電容式定位儀的制作方法
【專利摘要】一種用于電容式探測(cè)被封閉在介質(zhì)（105）中的對(duì)象（110）的定位儀（100），包括測(cè)量電極（140）、參考電極（145）和接收電極（150），其中測(cè)量電極與接收電極一起構(gòu)成可通過(guò)對(duì)象影響的測(cè)量電容（C1），并且參考電極與接收電極一起構(gòu)成不能被對(duì)象影響的參考電容（C2），此外還包括用于給測(cè)量電容和參考電容供應(yīng)移相的交變電壓的振蕩器（125）以及用于控制所述交變電壓至少之一的幅度的控制裝置，以便使測(cè)量電極或參考電極的電場(chǎng)對(duì)接收電極的影響彼此相均衡。在此，所述電極平面地成形，并且所述測(cè)量電極具有比參考電極大的面積。
【專利說(shuō)明】電容式定位儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及定位儀。尤其是，本發(fā)明涉及用于電容式探測(cè)封閉在介質(zhì)中的對(duì)象的定位儀。

【背景技術(shù)】
[0002]為了檢測(cè)埋藏在墻壁中的物體、例如在輕型結(jié)構(gòu)墻壁中的梁，已知電容式探測(cè)器。這樣的探測(cè)器使用電極，所述電極的充電行為或放電行為被確定，以便推斷出介電對(duì)象。帶有多個(gè)電極的探測(cè)器也是已知的，其中電極對(duì)的電容的變化被確定。通常需要在墻壁上手動(dòng)地校準(zhǔn)這樣的探測(cè)器，因?yàn)檫@些儀器甚至不能識(shí)別墻壁接觸并且電極或電極對(duì)的電容取決于環(huán)境條件、如溫度、空氣濕氣、背離傳感器的對(duì)象、通過(guò)使用者的接地、墻壁材料的電或介電特性。為了考慮這些可變的影響因素，必須在墻壁處校準(zhǔn)已知的儀器，為此或者需要通過(guò)使用者的相應(yīng)控制或者需要昂貴的傳感器系統(tǒng)。
[0003]DE 10 2007 058 088 Al示出用于定位介質(zhì)中的介電對(duì)象的傳感器。所示的傳感器確定在參考電容和測(cè)量電容之間的比例，所述測(cè)量電容與該對(duì)象關(guān)于這兩個(gè)電容的電極的位置相關(guān)。
[0004]DE 10 2008 005 783 B4示出作為防夾保護(hù)的電容式探測(cè)器，其借助推挽測(cè)量電橋?qū)蓚€(gè)電容的電容相互比較。電容之一通過(guò)兩個(gè)可彼此相對(duì)安置的電極構(gòu)成，使得其相對(duì)間距的變化可以被用于生成信號(hào)，該信號(hào)發(fā)出夾緊警告。
[0005]本發(fā)明所基于的任務(wù)是說(shuō)明一種用于電容式探測(cè)的定位儀，該定位儀為了實(shí)現(xiàn)高的測(cè)量精度不需要校準(zhǔn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明借助于具有獨(dú)立權(quán)利要求的特征的定位儀來(lái)解決該任務(wù)。從屬權(quán)利要求再現(xiàn)優(yōu)選的實(shí)施方式。
[0007]基本上有兩個(gè)需要校準(zhǔn)定位儀的理由。一方面不可控制的影響如環(huán)境溫度、環(huán)境濕氣、背離傳感器的對(duì)象或定位儀通過(guò)使用者的接地可能影響輸出信號(hào)。另一方面，輸出信號(hào)與介質(zhì)處的對(duì)象無(wú)關(guān)地與空氣中(in Luft)的輸出信號(hào)不同，其中介質(zhì)的材料和材料厚度以及墻壁電特性如介電常數(shù)或傳導(dǎo)性可以引入到輸出信號(hào)中。
[0008]本發(fā)明的用于電容式探測(cè)被封閉在介質(zhì)中的對(duì)象的定位儀包括測(cè)量電極、參考電極和接收電極，其中測(cè)量電極與接收電極一起構(gòu)成可通過(guò)對(duì)象影響的測(cè)量電容，并且參考電極與接收電極一起構(gòu)成不能被對(duì)象影響的參考電容，此外包括用于給測(cè)量電容和參考電容供應(yīng)移相的交變電壓的振蕩器和用于控制所述交變電壓至少之一的幅度的控制裝置，以便使測(cè)量電極或參考電極的電場(chǎng)對(duì)接收電極的影響彼此相均衡。在此，所述電極平面地實(shí)施，其方式是所述電極與其表面相比僅具有小的厚度。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述表面此外是平坦的。此外，測(cè)量電極具有比參考電極大的面積。
