòu)的、接收線環(huán)系統(tǒng)以及補(bǔ)償繞組的一種可能的實(shí)現(xiàn)。以下僅僅描述電路板200的布局。對(duì)于根據(jù)圖2的電路板100類推法使用。在分析電路260的范圍內(nèi)的印制導(dǎo)線結(jié)構(gòu)在此僅僅在其對(duì)于闡述本發(fā)明傳感器的構(gòu)造來(lái)說(shuō)必要的程度上被示出。分析電路的細(xì)節(jié)在圖6中被示出并且在相應(yīng)的地方被描述。
電路板200上的接收線環(huán)112和114或212和214代替在補(bǔ)償傳感器中通常的接收線圈。在傳感器的接收系統(tǒng)中使用印制導(dǎo)線的直接結(jié)果是，接收路徑中的線環(huán)的可能的數(shù)目不再是幾千，而是必須以實(shí)際上10或者最多20圈顯著更少地得出結(jié)果。因此，在更狹窄的意義上，對(duì)于這種導(dǎo)線幾何結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)在直到100kHz的頻率范圍內(nèi)談?wù)搨鹘y(tǒng)意義上的“線圈”不再是有意義的，因此這里在一般化的意義上說(shuō)的是接收線環(huán)或者接收導(dǎo)線結(jié)構(gòu)。例如在11圈的情況下由具有40mm直徑的線環(huán)構(gòu)成的總體的電感只有大約10μH。在實(shí)際的5kHz的工作頻率的情況下，因此得到僅僅大約0.3Ohm的阻抗，該阻抗與導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的大約10Ohm的歐姆電阻相比幾乎可忽略。
同樣被實(shí)現(xiàn)為該電路板200的印制導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的是形成屏蔽電極244的梳狀導(dǎo)線結(jié)構(gòu)242，該屏蔽電極通過(guò)以下方式負(fù)責(zé)接收線環(huán)112和114或212和214與發(fā)射線圈116或216之間的電屏蔽，即它們被置于地電位上。這些結(jié)構(gòu)在制造根據(jù)本發(fā)明的傳感器時(shí)絲毫不導(dǎo)致更大成本。特別地，在有利的平面的繞線幾何結(jié)構(gòu)的情況下，平面的屏蔽結(jié)構(gòu)也能夠提供足夠好的結(jié)果。
然而在屏蔽線路的情況下必須注意，在屏蔽幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)不形成電流回路。因此有利的是，使用由盡可能薄的單導(dǎo)線構(gòu)成的曲折結(jié)構(gòu)或梳狀結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在數(shù)學(xué)意義上形成簡(jiǎn)單連接的面。
在圖4中沒(méi)有示出發(fā)射線圈116或216，因?yàn)樵摪l(fā)射線圈被布置在與電路板200的平面高度錯(cuò)位的平面中。特別有利的是，如已經(jīng)描述過(guò)的那樣，發(fā)射線圈116或216在線圈架上被制造，該線圈架隨后被焊到電路板200上。因此，發(fā)射線圈的繞組位于電路板平面之上的確定的、預(yù)先定義的高度上。特別有利地，勵(lì)磁線圈通過(guò)以下方式經(jīng)由被放入壓鑄零件中的觸針與電路板200電接觸，即該觸針被焊接到傳感器的電路板上的為此設(shè)置的孔中。為了能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的機(jī)械接觸，例如通過(guò)以下方式使用多于兩個(gè)的電學(xué)上所需要的觸針是有益的，即附加地添加一個(gè)或兩個(gè)盲的、即不電接觸的引腳。以這種方式方法，勵(lì)磁線圈能夠通過(guò)焊接工藝也在機(jī)械上精確地被固定。
此外，在電路板200上設(shè)置有電開(kāi)關(guān)裝置240，該電開(kāi)關(guān)裝置例如可以被構(gòu)造為晶體管、特別是FET開(kāi)關(guān)，并且使得能夠通過(guò)以下方式改變接收線環(huán)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)，即另外的線環(huán)241被連接至接收導(dǎo)線112和114或者212和214或者被斷開(kāi)。該原理基于原始的接收線環(huán)被補(bǔ)充或者被減少一個(gè)或多個(gè)附加的線環(huán)241或者僅僅該線環(huán)的一小部分。為了實(shí)施接收線環(huán)系統(tǒng)的有效的“繞組數(shù)目”的該變形方案，設(shè)置有開(kāi)關(guān)裝置240，這些開(kāi)關(guān)裝置在相應(yīng)的調(diào)整過(guò)程中接通或斷開(kāi)線環(huán)241或者這種線環(huán)的一小部分形式的感應(yīng)補(bǔ)償模塊。在接收系統(tǒng)的線環(huán)的合適的設(shè)計(jì)中，在這些線環(huán)部分241中感生電壓，這些電壓恰好補(bǔ)償探測(cè)器中的、例如由于勵(lì)磁線圈的線圈架的制造公差而可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤電壓。
