用於定位金屬物體的傳感器以及用於分析這種傳感器的測量信號的方法
2023-10-26 02:54:07 2
專利名稱：用於定位金屬物體的傳感器以及用於分析這種傳感器的測量信號的方法
技術領域：
本發明涉及一種根據權利要求1的前序部分的用於定位金屬物體的傳感器以及一種用於分析這種傳感器的測量信號的方法。
背景技術：
用於定位例如隱藏在建築材料中的金屬物體的傳感器或探測器目前通常使用感應方法。在此利用，導電以及鐵磁材料影響安置在環境中的電磁線圈的特性。由金屬物件引起的感應特性的改變被這種探測器的接收電路記錄。以這種方式，例如被封閉在牆壁中的金屬物件原則上可以藉助一個或多個被引導越過牆壁的線圈來定位。
在此，磁性和非磁性物體以不同的方式影響感應傳感器。例如鐵磁性鐵棒插入傳感器線圈的磁場中可以通過該傳感器線圈的電感的增大來識別。與此相對，導電的非磁性材料通過在這些材料中所感生的渦流而引起探測器線圈的損耗的增大。因此，在傳感器的範圍內導電的非磁性物件的存在可以通過傳感器線圈的品質的下降來識別。金屬物體對感應傳感器的特性的反作用通常是針對該傳感器所使用的頻譜的函數。首先應該對鐵磁性物體、即特別是鐵和鋼起反應的感應傳感器合宜地在10kHz以及更小的範圍內的頻率處工作，因為在更高的頻率處大多數磁性材料的磁導率快速降低。
在探測金屬物體時的技術難題在於，待定位的物件對傳感器裝置的一個線圈或多個線圈的反作用在數值上非常小。這特別是對非鐵磁性物體、如例如技術上重要的銅的影響適用。
基於感應方法的探測器通常具有高的偏移、即在傳感器上可截取的高的信號，該信號已經在沒有外部的、即待定位的金屬物件的影響的情況下由探測器的接收電路所測量。這種高的偏移使得難以檢測非常小的感應變化，這些變化由被置於探測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在實踐中非常小，並且特別是比相同線圈在不存在金屬物體時所具有的電感L小很多。在此，在探測時最大的技術難題不是提供傳感器特性的變化的小的絕對值、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變化、即極小的商ΔL/L。
特別有幹擾的是在探測非磁性材料時的偏移。用於實現高的測量效率的通常途徑是使用具有特別高的品質的傳感器線圈。由待定位的物體引起的線圈品質的輕微的降低隨後僅僅在較小的程度上被總歸存在的線圈損耗所掩蓋。通常所採取的途徑在於，在傳感器中使用具有高的繞組數目的接收線圈並且採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上探測非常小的傳感器特性變化的必要性以將窄公差的並且因此更昂貴的部件用於這種探測器為前提，並且此外要求漂移非常小的模擬電子設備，該模擬電子設備明顯提高傳感器或者相應的定位設備的成本。
為了對付該偏移問題，在現有技術中公開了不同的方法，這些方法共同具有的目標是，減小在金屬物體不存在時所存在的傳感器信號並且因此放大相對的信號變化。
通常在此情況下選擇多級方法，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完全消除或者補償信號偏移。然而，在實踐中可實現的補償品質經常例如依賴於製造公差，使得信號偏移的完全消除經常使在一定程度上用於精細補償的另外的方法成為必要。
下面被納入上位概念「感應補償傳感器」的金屬探測器系列所基於的共同思想在於，用多於一個的單線圈構造探測器並且特別是區分用於激勵磁場的繞組系統和用於探測的繞組系統。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(Leiterschleifen)，使得在不存在金屬物體時由激勵磁場在接收機系統中所感生的電壓消失。這例如通過以下方式來實現，即由激勵磁場在被反向定向的接收線環中感生相同幅度的電壓，然而這些電壓由於定向而具有相反的符號並且因此相互抵消。
由DE 101 22 741 A1公開了一種用於定位金屬物件的探測器，該探測器具有相互感應耦合的接收線圈和第一發射或勵磁線圈。為了在探測器中出現儘可能小的偏移信號，存在同樣與接收線圈感應耦合的第二發射線圈。接收線圈和兩個發射或勵磁線圈相對於共同的軸同心布置，其中兩個發射線圈在它們的繞組數目、定向和/或它們的尺寸方面這樣被確定，使得由這兩個發射線圈在接收線圈中所激發的磁通在不存在金屬物體時恰好相互補償。
由US 5,729,143公開了一種探測器，其目標在於，儘可能地抑制前面提及的測量信號的偏移。為了該目的，US 5,729,143的探測器包括具有發射機的發射線圈以及具有接收機的接收線圈。該探測器的發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耦合。由發射機給發射線圈饋送交變電流。電流流經的該發射線圈通過其與接收線圈感應耦合而在該接收線圈中激發在兩個線圈的重疊面中的第一部分磁通以及在接收線圈的剩餘面中的第二部分磁通。發射線圈和接收線圈的中心之間的距離現在可以這樣來選擇，使得兩個具有相反的符號的部分磁通恰好相互補償。如果情況如此，則電流流經的發射線圈(當在線圈裝置的附近不存在外部的金屬物件時)在接收線圈中不感生電流，使得在該理想情況下接收機也不會測量到偏移信號。只有當線圈裝置被置於金屬物件附近時，由發射線圈所產生的場才被幹擾，使得現在在接收線圈中激發不消失的磁通，該磁通在接收線圈中產生測量信號，該測量信號不受偏移信號的影響並且可以由接收機或連接在該接收機之後的分析電路來分析。
在此，發射線圈和接收線圈的中心之間的相對距離是極其關鍵的參數，使得要理想地假設的、接收機線圈中感生電壓的不存在在實踐中只能以大的技術花費來實現。已經表明，以這種方式在這種傳感器的批量生產的條件下不能實現磁通分量的充分的補償。
由於該原因，US 5,729,143提出一種電子電路，其事後以電子方法實現補償並且使這種傳感器因此也實際可用。
在US 5,729,143中所描述的方法單頻工作。在激勵器側生成確定頻率f的交變磁場，並且所感生的電壓分量在接收機繞組中利用合適的模擬和數字濾波器頻率選擇性地正好在該頻率f處被分析。由於接收機和激勵器系統的不足的磁補償而在接收機繞組中所感生的頻率f的電壓U(f)具有依賴於溫度的幅度和相位，該電壓此外還受附加的同型元件參數差異的影響。US 5,729,143的方法現在基於，類似於在接收機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字校正信號。在此，對於補償來說所需的幅度和相位取決於相移，該相移由激勵器和接收機支路中的電路的部件引起。然而因此所需要的校正信號此外還受溫度漂移的影響。為了即使在工作溫度改變時也能補償誤差電壓U(f)，微處理器必須隨著溫度跟蹤校正信號的相位和幅度。此外通常需要由用戶進行傳感器的重新校準。
