專利名稱：金屬探測器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種包括權利要求1的前序部分中的特征的用于金屬物體的定位的傳感器(特別是以PI模式操作的金屬探測器)，并且還涉及一種包括權利要求15的前序部分中所包含的特征的相關方法。
背景技術：
從DE 103 01 951 A9中得知這種類型的依據(jù)脈沖感應過程(Pulsehduction Process) (PI)模式操作的金屬探測器。通過部分地重疊共平面線圈系統(tǒng)來解耦初級線圈與次級線圈之間的相互作用。解耦借助如下方式進行調(diào)整通過重疊的區(qū)域內(nèi)的可機械地移動的質(zhì)量塊，或者通通過輔助電氣補償手段，例如，為來自接收電路中的發(fā)生器的額外補償信號的形式。這些信號補償接收線圈中的發(fā)送功率的不完全解耦分量。接收線圈中的檢出信號與補償作用之間的“反饋”(即，封閉型調(diào)節(jié)系統(tǒng))是不存在的。從DE 103 18 350 B3中得知一種相似的布置，其中多個線圈以關于它們的交變磁場重疊、相鄰但相互移位的方式嵌套(nest)。最大的線圈(優(yōu)選地為接收線圈)確定線圈布置的外圍。從DE 36 19 308 Cl中得知一種上面所述的原理的反例(即，帶有兩個“8”的形式的接收線圈的環(huán)繞發(fā)送線圈)，其中發(fā)送磁場是相互抵消的。從DE 43 39 419 C2中得知一種包括發(fā)送線圈和接收線圈的金屬探測器，這些線圈以使得交變感應因數(shù)最小化的方式互相部分地重疊。這些線圈交替地作為發(fā)送線圈和接收線圈來操作。為了在發(fā)送線圈和接收線圈的位置非常接近(像印刷線圈中的情況那樣)時，減少發(fā)送線圈和接收線圈之間的電容性串擾，在DE 10 2004 047189A1中提出了在發(fā)送線圈與接收線圈之間的屏蔽電極形式的屏蔽裝置。此外，提供輔助繞組以用于微調(diào)目的。從EP 706 648 Bl得知一種幅度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中對光信號進行探測，并且對外部干擾(諸如雜散光和溫度或者光發(fā)送體與光接收器之間的時效效應)作出補償。光發(fā)送體通過時鐘脈沖發(fā)生器定期且交替地操作。必要時，幅度已經(jīng)在至少一條光路中經(jīng)過調(diào)整的光在光接收器中(例如)以產(chǎn)生了不帶時鐘同步信號分量的接收信號的方式與來自另一光發(fā)送體(諸如補償光源)的光起反應。由光接收器接收到的信號被提供給同步解調(diào)器，該同步解調(diào)器將接收的信號分解成對應于兩個光源的信號分量。這些信號分量在比較器中相互比較，從而產(chǎn)生了對應于零狀態(tài)的控制值的狀態(tài)。如果對應于這個零狀態(tài)的信號在比較器的輸出中不存在，那么這個控制值被用來適當?shù)卣{(diào)節(jié)被提供給光源的輻射功率，直至達到這個狀態(tài)為止。

發(fā)明內(nèi)容