[0009]通過(guò)在推挽測(cè)量電橋處使用所描述的電極裝置，可以補(bǔ)償影響在電極之間的電容的干擾因素。這種影響可以是與對(duì)象和介質(zhì)無(wú)關(guān)的，例如環(huán)境溫度、空氣濕氣、與電極背離的對(duì)象或定位儀經(jīng)由在其手中持有所述儀器的使用者的接地。
[0010]在優(yōu)選的實(shí)施方式中，測(cè)量電極與接收電極的間距大于參考電極與接收電極的間距。
[0011]所描述的推挽測(cè)量電橋根據(jù)對(duì)象的存在確定商的改變，該商通過(guò)測(cè)量電容和參考電容之差與這兩個(gè)電容之和構(gòu)成。以相同形式影響這兩個(gè)電容的影響因此不改變測(cè)量參量。通過(guò)各個(gè)電極的所說(shuō)明的幾何構(gòu)型(Auspdgung)可以使通過(guò)對(duì)象對(duì)參考電容的可影響性降低。
[0012]測(cè)量電極可以至少部分地并且尤其是在測(cè)量電極與接收電極之間的區(qū)域中由防護(hù)電極包圍，該防護(hù)電極與恒定電勢(shì)連接。在該以及另外的實(shí)施方式中適合于將測(cè)量電極、接收電極和參考電極布置在相同的平面中。防護(hù)電極在這種情況下可以同樣在該平面中伸展。恒定電勢(shì)可以尤其是與儀器地(Gedtemasse)相應(yīng)。防護(hù)電極在該平面中提供屏蔽，該屏蔽被調(diào)整到預(yù)先確定的、尤其是在時(shí)間上恒定的電勢(shì)。因此無(wú)需附加的耗費(fèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)該屏蔽，如果由于調(diào)節(jié)條件而在接收電極處出現(xiàn)電勢(shì)，使得與上面描述的交變電壓同步的交變電壓分量消失，則這種無(wú)源屏蔽尤其是有效的。防護(hù)電極因此可以與所描述的推挽測(cè)量電橋相結(jié)合地改善定位儀的確定質(zhì)量。
[0013]測(cè)量電極、參考電極和接收電極可以處于一個(gè)平面中，其中在背離對(duì)象的側(cè)上布置有與恒定電勢(shì)連接的屏蔽電極，該屏蔽電極至少部分地或優(yōu)選完全地遮蓋處于該平面中的電極。由此可以減少不要被探測(cè)的對(duì)象、尤其是定位儀的使用者的影響。在一種變型方案中，該遮蓋也可以僅僅提供部分遮蓋，例如接收電極或參考電極可以從該遮蓋中取出。
[0014]在另一實(shí)施方式中，其可以與上述實(shí)施方式組合，載體材料在測(cè)量電極和接收電極之間具有凹部。
[0015]在又另一實(shí)施方式中，其可以與上述實(shí)施方式組合，參考電極和接收電極布置在平坦的載體材料的表面上，其中載體材料在參考電極和接收電極之間具有凹部。
[0016]兩種措施的目的在于，電場(chǎng)力線的數(shù)量通過(guò)載體材料在測(cè)量電極和接收電極之間或在參考電極和接收電極之間被最小化。通過(guò)載體材料的特性對(duì)測(cè)量電容或?qū)⒖茧娙莸挠绊懣梢杂纱吮粶p少并且電容與溫度和濕度的相關(guān)性被簡(jiǎn)化。
[0017]防護(hù)電極可以與屏蔽電極電連接。兩種不同類型的屏蔽因此可以以簡(jiǎn)單的方式相互連接。這可以有助于簡(jiǎn)單地構(gòu)建定位儀，由此可以節(jié)省制造和開(kāi)發(fā)成本。
[0018]在測(cè)量電極和接收電極之間可以有大量用于將屏蔽電極與防護(hù)電極電連接的導(dǎo)體段。
[0019]在另一實(shí)施方式中，其可以與上述實(shí)施方式組合，測(cè)量電極和接收電極布置在平坦的載體材料的表面上，其中該載體材料在測(cè)量電極和接收電極之間具有凹部，所述凹部的邊界至少部分地配備有導(dǎo)電層，該導(dǎo)電層與屏蔽電極和防護(hù)電極電連接。