由EP 1092989 A1中公開了一種用於補償例如由於製造公差而殘留的剩餘偏移的替代方法。在該方法中不是將校正電壓添加到在接收機繞組中所感生的探測電壓上，而是利用附加的校正磁場。為此，磁場激勵的系統不僅僅由主勵磁線圈構成，而是附加地添加所謂的微調繞組和校正繞組。在此，微調繞組和校正繞組之間的區別在於，校正繞組與主勵磁線圈串聯，並且因此總是流過相同的電流，而所謂的微調繞組可以被加載在校正和勵磁線圈中流過的電流的可調整的一小部分。以這種方式可以實現，在傳感器的環境中不存在金屬物體時，在探測器線圈中不產生感生電壓。EP 1092989 A1的方法在此情況下明顯更少地依賴於發射和接收電路中的漂移和部件公差。此外，測量並不局限於所選擇的工作頻率，因為補償很大程度上獨立於所使用的頻率。然而與此相對，根據EP 1092989 A1的傳感器的結構明顯更複雜。US 5,729,143的傳感器僅僅各一個線圈用於發射和接收回路就夠了，而EP 1022989 A1的結構在發射和激勵路徑中需要十個線圈以及需要四個線圈用於接收路徑。
與不區分獨立的激勵器系統和接收機系統的傳感器相比，金屬物體在補償傳感器中首先產生顯著更小幅度的信號變化。不僅由原始的激勵磁場所感生的電壓在接收支路中消除，而且弱的由待探測的物體所引起的磁場變化一般在一定程度上受到補償。
此外在補償傳感器中為磁心的使用設置了狹窄的界限。補償的質量在此敏感地依賴於所使用的鐵氧體的磁導率，該磁導率通常不能被足夠窄地確定公差。在實踐中，因此通常在補償傳感器中使用空氣線圈，其中必須考慮，線圈品質急劇下降並且特別是使非磁性材料的探測變得困難。
用於規避在補償傳感器的情況下小的信號和低的空氣線圈品質的問題的通常方法在於，如例如在EP 1092989 A1中詳細闡述的，將接收線圈系統中的繞組數目選擇得儘可能高。
發明內容
本發明所基於的任務在於，從現有技術的探測器或傳感器出發，給出開頭提及的類型的補償傳感器，該補償傳感器的特性和測量結果隨著環境溫度儘可能僅僅微小地改變，使得即使在沒有定期的校準過程的情況下也可以利用這種傳感器實現良好的測量結果。
此外，本發明的任務在於，特別是低成本地並且以對製造公差儘可能低的要求以及儘可能小的安裝花費實現這種傳感器。
本發明所基於的任務通過具有權利要求1的特徵的用於定位金屬物體的傳感器來解決。
本發明的優點根據本發明的用於定位金屬物體的傳感器具有彼此感應耦合的發射或勵磁線圈和接收導線結構。根據本發明，至少接收導線結構通過電路板上的印製導線系統來實現。
有利地，本發明傳感器中的至少一個接收線環系統因此用電路板的銅結構、即印製電路來代替。這例如可以以印製布局(Print-Layout)的形式來產生。在線環作為銅結構的這種擴展方案中，一方面不產生用於製造和安裝接收繞組系統的另外的顯著的成本或提高的時間花費。作為電路板上的印製導線結構的接收線環系統的本發明實施除了幾乎消失的成本之外還具有以下優點，即線環的尺寸正確度可以非常高地被實施。以25微米的精度在電路板上製造銅結構在技術上不引起大的問題。
使用印製導線結構作為接收導線結構導致，傳感器的接收系統中的繞組數目必須被明顯減小。這又導致接收系統的非常小的電感。與轉換所需要的測量和分析方法一樣，以下認識是本發明的主題，即儘管接收系統的單位長度電感(Induktivitaetsbelag)極小，仍然可以構造高級的感應傳感器，該感應傳感器與通常的補償傳感器相比可能甚至明顯更溫度穩定並且更易於製造。
根據本發明的探測器的有利的改進方案和實施形式由從屬權利要求的特徵得出。
特別是為了定位非磁性材料，使用較高頻率是有利的，因為在這些頻率處磁場到待定位的物體中的滲透深度下降並且因此在物體中所感生的渦流變得更有意義。因為在100kHz的工作頻率時到銅中的滲透深度已經是大約0.2mm的數量級，但是在實踐中為了提高探測品質而將工作頻率提高到遠遠超過200kHz一般不能達到目的。至少在使用感應傳感器來找到建築材料中的金屬時，該長度已經顯著小於相關物體、例如電線、水管或鋼筋的尺寸。
不僅應該對導電物體而且也應該對鐵磁物體起反應的傳感器必須在頻率選擇方面達成妥協，並且因此合宜地在1kHz和10kHz之間的頻率範圍內工作。特別合適的是4-6kHz的頻率，因為在該頻率窗口中含鐵的物體和具有可比較的大小的導電物件產生近似相同幅度的測量信號。
為了使用在1kHz和100kHz之間的測量頻率，也談及以下事實，即分析電路和電子部件在此可以特別便宜地並且以低花費來構造。
為了精確地調整在補償傳感器中在接收路徑中所感生的電壓的補償，需要考慮，「探測器線圈」不僅感應地起作用，而且同樣具有不消失的單位長度電容值。用於定位設備的探測器線圈通常藉助漆包銅線來製造。典型地被用於這些線圈的絕緣漆僅僅具有幾個微米數量級的小的厚度。因此，兩個並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。由於在使用漆包線時的小的絕緣厚度，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。因為為了實現最佳的補償幾何結構，直到ppm數量級的電感的確定是重要的，所以在使用僅僅幾kHz的頻率時，該電容性影響也不再能夠被忽略。在此情況下要注意的是，通過寄生電容器而終止的電流在線圈的另外的繞組內被升壓變換，並且因此總計可能導致顯著的幹擾電位。在此，寄生電容此外遭受顯著的溫度漂移，因為絕緣漆的介電常數不是熱穩定的。這特別是在使用所謂的烤漆(Backlack)時適用。
有利地，根據本發明的接收系統的線環自動地平面地被構造，即在推廣的意義上被單層地「盤繞」。以這種方式可以簡單地減小單位長度電容值。平面的、單層的幾何結構使得能夠保持大的迴路與迴路之間的間距並且因此減小單位長度寄生電容值。此外因此保證，剩餘的單位長度電容值在熱學上幾乎是不變的，使得寄生電容的溫度漂移不再這樣重要。
構造有接收線環系統的印製導線結構的電路板在根據本發明的傳感器中產生特別的意義。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製導線結構被構造，這導致多個單個部件是多餘的。
由於小數量的線環，在根據本發明的傳感器中一般除了激勵器系統和接收機系統的感應耦合之外，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磁線圈和接收機結構之間附加地布置屏蔽導線結構或者直接將該屏蔽導線結構構造為印製導線結構。這些能夠被置於地電位的結構在製造傳感器時絲毫不引起值得一提的更高成本。特別地，在接收線環的根據本發明的平面的幾何結構的情況下，平面的屏蔽結構也可以提供良好的結果。
然而在施加屏蔽線路或屏蔽結構時必須注意，在屏蔽幾何結構內電流迴路不能閉合。有利地，屏蔽結構因此被構造為由儘可能薄的單導線構成的曲折結構或梳狀結構。