基于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的目的是提供簡單有效的傳感器和相關方法。這個目的是通過包括權利要求1的特征的傳感器以及包括權利要求15的特征的方法來實現(xiàn)的。所述傳感器包括至少一個接收線圈和多個發(fā)送線圈或多個發(fā)送線圈部分，所述多個發(fā)送線圈部分以特定方式將發(fā)送線圈劃分，優(yōu)選地以成鏡像半部的形式劃分。由于多個發(fā)送線圈與至少一個接收線圈之間的相互作用，因而發(fā)送線圈被布置成與接收線圈部分地重疊，由發(fā)送線圈發(fā)送的場的最佳抵消局部點在接收線圈中出現(xiàn)。因此，線圈以這樣的方式布置使得當通過其中的電流相同時，所述發(fā)送線圈部分對至少一個接收線圈起作用，由此發(fā)送場的最佳抵消局部點在接收線圈中出現(xiàn)。然而，當電流主要或單獨地經(jīng)過第一發(fā)送線圈或發(fā)送線圈的第一部分時，這個點沿第一方向變位(shift)或移動，然而，當電流主要或單獨地通過另外的發(fā)送線圈或發(fā)送線圈的另外的部分時，這個點沿優(yōu)選地與第一方向相反的另一個方向變位或移動。這個最佳抵消局部點受到接近金屬的影響。當用于調(diào)節(jié)經(jīng)過發(fā)送線圈部分的電流的控制電路處于其調(diào)節(jié)狀態(tài)時，該控制電路導致最佳抵消局部點位移， 該最佳抵消局部點的位移造成接收信號的抵消。對這個目的必要的控制值或控制值的變化被優(yōu)選地用作金屬的接近度的測量。采用這個方案，產(chǎn)生了用于甚至是在不斷改變的環(huán)境條件下也能調(diào)整發(fā)送系統(tǒng)與接收系統(tǒng)之間的解耦的簡單裝置，所述不斷改變的環(huán)境條件例如為當接近金屬時或者在線圈體發(fā)生機械變化的情況下或者存在地面效應或地面效應發(fā)生變化的情況下。如果提供了多個接收線圈和多個發(fā)送線圈，那么至少一個發(fā)送線圈和至少一個接收線圈能夠布置在不同的平面內(nèi)。在一個平面上的線圈相對于在至少一個另外的平面上的線圈旋轉(zhuǎn)一定的中心角，直至線圈的相互作用抵消為止，所述中心角取決于特定的應用形式。為了使控制動作能夠?qū)崿F(xiàn)，因而控制值同時用作測量值，線圈彼此平行地至少稍微位移了優(yōu)選地為(例如)線圈直徑的0.1%至2%的距離，或它們相對于彼此以對應的方式旋轉(zhuǎn)。結果是，發(fā)送線圈和接收線圈的外圍幾乎疊合地位于彼此的頂部上，使得因此產(chǎn)生非常緊湊的結構。實際上，這種類型的線圈的布置(所述線圈的布置可以優(yōu)選地采取在印刷電路板的相對面上的印刷線圈的形式)連同所描述的電子系統(tǒng)一起導致了非常敏感的探測系統(tǒng)。實際上，假如線圈布置的總體直徑為25mm，則可以達到500mm以上的探測極限。由發(fā)送線圈所發(fā)送的場在接收線圈中所引起的信號被提供給放大器。當使用例如兩個接收線圈時，這兩個接收線圈可以串聯(lián)或并聯(lián)連接。基本情況是，在接收線圈中引起的信號能夠抵消。優(yōu)選地，也可以選擇具有對稱輸入的放大器?？梢蕴峁┖竺娴谋容^器以及在放大器的下游連接的同步解調(diào)器，以用于比較與發(fā)送線圈相關聯(lián)的電壓信號，從而用于確定控制值。比較器的輸出傳遞控制值。提供給發(fā)送線圈的電流的幅度通過控制值優(yōu)選地以連續(xù)的方式在至少一個調(diào)節(jié)電流源中受到調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)以這樣的方式進行使得比較器的輸入處的電壓信號的幅度是基本相等的。這然后對應于一個或多個接收線圈中的接收信號的抵消。隨之，抵消對應于發(fā)送線圈與接收線圈之間的完全解耦。