[0020]垂直接觸的兩種變型方案的目的在于:把在防護(hù)電極和屏蔽電極之間的電連接在測(cè)量電極和接收電極之間的區(qū)域中實(shí)施為，使得電場(chǎng)力線、尤其是通過(guò)載體材料引起的這樣的電場(chǎng)力線在測(cè)量電極和接收電極之間被屏蔽。在測(cè)量電極和接收電極之間的基本電容可以由此被減小。由此可以在對(duì)象的影響方面提高測(cè)量電路的靈敏度。通過(guò)載體材料的特性對(duì)基本電容的影響由此可以被減少并且基本電容與溫度和濕度的相關(guān)性被簡(jiǎn)化。
[0021]測(cè)量電極、參考電極和屏蔽電極可以分別用絕緣層覆蓋。由此可以減少例如介質(zhì)對(duì)參考電容或測(cè)量電容的電影響。尤其是，絕緣層可以用作濕氣屏障，使得空氣濕氣不能侵入到載體材料中并且不能影響電容。
[0022]測(cè)量電極或參考電極可以包括多個(gè)相互間隔的區(qū)段，所述區(qū)段低歐姆性地相互電連接。由此，電極可以布置為使得能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)象的二維可確定性。
[0023]測(cè)量電極或參考電極可以包括多個(gè)相互電絕緣的區(qū)段，所述區(qū)段被施加不相同的、但是相互成比例的信號(hào)。該電極裝置的靈敏度因此可以在不同方向上有不同大小。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024]現(xiàn)在參照附圖更確切地描述本發(fā)明，其中:
圖1示出定位儀；
圖2示出圖1的定位儀的電極的裝置；
圖3示出圖2的裝置處的電極之間的電連接；以及圖4示出圖2的裝置處的電極之間的可替換的電連接。

【具體實(shí)施方式】
[0025]圖1示出用于電容式探測(cè)封閉在介質(zhì)105中的對(duì)象110的定位儀100。
[0026]該定位儀100包括推挽測(cè)量電橋115和電極的裝置120。
[0027]在測(cè)量電橋115處，振蕩器125提供兩個(gè)移相的、優(yōu)選反相的相同頻率的交變電壓。這兩個(gè)交變電壓被引導(dǎo)給兩個(gè)放大器130和135，它們中的至少一個(gè)可以借助信號(hào)在其放大系數(shù)方面被控制。第一放大器130的輸出端與測(cè)量電極140連接，并且第二放大器135的輸出端與參考電極145連接。
[0028]裝置120至少包括電極140和145以及不接地的接收電極150。電極140、145和150彼此被布置為，使得在測(cè)量電極140和接收電極150之間出現(xiàn)測(cè)量電容Cl，并且在參考電極145和接收電極150之間出現(xiàn)參考電容C2。在此，電極140、145和150被構(gòu)造為，使得測(cè)量電容Cl可以被對(duì)象110影響，而參考電容C2不能或者可以在可忽略地小的程度上被影響。
[0029]接收電極150與測(cè)量放大器155連接，所述測(cè)量放大器的輸出端與同步解調(diào)器160連接。根據(jù)由振蕩器125所提供的時(shí)鐘信號(hào)(其頻率相應(yīng)于提供給放大器130和135的交變電壓的頻率)，測(cè)量電極140和參考電極145對(duì)接收電極150的影響時(shí)間上交替地被確定并且被提供給積分器165，其例如可以被構(gòu)造為求積分的比較器。積分器165的輸出端與接口 170連接，在該接口 170處提供測(cè)量信號(hào)。測(cè)量信號(hào)此外被用于控制放大器130和135中的至少一個(gè)的放大系數(shù)。如果兩個(gè)放大器130、135是可控制的，則設(shè)置有反相器175，以便反向地控制所述放大系數(shù)。