作為發射線圈或勵磁線圈工作的線圈位於與電路板在高度上錯位的、即在z方向上被移動的平行的第二平面中。這有利地能夠實現，在發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勵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，勵磁線圈相對於所設置的位置的錯誤定位就在越小的程度上對被不同地定向的單線環產生作用。即在勵磁線圈錯誤定位時，在更近的接收線環中所感生的電壓必要時比在被相反地定向並且更遠離的線環中更強烈地改變。因此結果是，所感生的電壓幅度的良好補償只能在高的位置正確度時才被保證。
除了有意義地以至發射線圈大的距離被布置的接收系統的繞組或線環之外，在勵磁線圈之下布置補償繞組，這些補償繞組在理想情況下應該對由待探測的物體所生成的測量信號沒有影響。
在此，這樣確定相應的補償繞組的數量和位置，使得在接收線環系統中所感生的電壓對勵磁線圈的高度錯誤定位、即在z方向上的錯誤調整的依賴性被儘可能精確地補償。因此，勵磁或發射線圈在z方向上的微小的錯誤定位對在接收繞組中總計所感生的電壓不再起作用或者不再這麼強烈地起作用。
有利地，補償繞組也被實現為電路板上的銅結構。理想地，補償繞組和接收線圈的繞組在相同的電路板上構造為印製導線結構。
在這種探測器幾何結構的情況下，得到在勵磁線圈在其位於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。
在本發明傳感器的一種有利的改進方案中，接收線環系統的補償繞組被構造在電路板的兩個相對的側面上。在此，順時針方向以及逆時針方向纏繞的兩個補償環在儘可能相同的幾何結構的情況下在不同的高度上、例如在電路板的兩側並且有利地作為印製導線結構被施加。
通過位於傳感器內部的補償繞組對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償繞組布置在勵磁線圈下方，而不消極地影響感應傳感器的方向特性。
有利地，本發明傳感器的發射線圈被施加在線圈架上，該線圈架在安裝時接著被固定、例如被焊或者夾(eingeclipst)在電路板上。勵磁或發射線圈的繞組因此位於電路板之上確定的、限定的高度上，並且因此位於接收導線結構的平面之上。支承發射線圈的繞組的線圈架因此有利地也用作發射線圈或者其繞組相對於接收系統的線環的機械距離保持裝置，並且因此保證發射和接收繞組的限定的距離。
特別有利地，勵磁線圈通過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置的孔內。為了能夠實現穩定的也是機械的接觸，在此有益的是，使用多於兩個的電學上所需要的觸針，並且例如附加地設置一個或兩個盲的、即不電接觸的引腳。以這種方式，勵磁線圈可以通過焊接工藝也在機械上精確地被固定。
這種具有根據本發明的傳感器幾何結構的用於定位金屬物體的探測器因此有利地僅僅需要單個通常的線圈，並且使另外的纏繞的傳感器線圈與否則需要的單個線圈的高精度定位一樣多餘。此外，本發明傳感器還具有良好的探測定向作用，並且在溫度變化時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儘管有製造公差和熱漂移但仍殘留的信號偏移。然而，為了能夠實現非常小的金屬物體的探測，可以值得期望的是，進一步減小偏移。
根據本發明的解決方案在於，與電氣精細補償或者勵磁場修改的公知方法相反，修改接收幾何結構。為此可以藉助開關裝置將線環或者線環的一小部分連接至接收系統或從其斷開。在該調整環的合適的尺寸確定的情況下可以實現，在這些導線組中所感生的電壓恰好補償殘留的偏移電壓。
一種特別有利的技術解決方案是，用於精細補償的線環被構造為印製導線上的導線組，因為這樣同樣實現幾十μm的高的由製造引起的尺寸正確度並且實現幾乎任意選擇該調整線環的幾何結構的可能性。
使用電路板上的導線組來代替接收系統的線圈和/或實現分路電阻和/或調整繞組對於隨後的信號處理來說具有已導致根據本發明的分析電子設備或者相應的分析方法的一系列後果。
一方面，通過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，使得對於本發明傳感器來說現在只還有在通常的探測器的情況下曾是不可見的漂移效應變成重要的，因為這些漂移效應大多被那裡殘留的、偏移的漂移完全遮蓋。特別地，現在在本發明傳感器的情況下使人察覺到勵磁線圈的歐姆電阻隨著溫度的變化。本發明描述了一種有利的解決方案，其中藉助分路電阻測量勵磁線圈中的電流的變化，並且實現該漂移效應的補償。有利地，在此在激勵電流流經的分路電阻的兩側截取並分析測量電壓。在使用兩個截取點的情況下，電路板上的測量電位的變化可以有利地被補償。在一種有利的實施方案中，分路電阻的決定電阻的材料本身由銅構成。
在知道激勵支路中的電流和該電流的相位的情況下可以在計算上與必要時產生的相移一樣補償例如出現的測量幅度的減小，其中該測量幅度的減小例如由以下情況引起，即激勵信號中的電流由於勵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印製電路板上的導線組來形成。由於這種傳感器的分析電路的高的放大因數，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印製電路板上的由銅導線組構成的短的曲折結構形成，並且以這種方式避免附加的分離的部件。在實踐中，為此大約1-2cm的導線結構作為分路電阻足夠了。
在本發明傳感器的一種特別有利的實施形式中，為了測量分路電阻中的電流，使用相同的測量放大器，該測量放大器也被用於分析在接收線環系統中所感生的電壓。這可以通過在測量放大器的輸入端處使用合適的開關裝置來實現。優點在於，以這種方式方法，測量放大器電路內的長時間效應和溫度漂移效應以與對線圈信號相同的方式對分路信號的測量起作用。此外，有利地避免構造用於分路電壓的分離的測量放大器的成本，這些成本甚至在考慮所需要的開關裝置的成本的情況下也導致顯著的成本降低。
在本發明傳感器的情況下，接收系統中的高的尺寸正確度的優點以及因此可實現的偏移補償首先通過以下方式來得到，即探測器繞組的數目極其受限。由此引起的極小的、具有僅僅幾十nV數量級的電壓的信號電平要求特定的電路技術解決方案以及合適的信號處理，以便在分析測量信號時減小噪聲帶寬以及抑制寄生幹擾信號。
在小的信號電平以及因此所需的高的放大因數的情況下，一方面要注意測量放大器的噪聲特別低的設計，該設計可以特別有利地利用測量放大器的雙極輸入級以及非常低歐姆的反饋電阻來實現。另一方面，極高的放大因數和低的信號電平的組合導致，例如測量放大器的供給中的幹擾信號對該測量放大器的輸入的串擾可能變得重要。本發明建議，藉助合適的開關裝置將測量放大器的輸入端直接置於地電位，以便能夠測量該幹擾信號的幅度，並且在隨後的數位訊號處理中將該幹擾信號從測量信號中減去。
為了分析本發明傳感器，建議執行用於減小噪聲帶寬的測量信號的窄帶數字濾波。在此有利地執行激勵信號的數字生成和傳感器的測量放大器的輸出信號的相位同步的模數轉換。有利地，模數轉換的頻率至少對應於磁場的振蕩頻率的四倍。