與工作在探測(cè)器的激勵(lì)器側(cè)的調(diào)整方法相比，所要求保護(hù)的、在接收側(cè)的電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)明顯更簡(jiǎn)單并且更便宜，因?yàn)槔缈梢允褂孟鄬?duì)而言高歐姆的開(kāi)關(guān)裝置，因?yàn)樵诮邮章窂街信c勵(lì)磁線圈相比只有極小的電流流動(dòng)。
此外，在共同的電路板200上還布置有接收線環(huán)系統(tǒng)112和114或212和214的補(bǔ)償繞組232。這些補(bǔ)償繞組232同樣被構(gòu)造為電路板200的印制導(dǎo)線或者線路結(jié)構(gòu)。在此，相應(yīng)的補(bǔ)償繞組的數(shù)目和位置這樣被確定，使得在接收導(dǎo)線系統(tǒng)112和114或212和214中所感生的電壓與勵(lì)磁線圈116或216在高度上、即在Z方向上的錯(cuò)誤定位的依賴性盡可能精確地被補(bǔ)償。勵(lì)磁線圈在Z方向上由制造引起的微小的錯(cuò)誤定位因此對(duì)在接收線環(huán)中總計(jì)所感生的電壓不再產(chǎn)生作用。
在根據(jù)本發(fā)明的探測(cè)器幾何結(jié)構(gòu)的情況下，得到在勵(lì)磁線圈在其位于接收線圈的平面126之上的高度(Z方向)上的定位方面的明顯減小的公差敏感性。除了在發(fā)射線圈的外部區(qū)域中的接收機(jī)的接收線環(huán)之外，在此直接在高度錯(cuò)位地(hoehenversetzt)布置的發(fā)射或勵(lì)磁線圈之下構(gòu)造補(bǔ)償繞組。
在支承并且構(gòu)成接收線環(huán)系統(tǒng)112和114或212和214的電路板200上，此外集成有用于控制傳感器的線圈116或216以及用于分析和處理測(cè)量信號(hào)的部件。因此例如設(shè)置有分路電阻246，該分路電阻能夠以還要描述的方式實(shí)現(xiàn)測(cè)量傳感器的激勵(lì)器支路中的電流，并且因此能夠探測(cè)在本發(fā)明傳感器的電子線路中可能出現(xiàn)的漂移。因此，在得知激勵(lì)器支路中的電流和該電流的相位的情況下，可以例如在計(jì)算上補(bǔ)償測(cè)量幅度的減小，該減小由于以下情況而引起，即激勵(lì)信號(hào)中的電流由于勵(lì)磁線圈的銅電阻隨著溫度的升高而下降。
只要激勵(lì)器支路中的電路這樣來(lái)設(shè)計(jì)，使得只有銅電阻受到顯著的溫度漂移，就同樣可以以這種方式進(jìn)行溫度測(cè)量。
由于分析電路的高放大因數(shù)，分路電阻246上的非常小的電壓幅度就足夠了，使得該分路電阻也可以有利地通過(guò)印制電路板200上的例如由銅導(dǎo)線組構(gòu)成的短的曲折結(jié)構(gòu)來(lái)形成，并且以這種方式避免另外的、附加的以及分離的部件。在實(shí)踐中，對(duì)于該任務(wù)來(lái)說(shuō)，大約1-2cm的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)足夠了。
此外，在電路板200上尤其也還實(shí)現(xiàn)了四個(gè)開(kāi)關(guān)元件248，這些開(kāi)關(guān)元件可以將不同的輸入信號(hào)接入分析電路的放大級(jí)的輸入端。這些開(kāi)關(guān)元件248的工作方式將結(jié)合圖6進(jìn)行描述。
圖5示出圖4中的電路板200的背面202。在電路板200的背面，如結(jié)合圖3所描述的那樣，本發(fā)明傳感器的接收線環(huán)112和114或212和214的補(bǔ)償繞組230同樣以印制導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的形式來(lái)構(gòu)造。