[0030]推挽測(cè)量電橋115被設(shè)立用于對(duì)該裝置120的測(cè)量電極140和參考電極如此施加交變電壓，使得對(duì)象110的介電影響對(duì)在接收電極150處的電容Cl和C2的作用一樣大。在此，參考電容C2物理上被構(gòu)建為使得所述參考電容不能被對(duì)象110或者實(shí)際上不能被對(duì)象110影響。如果例如對(duì)象110非對(duì)稱地處于電極140、145的區(qū)域中，使得電容Cl和C2介電地不同強(qiáng)烈地由對(duì)象110影響，則交變電壓具有不相同高度的幅度，使得測(cè)量電極140和參考電極145對(duì)接收電極150的影響在時(shí)間平均上是相同的。在接口 170處提供的測(cè)量信號(hào)反映放大器130、135的調(diào)制(Aussteuerung)。如果測(cè)量信號(hào)高于或低于預(yù)先確定的值,該值對(duì)應(yīng)于不存在的對(duì)象110，則可以由測(cè)量信號(hào)推斷出對(duì)象110。
[0031]圖2示出圖1的定位儀100的電極的裝置120。在此，圖2A示出在朝向?qū)ο?10的第一平面中的電極，并且圖2B示出在關(guān)于第一平面背離對(duì)象110的第二平面中的電極的裝置。實(shí)際上，所示的裝置例如可以構(gòu)造為在由絕緣材料制成的電路板的不同層上的印制電路。
[0032]在圖2A中，分別相應(yīng)于圖2中的測(cè)量電極140的第一測(cè)量電極205和第二測(cè)量電極210、分別相應(yīng)于圖1的參考電極145的第一參考電極215和第二參考電極220、以及相應(yīng)于圖1的接收電極115的接收電極225和防護(hù)電極242位于第一平面中。彼此對(duì)應(yīng)的電極205和210、215和220可以低歐姆性地相互電連接。在另外的實(shí)施方式中，彼此對(duì)應(yīng)的電極205-220被施加相同的或者不相同但是彼此成比例的信號(hào)，這些信號(hào)可以來(lái)自不同的源。為此目的，例如可以在圖1的測(cè)量電橋115中為每個(gè)所述測(cè)量電極205和210設(shè)置自己的放大器130。雙重地實(shí)施的電極205和210、215和220中的每一個(gè)也可以單獨(dú)地實(shí)施。
[0033]參考電極215、220小于測(cè)量電極205和210，更確切地說(shuō)，優(yōu)選明顯小于測(cè)量電極205和210，使得測(cè)量電極205、210的面積是參考電極215、220的面積的多倍。優(yōu)選地，測(cè)量電極205和210是相同大小的。同樣優(yōu)選地，參考電極215、220是相同大小的。
[0034]優(yōu)選地，測(cè)量電極205和210與參考電極215和220相比離接收電極225更遠(yuǎn)，更確切地說(shuō)明顯更遠(yuǎn)，使得測(cè)量電極205和210至接收電極225的距離分別是參考電極215和220與接收電極225的距離的多倍。優(yōu)選地，第一測(cè)量電極205與接收電極225的間距相應(yīng)于第二測(cè)量電極與接收電極225的間距。同樣優(yōu)選地，第一參考電極215與接收電極225的間距相應(yīng)于第二參考電極220與接收電極225的間距。
[0035]可選地，在裝置120中還設(shè)置有第一對(duì)應(yīng)電極235并且必要時(shí)也設(shè)置有第二對(duì)應(yīng)電極240。測(cè)量電極205、210和對(duì)應(yīng)電極235、240優(yōu)選是相同大小的并且水平和垂直地以彼此相同大小的間距來(lái)布置。測(cè)量電極205和210以及對(duì)應(yīng)電極235和240分別可以由防護(hù)電極242包圍。
[0036]防護(hù)電極232在水平方向上大致在圖2A的中心伸展，該防護(hù)電極232將布置在上部的測(cè)量電極205和210、分別所分配的防護(hù)電極242、參考電極215和220以及第一接收電極225與布置在下部的對(duì)應(yīng)電極235和240連同分配給其的防護(hù)電極242和另外的防護(hù)電極230分開(kāi)，并且減小在對(duì)應(yīng)電極235、240和接收電極225之間的電容耦合。該裝置120的在圖2A中處于水平防護(hù)電極232之下的部分在另外的實(shí)施方式中也可以取消。