由于接收線圈中的信號的同步解調(diào)以及通過比較器進行的與時鐘相位相關聯(lián)的輸出信號的比較，因而得到了能用于控制所述發(fā)送線圈中的至少一個發(fā)送線圈中的電流的信息項(控制值)。這然后對應于閉環(huán)控制。在發(fā)送線圈相對于一個或多個接收線圈機械上正確布置的情況下，相等幅度的電流通過調(diào)節(jié)過程分配給發(fā)送線圈，即，在這種情況下接收信號在一個或兩個接收線圈中抵消。然后，例如，控制值將位于中央控制范圍內(nèi)。例如當接近金屬時，這個控制值相應地改變，而接收信號保持在一個或多個接收線圈中抵消。相比之下，因制造公差而引起的發(fā)送線圈和接收線圈相對于彼此的不完全正確的定位僅僅導致控制值與它的理想狀態(tài)的恒定偏移。原則上，尤其是在印刷線圈的情況下，也可以在印刷電路板上布置多于兩個的線圈平面。從所附的權利要求和下列說明，本發(fā)明的進一步的優(yōu)點將變得顯而易見。


下面將借助附圖中示出的示例性實施方式對本發(fā)明作出更詳細的描述。附圖中圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術的采用PI過程的傳感器系統(tǒng)以及接收線圈處的幅度的相關波形，圖2示出了在第一例示性實施方式中的兩個鏡像線圈半部的布置，圖3示出了根據(jù)圖2的線圈半部連同接收線圈一起的機械布置，圖4示出了包括用于使接收線圈中的最佳抵消局部點穩(wěn)定的封閉型調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳感器電子系統(tǒng)，圖5、6示出了針對經(jīng)過發(fā)送線圈布置的不同電流流動的最佳抵消局部點的位移，圖7是示出了傳感器電子系統(tǒng)隨時間的控制值的圖示，圖8示出了在另一示例性實施方式中的第一發(fā)送線圈半部和第一接收線圈半部的布置，圖9示出了根據(jù)圖8的線圈連同通到電子系統(tǒng)的連接件的布置，圖10以通過印刷電路方案的截面的形式示出了根據(jù)圖8的的線圈布置，圖11示出了根據(jù)圖10的包括用于使接收線圈中的最佳抵消局部點穩(wěn)定的封閉型調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳感器電子系統(tǒng)。
具體實施例方式現(xiàn)在將參照附圖對本發(fā)明作出更詳細的例示性地說明。然而，示例性實施方式僅僅只是實例，其并不旨在將本發(fā)明的原理限制于特定布置。在詳細地描述本發(fā)明之前，應該指出，本發(fā)明并不限于裝置的具體特定構件也不限于特定的方法步驟，因為這些構件和過程能夠變化。本文中所使用的術語僅僅旨在描述特殊實施方式，并不用于限制性意義。而且，如果在說明書或權利要求書中使用了單數(shù)或不定冠詞，那么這些單數(shù)或不定冠詞也表示多個這些元件，只要整個上下文沒有豪無疑義地表明表示其他含義。在本申請中所使用的表述“抵消局部點”表示在兩個發(fā)送線圈的中心之間的假想線上的點，所述點在固定幾何布置的至少兩個場發(fā)射線圈重疊時出現(xiàn)，并且在所述點處，流過兩個線圈的電流使一個或多個接收線圈中的由此產(chǎn)生的磁場消失。圖1示出了在采用PI方法的現(xiàn)有傳感器系統(tǒng)的情況下，當使發(fā)送線圈1. 10或接收線圈相對于彼此移動時，接收線圈1.9的幅度的波形。在圖1的下方繪制出了接收線圈的相對于位移的幅度1. 7。該位移始于1. 1結束于1. 5，由此在圖中從最佳抵消點1. 3起所覆蓋的位移路徑等于(例如)+/_5mm。