本發明使得能夠實現低成本的傳感器，該傳感器通過以下方式使儘可能多的成本高的部件和設備元件變得多餘，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造為該功能部分的印製導線結構。
這例如通過用根據本發明的電路板上的導線組來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置合適的導線組用於屏蔽勵磁線圈和探測器線圈以便抑制繞組的容性耦合來實現。此外，例如分路電阻也可以直接通過該電路板的印製導線來實現，其中該分路電阻能夠實現測量傳感器的激勵器支路中的電流，並且因此確定勵磁線圈中的電流的溫度漂移。
有利地，可以通過使用合適的開關裝置在同一個放大器中進行測量信號和分路信號的分析，該放大器理想地附加地允許分離地測量可能存在的由寄生幹擾信號構成的背景。以這種方式方法，漂移效應例如在放大時同向地出現並且可以被補償。
由此可以實現一種感應補償傳感器，該傳感器在第一步驟中具有有利的解決方案，用於通過避免附加的線圈以及考慮製造公差而對感應傳感器的偏移信號進行粗略補償。
在第二步驟中，能夠實現有利的、用於該傳感器的溫度不變的精細調整的解決方案，以及通過其分析電路能夠實現有利的解決方案和方法，以便通過模擬和數位訊號處理來解決對於這種傳感器來說特定的技術問題、如例如極小的信號幅度。
具有前面闡述的優點的本發明傳感器因此能夠實現一種可靠的並且廉價的測量設備、特別是用於定位金屬物件的探測器，該探測器在沒有定期的校準過程的情況下不依賴於溫度而提供良好的測量結果。這種測量設備例如可以被構造為手持式定位設備。
此外，有利地可以將本發明傳感器集成在工具機中或工具機上，以便使應用者能夠無危險地並且可靠地利用這種機器工作。因此，傳感器例如可以被集成在鑽孔或鑿子工具中，或者被構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明傳感器的一種可能的安裝位置，該灰塵抽吸裝置與工具機相連接，或者可以與該工具機相連接，並且由功能決定在待處理的牆壁的附近使用。
在附圖中示出了根據本發明的傳感器的實施例，這些實施例將在隨後的描述中被進一步闡述。附圖的圖、其描述以及權利要求包含很多組合形式的特徵。本領域技術人員也應單獨考慮這些特徵並且將其概況為另外的有意義的組合，這些組合因此應被視為同樣在說明書中被公開。
圖1以示意圖示出根據現有技術的、用於定位金屬物體的傳感器的傳感器幾何結構的原理構造，圖2以簡化的示意圖示出本發明傳感器的線圈裝置的第一實施例，圖3以與圖2類似的視圖示出本發明傳感器的線圈裝置的第二實施例，圖4以電路板結構的俯視圖示出本發明傳感器的接收機繞組的導線幾何結構的布局，圖5示出根據圖4的電路板的電路板結構的底視圖，圖6示出用於分析和處理本發明傳感器的測量信號的分析電路的示意圖。
具體實施例方式
為了介紹，下面首先簡短地探討由現有技術公開的用於在使用三個同心的傳感器線圈的情況下粗略補償偏移的原理。
隨後的段落的主題是根據本發明的原理，該原理導致利用該構造可實現的粗略補償更不敏感地對製造公差和安裝公差作出反應。特別是探討為了該目的附加的補償繞組的使用，示出以何種方法能夠避免這些補償繞組對傳感器的方向特性產生影響。
緊接著描述一個實施例的布局，該布局示出根據本發明的傳感器原理的實現。藉助該例子，緊接著示例性地示出，如何可以將屏蔽幾何結構用於抑制激勵器路徑和接收機路徑之間的容性耦合，以及如何可以藉助開關裝置通過以下方式實現偏移的精細調整，即電路板上的線環可以選擇性地被接通或者斷開。
描述的結束段落涉及電路技術解決方案的一個實施例以及信號處理的方法，特別需要該實施例和該方法，以便儘管本發明特定地極小的信號幅度，仍能確保良好的測量效率。
為了把補償傳感器的基本原理解釋清楚，圖1示出根據現有技術的用於定位金屬物件的傳感器或探測器的原理構造。在本文的範圍內，概念「探測器」和「傳感器」被同義地使用。這種探測器在其傳感器幾何結構10中具有三個線圈。連接到第一發射機S1上的第一發射線圈12，連接到第二發射機S2上的第二發射線圈14，以及連接在接收機E上的接收線圈16。這裡，每個線圈都被示出為圓形的線。這三個線圈12、14、16的布置的特點在於，它們都相對於共同的軸18同心地布置。在此，各個線圈12、14、16具有不同的外部尺寸，使得線圈12可以相對於軸18同心地置入線圈14中。兩個發射線圈12和14由其發射機S1和S2饋送相反相位的交流電流。因此，第一發射線圈12在接收線圈16中感生磁通，該磁通與由第二發射線圈14在接收線圈16中所感生的磁通方向相反。在接收線圈16中感生的兩個磁通相互補償，使得如果沒有外部的金屬物件位於線圈裝置10附近，則接收機E在接收線圈16中探測不到接收信號。由單個發射線圈12或14在接收線圈16中激發的磁通φ依賴於不同的量、如例如線圈12或14的繞組數目和幾何結構，以及依賴於饋入到兩個發射線圈12或14中的電流的幅度以及這些電流的相互的相位。
這些量在現有技術的探測器中最終必須這樣來優化，使得在不存在金屬物件的情況下在電流流經發射線圈12或14時在接收線圈16中不激發磁通或者激發儘可能小的磁通φ。在根據圖1的線圈裝置10中，連接到第一發射機S1上的第一發射線圈12以及連接到第二發射機S1上的第二發射線圈14彼此同軸地被布置在共同的平面中。接收線圈16被布置在與兩個發射線圈12和14錯位的平面中。
圖2以大大簡化的原理圖示出用於定位金屬物體的本發明傳感器的傳感器幾何結構110的第一實施例。傳感器幾何結構的這種優化的構造在勵磁線圈在高度上的定位方面減小公差敏感性。根據圖2的傳感器幾何結構110具有兩組反向的接收線環112或114，它們在共同的平面126中彼此同軸地布置。發射機線圈116位於該共同的接收機平面126之上一定距離z處，該發射機線圈同樣與接收機系統112或114同軸地布置。
接收線環112或114的線路段具有平面的、單層的繞線幾何結構。接收線環系統112、114的這種構造開闢以簡單的方式使單位長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並且因此保持小的單位長度寄生電容值。
以還要描述的方式將接收線環構造在印製布局中、即構造為電路板上的印製導線結構或所印製的線環。在這樣的實現中不產生接收機線圈的製造和安裝費用。用電路板上的印製導線結構112或114來代替兩個接收機線圈除了消失的費用之外還具有以下優點，即繞組的尺寸精確度非常高。在電路板上精確地製造最大25微米的銅結構在技術上不造成任何問題。
圖2以同樣非常示意性的方式示出傳感器的線圈配置，以便說明接收繞組的布置。在此，為了更好的可見性，Z軸120相對於X和Y軸122或124被拉伸。為了解釋清楚該圖示，相應的度量值位於圖的相應的軸上，然而這些度量值不是幫助獲得該實施例中各個軸的任意單位的刻度的絕對值，而是幫助獲得該刻度的相對大小。此外，在圖2中為了橫截面的更好的可見性而分別從線圈中切除一段。
