專利名稱：定位金屬物體的裝置以及調(diào)整這樣一種裝置的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按照權(quán)利要求1前序部分所述的用于定位金屬物體的裝置以及一種用于調(diào)整這樣一種裝置的方法。
背景技術(shù)：
目前用于定位在建筑物材料中藏匿的金屬物體的探測器通常是以感應(yīng)方法工作的。在這種情況中是利用無論是導電的還是鐵磁的材料都影響在周圍設(shè)置的電磁線圈的特性。由金屬物體所引起的感應(yīng)特性的變化被這樣一種探測器的接收線路記錄下來。這樣，例如包圍在墻壁中的金屬物體可以借助一個或者多個在墻壁上移過的線圈進行定位。
探測金屬物體的技術(shù)困難在于待定位物體對探測裝置的線圈的反作用的量很小。這點尤其是對非鐵磁物體，例如技術(shù)上很重要的銅的影響就是如此。這導致線圈彼此間的感應(yīng)作用明顯地大于通過所包圍的物體在接收線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)。
因此以感應(yīng)方法為基礎(chǔ)的探測器通常具有很高的偏差(Offset)，也就是在探測器的接收線圈上可截取的高的信號。這個信號沒有外部金屬物體影響地被探測器的接收線路測量到。這么高的偏差使得探測通過在探測器附近的金屬物體所引起的小的感應(yīng)變化困難起來。由現(xiàn)有技術(shù)已公開用于感應(yīng)傳感器或者探測器的傳感器裝置。這些裝置使得平衡通過線圈本身感應(yīng)的信號成為可能。
此外必須在一個很大的偏差信號上探測出感應(yīng)的非常微小的變化是以使用小公差和因此昂貴的結(jié)構(gòu)元件為前提的。此外還要求使用噪音非常低的模擬電子設(shè)備。這明顯提高這種定位器的成本。不遵守安裝公差或者制造公差以及單個組件彼此間的偏差必然導致這樣一種裝置的測量結(jié)果的失真。
為了對付這個偏差問題，在現(xiàn)有技術(shù)中公開了不同的方案。它們的共同目的是減小在沒有金屬物體時的傳感器信號，并且因此擴大相對的信號變化。
在這種情況中人們常常選擇一種多級方案，其中，例如在第一步驟中使用一種傳感器線圈裝置，這種裝置能夠在理想狀態(tài)下完全消除或者補償信號偏差。然而在實踐中可達到的補償質(zhì)量卻常常與例如制造公差有關(guān)，這樣，完全消除信號偏差常常要求采用另一種方法，以便在某種程度上進行精確的補償。
已公開的用于為在補償裝置中的感應(yīng)傳感器補償制造或者安裝公差的方法主要建立在此基礎(chǔ)上，即在探測器系統(tǒng)中感應(yīng)的誤差電壓通過下述措施予以補償，即或者勵磁場的幾何形狀通過一種調(diào)整過程糾正，或者產(chǎn)生一個糾正電壓信號。在這方面EP 1092989提供了上述第一補償方法的一種實例。US 5,729,143提供了第二補償方法的一種實例。
US 5,729,143公開了一種探測器，它的目的是盡可能完全抑制測量信號的前述偏差。為此目的US 5,729,143的探測器具有一個帶有發(fā)射器的發(fā)射線圈，以及一個帶有接收器的接收線圈。探測器的發(fā)射線圈和接收線圈以下述方式彼此感應(yīng)耦合，即它們部分地彼此重疊。發(fā)射線圈由發(fā)射器提供交流電。這個電流流過的發(fā)射線圈通過它們和接收線圈的感應(yīng)耦合在其中在兩個線圈的重疊表面中激勵起一個第一部分通量，并且在接收線圈的剩余的表面中激勵起一個第二部分通量?？梢匀绱说剡x擇發(fā)射線圈和接收線圈的中心之間的距離，使得具有相反符號的這兩個部分通量彼此平衡。若情況是這樣，并且若在線圈裝置的附近沒有外部的金屬物體時，則電流通過的發(fā)射線圈在接收線圈中不感應(yīng)出電流，這樣，在這種理想情況中接收器也測量不到偏差信號。只有當線圈裝置移動到金屬物體的附近時該線圈裝置才受到發(fā)射線圈產(chǎn)生的場力線的干擾，這樣在此時在接收線圈中激勵起一種不消失的通量，該通量在接收線圈中產(chǎn)生測量信號，該測量信號不受偏差信號的影響，并且可由接收器分析。
在這種情況中發(fā)射線圈和接收線圈的中心的相對距離是一個極為關(guān)鍵的參數(shù)，這樣，理想狀態(tài)設(shè)想的在接收線圈中沒有感應(yīng)電壓的情況在實踐中只能以很大的花費才能實現(xiàn)。事實表明在批量生產(chǎn)的實際中不能實現(xiàn)對通量分量的足夠平衡。
由于這個原因US 5,729,143提出了一種電子電路。它事后通過電子途徑實現(xiàn)補償，因此實際上也是使用傳感器。在US 5,729,143中描述的方法是單頻率工作的。在激勵側(cè)生成一定頻率f的交變磁場，并且用合適的模擬的和數(shù)字的濾波器在頻率選擇方面也是以這種頻率f對在探測器線圈中感應(yīng)的電壓分量進行分析。通過磁誤差補償由探測器和激勵器系統(tǒng)在探測器線圈中感應(yīng)的頻率為f的電壓U(f)具有與溫度有關(guān)的振幅和相位。此外，該振幅和相位還要經(jīng)受附加的同型元件的參數(shù)差異。現(xiàn)在US 5,729,143的方法是以此為依據(jù)的，即類似于在探測器線圈中感應(yīng)的電壓加進一種糾正電壓。在工作頻率f時它的振幅和相位正好補償誤差電壓U(f)。為此，在該頻率f時微處理機生成在相位和振幅上受到控制的數(shù)字糾正信號。在這種情況中用于補償所要求的振幅和相位與相移有關(guān)，這些相移是由在激勵器分支和探測器分支中的線路的結(jié)構(gòu)元件引起的。因此其中所要求的糾正信號也要經(jīng)受溫度偏差。為了在工作溫度發(fā)生變化時也能對誤差電壓U(f)進行補償，微處理機必須對糾正信號的相位和振幅在溫度方面進行跟蹤。為此通常要求由用戶進行再校準。