此外，根據(jù)圖4和5的本發(fā)明傳感器的實(shí)施例示出另外的傳感器，這些傳感器同樣被實(shí)現(xiàn)在電路板100上并且有利地特別是同樣被實(shí)現(xiàn)為該電路板100的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)。因此，例如導(dǎo)線結(jié)構(gòu)250形成50HzAC傳感器，該傳感器作為無(wú)源傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)電流流經(jīng)的線路元件的探測(cè)。
本發(fā)明使得能夠?qū)崿F(xiàn)成本低的傳感器，該傳感器通過(guò)以下方式使盡可能多的成本高的部件和設(shè)備元件變得多余，即傳感器的電路板不僅被用作電子電路的載體，而且作為構(gòu)造有相應(yīng)的元件的功能部分是傳感器的整體的組成部分。這樣，印制導(dǎo)線結(jié)構(gòu)252、254和256構(gòu)成“螺柱尋(Studfinder)”的電極，該螺柱尋有利地使得能夠利用根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備尋找隱藏在墻壁內(nèi)或墻壁后的例如木材。在此，印制導(dǎo)線結(jié)構(gòu)252構(gòu)成接收機(jī)，并且結(jié)構(gòu)254或256構(gòu)成用于集成在本發(fā)明傳感器中的木材尋找器的激勵(lì)器或發(fā)射器。
通過(guò)電路板100上的相應(yīng)的印制導(dǎo)線258和接觸260，本發(fā)明傳感器的各個(gè)電極與分析電路160相連接。
根據(jù)本發(fā)明的用于分析所要求保護(hù)的裝置的測(cè)量信號(hào)的方法使得能夠不僅并行、準(zhǔn)并行地而且還串行地使用不同的傳感器。在此，在準(zhǔn)并行的工作方式的情況下，非?？焖俚卦诟鱾€(gè)傳感器之間轉(zhuǎn)接并且生成、測(cè)量和分析、或者為了分析而在必要時(shí)緩存相應(yīng)的探測(cè)信號(hào)。這里同樣可以在自動(dòng)的以及由用戶預(yù)先給定的傳感器的選擇之間進(jìn)行選擇。
以下將介紹本發(fā)明傳感器的特定的電路技術(shù)解決方案。若在接收側(cè)現(xiàn)在根據(jù)本發(fā)明代替在現(xiàn)有技術(shù)中通常的、纏繞的線圈而使用印制電路板的印制導(dǎo)線，則可以不再使用通常的電路方法，在該通常的電路方法中不僅在發(fā)射側(cè)而且在接收側(cè)都設(shè)置有作為匹配電路的振蕩回路。在此情況下，背景一方面是，如果將接收線環(huán)視為線圈并且計(jì)算其品質(zhì)的指標(biāo)，則將得到Q＝0.03數(shù)量級(jí)的值。極小的電感結(jié)合高的銅歐姆電阻是當(dāng)今印制線圈典型地從大約100MHz的頻率開(kāi)始才被使用并且在低于1MHz的頻率時(shí)對(duì)實(shí)踐方面迄今不起作用的原因。
借助接收“電感”的振蕩回路的構(gòu)造因此對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的感應(yīng)傳感器的分析電路來(lái)說(shuō)是不能達(dá)到目的的。另一方面，在實(shí)踐中即使在消失的歐姆電阻的情況下也只能困難地在對(duì)于感應(yīng)傳感器來(lái)說(shuō)合宜的頻率處實(shí)現(xiàn)小于或等于100kHz的諧振，因?yàn)閱挝婚L(zhǎng)度電感值僅僅位于幾十μH的數(shù)量級(jí)。所需要的諧振回路電容必須預(yù)防性地取大的值，這些值在實(shí)踐中是不可用的。這導(dǎo)致，在本發(fā)明傳感器的接收路徑中，在舍棄接收線圈的情況下，用于放大信號(hào)電壓的諧振回路放大系數(shù)是不可能的。除了缺少的諧振回路放大系數(shù)之外，與如在EP 102989 A1中所提出的、具有例如2000-6000匝的纏繞的探測(cè)器線圈相比，在使用印制線環(huán)的情況下信號(hào)強(qiáng)度也降低，因?yàn)樵陔娐钒迳暇哂忻黠@多于10-20圈的印制線環(huán)只能以提高的花費(fèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
舍棄用于分析本發(fā)明傳感器的測(cè)量信號(hào)的振蕩回路的第一結(jié)果在于，待探測(cè)的信號(hào)幅度明顯更小。例如在待定位的、薄的銅物體的情況下，待放大的信號(hào)幅度位于幾十nV的數(shù)量級(jí)。因此，在該數(shù)量級(jí)的電壓以及本發(fā)明傳感器的分析電路的必要的放大因數(shù)為大約100,000的情況下，一般不再能夠避免或者只能以極高的花費(fèi)來(lái)避免來(lái)自放大器電路的電源的干擾信號(hào)到傳感器的信號(hào)路徑上的過(guò)耦合(Ueberkoppeln)。