如果(例如)接收線圈相對于發(fā)送線圈沿雙向箭頭1.6的方向向右位移，那么接收信號1. 2首先減少。在示例性實施方式中，所述信號相對于提供給發(fā)送線圈的信號具有 0°的時鐘同步相位角。一旦到達最佳抵消局點(即，解耦點1.3)，則接收信號為零，然而， 在進一步位移的過程中，接收信號1. 4再度上升但此時其相位轉(zhuǎn)動了 180°。最佳抵消局部點只在實驗室環(huán)境中才是相對穩(wěn)定的。制造公差、溫度的影響、線圈布置的機械變形或者例如地面效應的存在(例如，當在含金屬的地面中尋找金屬時)使這個點移位。此外，在布置附近出現(xiàn)的金屬物體也會使該局部點移位。在上述任何不利影響的情況下，最佳抵消點的可能的幾何位置將位于(例如)沿著雙向箭頭1.6的范圍內(nèi)。盡管存在上述所有的不利影響，應利用簡單的裝置和封閉型調(diào)節(jié)系統(tǒng)使最佳抵消點始終保持在完全相同的局部位置。這是通過下列方法來實現(xiàn)的對根據(jù)現(xiàn)有技術的發(fā)送線圈1. 10進行劃分，并優(yōu)選地以形成基本相同且鏡像的兩個線圈半部的方式對半劃分。然而，其他類型的細分也是可能的，只要在存在適當?shù)碾娏髁鲃訒r，能夠因此獲得抵消局部點的連續(xù)的或恒定的以及因此不突變的位移即可。圖2示出了作為發(fā)送線圈的這些線圈部分或線圈半部2. 1和2. 2的布置，其中具有用于第一上線圈半部2. 1的接線(connection，連接部)2. 3以及用于第二下線圈半部2. 2的接線2. 4。在例示性實施方式中，線圈半部的兩條剩余的接線在2. 5處結合。補充接線2. 3和2. 4處的電壓的互補電壓2. 6和2. 7使得具有在兩個線圈半部中產(chǎn)生相同極性的磁場。在這種情況下，兩個線圈半部實質(zhì)上以相同的方式作用，就好比現(xiàn)有技術中的單個線圈那樣。線圈半部 (或更佳地，線圈部分)在下文中被稱為發(fā)送線圈2. 1,2. 2。圖3示出了第一上發(fā)送線圈2. 1以及第二下發(fā)送線圈2. 2連同接收線圈1. 9 一起的機械布置。為了提供更清晰的區(qū)分，接收線圈1. 9采用虛線繪制。接收線圈1. 9在這個例示性實施方式中是圓形的，所述接收線圈的直徑大致相當于半圓形發(fā)送線圈部分的直徑。包括兩個發(fā)送線圈2. 1和2. 2的發(fā)送線圈布置的水平軸線3. 2相對于接收線圈
1.9的水平軸線3. 1傾斜了角度W。因此，發(fā)送線圈2. 2與接收線圈1. 9的重疊比發(fā)送線圈 2.1與所述接收線圈的重疊多一定的量。實際上，角度W落在(例如)1-10°的范圍內(nèi)。預期的公差(比如溫度效應、制造公差等)越大，則需要選擇的角度W越大。在發(fā)送線圈2. 1、
2.2的布置與接收線圈1. 9之間存在間隔A，在例示性實施方式中所述間隔從各個中心點測量，在發(fā)送線圈2. 1和2. 2上具有大小相同但互補的電壓的情況下，所述間隔確定了用于解耦的局部點1. 3將位于的大致區(qū)域。代替旋轉(zhuǎn)經(jīng)過一角度的情況，也可構想不同的布置，比如發(fā)送線圈相對于彼此移位，使得因此產(chǎn)生接收線圈1.9的不同重疊。因此，接收線圈與優(yōu)選的兩個發(fā)送線圈2. 1、2. 2重疊不同的表面面積。只要抵消局部點的位移可利用適當?shù)碾娏髁鹘?jīng)所述發(fā)送線圈部分而獲得的目標達到，那么該目標與發(fā)送線圈相對于接收線圈的具體幾何布置(通過該布置達到或促進這個目的)是不相關的。