EP 1092989 A1公開了用于補償磁誤差補償?shù)囊环N替代方法。在這種方法中，為了探測在線圈中感應(yīng)的電壓不是加進糾正電壓，而是以糾正磁場工作。為此磁場激勵系統(tǒng)不僅由初級激勵線圈構(gòu)成，而且還附加地添加平衡線圈(Trimm-Windung)和所謂的糾正線圈。在這種情況中平衡線圈和糾正線圈之間的區(qū)別是糾正線圈和初級激勵線圈串聯(lián)，因此總是用相同的電流流過，而提供給所謂的平衡線圈的電流只能是在糾正和激勵線圈中流過的電流的一個可調(diào)節(jié)的一小部分。按照這種方式實現(xiàn)在傳感器周圍沒有金屬物體時在探測器線圈中不產(chǎn)生感應(yīng)電壓。在這種情況中EP 1092989 A1的方法很少與發(fā)射和接收線路中的結(jié)構(gòu)元件公差和偏差有關(guān)。此外，測量并不限制在所選擇的工作頻率上，因為補償在很大程度上與所使用的頻率無關(guān)。然而與之相比EP1092989 A1的傳感器的結(jié)構(gòu)要復雜得多。US 5,729,143的傳感器為發(fā)射和接收回路僅分別用一個線圈就足夠了，而EP 1022989 A1的結(jié)構(gòu)在激勵線路中需要十個線圈以及四個用于探測器線路的線圈。
DE 101 22 741 A1公開一種用于定位金屬物體的探測器。該探測器具有一個接收線圈和一個第一發(fā)射線圈，它們彼此感應(yīng)耦合。為了在探測器中產(chǎn)生盡可能小的偏差信號設(shè)置了一個第二發(fā)射線圈，該第二發(fā)射線圈也和接收線圈感應(yīng)耦合。接收線圈和這兩個發(fā)射線圈同心地設(shè)置在一個共同的軸線上，其中，這兩個發(fā)射線圈在它們的匝數(shù)和/或它們的尺寸方面是如此設(shè)計的，即由這兩個發(fā)射線圈在接收線圈中激勵的通量彼此平衡。
然而通常在按現(xiàn)有技術(shù)的探測器中在每次開始進行定位測量之前要求對傳感器進行校準。在這種校準中測量在沒有外部金屬物體時的偏差，然后將與基準值的不同用作存在金屬物體時的指示器。此外，這種耗時的校準過程還包含使用者操作不當時很大的故障和損壞可能性。
本發(fā)明的任務(wù)是以現(xiàn)有技術(shù)的探測器為基礎(chǔ)提供一種本文開頭所述類型的探測器，它產(chǎn)生盡可能小的偏差信號，并且線圈的錯誤設(shè)置對偏差的影響盡可能的小。
此外，本發(fā)明還有一個任務(wù)是為這樣一種探測器實現(xiàn)一種方法，這種方法可對制造公差和安裝公差提供價格有利的且盡可能精確的補償。
本發(fā)明的任務(wù)通過具有權(quán)利要求1所述特征的用于定位金屬物體的探測器和按照權(quán)利要求15所述的用于這樣的探測器運行的方法得以實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的用于定位金屬物體位置的裝置具有至少一個發(fā)射線圈和至少一個接收線圈系統(tǒng)，它們彼此感應(yīng)耦合。此外根據(jù)本發(fā)明的裝置還具有開關(guān)器具，它們能夠改變接收線圈系統(tǒng)的有效匝數(shù)。
與現(xiàn)有技術(shù)的方法相反，在根據(jù)本發(fā)明的探測器裝置中，接收線圈系統(tǒng)例如接收線圈的幾何形狀如此地被修改，即若確定在該裝置的附近沒有待定位的物體，則合成的穿過接收線圈的總通量消失。
其原理是以此為基礎(chǔ)，即給原來的接收線圈補充一個或者多個附加的導體線環(huán)，或者減少這些導體線環(huán)。為了執(zhí)行接收線圈的匝數(shù)的這種變化設(shè)置合適的開關(guān)器具。這些開關(guān)器具在相應(yīng)的調(diào)整過程中可接通或者斷開導體線環(huán)形式的，或者這種導體線環(huán)的一小部分形式的感應(yīng)補償模塊。在對接收線圈，也就是例如一個或者多個接收線圈的導體線環(huán)進行合適的設(shè)計時在這些導體線環(huán)部分中感應(yīng)出電壓，這些電壓正好補償在探測器中例如由于不遵守制造公差產(chǎn)生的誤差電壓。
要求保護的在接收側(cè)實現(xiàn)的開關(guān)技術(shù)和在探測器的激勵側(cè)工作的調(diào)整方法相比要簡單得多和成本有利得多，因為例如可以使用較高歐姆的開關(guān)器具，因為和激勵線圈相比只有很小量的電流在接收線圈中流動。
根據(jù)本發(fā)明的裝置可以有利的方式使用于感應(yīng)測量儀的調(diào)整方法、特別是用于定位器的運行方法成為可能。在該方法中，調(diào)整在接收線圈中感應(yīng)的電壓U是通過將調(diào)整線圈系統(tǒng)接到接收線圈系統(tǒng)的線圈完成的。在這種情況中有利的是調(diào)整線圈系統(tǒng)是由一個或者多個具有規(guī)定線圈長度的補償模塊組成的。
這樣例如在廠家可在安裝后用根據(jù)本發(fā)明的裝置對測量儀進行調(diào)整，這樣就可實現(xiàn)最佳運行。
附加地或者代替廠方進行調(diào)整也可在一個校準過程中實施這種調(diào)整方法，這種校準過程是定期自動進行的，或者由相應(yīng)測量儀的用戶手工啟動。為此測量儀優(yōu)選具有一種程序代碼。該程序代碼存儲在測量儀的相應(yīng)的存儲介質(zhì)中，并且該代碼控制著根據(jù)本發(fā)明的方法。