兩個相反地被定向的接收線環112或114位於平面126中，該平面在此應象徵性地表示未被進一步示出的電路板100，並且在圖2中由X軸122和Y軸124所張開。該平面126在此例如可以對應於電路板100的正面或背面。接收系統114的繞組115在此例如以順時針方向纏繞，而結構112的位於外部的繞組113逆時針方向定向。在這些繞組113、115中所感生的電壓因此具有相反的符號，並且在適當地確定尺寸時在不存在外部的金屬物體的情況下彼此完全補償。
勵磁或發射線圈116位於電路板100的平面126之上，即在Z方向120上錯位。特別有利的是，發射線圈在線圈架上被製造，該線圈架隨後可以被焊到電路板126上。發射線圈116的繞組117因此位於電路板平面126之上的確定的、預先限定的高度z上。由於必需的穩定性，所以製造具有1毫米以下的壁厚的線圈架是關鍵的。因此，應力求電路板和發射線圈116之間的1毫米以及更大的距離。
圖2中所示出的構造就發射線圈116在徑向、即X或Y方向122或124上的錯誤定位而言不太關鍵，如也已經在現有技術中、例如在DE 10122741 A1中所指出的那樣。為了附加地補償在Z方向120上的錯誤定位，除了由現有技術公開的、布置在傳感器的外部區域中的接收繞組115或113之外，按照圖2的根據本發明的傳感器幾何結構110直接在發射線圈116之下具有補償繞組130或132。在圖2的實施例中，這些補償繞組由兩個順時針方向的繞組132和一個逆時針方向的繞組130構成。此外，補償作用可以通過補償繞組130或132的半徑的匹配而被優化。補償繞組的數目和位置在此應這樣來確定，使得在具有接收繞組115和補償繞組130的接收線環114中或者在具有接收繞組113和補償繞組132的接收線環112中所感生的電壓對發射線圈116在z方向120上的錯誤定位的依賴性被補償。補償繞組130或132被布置在發射線圈116之下與接收線環系統112和114相同的平面126中，並且與這些接收線環系統同軸地延伸。補償繞組130或132的半徑因此是不同的，然而被選擇成比接收機繞組112和114的半徑更小，使得補償繞組130或123位於發射線圈116之下。補償繞組可以因此同樣被實現為共同的電路板上的印製結構。然而補償環130或132的半徑也可以比發射線圈116的繞組117的半徑更大或更小。
該補償通過以下方式來進行，即由於較大的距離而產生的、發射線圈116的錯誤定位對接收線環112的繞組系統113的較小影響通過以下方式被均衡，即在至發射線圈116的非常小的距離內同樣設置接收線環112的接收機補償繞組132。該補償繞組132更加受發射線圈116的移動的影響。因此，發射線圈116的微小的錯誤定位對在接收繞組中總計、即包括其補償繞組130和132在內所感生的電壓並不產生作用。這理想地自然僅僅針對發射線圈116的實際設置的Z位置的範圍內的窄窗口而實現。因此，對用於發射線圈116的線圈架的壁厚的製造公差的要求例如可以被減小到能夠簡單地實現的+/-0.1mm。
然而，在根據圖2的實施例的傳感器幾何結構110的情況下這樣實現的更高的製造友好性通過以下方式換來，即通過在勵磁線圈116之下添加補償繞組130或132，感應傳感器的方向特性受消極影響。
圖3在傳感器幾何結構210的一種替代的實施例中針對用於定位金屬物體的本發明傳感器示出一種補償構造，該構造明顯地緩和失真的方向特性的問題。在該實施例中，順時針或逆時針纏繞的補償繞組230或233被施加在例如電路板200的兩個不同側，其中該電路板200應通過平面226來表示。在此，這種電路板必須被實施為至少兩層。但是，因此出發的多層電路板也同樣是可能的。通過位於內部的補償繞組對隨後能夠以幾乎相同的半徑來構造，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。因為補償繞組230或232的半徑現在幾乎相同，所以其相應的繞組數目被利用，以便能夠實現發射線圈216的定位公差的最佳匹配。
根據圖3的本發明傳感器的改善的方向特性可以直觀地通過以下的定性的理由來解釋。若對接收機繞組215和230或213和232饋電，則通過位於內部的以及分布在電路板200的正面和背面的補償繞組230或232生成磁場，該磁場良好近似地相當於磁四極子(Quadropol)。該場隔一定距離消失，該距離大於在電路板200的正面和背面的兩個補償繞組系統230或232的距離，因此該場隨著距離增大而非常快速地消失。在至電路板大約1釐米的距離內，位於內部的補償繞組230和232就已經不再明顯地對總磁場作出貢獻。這種對用於產生磁場的補償繞組的使用適用的考慮也可以推廣到所產生的接收特性。
根據圖3的補償繞組230或232隻導致接收特性的微小的變形，而其對在接收繞組215或213中所感生的電壓的影響不可忽略。
發射線圈216位於電路板上方大約1mm的距離內，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上的印製結構的、接收線環系統以及補償繞組的一種可能的實現。以下僅僅描述電路板200的布局。對於根據圖2的電路板100類推法使用。在分析電路260的範圍內的印製導線結構在此僅僅在其對於闡述本發明傳感器的構造來說必要的程度上被示出。分析電路的細節在圖6中被示出並且在相應的地方被描述。
電路板200上的接收線環112和114或212和214代替在補償傳感器中通常的接收線圈。在傳感器的接收系統中使用印製導線的直接結果是，接收路徑中的線環的可能的數目不再是幾千，而是必須以實際上10或者最多20圈顯著更少地得出結果。因此，在更狹窄的意義上，對於這種導線幾何結構來說在直到100kHz的頻率範圍內談論傳統意義上的「線圈」不再是有意義的，因此這裡在一般化的意義上說的是接收線環或者接收導線結構。例如在11圈的情況下由具有40mm直徑的線環構成的總體的電感只有大約10μH。在實際的5kHz的工作頻率的情況下，因此得到僅僅大約0.3Ohm的阻抗，該阻抗與導線結構的大約10Ohm的歐姆電阻相比幾乎可忽略。
同樣被實現為該電路板200的印製導線結構的是形成屏蔽電極244的梳狀導線結構242，該屏蔽電極通過以下方式負責接收線環112和114或212和214與發射線圈116或216之間的電屏蔽，即它們被置於地電位上。這些結構在製造根據本發明的傳感器時絲毫不導致更大成本。特別地，在有利的平面的繞線幾何結構的情況下，平面的屏蔽結構也能夠提供足夠好的結果。
然而在屏蔽線路的情況下必須注意，在屏蔽幾何結構內不形成電流迴路。因此有利的是，使用由儘可能薄的單導線構成的曲折結構或梳狀結構，這些結構在數學意義上形成簡單連接的面。
在圖4中沒有示出發射線圈116或216，因為該發射線圈被布置在與電路板200的平面高度錯位的平面中。特別有利的是，如已經描述過的那樣，發射線圈116或216在線圈架上被製造，該線圈架隨後被焊到電路板200上。因此，發射線圈的繞組位於電路板平面之上的確定的、預先定義的高度上。特別有利地，勵磁線圈通過以下方式經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置的孔中。為了能夠實現穩定的機械接觸，例如通過以下方式使用多於兩個的電學上所需要的觸針是有益的，即附加地添加一個或兩個盲的、即不電接觸的引腳。以這種方式方法，勵磁線圈能夠通過焊接工藝也在機械上精確地被固定。