此外，在小的信號(hào)幅度的情況下需要的是，使用具有特別低的電壓噪聲的放大器。特別地，具有雙極輸入級(jí)的運(yùn)算放大器在此顯得特別合適，因?yàn)榫哂写蠹s30Ohm的接收繞組的源阻抗非常低。
圖6示出用于分析和處理總計(jì)在本發(fā)明傳感器的各個(gè)接收繞組中所感生的信號(hào)電壓的本發(fā)明電路。
在此，電感262表示傳統(tǒng)上由導(dǎo)線纏繞的勵(lì)磁線圈116或216(參見(jiàn)圖2和3)，該勵(lì)磁線圈與電容264構(gòu)成振蕩回路并且通過(guò)電阻266連接到電壓源268上。在圖6中，電感270表示通過(guò)電路板200上的導(dǎo)線組113和115或213和215所構(gòu)造的接收線環(huán)112、114或212、214的電感，弱的測(cè)量信號(hào)可以在該電感上以所感生的電壓的形式被截取。
在根據(jù)圖6的實(shí)施例中，分析電路此外包括具有兩個(gè)運(yùn)算放大器272或274的兩級(jí)放大器，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)276可以連接到這些運(yùn)算放大器的輸出端上。特別是被設(shè)計(jì)成低噪聲的第一放大級(jí)272首先將測(cè)量信號(hào)放大，該測(cè)量信號(hào)隨后在第二級(jí)274中利用帶通特性(例如針對(duì)ADC中的數(shù)字化)被處理。要注意的是，運(yùn)算放大器272擁有雙極輸入級(jí)，并且在第一放大級(jí)的反饋路徑中使用低歐姆的電阻。第二放大級(jí)保證，勵(lì)磁場(chǎng)的更高諧波從測(cè)量信號(hào)中被濾除。
一排開(kāi)關(guān)248位于第一放大級(jí)272之前，這些開(kāi)關(guān)可以將不同的輸入信號(hào)278接入到放大級(jí)272的輸入端280上。因此可以例如在本發(fā)明傳感器的測(cè)量工作中通過(guò)閉合開(kāi)關(guān)2482將在探測(cè)器線圈270中所感生的電壓接入到放大級(jí)272的輸入端上。
然而，由于低的信號(hào)電平，在實(shí)踐中不能排除即使在接收系統(tǒng)270中不感生電壓，在放大器內(nèi)也生成干擾信號(hào)。這種干擾信號(hào)的可能的源是(如已經(jīng)表明的那樣)例如運(yùn)算放大器的電源的干擾信號(hào)和放大級(jí)的輸入端之間的耦合。
為了能夠測(cè)量該干擾信號(hào)并且能夠從實(shí)際的測(cè)量信號(hào)中減去該干擾信號(hào)，利用根據(jù)本發(fā)明的用于分析測(cè)量信號(hào)的方法可以不是打開(kāi)開(kāi)關(guān)2482，而是借助開(kāi)關(guān)2481將放大器272的輸入端280直接置于地電位上。在該開(kāi)關(guān)配置中要測(cè)量的干擾信號(hào)可以從在測(cè)量配置(開(kāi)關(guān)2482隨后閉合)中所確定的電壓中減去。
在只有幾nV的數(shù)量級(jí)的測(cè)量信號(hào)的情況下對(duì)于測(cè)量精度來(lái)說(shuō)決定性的是有效地抑制噪聲背景、特別是放大器中的噪聲。圖6中的運(yùn)算放大器因此至少在第一放大級(jí)中擁有雙極輸入電路。所需要的噪聲抑制相當(dāng)于測(cè)量信號(hào)的窄帶濾波。若從開(kāi)始所涉及的、4nV/√Hz數(shù)量級(jí)的、放大器中的電阻噪聲出發(fā)，則得出噪聲濾波器必須具有僅僅幾十Hz的帶寬。這樣的窄帶濾波器在模擬技術(shù)中只能以大的工作量和高昂的費(fèi)用來(lái)實(shí)現(xiàn)。
有利地，因此針對(duì)具有在印制布局中作為接收部分的接收線環(huán)系統(tǒng)的根據(jù)本發(fā)明的感應(yīng)傳感器，實(shí)現(xiàn)具有數(shù)字噪聲抑制的分析方法。在這樣的濾波中，測(cè)量放大器的輸出端上的測(cè)量信號(hào)首先借助模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)被同步地?cái)?shù)字化，并且利用后置的數(shù)字電路或微處理器以數(shù)字方式被進(jìn)一步處理。合宜地，該數(shù)字電路部分也生成控制勵(lì)磁線圈的驅(qū)動(dòng)電壓。特別合宜的是，以激勵(lì)磁場(chǎng)(例如～5kHz)的四或八倍頻率(例如以～20kHz)將測(cè)量信號(hào)數(shù)字化。于是可以將施加在接收支路中的放大級(jí)的輸出端上的電壓與激勵(lì)電壓相位同步地?cái)?shù)字化，并且以這種方式在計(jì)算上實(shí)現(xiàn)數(shù)字噪聲濾波。以這種方式，可以無(wú)需高昂的費(fèi)用并且無(wú)需大的工作量就實(shí)現(xiàn)幾赫茲數(shù)量級(jí)的有效的噪聲帶寬。