在權(quán)利要求1中所說明的探測器或者說根據(jù)本發(fā)明的調(diào)整方法的有利的改進方案借助于從屬權(quán)利要求的特征獲得。
有利地補償模塊，也就是分別在開關(guān)橋之間出現(xiàn)的調(diào)整或者補償線圈的電流流過的弧長是如此設(shè)計的，即在根據(jù)本發(fā)明的調(diào)整中可在電接觸的m種不同的替代布局中轉(zhuǎn)換。這樣就可以對探測系統(tǒng)的例如通過誤差安裝或者不遵守制造公差產(chǎn)生的偏差進行補償。其中可連接成不同的線路組合，直到獲得最佳調(diào)整。
在這種情況中在一些有利的實施方式中，調(diào)整線圈系統(tǒng)至少由n個獨立的、且分別具有m(n)種不同布局的補償模塊KMn組成。在這些布局中在補償模塊KMn的單個布局m之間的有選擇的、例如分步驟的轉(zhuǎn)換在補償傳感器的接收分支中感應(yīng)出用于調(diào)整傳感器的電壓變化ΔUn，m。在這種情況中，通過補償模塊KMn在接收分支中產(chǎn)生的電壓變化ΔUn，m和具有減小1的順序號n的補償模塊KMn-1的電壓差ΔUn-1，m分別相差一個固定的系數(shù)。在這種情況中具有系數(shù)2，也就是為調(diào)整線圈系統(tǒng)的補償模塊KMn使用一種二進制編碼的系統(tǒng)是特別有利的，這樣就得出關(guān)系是ΔU＝(U(n，1)-U(n，2))＝2*(U(n-1，1)-U(n-1，2))。單個補償模塊的線圈長度的這樣一種特殊設(shè)計導致所需的開關(guān)器具的數(shù)量最佳，也就是數(shù)量最少。
用于調(diào)整線圈系統(tǒng)的開關(guān)器具，也就是用于改變接收線圈系統(tǒng)的有效匝數(shù)的開關(guān)器具有利地設(shè)置在一個第一接收線圈的線圈和至少另一接收線圈的線圈之間。
在根據(jù)本發(fā)明探測器的一種專門的實施方式中開關(guān)器具設(shè)計成接收線圈系統(tǒng)的線圈之間的釬焊橋。
在作為替代方案的實施方式中，開關(guān)器具也可如此地設(shè)置，即在接收線圈的具有不同半徑Ra或者Rb的線圈之間產(chǎn)生開關(guān)橋。
在根據(jù)本發(fā)明的探測器的一種特別有利的實施方式中，開關(guān)器具是通過半導體結(jié)構(gòu)元件例如晶體管、特別是通過場效應(yīng)晶體管實現(xiàn)的。
在根據(jù)本發(fā)明的探測器的一種有利的實施方式中在一個平面中設(shè)置接收線圈系統(tǒng)的兩個接收線圈。在這種情況中這些線圈特別是可在一個平面的且為單層的繞組幾何形狀中形成，從而以有利的方式且以簡單的方式減少兩個接收線圈的電容量。
當接收線圈系統(tǒng)采用平面的幾何形狀時特別是能夠?qū)⒔邮站€圈系統(tǒng)也就是例如兩個接收線圈以有利方式作為印刷線圈在印刷電路的印刷電路板上實現(xiàn)，這樣，在這種情況中在制造接收線圈時就不會產(chǎn)生附加成本。
此外，在這種有利的設(shè)計方案中，特別是例如設(shè)計為半導體結(jié)構(gòu)元件的開關(guān)器具可以相應(yīng)方式直接作為印刷電路板的相應(yīng)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。這樣例如可在印刷電路板上設(shè)置多個晶體管，特別是場效應(yīng)晶體管，這些晶體管實施兩個接收線圈的線圈的接觸。因此，通過單個半導體開關(guān)的轉(zhuǎn)換可以接通或斷開補償模塊，這樣就可改變接收線圈系統(tǒng)的有效匝數(shù)。半導體開關(guān)元件通過相應(yīng)的控制信號導通或者閉鎖。
在一種有利的實施方式中多個接收線圈彼此同軸設(shè)置，并且電流以不同方向流過。在這種情況中至少一個發(fā)射線圈設(shè)置在一個至少和一個接收線圈平行的、但是在高度上錯位的平面中。
所述至少一個發(fā)射線圈以一種有利的方式設(shè)置在繞組體上，該繞組體固定在在其上形成有接收線圈的印刷電路板上。在這種情況中發(fā)射線圈的繞組體在這種有利的設(shè)計方案中用作接收線圈平面上方的發(fā)射線圈的調(diào)整墊片。
用于定位金屬物體的探測器裝置的根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計方案能為感應(yīng)傳感器的制造和安裝公差進行補償，這種設(shè)計方案具有與頻率無關(guān)地工作的優(yōu)點。在接收線路中通過合適的開關(guān)器具增添的導體線環(huán)可以成本很有利地制造，特別是為此利用電路板上的導體結(jié)構(gòu)時。和在激勵側(cè)工作的調(diào)整方法相比，在接收側(cè)的開關(guān)技術(shù)的實現(xiàn)要簡單得多，并且成本有利得多，因為可以使用例如較高歐姆的開關(guān)器具，因為與激勵線圈相比在接收線圈系統(tǒng)中只有很少電流流過。
此外，所述通過接收線圈系統(tǒng)也就是例如接收線圈的有效匝數(shù)的變化的調(diào)整實際上沒有溫度漂移，因為它的功能僅與磁場的幾何形狀有關(guān)。因此這種調(diào)整可以在一個與結(jié)構(gòu)元件公差和漂移效應(yīng)很少關(guān)聯(lián)的大的溫度范圍上實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的探測器可以有利地在補償裝置中為感應(yīng)傳感器的制造和安裝公差進行補償。這種補償在制造中基本無需手工調(diào)整措施就足夠了，因此可以成本有利地實現(xiàn)。