理想地，為了實現(xiàn)上述的本發(fā)明，結合有根據(jù)上述EP 706648B1的幅度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方法已被證明滿足于產(chǎn)生敏感金屬探測器。然而也可以構想其他方法，只要當使電流僅流動經(jīng)過發(fā)送線圈的第一部分時，最佳抵消點沿第一方向例如向右朝向點5. 1變位，而當使電流流動經(jīng)過發(fā)送線圈的第二部分時，最佳抵消點沿另外的方向(優(yōu)選地與第一方向相反的第二方向)例如向左朝向點6. 1變位即可。然后，調(diào)節(jié)過程確保最佳抵消局部點的位移是受到控制的并且因此發(fā)生接收信號1. 11的連續(xù)抵消。這里，圖4示出了結合有封閉型調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳感器電子系統(tǒng)的示例性實施方式， 所述封閉型調(diào)節(jié)系統(tǒng)用于使發(fā)送線圈2. 1和2. 2中所產(chǎn)生磁場的在接收線圈1. 9中的最佳抵消局部點穩(wěn)定。時鐘脈沖發(fā)生器4. 8將第一時鐘脈沖信號4. 13傳遞給第一調(diào)節(jié)電流源 4. 10以及將第二反相時鐘脈沖信號4. 12傳遞給第二調(diào)節(jié)電流源4. 9。時鐘脈沖發(fā)生器的頻率可以根據(jù)線圈的感應系數(shù)來選擇，在示例性實施方式中，這個頻率接近120kHz。信號可以(例如)是矩形信號或正弦信號。第一調(diào)節(jié)電流源4. 10饋電給下發(fā)送線圈2. 2的接線 2. 4。第二調(diào)節(jié)電流源4. 9以類似于第一調(diào)節(jié)電流源的方式饋電給上發(fā)送線圈2. 1的接線 2. 3。存在于接收線圈1. 9處的信號通過交流電壓放大器4. 5 (其在下文中稱為放大器)來放大。放大器4. 5的輸出信號提供給同步解調(diào)器4. 6。該同步解調(diào)器從時鐘脈沖發(fā)生器 4. 8接收第二時鐘脈沖信號4. 19以及經(jīng)由4. 18接收需要用于解調(diào)過程的第一時鐘脈沖信號。在這種最簡單的情況下，在時鐘相位的整個周期期間，同步解調(diào)器4. 6將以同步的方式向積分比較器4. 7的適當輸入提供放大器4. 5輸出信號。在這種情況下，時鐘脈沖信號 4. 18和4. 19與發(fā)送時鐘脈沖相位一樣長。因此，當積分比較器4. 7的第一輸入信號4. 15和第二輸入信號4. 17的電壓相同時，在接收線圈1.9中將不會出現(xiàn)同步信號分量。從而，在(例如)外部金屬影響的情況下，那么接收線圈1. 9處的第一時鐘脈沖信號的平均值與第二時鐘脈沖信號的平均值相比較。在穩(wěn)定的狀態(tài)下，存在于放大器4. 5的輸入處的接收信號已經(jīng)相互對應，并且因此對應于放大器的輸出處的零狀態(tài)，使得放大器4. 5僅在其輸入處經(jīng)歷噪音。因此，該放大器能夠具有非常高的放大因數(shù)，或以高放大因數(shù)限幅放大器的形式實現(xiàn)。在穩(wěn)定的狀態(tài)下這種情況也應適用于第一輸入信號4. 15和第二輸入信號4. 17。如果對應于這個零狀態(tài)的信號不存在于比較器4. 7的輸出處，那么對控制值4. 16進行調(diào)整，并且因此對發(fā)送線圈2. 1,2. 2 中的電流進行調(diào)節(jié)，直至達到如這個狀態(tài)一樣的時間為止。