此外，在電路板200上設置有電開關裝置240，該電開關裝置例如可以被構造為電晶體、特別是FET開關，並且使得能夠通過以下方式改變接收線環系統的幾何結構，即另外的線環241被連接至接收導線112和114或者212和214或者被斷開。該原理基於原始的接收線環被補充或者被減少一個或多個附加的線環241或者僅僅該線環的一小部分。為了實施接收線環系統的有效的「繞組數目」的該變形方案，設置有開關裝置240，這些開關裝置在相應的調整過程中接通或斷開線環241或者這種線環的一小部分形式的感應補償模塊。在接收系統的線環的合適的設計中，在這些線環部分241中感生電壓，這些電壓恰好補償探測器中的、例如由於勵磁線圈的線圈架的製造公差而可能出現的錯誤電壓。
與工作在探測器的激勵器側的調整方法相比，所要求保護的、在接收側的電路技術實現明顯更簡單並且更便宜，因為例如可以使用相對而言高歐姆的開關裝置，因為在接收路徑中與勵磁線圈相比只有極小的電流流動。
此外，在共同的電路板200上還布置有接收線環系統112和114或212和214的補償繞組232。這些補償繞組232同樣被構造為電路板200的印製導線或者線路結構。在此，相應的補償繞組的數目和位置這樣被確定，使得在接收導線系統112和114或212和214中所感生的電壓與勵磁線圈116或216在高度上、即在Z方向上的錯誤定位的依賴性儘可能精確地被補償。勵磁線圈在Z方向上由製造引起的微小的錯誤定位因此對在接收線環中總計所感生的電壓不再產生作用。
在根據本發明的探測器幾何結構的情況下，得到在勵磁線圈在其位於接收線圈的平面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。除了在發射線圈的外部區域中的接收機的接收線環之外，在此直接在高度錯位地(hoehenversetzt)布置的發射或勵磁線圈之下構造補償繞組。
在支承並且構成接收線環系統112和114或212和214的電路板200上，此外集成有用於控制傳感器的線圈116或216以及用於分析和處理測量信號的部件。因此例如設置有分路電阻246，該分路電阻能夠以還要描述的方式實現測量傳感器的激勵器支路中的電流，並且因此能夠探測在本發明傳感器的電子線路中可能出現的漂移。因此，在得知激勵器支路中的電流和該電流的相位的情況下，可以例如在計算上補償測量幅度的減小，該減小由於以下情況而引起，即激勵信號中的電流由於勵磁線圈的銅電阻隨著溫度的升高而下降。
只要激勵器支路中的電路這樣來設計，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行溫度測量。
由於分析電路的高放大因數，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印製電路板200上的例如由銅導線組構成的短的曲折結構來形成，並且以這種方式避免另外的、附加的以及分離的部件。在實踐中，對於該任務來說，大約1-2cm的導線結構足夠了。
此外，在電路板200上尤其也還實現了四個開關元件248，這些開關元件可以將不同的輸入信號接入分析電路的放大級的輸入端。這些開關元件248的工作方式將結合圖6進行描述。
圖5示出圖4中的電路板200的背面202。在電路板200的背面，如結合圖3所描述的那樣，本發明傳感器的接收線環112和114或212和214的補償繞組230同樣以印製導線結構的形式來構造。
此外，根據圖4和5的本發明傳感器的實施例示出另外的傳感器，這些傳感器同樣被實現在電路板100上並且有利地特別是同樣被實現為該電路板100的導線結構。因此，例如導線結構250形成50HzAC傳感器，該傳感器作為無源傳感器能夠實現電流流經的線路元件的探測。
本發明使得能夠實現成本低的傳感器，該傳感器通過以下方式使儘可能多的成本高的部件和設備元件變得多餘，即傳感器的電路板不僅被用作電子電路的載體，而且作為構造有相應的元件的功能部分是傳感器的整體的組成部分。這樣，印製導線結構252、254和256構成「螺柱尋(Studfinder)」的電極，該螺柱尋有利地使得能夠利用根據本發明的測量設備尋找隱藏在牆壁內或牆壁後的例如木材。在此，印製導線結構252構成接收機，並且結構254或256構成用於集成在本發明傳感器中的木材尋找器的激勵器或發射器。
通過電路板100上的相應的印製導線258和接觸260，本發明傳感器的各個電極與分析電路160相連接。
根據本發明的用於分析所要求保護的裝置的測量信號的方法使得能夠不僅並行、準並行地而且還串行地使用不同的傳感器。在此，在準並行的工作方式的情況下，非常快速地在各個傳感器之間轉接並且生成、測量和分析、或者為了分析而在必要時緩存相應的探測信號。這裡同樣可以在自動的以及由用戶預先給定的傳感器的選擇之間進行選擇。
以下將介紹本發明傳感器的特定的電路技術解決方案。若在接收側現在根據本發明代替在現有技術中通常的、纏繞的線圈而使用印製電路板的印製導線，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射側而且在接收側都設置有作為匹配電路的振蕩迴路。在此情況下，背景一方面是，如果將接收線環視為線圈並且計算其品質的指標，則將得到Q＝0.03數量級的值。極小的電感結合高的銅歐姆電阻是當今印製線圈典型地從大約100MHz的頻率開始才被使用並且在低於1MHz的頻率時對實踐方面迄今不起作用的原因。
藉助接收「電感」的振蕩迴路的構造因此對於根據本發明的感應傳感器的分析電路來說是不能達到目的的。另一方面，在實踐中即使在消失的歐姆電阻的情況下也只能困難地在對於感應傳感器來說合宜的頻率處實現小於或等於100kHz的諧振，因為單位長度電感值僅僅位於幾十μH的數量級。所需要的諧振迴路電容必須預防性地取大的值，這些值在實踐中是不可用的。這導致，在本發明傳感器的接收路徑中，在捨棄接收線圈的情況下，用於放大信號電壓的諧振迴路放大係數是不可能的。除了缺少的諧振迴路放大係數之外，與如在EP 102989 A1中所提出的、具有例如2000-6000匝的纏繞的探測器線圈相比，在使用印製線環的情況下信號強度也降低，因為在電路板上具有明顯多於10-20圈的印製線環只能以提高的花費來實現。
捨棄用於分析本發明傳感器的測量信號的振蕩迴路的第一結果在於，待探測的信號幅度明顯更小。例如在待定位的、薄的銅物體的情況下，待放大的信號幅度位於幾十nV的數量級。因此，在該數量級的電壓以及本發明傳感器的分析電路的必要的放大因數為大約100,000的情況下，一般不再能夠避免或者只能以極高的花費來避免來自放大器電路的電源的幹擾信號到傳感器的信號路徑上的過耦合(Ueberkoppeln)。
此外，在小的信號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，具有雙極輸入級的運算放大器在此顯得特別合適，因為具有大約30Ohm的接收繞組的源阻抗非常低。