這樣一種探測器裝置可以有利地用在感應(yīng)測量儀中，例如用于探測在墻壁、天花板和地板中的金屬物體的定位器中。
此外，這樣一種探測器裝置可以集成在機床中或者機床上，例如鉆孔工具中或者鉆孔工具上，以使得該機床的操作人員能安全的鉆孔。這樣，傳感器例如可以集成在鉆孔工具或者刀具中，或者將它設(shè)計成一個可與這樣的工具連接的模塊。有利地也可將吸塵器作為根據(jù)本發(fā)明的傳感器的一種可能的安裝位置，該吸塵器與機床連接，或者可與該機床連接。由于功能所決定的它在待處理的墻壁的附近使用。
根據(jù)本發(fā)明的探測器的其它優(yōu)點從下述對實施例的說明中獲得。


在附圖中示出根據(jù)本發(fā)明的探測器的一種實施例。在下述說明中將對該實施例進行更加詳細的敘述。附圖
以及針對主題的權(quán)利要求包含許多特征組合。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可單獨地探討這些特征，并且也可綜合成其它有意義的特征組合，因此這些特征組合也應(yīng)視為在說明書中所公開的特征組合。
這些附圖是圖1按照現(xiàn)有技術(shù)的用于定位金屬物體的探測器的傳感器幾何形狀的基本結(jié)構(gòu)簡圖，圖2根據(jù)本發(fā)明的探測器的線圈裝置的第一實施例的簡化透視圖，
圖3具有所屬開關(guān)器具的探測儀的接收線圈的簡化示意俯視圖，圖4具有所屬開關(guān)器具的接收線圈的一種作為替代方案的實施例的簡化示意俯視圖。
具體實施例方式
圖1示出按現(xiàn)有技術(shù)的用于定位金屬物體的感應(yīng)補償傳感器的原理性結(jié)構(gòu)。這樣一種探測器在它的傳感器幾何形狀10中具有三個線圈。一個第一發(fā)射線圈12，它和一個第一發(fā)射器S1連接。一個第二發(fā)射線圈14，它和一個第二發(fā)射器S2連接。一個接收線圈16，它和一個接收器E連接。每個線圈在此作為圓形的線表示。這三個線圈12、14、16的布置特點是它們相對于一個共同的軸線18同心設(shè)置。在這種情況中這些單個的線圈12、14、16具有不同的外部尺寸，這樣，線圈12可以相對于軸線18同軸地插入到線圈14中。
這兩個發(fā)射線圈12和14由它們的發(fā)射器S1和S2提供相反相位的交流電。因此第一發(fā)射線圈12在接收線圈16中感應(yīng)出一種通量，該通量和由第二發(fā)射線圈14在接收線圈16中感應(yīng)出的通量的方向相反。這兩個在接收線圈16中感應(yīng)出的通量彼此平衡，這樣，假若在線圈裝置10的附近沒有外部金屬物體，則接收器E在接收線圈16中探測不到接收信號。由單個發(fā)射線圈12或者說14在接收線圈16中激發(fā)的通量φ和不同的參數(shù)有關(guān)，例如和線圈12或者說14的匝數(shù)和幾何形狀以及提供給這兩個發(fā)射線圈12或者說14的電流的振幅以及這些電流的彼此間的相位有關(guān)。
在按現(xiàn)有技術(shù)的探測器中這些參數(shù)最后是如此優(yōu)化的，即當在接收線圈16中沒有金屬物體時在電流流過發(fā)射線圈12或者說14的情況下沒有激發(fā)通量或者說激發(fā)盡可能小的通量φ。在根據(jù)圖1的線圈裝置10中，和第一發(fā)射器S1連接的第一發(fā)射線圈12以及和第二發(fā)射器S2連接的第二發(fā)射線圈14彼此同軸地設(shè)置在一個共同的平面中。接收線圈16設(shè)置在一個相對于這兩個發(fā)射線圈12和14偏置的平面中。
圖2示出傳感器的幾何形狀110的設(shè)置情況，以及它是如何用在根據(jù)本發(fā)明的用于定位金屬物體的裝置中的。根據(jù)圖2的探測器的傳感器幾何形狀110具有兩個接收器線圈112和114。它們彼此同軸地設(shè)置在一個共同的平面126中，并且形成一個接收線圈系統(tǒng)。在接收線圈系統(tǒng)的這個共同的接收器平面116上方一定距離z處有一個傳感器線圈116。這個傳感器線圈也和接收線圈112或者說接收線圈114同軸設(shè)置。因此這種設(shè)置也是一種感應(yīng)補償傳感器。
接收線圈系統(tǒng)的接收線圈112或者說114具有一種平面的單層的繞組幾何形狀。接收線圈112、114的這種設(shè)計開辟了可以簡單的方式降低兩個接收線圈的分布電容量的可能性。在這種情況中，線圈和線圈之間可以保持大的距離，并且因此可以使線圈繞組的寄生分布電容量保持小。為了對單個的銅線圈進行絕緣，例如可以不像通常那樣使用漆，而是使用另一種合適的、主要是更厚的絕緣物質(zhì)。主要是紙、棉花和如在電纜中使用的絕緣塑料適用于此。用于減少寄生電容的一種替代方案是為線圈112或者說114使用多腔室繞組(Mehrkammer-Wicklung)。
在接收線圈系統(tǒng)使用平面的幾何形狀時特別是也可以將這兩個接收線圈112或者說114作為印刷電路的印刷電路板上的印刷線圈實現(xiàn)。在這種情況中在制造這兩個接收線圈時不會發(fā)生顯著的額外費用。此外，將這兩個接收線圈112或者說114設(shè)計成印刷電路板上的導體電路結(jié)構(gòu)除了不需要費用外還有下述優(yōu)點，即在這種情況中線圈的尺寸公差很小。在印刷電路板上制造精確到25微米的銅結(jié)構(gòu)在技術(shù)上毫無問題。