為了能夠補(bǔ)償電路以及特別是發(fā)射線圈的、例如由于勵(lì)磁線圈的銅電阻隨著溫度變化而產(chǎn)生的漂移，該電路包含兩個(gè)附加的開(kāi)關(guān)2483和2484，這兩個(gè)開(kāi)關(guān)允許在分路電阻246的兩側(cè)截取電壓V1或V2，該電壓與在激勵(lì)振蕩回路中流動(dòng)的電流成比例。使用兩個(gè)截取點(diǎn)282(針對(duì)V2)和284(針對(duì)V1)是有利的，因?yàn)樵趧?lì)磁回路的地電位和接收機(jī)電路的地電位之間能夠產(chǎn)生微小的差別，這些差別能夠完全處于測(cè)量信號(hào)的數(shù)量級(jí)。但是，在得知激勵(lì)器支路中的電流和該電流的相位的情況下，可以例如在計(jì)算上補(bǔ)償測(cè)量幅度的減小。測(cè)量幅度的這種減小此外可能由于以下情況引起，即激勵(lì)信號(hào)中的電流由于勵(lì)磁線圈或發(fā)射線圈的銅電阻隨著溫度的升高而下降。
由于分析電路的高放大因數(shù)，在分路電阻246上非常小的電壓幅度就足夠了，因此該電路也可以有利地通過(guò)由印制電路板上的銅導(dǎo)線組構(gòu)成的短的曲折結(jié)構(gòu)來(lái)形成并且以這種方式避免附加的分離的部件。在實(shí)踐中，對(duì)于該任務(wù)來(lái)說(shuō)，大約1-2cm的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)就足夠了。
在實(shí)踐中合宜的是，開(kāi)關(guān)裝置2181至2484也不用機(jī)械開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而是代替其而使用繼電器或者半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。特別地，場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為開(kāi)關(guān)裝置看來(lái)是種選擇。此外，在此情況下可以通過(guò)微控制器來(lái)控制開(kāi)關(guān)位置并且例如循環(huán)地進(jìn)行串?dāng)_信號(hào)的自動(dòng)調(diào)整，其中該串?dāng)_信號(hào)由運(yùn)算放大器的電源與分析電路的輸入端之間的寄生耦合引起。
如果相同的模擬放大器272或274被用于測(cè)量信號(hào)(對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)2482)、校準(zhǔn)信號(hào)(開(kāi)關(guān)2483和2484)以及干擾信號(hào)(開(kāi)關(guān)2481)的測(cè)量，則這附加地具有以下優(yōu)點(diǎn)，即放大器組件內(nèi)的漂移效應(yīng)和同型元件的參數(shù)差異以相同的方式對(duì)不同的測(cè)量信號(hào)產(chǎn)生影響。因此，利用根據(jù)本發(fā)明的方法可以在計(jì)算上補(bǔ)償放大器組件的長(zhǎng)時(shí)間漂移。
為了能夠有效地抑制容性耦合，可以在電路板200上在纏繞的勵(lì)磁線圈和接收導(dǎo)線結(jié)構(gòu)之間設(shè)置屏蔽元件，這些屏蔽元件有利地同樣被構(gòu)造為印制導(dǎo)線結(jié)構(gòu)242，并且被置于地電位。這些結(jié)構(gòu)在制造時(shí)并不導(dǎo)致更多費(fèi)用。特別地，在根據(jù)本發(fā)明的平面的繞線幾何結(jié)構(gòu)的情況下，平面的屏蔽結(jié)構(gòu)也可以提供良好的結(jié)果。
然而，在布設(shè)或構(gòu)造屏蔽線路242或244時(shí)，要注意的是，在屏蔽幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)不能形成電流回路。因此有意義的是，使用由盡可能薄的單導(dǎo)線構(gòu)成的曲折(Maeander)或梳狀結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在數(shù)學(xué)意義上形成簡(jiǎn)單連接的面。同樣的內(nèi)容適用于無(wú)源和有源的電容傳感器(256、254、252)的、布置在背面的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明傳感器可以有利地被集成到測(cè)量設(shè)備中。在此，這種測(cè)量設(shè)備可以尤其是被構(gòu)造為手持式金屬定位設(shè)備，或者包含本發(fā)明傳感器的金屬定位能力作為附加功能。