在時鐘脈沖周期的長度期間，接收線圈1. 9的輸出信號呈現(xiàn)由金屬類型確定的小幅度波形。為了更好地分析金屬的性質(zhì)，因此，同步解調(diào)器的采樣范圍只能在時鐘脈沖周期的部分中選擇。為此，需要用于解調(diào)過程的第一時鐘脈沖信號4. 18和第二時鐘脈沖信號 4. 19因此變短并且被插入到時鐘相位的需要用于金屬分析過程的部分中。采樣時間點可以自由地選擇。采樣時間點可以在例如幾納秒的例如多個小步長中選擇，并且可以位于時鐘周期或時鐘脈沖信號中的任意預先定義的或可預先定義的點出，以便從接收信號中獲得特定fe息。積分比較器4. 7對同步解調(diào)器4. 6的輸出信號進行幅度差的檢查，所述輸出信號通過同步解調(diào)器4. 6與兩個時鐘脈沖信號4. 12和4. 13相關聯(lián)。比較器能夠以高幅度因數(shù)比較電路的形式實現(xiàn)。無論輸入電壓或輸入信號4. 15和4. 17的每個偏差有多小，這種偏差都會導致控制值4. 16相應地偏離其瞬時值。實際上，達到MOdB的“開環(huán)”放大率的效果都是令人滿意的。這可以通過例如兩個連續(xù)的運算放大器來產(chǎn)生，這兩個連續(xù)的運算放大器的交流電壓受到抑制，并且在整個控制回路上的利用直流負反饋，即通過在其中包括發(fā)送線圈與接收線圈之間的耦合。調(diào)節(jié)電流源4. 9和4. 10以相互倒向的方式通過倒向級 4. 11受到控制值4. 16的控制，以便重新建立具有同樣大幅度的輸入信號出現(xiàn)在比較器4. 7 中的狀態(tài)，即，兩個信號波形在比較器4. 7的輸入中沒有差異出現(xiàn)的狀態(tài)。如果調(diào)節(jié)電流源中的一個電流源的電流上升，那么另一個電流源中的電流相應地下降。由于兩個線圈半部(即兩個發(fā)送線圈)中的電流的位移，最佳抵消局部點以無級的方式在寬范圍上移位。范圍的大小取決于所使用的線圈的尺寸。在線圈直徑為例如50mm 的情況下，范圍可達例如+/_5mm。圖5示出了當發(fā)送線圈布置的下發(fā)送線圈2. 2正在接收比上發(fā)送線圈2. 1大的電流時，最佳抵消局部點5. 1向右的位移。根據(jù)圖6，在發(fā)送電流相反的情況下，最佳抵消點6. 1向左移動?？刂齐娐反藭r確保針對最佳抵消點所確定的值以使得在同步解調(diào)器4. 6處不存在差異信號的方式被不斷地重新調(diào)整。這就導致了這樣的事實金屬探測器周圍的區(qū)域中隨時間變化的或動態(tài)的改變(比如接近金屬)以控制值4. 16 發(fā)生改變的形式反映出來。因此，傳感器活躍區(qū)內(nèi)沒有金屬的影響，在接收線圈1.9中沒有產(chǎn)生時鐘同步分量的方面，發(fā)送電流的均衡是有效的，使得因此總是保持最佳抵消點。因此，根據(jù)圖7，圖4 中的控制電路的調(diào)節(jié)輸出處的控制值4. 16采用對應于最佳抵消點的局部位置的某個電氣值。接近金屬7. 4改變了最佳抵消點。因此，具有時鐘脈沖同步分量的信號在接收線圈1. 9 中出現(xiàn)，這個信號通過同步整流過程探測，并且通過連續(xù)地調(diào)整4. 9和4. 10中的發(fā)送電流來立即對這個信號進行重新調(diào)整，直至接收線圈中的時鐘脈沖同步分量消失。圖7示出了控制值4. 16的靜止狀態(tài)以及所述控制值在接近金屬的區(qū)域7. 4內(nèi)的改變。現(xiàn)在例如出于探測接近金屬的目的，可以對處于靜止狀態(tài)的4. 16與更改的控制值7. 3之間的差異進行估值。