[0037]全部的防護(hù)電極230、232、242是可選的。防護(hù)電極242用于中斷在處于第一平面中的電極205-225、235、240之間的電容耦合。防護(hù)電極230對(duì)應(yīng)于接收電極225并且提高電極裝置的對(duì)稱性并且由此提高了場(chǎng)力線分布的對(duì)稱性。防護(hù)電極230、232、242與預(yù)先確定的、尤其是時(shí)間上恒定的電勢(shì)連接，例如與圖1中的定位儀100的儀器地連接。該策略與已知的有源屏蔽(“active shielding”)的不同之處在于:防護(hù)電極的電勢(shì)在時(shí)間上是恒定的并且不跟蹤另一電勢(shì)(nachfilhren)。防護(hù)電極242尤其是在使用在圖1中所示的推挽測(cè)量電橋115情況下出現(xiàn)，因?yàn)闇y(cè)量電橋115被設(shè)立用于調(diào)整在接收電極150處的電勢(shì)，使得與測(cè)量電極140或參考電極145處的交變電壓的時(shí)鐘同步的交變電壓分量消失。
[0038]在第一平面的相鄰電極之間的絕緣也可以借助空氣來(lái)實(shí)現(xiàn)，其方式是在電極之間引入凹部244，如示例性地在第一參考電極215和接收電極225之間以及在第二參考電極220和接收電極225之間所示出的。
[0039]在所示的、優(yōu)選的實(shí)施方式中，裝置120的全部電極205-242由絕緣層246覆蓋，以便使與環(huán)境空氣的介質(zhì)105或其他對(duì)象的電阻性耦合變得困難。絕緣層也用作濕氣屏障，使得例如來(lái)自空氣中的濕氣不能侵入到載體材料中并且不能影響電容。
[0040]圖2B示出四個(gè)屏蔽電極250，所述屏蔽電極分別被測(cè)定并且被安置為使得它們將測(cè)量電極205、210之一或者對(duì)應(yīng)電極235、240之一連同必要時(shí)所分配的防護(hù)電極242遮蓋。屏蔽電極250在定位儀100處與時(shí)間上恒定的電勢(shì)連接，該電勢(shì)可以相應(yīng)于定位儀100的儀器地。附加地或可替換地，屏蔽電極250可以與防護(hù)電極242連接。屏蔽電極250也可以借助未示出的絕緣層246被保護(hù)免受外部影響。
[0041]圖3示出圖2的裝置120的不同平面之間的電連接。
[0042]凹部244被引入到電路板305中，該電路板在其上側(cè)承載圖2A的第一平面，并且在其下側(cè)承載圖2B的第二平面。凹部244在參考電極145和接收電極150之間被引入到電路板305中。凹部244可選地在至少一側(cè)上配備有導(dǎo)電層310，該導(dǎo)電層在上部與第一平面的電極之一(這里示例性地為防護(hù)電極242)電連接，并且在下部與第二平面的電極之一(這里示例性地為屏蔽電極250)電連接。在另一例子中，凹部244可以在測(cè)量電極140和接收電極150之間被引入到電路板305中。導(dǎo)電層210在此情況下優(yōu)選建立在上側(cè)上的防護(hù)電極242和在下側(cè)上的屏蔽電極250之間的電接觸。
[0043]在圖4中示出了該電連接的對(duì)此可替換的機(jī)械構(gòu)型。代替凹部244，將多個(gè)垂直孔安放到電路板305中，導(dǎo)體段315穿過(guò)所述孔。導(dǎo)體段315優(yōu)選作為貫通接觸部(“通孔”)例如通過(guò)電鍍途徑或借助鉚釘來(lái)制造。
[0044]在圖3和圖4中所示的兩個(gè)變型方案用于構(gòu)造空氣填充區(qū)域和可選地構(gòu)造在垂直方向上的導(dǎo)體段，以便屏蔽電極之間的電場(chǎng)，所述電極在平面內(nèi)關(guān)于導(dǎo)體段彼此相對(duì)。兩個(gè)實(shí)施方式可以附加于或替換于為相同目可使用的防護(hù)電極242而被設(shè)置。
【權(quán)利要求】