圖2示出了這樣一種結(jié)構(gòu)的簡圖。其中，為了改進其可視性，將Z軸線120相對于X軸線122或者說Y軸線124進行了拉長。為了表示該圖在各軸線上設(shè)置有相應(yīng)的尺寸數(shù)，然而這些數(shù)值并不表示其絕對值，而是僅表示在該實施例中以任意單位標度單個軸線的相對參數(shù)。此外，為了改進橫截面的可視性從這些線圈中相應(yīng)截取了一段。
平面126表示一個未進一步示出的印刷電路板。在圖2中該平面由X軸線122和Y軸線124展開而成。在平面126中有兩個探測器線圈112和124。在這種情況中，這個平面126相當于印刷電路板的上側(cè)面或下側(cè)面。在這種情況中接收線圈114的線圈115例如按順時針方向纏繞，而位于更外圍的接收線圈112的線圈113則是按逆時針方向定向。因此，在這些線圈113、115中感應(yīng)的電壓具有相反的符號，并且當沒有外部金屬物體時它們以合適的大小完全相互平衡。
在印刷電路板的平面126的上方，也就是在Z-方向120上偏置地設(shè)置有激勵或者說發(fā)射線圈116。若發(fā)射線圈是在一個繞組體上制成，該繞組體又緊接著焊接在印刷電路板126上是特別有利的。這樣，發(fā)射線圈116的繞組117以預先規(guī)定的一定的高度z設(shè)置在印刷電路板平面126的上部。由于所要求的穩(wěn)定性，制造壁厚低于1毫米的繞組體是危險的(kritisch)。因此應(yīng)力爭印刷電路板和發(fā)射線圈116之間的距離為1毫米以及多于1毫米。
當合適地確定了匝數(shù)和線圈半徑的尺寸時，若在探測器的附近沒有金屬物體則可以使在探測器系統(tǒng)的兩個部分線圈112或者說114中感應(yīng)的電壓正好相互抵消。然而這種平衡只能當發(fā)射線圈116位于規(guī)定的很好定義的位置時才能成功。若發(fā)射線圈116的位置例如由于在線圈制造時或者在傳感器機械安裝時的公差而相對于預算的位置發(fā)生變化，則在接收線圈112或者說114中感應(yīng)出合成的誤差電壓UF。
根據(jù)本發(fā)明，在要求保護的探測器裝置中設(shè)置例如半導體開關(guān)形式的開關(guān)器具，這些開關(guān)器具實現(xiàn)了不同接收線圈的線圈的單個段之間的一個或者多個電連接。這樣就能在事后、也就是在線圈設(shè)計和安裝之后改變接收線圈的有效匝數(shù)，并且由此能和發(fā)射線圈的當前位置相適配。
圖3的作了很大簡化的視圖用于說明根據(jù)本發(fā)明的探測器的功能原理。圖3以簡圖方式表示接收線圈和所屬開關(guān)器具的原理性部置的與圖2相應(yīng)的X-Y平面的俯視圖。因此在圖3中未示出設(shè)置在X-Y平面上方一定距離z0的發(fā)射線圈116。
這兩個接收線圈112和114設(shè)置在X-Y平面126中。在兩個接收線圈112和114的兩個外部接頭A和B之間截取探測電壓。這個探測電壓在一個配屬于探測器的測量儀的分析電路中繼續(xù)被處理。在圖3中所示的接收線圈114的內(nèi)部線圈115可在不同位置(1至8)與接收線圈112的外線圈113電連接。
若將接收線圈112和114的平面線圈113和115在印刷電路板上例如設(shè)計成銅結(jié)構(gòu)，則這種接觸可通過合適釬焊橋?qū)崿F(xiàn)。釬焊橋的位置可以自由選擇。例如可以如此確定接收線圈112或者說接收線圈114的導體線環(huán)系統(tǒng)的半徑和匝數(shù)，即在規(guī)定的理想的發(fā)射線圈幾何形狀的情況下，當釬焊橋設(shè)置在圖3所示的線圈配置的位置5上時，若沒有金屬物體，則在點A和B之間截取不到任何電壓。
然而若例如在位置1進行接觸，則在點A和B之間一共產(chǎn)生三個具有小半徑且為順時針方向的完整的線圈(接收線圈115)和四個具有大半徑且為逆時針方向的完整的線圈(接收線圈113)。若在位置5通過導電連接進行接觸，則人們得到2.5個順時針方向的有效線圈，以及3.5個逆時針方向的有效線圈。
因為在接收線圈112的線圈113中感應(yīng)出的電壓具有和在接收線圈114的導體線環(huán)中感應(yīng)的電壓不同的振幅和相反的符號，所以按照導體橋的位置，可以在點A和B之間截取的電壓是變化的。因此可通過釬焊橋位置的變化對由三個線圈組成的探測器裝置的補償裝置進行精確的調(diào)整。
特別是用于接收裝置的兩個方向相反地定向或者說電流流過的線圈的有效匝數(shù)是變化的，且和各種要求相適配，因此通過事后的調(diào)整處理可對發(fā)射線圈116的誤差定位-由于已說明的原因在圖3中未示出-和由于制造公差的原因隨之出現(xiàn)的感應(yīng)傳感器的誤差電壓UF被消除了或者說得到補償。
例如人們可以想像，在制造感應(yīng)探測器時首先將發(fā)射線圈以比較小的位置和尺寸公差安裝到具有接收線圈的印刷電路板上。其結(jié)果是當人們將釬焊橋或者所使用的其它開關(guān)器具安裝或者連接在為它預定的理想位置(例如位置5)時，會出現(xiàn)微小的誤差電壓UF?，F(xiàn)在釬焊橋的位置例如可以一直移動，直到在沒有金屬物體的情況下在接收線圈的點A和B之間不再能測量出電壓。這樣可以有利的方式消除在繞組體、纏線自動機和類似裝置的制造公差所造成的不可避免的誤差補償。