因此，在這個利用封閉型調(diào)節(jié)系統(tǒng)的系統(tǒng)中，當接近金屬時，并不是如現(xiàn)有技術中的情況那樣對接收線圈中產(chǎn)生的信號的大小進行測量并在適當?shù)娘@示器中呈現(xiàn)給用戶，而是相反地，當接近金屬時，對因最佳抵消點的局部位移而產(chǎn)生的控制值或(更優(yōu)地)控制值中的改變進行測量并呈現(xiàn)給用戶。調(diào)整在μ s的范圍內(nèi)實現(xiàn)，使得甚至當快速掃過金屬時，接收線圈的輸出信號將總是維持在同步解調(diào)器處沒有時鐘脈沖同步分量的狀態(tài)。這里，僅對發(fā)送線圈或發(fā)送線圈半部中的一個中的電流進行調(diào)節(jié)原則上是充分的，但是動態(tài)范圍將因此而受到限制。在制造公差、溫度效應或地面效應的情況下，控制值4. 16(偏移量)改變，但在每種情況下都保持接收線圈1. 9中的信號1. 11的最佳抵消。被劃分的發(fā)送線圈布置的功能在理想情況下，相等的電流流經(jīng)兩個發(fā)送線圈2. 1和2. 2或者這兩個線圈被供以相等的電壓并且表現(xiàn)地得像單個線圈那樣。我們將假定最佳抵消點位于圖1中所描繪的中心。根據(jù)圖5，如果電流“僅”流經(jīng)與發(fā)送線圈2. 1相關的發(fā)送線圈2. 2，那么最佳抵消點5. 1變化并且“向右”遷移。也就是說，發(fā)送線圈布置將會需要相對于接收線圈向右移位以便到達最佳抵消點。反之，根據(jù)圖6，電流唯一地流動經(jīng)過發(fā)送線圈2. 1將會導致最佳抵消點6.1 “向左”遷移。因此，發(fā)送線圈布置將會需要向左移位以便到達最佳抵消點。然而，因為由于圖4中所描繪的封閉型調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原因，所有可能的電流值比率都是可能的，所以在固定的發(fā)送線圈布置的情況下，總是能夠確定地遇到最佳抵消點。如果需要接受線圈的相對較大的制造公差，則這是尤其重要的。如DE 10 2004 047 189A1中那樣的輔助繞組的“接通”或者可機械移位的質(zhì)量塊是不需要的。另外的優(yōu)點在于在有多個大金屬部件情況下，即使一個金屬部件落入某一間隔以下，也具有高動態(tài)范圍而沒有測量值數(shù)據(jù)的通常頻繁的“限制”。在根據(jù)圖2的圖示中，發(fā)送線圈示出為圓形的，但自然地，從現(xiàn)有技術中得知的其他形狀也是可能的，例如“雙D”布置或兩個移位的發(fā)送線圈位于接收線圈的以上和以下的不對稱布置。也能夠采用微分測量法以類似于上述操作方式的方式來使用這種布置，例如使用在發(fā)送線圈內(nèi)的兩個接收線圈(專利DE36 19 308C1)。重要的是，發(fā)送線圈或發(fā)送線圈的至少主要部分應該細劃分，并且，在經(jīng)過兩個線圈部分的電流相同的情況下，所述發(fā)送線圈或發(fā)送線圈的至少主要部分應當對一個或多個接收線圈起作用，由此產(chǎn)生最佳抵消局部點1.3，并且，在電流僅流經(jīng)發(fā)送線圈的第一半部或第一部分的情況下，最佳抵消點將沿第一方向例如向右朝向點5. 1變位，而在電流流經(jīng)發(fā)送線圈的第二半部或第二部分的情況下，最佳抵消點沿與第一方向相反的第二方向例如向左朝向點6. 1變位。此外，存在調(diào)節(jié)兩個發(fā)送線圈中的電流的連續(xù)過程，該過程導致最佳抵消局部點的位移，并且因此引起接收信號1. 