圖6示出用於分析和處理總計在本發明傳感器的各個接收繞組中所感生的信號電壓的本發明電路。
在此，電感262表示傳統上由導線纏繞的勵磁線圈116或216(參見圖2和3)，該勵磁線圈與電容264構成振蕩迴路並且通過電阻266連接到電壓源268上。在圖6中，電感270表示通過電路板200上的導線組113和115或213和215所構造的接收線環112、114或212、214的電感，弱的測量信號可以在該電感上以所感生的電壓的形式被截取。
在根據圖6的實施例中，分析電路此外包括具有兩個運算放大器272或274的兩級放大器，例如模數轉換器(ADC)276可以連接到這些運算放大器的輸出端上。特別是被設計成低噪聲的第一放大級272首先將測量信號放大，該測量信號隨後在第二級274中利用帶通特性(例如針對ADC中的數位化)被處理。要注意的是，運算放大器272擁有雙極輸入級，並且在第一放大級的反饋路徑中使用低歐姆的電阻。第二放大級保證，勵磁場的更高諧波從測量信號中被濾除。
一排開關248位於第一放大級272之前，這些開關可以將不同的輸入信號278接入到放大級272的輸入端280上。因此可以例如在本發明傳感器的測量工作中通過閉合開關2482將在探測器線圈270中所感生的電壓接入到放大級272的輸入端上。
然而，由於低的信號電平，在實踐中不能排除即使在接收系統270中不感生電壓，在放大器內也生成幹擾信號。這種幹擾信號的可能的源是(如已經表明的那樣)例如運算放大器的電源的幹擾信號和放大級的輸入端之間的耦合。
為了能夠測量該幹擾信號並且能夠從實際的測量信號中減去該幹擾信號，利用根據本發明的用於分析測量信號的方法可以不是打開開關2482，而是藉助開關2481將放大器272的輸入端280直接置於地電位上。在該開關配置中要測量的幹擾信號可以從在測量配置(開關2482隨後閉合)中所確定的電壓中減去。
在只有幾nV的數量級的測量信號的情況下對於測量精度來說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中的運算放大器因此至少在第一放大級中擁有雙極輸入電路。所需要的噪聲抑制相當於測量信號的窄帶濾波。若從開始所涉及的、4nV/√Hz數量級的、放大器中的電阻噪聲出發，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中只能以大的工作量和高昂的費用來實現。
有利地，因此針對具有在印製布局中作為接收部分的接收線環系統的根據本發明的感應傳感器，實現具有數字噪聲抑制的分析方法。在這樣的濾波中，測量放大器的輸出端上的測量信號首先藉助模數轉換器(ADC)被同步地數位化，並且利用後置的數字電路或微處理器以數字方式被進一步處理。合宜地，該數字電路部分也生成控制勵磁線圈的驅動電壓。特別合宜的是，以激勵磁場(例如～5kHz)的四或八倍頻率(例如以～20kHz)將測量信號數位化。於是可以將施加在接收支路中的放大級的輸出端上的電壓與激勵電壓相位同步地數位化，並且以這種方式在計算上實現數字噪聲濾波。以這種方式，可以無需高昂的費用並且無需大的工作量就實現幾赫茲數量級的有效的噪聲帶寬。
為了能夠補償電路以及特別是發射線圈的、例如由於勵磁線圈的銅電阻隨著溫度變化而產生的漂移，該電路包含兩個附加的開關2483和2484，這兩個開關允許在分路電阻246的兩側截取電壓V1或V2，該電壓與在激勵振蕩迴路中流動的電流成比例。使用兩個截取點282(針對V2)和284(針對V1)是有利的，因為在勵磁迴路的地電位和接收機電路的地電位之間能夠產生微小的差別，這些差別能夠完全處於測量信號的數量級。但是，在得知激勵器支路中的電流和該電流的相位的情況下，可以例如在計算上補償測量幅度的減小。測量幅度的這種減小此外可能由於以下情況引起，即激勵信號中的電流由於勵磁線圈或發射線圈的銅電阻隨著溫度的升高而下降。
由於分析電路的高放大因數，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由印製電路板上的銅導線組構成的短的曲折結構來形成並且以這種方式避免附加的分離的部件。在實踐中，對於該任務來說，大約1-2cm的導線結構就足夠了。
在實踐中合宜的是，開關裝置2181至2484也不用機械開關來實現，而是代替其而使用繼電器或者半導體開關。特別地，場效應電晶體作為開關裝置看來是種選擇。此外，在此情況下可以通過微控制器來控制開關位置並且例如循環地進行串擾信號的自動調整，其中該串擾信號由運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被用於測量信號(對應於開關2482)、校準信號(開關2483和2484)以及幹擾信號(開關2481)的測量，則這附加地具有以下優點，即放大器組件內的漂移效應和同型元件的參數差異以相同的方式對不同的測量信號產生影響。因此，利用根據本發明的方法可以在計算上補償放大器組件的長時間漂移。
為了能夠有效地抑制容性耦合，可以在電路板200上在纏繞的勵磁線圈和接收導線結構之間設置屏蔽元件，這些屏蔽元件有利地同樣被構造為印製導線結構242，並且被置於地電位。這些結構在製造時並不導致更多費用。特別地，在根據本發明的平面的繞線幾何結構的情況下，平面的屏蔽結構也可以提供良好的結果。
然而，在布設或構造屏蔽線路242或244時，要注意的是，在屏蔽幾何結構內不能形成電流迴路。因此有意義的是，使用由儘可能薄的單導線構成的曲折(Maeander)或梳狀結構，這些結構在數學意義上形成簡單連接的面。同樣的內容適用於無源和有源的電容傳感器(256、254、252)的、布置在背面的結構。
本發明傳感器可以有利地被集成到測量設備中。在此，這種測量設備可以尤其是被構造為手持式金屬定位設備，或者包含本發明傳感器的金屬定位能力作為附加功能。
此外還可以並且有利的是，將本發明傳感器也集成到工具機中、例如集成到鑽孔工具中，以便使應用者能夠利用該機器安全地工作。
本發明使得能夠實現成本低的傳感器，該傳感器通過以下方式使儘可能多的成本高的部件和設備元件成為多餘，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。根據本發明的用於定位金屬物體的傳感器僅僅需要單個線圈。這特別是通過用傳感器的分析電路的電路板上的導線組代替如現有技術中公開的、典型地纏繞的接收線圈以及通過在該電路板上構造合適的導線組來實現，這些導線組用於勵磁線圈或發射線圈與接收線環的屏蔽，並且導致對傳感器的發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傳感器的電路板上的印製導線結構來構造分路電阻，其中該分路電阻允許測量傳感器的激勵器支路中的電流並且因此確定以及補償勵磁線圈中的電流的溫度漂移。
通過傳感器幾何結構的根據本發明的擴展方案，所要求保護的用於定位金屬物體的傳感器在沒有定期的、在每次測量之前都要執行的校準過程的情況下也提供良好的測量結果。