當然除了固定的釬焊橋外還有其它的連接方式，特別是另一些開關(guān)器具可供選用。釬焊橋是一種在技術(shù)上缺少吸引力的方案，因為它在機械上需要比較費事的調(diào)整過程。為了能在無附加的制造步驟的情況下實現(xiàn)傳感器補償?shù)恼{(diào)整，可以在設(shè)置有接收線圈的印刷電路板上也設(shè)置多個半導體結(jié)構(gòu)元件，例如場效應(yīng)晶體管。這些場效應(yīng)晶體管使內(nèi)線圈系統(tǒng)114和外線圈系統(tǒng)112接觸。在這種情況中釬焊橋的移動被單個半導體開關(guān)之間的轉(zhuǎn)換所代替。
因此，用手工焊接的接觸橋可用例如晶體管環(huán)代替，這些晶體管可通過控制信號接通或者閉鎖。這樣一種調(diào)整可由廠方一次性地在將探測器安裝在相應(yīng)的測量儀、例如用于探測金屬物體的手持定位器之后進行，這樣，用戶就不必在進行本來的測量過程之前進行麻煩的校準測量。
按照圖3的傳感器的補償?shù)木_調(diào)整能準確到什么程度主要是通過所規(guī)定的開關(guān)器具的數(shù)量或者說通過連接橋(1......8)的數(shù)量決定，或者說通過所屬的角度網(wǎng)柵(Winkelraster)確定。這種角度網(wǎng)柵是通過感應(yīng)線圈的線圈的弧長的分度來確定連接橋的。這些連接1至8在圖3的實施例中在這個實施例的圓形的線圈的圓周上形成一種均勻的45°的網(wǎng)柵。調(diào)整電壓或者補償電壓和有電流流過的線圈的在其上外線圈112和內(nèi)線圈114進行接觸的角度或者說弧長成線性關(guān)系。若例如人們將角度網(wǎng)柵從圖3的45°減小到22.5°，方法是將開關(guān)橋的可能的位置數(shù)量翻一倍增到16個，這樣做的結(jié)果是補償電壓可以精確度增加一倍地進行調(diào)節(jié)。在原理上在這樣一種裝置中可以使用任意多的連接橋，它們的數(shù)量僅受到實踐考慮的限制。然而，用于產(chǎn)生補償電壓或者調(diào)整電壓的這樣一種分辨率的提高在使用釬焊橋時除了在機械實現(xiàn)時費用比較高外不存在原理性的問題。
若使用半導體開關(guān)例如晶體管用作開關(guān)器具，則通過提高所使用的開關(guān)的數(shù)量也給可能的補償電壓的調(diào)節(jié)網(wǎng)柵的精細化設(shè)置了實際的限制。在這種情況中必須為每個附加設(shè)置的接觸角度設(shè)置一個自己的結(jié)構(gòu)元件和單獨的控制線路。
圖4示出在用于定位金屬物體的探測器的補償裝置中的根據(jù)本發(fā)明的傳感器幾何形狀的一種作為替代方案的實施例210。在圖4中所示的補償裝置或者說調(diào)整幾何形狀具有如下優(yōu)點，即和在圖3中所示裝置相比可以顯著減少開關(guān)器具的數(shù)量。
在根據(jù)圖4的感應(yīng)補償傳感器的實施例中，接收線圈212和214的匝數(shù)也是通過接通所設(shè)置的線圈或者線圈分支改變的，這樣就為接收線圈產(chǎn)生了有效匝數(shù)。這兩個線圈212和214彼此同軸設(shè)置，并且優(yōu)選也是作為印刷線圈在印刷電路板上構(gòu)成。此外，關(guān)于線圈212和214的設(shè)計和布置與圖3中的線圈112和114的設(shè)計和布置相同。
與圖3的實施方式不同，在圖4的感應(yīng)補償傳感器的實施方式中在逆時針繞線的外線圈212的內(nèi)部區(qū)域中增加了一個附加的線圈213’。該線圈為順時針定向。這就是說在線圈212的內(nèi)部區(qū)域增加了一個附加線圈。它具有和內(nèi)置的接收線圈214相同的方向定向。這個附加線圈213’的半徑用Ra表示。很顯然，這個半徑比下面用Rb表示的內(nèi)線圈系統(tǒng)214的最外面的線圈215’的半徑要大。在具有半徑Rb的線圈中所感應(yīng)的電壓要比在具有半徑Ra的線圈中感應(yīng)的電壓要大，因為內(nèi)置的線圈(Rb)和在圖4中未示出的在高度上偏置的發(fā)射線圈116的距離更小。
具有半徑Ra和Rb的線圈213’和215’共同形成感應(yīng)探測器的調(diào)整線圈系統(tǒng)。這個系統(tǒng)確定探測器的接收線圈的相對匝數(shù)。線圈213’和215’又可通過開關(guān)橋1’、2’、3’或者說通過配屬給開關(guān)橋的開關(guān)元件1’a、1’b或者說2’a、2’b或者說3’a、3’b劃分成不同弧長的導體元件，即所謂的補償模塊(220、222、224)，這樣就在調(diào)整線圈系統(tǒng)中產(chǎn)生匝數(shù)的精確的分辨率，并且因此產(chǎn)生在這個調(diào)整線圈系統(tǒng)中感應(yīng)的補償電壓的精確的分辨率。按照這種方式可很精確地調(diào)節(jié)調(diào)整電壓，這樣，調(diào)整電壓幾乎理想地和所需的補償電壓相一致。
詳細講圖4的感應(yīng)補償傳感器的實施方式的調(diào)整原理是建立在此基礎(chǔ)之上，即感應(yīng)探測器的調(diào)整線圈系統(tǒng)通過一個將線圈212和線圈214彼此接觸在一起的連接導線200形成。在這種情況中該連接導線200是導體環(huán)線，該導體環(huán)線一部分在具有半徑Ra的圓弧段上導向，在余下的線段上通過具有半徑Rb的圓弧段形成。這樣，連接導線200是由不同的導體模塊構(gòu)成的，這些導體模塊由一個或者多個開關(guān)橋1’、2’、3’和通過這些開關(guān)橋產(chǎn)生的補償模塊、也就是由線圈213’和215’的在這些開關(guān)橋之間相應(yīng)流過電流的弧長組成。