此外還可以并且有利的是，將本發(fā)明傳感器也集成到機(jī)床中、例如集成到鉆孔工具中，以便使應(yīng)用者能夠利用該機(jī)器安全地工作。
本發(fā)明使得能夠?qū)崿F(xiàn)成本低的傳感器，該傳感器通過(guò)以下方式使盡可能多的成本高的部件和設(shè)備元件成為多余，即傳感器的電路板不僅被用作電子電路的載體材料，而且作為功能部分是傳感器的整體的組成部分。根據(jù)本發(fā)明的用于定位金屬物體的傳感器僅僅需要單個(gè)線圈。這特別是通過(guò)用傳感器的分析電路的電路板上的導(dǎo)線組代替如現(xiàn)有技術(shù)中公開(kāi)的、典型地纏繞的接收線圈以及通過(guò)在該電路板上構(gòu)造合適的導(dǎo)線組來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些導(dǎo)線組用于勵(lì)磁線圈或發(fā)射線圈與接收線環(huán)的屏蔽，并且導(dǎo)致對(duì)傳感器的發(fā)射和接收路徑之間的容性耦合的抑制。
此外可以又直接通過(guò)傳感器的電路板上的印制導(dǎo)線結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)造分路電阻，其中該分路電阻允許測(cè)量傳感器的激勵(lì)器支路中的電流并且因此確定以及補(bǔ)償勵(lì)磁線圈中的電流的溫度漂移。
通過(guò)傳感器幾何結(jié)構(gòu)的根據(jù)本發(fā)明的擴(kuò)展方案，所要求保護(hù)的用于定位金屬物體的傳感器在沒(méi)有定期的、在每次測(cè)量之前都要執(zhí)行的校準(zhǔn)過(guò)程的情況下也提供良好的測(cè)量結(jié)果。
用于定位金屬物體的本發(fā)明傳感器并不局限于圖中所示的實(shí)施例。本發(fā)明傳感器并不局限于使用單個(gè)發(fā)射線圈。該方法也可以直接推廣到補(bǔ)償幾何結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)使用多于一個(gè)的勵(lì)磁線圈，以便因此附加地也能夠確定金屬物體的空間位置。
特別地，利用在此所描述的方法也可以為與圖1不同的補(bǔ)償傳感器的基本配置找到解決方案，只要至少一個(gè)被替代的接收線圈的幾何結(jié)構(gòu)和位置近似地允許對(duì)于使用電路板來(lái)說(shuō)所需的平面幾何結(jié)構(gòu)。本發(fā)明以及特別是電路板的印制導(dǎo)體結(jié)構(gòu)作為接收線環(huán)系統(tǒng)的使用并不局限于補(bǔ)償傳感器的類型。
特別是也可以設(shè)想，在接收路徑中使用電路板連接的接收線環(huán)和按常規(guī)纏繞的線圈內(nèi)的接收繞組的組合。特別地，當(dāng)電路板連接的接收線環(huán)也真正決定性地對(duì)由金屬物體促成的感應(yīng)電壓作出貢獻(xiàn)時(shí)，這特別適用。其后果是，按常規(guī)纏繞的補(bǔ)充線圈也必須具有不尋常小的繞組數(shù)目。接收路徑中的這種組合解決方案的潛在優(yōu)點(diǎn)此外在于，這里所描述的、用于降低對(duì)所纏繞的線圈的定位和制造公差的要求的方法也可以通過(guò)電路板上的適當(dāng)成形的補(bǔ)償環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
此外可設(shè)想的是，針對(duì)傳感器不是使用兩層的電路板，而是使用多層的電路板，例如以便提高接收路徑中的可能的繞組數(shù)目，將接收線環(huán)或者定位公差補(bǔ)償環(huán)完全地或者部分地移動(dòng)到內(nèi)層中，將部件置于接收線環(huán)之上，或者以便能夠更有效地抑制激勵(lì)器和接收機(jī)支路之間的容性耦合。
特別地，本發(fā)明傳感器并不局限于使用圓形線圈或者線環(huán)系統(tǒng)。與圖中所示的接收線環(huán)系統(tǒng)不同，每個(gè)線環(huán)系統(tǒng)或者各個(gè)線環(huán)可以具有與圓或圓弧不同的形狀并且由一圈或多圈構(gòu)成。
權(quán)利要求