用於定位金屬物體的本發明傳感器並不局限於圖中所示的實施例。本發明傳感器並不局限於使用單個發射線圈。該方法也可以直接推廣到補償幾何結構，這些結構使用多於一個的勵磁線圈，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不同的補償傳感器的基本配置找到解決方案，只要至少一個被替代的接收線圈的幾何結構和位置近似地允許對於使用電路板來說所需的平面幾何結構。本發明以及特別是電路板的印製導體結構作為接收線環系統的使用並不局限於補償傳感器的類型。
特別是也可以設想，在接收路徑中使用電路板連接的接收線環和按常規纏繞的線圈內的接收繞組的組合。特別地，當電路板連接的接收線環也真正決定性地對由金屬物體促成的感應電壓作出貢獻時，這特別適用。其後果是，按常規纏繞的補充線圈也必須具有不尋常小的繞組數目。接收路徑中的這種組合解決方案的潛在優點此外在於，這裡所描述的、用於降低對所纏繞的線圈的定位和製造公差的要求的方法也可以通過電路板上的適當成形的補償環來實現。
此外可設想的是，針對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目，將接收線環或者定位公差補償環完全地或者部分地移動到內層中，將部件置於接收線環之上，或者以便能夠更有效地抑制激勵器和接收機支路之間的容性耦合。
特別地，本發明傳感器並不局限於使用圓形線圈或者線環系統。與圖中所示的接收線環系統不同，每個線環系統或者各個線環可以具有與圓或圓弧不同的形狀並且由一圈或多圈構成。
權利要求
1.用於定位金屬物體的傳感器，特別是用於建築材料的金屬傳感器，具有彼此感應耦合的至少一個發射線圈(116，216)和至少一個接收線環系統(112，212)，其特徵在於，所述接收線環系統(112，212)通過電路板(100，200)上的導線結構來形成。
2.根據權利要求1的傳感器，其特徵在於，設置有第二接收線環系統(114，214)，該第二接收線環系統與所述第一接收線環系統(112，212)同軸地被布置在與所述第一接收線環系統共同的第一平面(126，226)中。
3.根據權利要求1或2的傳感器，其特徵在於，使用在1MHz以下的頻率範圍內的磁場、優選地在100Hz至200kHz的頻帶中的磁場。
4.根據權利要求1、2或3的傳感器，其特徵在於，在所述至少一個發射線圈(116，216)和至少一個接收線環系統(112，114，212，214)之間設置有電屏蔽電極(242，244)，該電屏蔽電極被構造在電路板(100，200)上。
5.根據權利要求1至4之一的傳感器，其特徵在於，設置有與至少一個發射線圈(116，216)串聯的分路電路(246)，該分路電阻被構造為電路板(100，200)上的印製導線結構。
6.根據上述權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開關裝置(248)不僅與分路電阻(246)而且與至少一個接收線環系統(112，114，212，214)相連接。
7.根據權利要求5或6的傳感器，其特徵在於，半導體開關、特別是場效應電晶體被用作開關裝置(248)。
8.根據權利要求6或7的傳感器，其特徵在於，所述分析電路(260)具有至少一個雙極輸入級。
9.根據上述權利要求之一的傳感器，其特徵在於，至少一個發射線圈(116，216)被布置成與所述電路板(100，200)的平面(126，226)高度錯位。
10.根據上述權利要求之一的傳感器，其特徵在於，至少一個發射線圈(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.根據權利要求9或10的傳感器，其特徵在於，在所述至少一個發射線圈(116，216)的附近構造有至少一個接收線環系統(112，114，212，214)的附加的補償線環(130，132，230，232)。
12.根據權利要求9，10或11的傳感器，其特徵在於，在所述至少一個發射線圈(116，216)之下構造有至少一個接收線環系統(112，114，212，214)的附加的補償線環(130，132，230，232)。
13.根據權利要求11或12的傳感器，其特徵在於，所述補償線環(130，132，230，232)被構造為所述電路板(100，200)上的導線結構。
14.根據權利要求13的傳感器，其特徵在於，所述補償線環(130，132，230，232)被構造在電路板(200)的兩個相對的側面(201，202)上。
15.根據權利要求11或12的傳感器，其特徵在於，所述補償線環(130，132，230，232)被構造為至少兩層的電路板的相疊的內層中的導線結構。
16.根據權利要求14或15的傳感器，其特徵在於，所述補償線環(130，132，230，232)在幾乎相同的幾何結構的情況下具有相反的定向。
17.根據上述權利要求之一的傳感器，其特徵在於，設置有至少一個調整線環(241)，該調整線環能夠藉助開關裝置(240)與所述接收線環系統(112，114，212，214)相連接。
18.根據權利要求17的傳感器，其特徵在於，半導體開關、特別是場效應電晶體被用作開關裝置(240)。
19.根據上述權利要求之一的傳感器，其特徵在於，所述接收線環系統(112，114，212，214)通過至少一個按常規纏繞的接收線圈來補充，其中在電路板連接的接收線環(112，114，212，214)中所感生的電壓的數值之和為在一個或多個按常規纏繞的接收線圈中所感生的電壓電平的至少25％。
20.用於分析根據權利要求1至19中的至少一個所述的傳感器的測量信號的方法，其特徵在於，所述測量信號被數位化。
21.根據權利要求20的方法，其特徵在於，藉助頻率f的激勵信號的數字生成以及所述傳感器的分析電路的測量放大器的輸出信號的相位同步的模數轉換來執行用於減小噪聲帶寬的窄帶數字濾波。
22.根據權利要求21的方法，其特徵在於，所述測量放大器的輸出信號的相位同步的模數轉換以頻率fd＝4nf、即勵磁場的四倍頻率4f或者該頻率的整數倍n進行。
23.測量設備，特別是手持式定位設備，具有至少一個根據權利要求1至18中的一個或多個所述的傳感器。
24.工具設備，特別是鑽孔或鑿子工具，具有根據權利要求1至18中的一個或多個所述的傳感器。
全文摘要
本發明涉及一種用於定位金屬物體的傳感器、特別是用於建築材料的金屬傳感器，具有彼此感應耦合的至少一個發射線圈(116，216)和至少一個接收線環系統(112，212)。根據本發明提出，所述接收線環系統(112，212)通過電路板(100，200)上的導線結構來形成。此外，本發明還涉及一種用於分析這種傳感器的方法，其中測量信號被數位化並且執行用於減小噪聲帶寬的窄帶數字濾波。
文檔編號G01V3/10GK101031823SQ200580032841
公開日2007年9月5日 申請日期2005年7月25日 優先權日2004年9月29日
發明者U·斯庫特伊－貝茨, B·哈塞, K·倫茨 申請人:羅伯特·博世有限公司