為此目的將線圈212和線圈214連接在一起的連接導線200在圖4的實施例中劃分成三個所謂的補償模塊(220、222、224)，也就是線圈的具有不同角度長度或者弧長的三個扇形段。它們單個的角度長度或者弧長具有相差系數(shù)2的數(shù)值(例如206°+103°+51°＝360°)是合適的。補償模塊的相對長度，也就是具有半徑Ra或Rb的線圈的相對角弧采用另一種分段方法也是可以的。
借助開關(guān)器具對1’a、1’b或2’a、2’b或3’a、3’b可以選擇單個有效的補償模塊(220、222、224)。這樣就可以確定，在連接導線200的內(nèi)部在單個角度扇形段上的電流應(yīng)選擇在內(nèi)部區(qū)域(Rb)還是在外部區(qū)域(Ra)中流動。若例如開關(guān)1’a至3’a是閉合的，而與此相反開關(guān)元件1’b至3’b是斷開的，則連接導線200有效地是通過具有半徑Rb的單個線圈形成的。通過斷開的開關(guān)元件，具有半徑Ra的導線扇形段在無有中(im Nichts)結(jié)束，因此它沒有通電，因為沒有接觸。
對于上述布局來說，在連接導線200中感應(yīng)出的電壓要比開關(guān)1’a至3’a斷開并且開關(guān)元件1’b至3’b閉合時的狀態(tài)要高。并且僅在外半徑Ra上進行線圈的連接。
因此通過選擇內(nèi)和外扇形段215’和213’的合適的組合可以精確分段地改變在連接導線200中總的感應(yīng)電壓。在這種情況中協(xié)調(diào)的精確性是通過最小的角扇形段(補償模塊)的長度確定的，而角扇形段可通過兩個相鄰的開關(guān)橋1’、2’、3’實現(xiàn)。
從圖3和圖4的直接比較中人們可以發(fā)現(xiàn)為了實現(xiàn)45°的調(diào)整角在圖3的實施例中需要八個開關(guān)元件(1...8)，而在圖4的實施例中為了得到51°的類似的調(diào)整分辨率僅需要六個開關(guān)。若在補償線圈上的角扇形段的長度分別相差系數(shù)2時，則產(chǎn)生開關(guān)元件的最小數(shù)量。以2為基數(shù)的數(shù)字系統(tǒng)對補償模塊的長度進行編碼相應(yīng)于該系數(shù)2。
作為替代方案，也可設(shè)想具有例如3個或者4個不同半徑的好方案。在這些方案中每個角扇形段分別要求有3個或者4個開關(guān)，并且按以3或4為基數(shù)的數(shù)字系統(tǒng)對調(diào)整狀態(tài)進行編碼。也可設(shè)想這種狀態(tài)編碼的組合，其中，在單個的角扇形段中不同地設(shè)置許多替代的開關(guān)器具。
僅示范地，也就是在一些可行的實施方式中所說明的發(fā)明具有與頻率無關(guān)地工作的優(yōu)點。在接收線圈中通過合適的開關(guān)器具所增補的導體線環(huán)或者導體線環(huán)扇形段可價格很有利地制造，特別當僅導體結(jié)構(gòu)需要設(shè)置在電路板上時。開關(guān)器具也可以簡單和成本有利的方式作為半導體結(jié)構(gòu)在同一電路板上構(gòu)成。在該電路板上也形成了接收線圈的線圈。和相應(yīng)的在激勵側(cè)工作的調(diào)整方法相比在接收側(cè)的開關(guān)技術(shù)的實現(xiàn)要簡單和造價有利得多，因為例如可以使用高歐姆的開關(guān)器具，因為和激勵線圈相比只有少量電流在接收線圈中流動。
根據(jù)本發(fā)明的用于定位金屬物體的探測器并不局限于在附圖中所示的實施例。
特別是根據(jù)本發(fā)明的探測器的接收線圈系統(tǒng)不局限于使用兩個接收線圈。
此外，該探測器并不局限于在實施例中介紹的用于改變接收線圈的有效匝數(shù)的開關(guān)器具的類型和數(shù)量。也可對補償模塊的長度進行不同的編碼。
權(quán)利要求
1.用于定位金屬物體的裝置，其具有至少一個發(fā)射線圈(116)和至少一個接收線圈系統(tǒng)(112、114；212、214)，它們彼此感應(yīng)耦合，其特征在于，設(shè)置電開關(guān)器具(1，...，8；1’a、2’a、3’a、1’b、2’b、3’b)，它們可以改變至少一個接收線圈系統(tǒng)(112、114；212、214)的有效匝數(shù)。
2.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述至少一個接收線圈(112、114；212、214)的有效匝數(shù)可通過電導體模塊的接通和斷開改變。
3.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述開關(guān)器具(1，...8；1’a、2’a、3’a、1’b、2’b、3’b)設(shè)置在第一接收線圈(112、212)的線圈(113、213)和第二接收線圈(114、214)的線圈(115、215)之間。
4.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，具有開關(guān)器具(1’a、2’a、3’a、1’b、2’b、3’b)的開關(guān)橋(1’、2’、3’)設(shè)置在接收線圈的具有不同半徑Ra和Rb的線圈(213’、215’)之間。
5.按照權(quán)利要求1或3所述的裝置，其特征在于，所述開關(guān)器具(1，...，8)或開關(guān)橋(1’、2’、3’)通過釬焊橋?qū)崿F(xiàn)。