1.用于定位金屬物體的傳感器，特別是用于建筑材料的金屬傳感器，具有彼此感應(yīng)耦合的至少一個(gè)發(fā)射線圈(116，216)和至少一個(gè)接收線環(huán)系統(tǒng)(112，212)，其特征在于，所述接收線環(huán)系統(tǒng)(112，212)通過(guò)電路板(100，200)上的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)來(lái)形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其特征在于，設(shè)置有第二接收線環(huán)系統(tǒng)(114，214)，該第二接收線環(huán)系統(tǒng)與所述第一接收線環(huán)系統(tǒng)(112，212)同軸地被布置在與所述第一接收線環(huán)系統(tǒng)共同的第一平面(126，226)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的傳感器，其特征在于，使用在1MHz以下的頻率范圍內(nèi)的磁場(chǎng)、優(yōu)選地在100Hz至200kHz的頻帶中的磁場(chǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的傳感器，其特征在于，在所述至少一個(gè)發(fā)射線圈(116，216)和至少一個(gè)接收線環(huán)系統(tǒng)(112，114，212，214)之間設(shè)置有電屏蔽電極(242，244)，該電屏蔽電極被構(gòu)造在電路板(100，200)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一的傳感器，其特征在于，設(shè)置有與至少一個(gè)發(fā)射線圈(116，216)串聯(lián)的分路電路(246)，該分路電阻被構(gòu)造為電路板(100，200)上的印制導(dǎo)線結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的傳感器，具有分析電路(260)，該分析電路能夠通過(guò)開(kāi)關(guān)裝置(248)不僅與分路電阻(246)而且與至少一個(gè)接收線環(huán)系統(tǒng)(112，114，212，214)相連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6的傳感器，其特征在于，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)、特別是場(chǎng)效應(yīng)晶體管被用作開(kāi)關(guān)裝置(248)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7的傳感器，其特征在于，所述分析電路(260)具有至少一個(gè)雙極輸入級(jí)。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的傳感器，其特征在于，至少一個(gè)發(fā)射線圈(116，216)被布置成與所述電路板(100，200)的平面(126，226)高度錯(cuò)位。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的傳感器，其特征在于，至少一個(gè)發(fā)射線圈(116，216)被施加在線圈架上，其中所述線圈架被固定在電路板(100，200)上。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10的傳感器，其特征在于，在所述至少一個(gè)發(fā)射線圈(116，216)的附近構(gòu)造有至少一個(gè)接收線環(huán)系統(tǒng)(112，114，212，214)的附加的補(bǔ)償線環(huán)(130，132，230，232)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9，10或11的傳感器，其特征在于，在所述至少一個(gè)發(fā)射線圈(116，216)之下構(gòu)造有至少一個(gè)接收線環(huán)系統(tǒng)(112，114，212，214)的附加的補(bǔ)償線環(huán)(130，132，230，232)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12的傳感器，其特征在于，所述補(bǔ)償線環(huán)(130，132，230，232)被構(gòu)造為所述電路板(100，200)上的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的傳感器，其特征在于，所述補(bǔ)償線環(huán)(130，132，230，232)被構(gòu)造在電路板(200)的兩個(gè)相對(duì)的側(cè)面(201，202)上。