1.用于電容式探測(cè)被封閉在介質(zhì)(105)中的對(duì)象(110)的定位儀(100)，包括: -測(cè)量電極(140)、參考電極(145)和接收電極(150)， -其中測(cè)量電極(140)與接收電極(150) —起構(gòu)成可通過(guò)對(duì)象(110)影響的測(cè)量電容(Cl)，并且參考電極(145)與接收電極(150) —起構(gòu)成不能被對(duì)象(110)影響的參考電容(C2)； -用于給測(cè)量電容(Cl)和參考電容(C2)供應(yīng)移相的交變電壓的振蕩器(125); -用于控制所述交變電壓至少之一的幅度的控制裝置(130，135，155，160，165，175)，以便使測(cè)量電極(140)或參考電極(145)的電場(chǎng)對(duì)接收電極(150)的影響彼此相均衡，其特征在于， -所述電極(140,145,150)平面地成形，并且所述測(cè)量電極(140)具有比參考電極(145)大的面積。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定位儀(100)，其中所述測(cè)量電極(140)與接收電極(150)的間距大于所述參考電極(145)與接收電極(150)的間距。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的定位儀(100)，其中所述測(cè)量電極(140)至少部分地由防護(hù)電極(242)環(huán)繞，其中該防護(hù)電極(242)與恒定電勢(shì)連接。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的定位儀(100)，其中所述測(cè)量電極(140)、參考電極(145)和接收電極(150)處于一個(gè)平面中，并且在背離對(duì)象(110)的側(cè)上布置有與恒定電勢(shì)連接的屏蔽電極(250)，該屏蔽電極至少部分地遮蓋處于該平面中的電極(140，145，150)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3和4所述的定位儀(100)，其中所述防護(hù)電極(242)與屏蔽電極(250)電連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的定位儀(100)，其中在測(cè)量電極(140)和接收電極(150)之間有大量用于將屏蔽電極(250)與防護(hù)電極(242)電連接的導(dǎo)體段(315)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的定位儀(100)，其中所述測(cè)量電極(140)和接收電極(150)布置在平坦的載體材料(305 )的表面上，并且該載體材料(305 )在測(cè)量電極(140 )和接收電極(150)之間具有凹部(244)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的定位儀，其中所述凹部(244)的邊界至少部分地配備有導(dǎo)電層(310)，該導(dǎo)電層與屏蔽電極(250)和防護(hù)電極(242)電連接。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的定位儀(100)，其中所述測(cè)量電極(140)、參考電極(145)和屏蔽電極(250)分別用絕緣層(246)覆蓋。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的定位儀(100)，其中測(cè)量電極(140)或參考電極(145)包括多個(gè)相互間隔的區(qū)段(205，210)，所述相互間隔的區(qū)段低歐姆性地相互電連接。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的定位儀(100)，其中所述測(cè)量電極(140)或參考電極(145)包括多個(gè)相互電絕緣的區(qū)段(205-220)，所述相互電絕緣的區(qū)段被施加不相同的、但是相互成比例的信號(hào)。
【文檔編號(hào)】G01V3/08GK104169742SQ201380016785
【公開(kāi)日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2013年2月14日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月29日
【發(fā)明者】T.齊博爾德, A.阿爾布雷希特 申請(qǐng)人:羅伯特·博世有限公司