6.按照權(quán)利要求1或3所述的裝置，其特征在于，所述開關(guān)器具(1、...、8；1’a、2’a、3’a、1’b、2’b、3’b)通過半導體結(jié)構(gòu)元件實現(xiàn)。
7.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，至少兩個接收線圈(112、114；212、214)彼此同軸設(shè)置。
8.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，至少兩個接收線圈(112、114；212、214)設(shè)置在一個平面中。
9.按照權(quán)利要求5或6所述的裝置，其特征在于，至少兩個接收線圈(112、114；212、214)是特別在印刷電路板上構(gòu)成的印刷線圈。
10.按照權(quán)利要求6和9所述的裝置，其特征在于，所述開關(guān)器具(1...、8；1’a、2’a、3’a、1’b、2’b、3’b)通過印刷電路板上的半導體開關(guān)實現(xiàn)。
11.按照權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，至少一個發(fā)射線圈(116)設(shè)置在至少和接收線圈平行的在高度上偏置的平面中。
12.按照權(quán)利要求9或11所述的裝置，其特征在于，至少一個發(fā)射線圈(116)設(shè)置在固定在印刷電路板上的繞組體上。
13.測量儀，特別是手持定位器，具有按照權(quán)利要求1至12中一項或多項所述的裝置。
14.工具，特別是鉆孔工具或者刀具，具有按照權(quán)利要求1至11中一項或多項所述的裝置。
15.感應(yīng)式補償傳感器(110，210)的運行方法，該補償傳感器具有至少一個發(fā)射線圈(116)和至少一個接收線圈系統(tǒng)(112、114；212、214)，其中，在接收線圈(112、114；212、214)中感應(yīng)的電壓U的調(diào)整是通過將調(diào)整線圈系統(tǒng)(113、115；213’、215’)接到接收線圈系統(tǒng)(112、114；212、214)的線圈(113、115；213、215)中完成的，其中，這個調(diào)整線圈系統(tǒng)(113、115；213’、215’)具有一個或者多個補償模塊(220、222、224)。
16.按照權(quán)利要求15所述的方法，其中可為每個補償模塊(220、222、224)在電接觸的m種不同的替代布局(1’a、2’a、3’a、1’b、2’b、3’b)之間轉(zhuǎn)換。
17.按照權(quán)利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述調(diào)整線圈系統(tǒng)(113、115；213’、215’)至少由分別具有m(n)(m(n)＝1...M(n))種不同布局的n(n＝1...N)個獨立的補償模塊KMn(220、222、224)構(gòu)成，在這些布局中，通過在補償模塊KMn(220、222、224)的單個布局m之間的有選擇的轉(zhuǎn)換在補償傳感器(210)的接收分支(212、214)中感應(yīng)出電壓變化ΔUn，m，其中ΔU＝(U(n，m)-U(n，m+1))。
18.按照權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述補償模塊KMn(220、222、224)是如此構(gòu)成的，即電壓變化ΔUn，m與具有減小1的順序號n的補償模塊KMn-1的電壓差ΔUn-1，m分別相差系數(shù)M(n-1)，其中ΔUn-1，m＝(U(n-1，m’)-U(n-1，m’+1))。
19.按照權(quán)利要求17或18所述的方法，其特征在于，所述調(diào)整線圈系統(tǒng)(113、115；213’、215’)的補償模塊KMn(220、222、224)使用一種二進制編碼M(n)＝2，這樣，得出關(guān)系式ΔU＝(U(n，1)-U(n，2))＝2*(U(n-1，1)-U(n-1，2))。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于定位金屬物體的裝置，具有至少一個發(fā)射線圈(116)和至少一個接收線圈系統(tǒng)(112、114；212、214)，它們彼此感應(yīng)耦合。根據(jù)本發(fā)明提出，設(shè)置開關(guān)器具(1、…、8；1’a、2’a、3’a、1’b、2’b、3’b)，它們能改變所述至少一個接收線圈系統(tǒng)(112、114；212、214)的有效匝數(shù)。此外，本發(fā)明還涉及一種用于這樣一種裝置運行的方法，特別是這樣一種方法，在此方法中，在接收線圈(112、114；212、214)中感應(yīng)的電壓U通過將調(diào)整線圈系統(tǒng)(113、115；213’、215’)接到接收線圈系統(tǒng)(112、114；212、214)的線圈(113、115；213，215)進行調(diào)整。
文檔編號G01V3/10GK101031822SQ200580032808
公開日2007年9月5日 申請日期2005年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月29日
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