15.根據(jù)權(quán)利要求11或12的傳感器，其特征在于，所述補(bǔ)償線環(huán)(130，132，230，232)被構(gòu)造為至少兩層的電路板的相疊的內(nèi)層中的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15的傳感器，其特征在于，所述補(bǔ)償線環(huán)(130，132，230，232)在幾乎相同的幾何結(jié)構(gòu)的情況下具有相反的定向。
17.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的傳感器，其特征在于，設(shè)置有至少一個(gè)調(diào)整線環(huán)(241)，該調(diào)整線環(huán)能夠借助開(kāi)關(guān)裝置(240)與所述接收線環(huán)系統(tǒng)(112，114，212，214)相連接。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的傳感器，其特征在于，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)、特別是場(chǎng)效應(yīng)晶體管被用作開(kāi)關(guān)裝置(240)。
19.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的傳感器，其特征在于，所述接收線環(huán)系統(tǒng)(112，114，212，214)通過(guò)至少一個(gè)按常規(guī)纏繞的接收線圈來(lái)補(bǔ)充，其中在電路板連接的接收線環(huán)(112，114，212，214)中所感生的電壓的數(shù)值之和為在一個(gè)或多個(gè)按常規(guī)纏繞的接收線圈中所感生的電壓電平的至少25％。
20.用于分析根據(jù)權(quán)利要求1至19中的至少一個(gè)所述的傳感器的測(cè)量信號(hào)的方法，其特征在于，所述測(cè)量信號(hào)被數(shù)字化。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其特征在于，借助頻率f的激勵(lì)信號(hào)的數(shù)字生成以及所述傳感器的分析電路的測(cè)量放大器的輸出信號(hào)的相位同步的模數(shù)轉(zhuǎn)換來(lái)執(zhí)行用于減小噪聲帶寬的窄帶數(shù)字濾波。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其特征在于，所述測(cè)量放大器的輸出信號(hào)的相位同步的模數(shù)轉(zhuǎn)換以頻率fd＝4nf、即勵(lì)磁場(chǎng)的四倍頻率4f或者該頻率的整數(shù)倍n進(jìn)行。
23.測(cè)量設(shè)備，特別是手持式定位設(shè)備，具有至少一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1至18中的一個(gè)或多個(gè)所述的傳感器。
24.工具設(shè)備，特別是鉆孔或鑿子工具，具有根據(jù)權(quán)利要求1至18中的一個(gè)或多個(gè)所述的傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于定位金屬物體的傳感器、特別是用于建筑材料的金屬傳感器，具有彼此感應(yīng)耦合的至少一個(gè)發(fā)射線圈(116，216)和至少一個(gè)接收線環(huán)系統(tǒng)(112，212)。根據(jù)本發(fā)明提出，所述接收線環(huán)系統(tǒng)(112，212)通過(guò)電路板(100，200)上的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)來(lái)形成。此外，本發(fā)明還涉及一種用于分析這種傳感器的方法，其中測(cè)量信號(hào)被數(shù)字化并且執(zhí)行用于減小噪聲帶寬的窄帶數(shù)字濾波。
文檔編號(hào)G01V3/10GK101031823SQ200580032841
公開(kāi)日2007年9月5日 申請(qǐng)日期2005年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月29日
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