11的連續(xù)抵消。用于兩個發(fā)送線圈半部中的電流的微分調(diào)節(jié)的控制值用于估計金屬的存在性。圖8至11示出了本發(fā)明的另外的示例性實施方式。像在第一示例性實施方式中一樣，使用簡單的裝置和封閉型調(diào)節(jié)系統(tǒng)將最佳抵消點始終準確地保持在相同的局部位置。 這是通過使用多個發(fā)送線圈2. 1,8. 3來實現(xiàn)的，優(yōu)選地以根據(jù)圖8和圖9的兩個基本相同且成鏡像的線圈半部的形式來實現(xiàn)。同樣地，在示例性實施方式中，同樣由兩個基本相同且成鏡像的線圈半部形成的多個接收線圈8. 1、8.2用作接收線圈。然而，一些其他類型的細劃分也是可能的，只要能夠由此使用適當?shù)碾娏鱽慝@得抵消局部點的連續(xù)的或恒定的以及因此不突變的位移即可。圖3示出了在第一示例性實施方式中所使用的接收線圈和發(fā)送線圈半部的重疊布置。為了顯著減少該布置所需的間隔的量，在圖8至圖11中的第二示例性實施方式中使用了多個發(fā)送線圈2. 1,8. 3和多個接收線圈8. 1,8. 2。為幫助理解，圖8僅示出了第一發(fā)送線圈半部2. 1和以虛線示出的第一接收線圈半部8. 1。對應的其他半部補充這些半圓線圈，以便形成圓形，這因此產(chǎn)生了圖9中所描繪的圖示。發(fā)送線圈2. 1,8. 3以及接收線圈8. 1,8. 2像在第一示例性實施方式中那樣相互感應耦合，并且以重疊的方式布置以用于交互解耦目的。原則上，最佳抵消點可通過旋轉(zhuǎn)/位移來達到，如下文將要討論的。流經(jīng)發(fā)送線圈的電流以及對來自接收線圈的接收信號4. 20 的估值通過圖11中示出的傳感器的電子系統(tǒng)來實現(xiàn)。在流經(jīng)的電流相同的情況下，發(fā)送線圈2. 1,8. 3對接收線圈起作用，由此在兩個發(fā)送線圈之間的假想線上的一點處產(chǎn)生最佳抵消局部點1.3(即，在重疊線圈的固定的幾何布置中)，在所述點處，因流經(jīng)兩個線圈的電流而在接收線圈中感生的磁場相互抵消。在電流流經(jīng)第一發(fā)送線圈2. 1的情況下，最佳抵消點沿第一方向移動，而當有電流流過另外的發(fā)送線圈8. 3時，最佳抵消點沿優(yōu)選地與第一方向相反的第二方向移動。然而，對于相等的電流流動，在第一示例性實施方式中，最佳抵消點通過間隔A來確定，在第二例示性實施方式中，最佳抵消點通過上線圈半部相對于下線圈半部的旋轉(zhuǎn)來確定，所述上線圈半部各自由至少一個發(fā)送線圈以及一個接收線圈組成，所述下線圈半部各自也由至少一個發(fā)送線圈以及一個接收線圈組成。借助于用于調(diào)節(jié)通過發(fā)送線圈的電流幅度的控制電路，能以使得接收信號抵消的方式來使最佳抵消局部點移位。就最佳抵消局部點而言，最佳抵消局部點隨之與對磁場的外部影響有關，使得(例如)接近金屬能夠因相應的調(diào)節(jié)動作受到影響而被探測到。因此， 確定的控制值4. 16同時也是測量值。根據(jù)圖8至10，至少一個發(fā)送線圈2. 1,8. 3以及至少一個接收線圈8. 2,8. 1布置在第一平面10. 2中以及在至少一個另外的平面10. 3中。布置在第一平面中的線圈相對于布置在至少一個另外的平面中的線圈旋轉(zhuǎn)過一中心角，所述中心角相對于所訴平面的名義公共軸線Ml、M2而得到，這尤其從圖8中可以明顯看出。如果線圈實際上一個位于另一個的上面以使得它們的外圍是一致的，那么取決于具體的應用，這將導致發(fā)生抵消的至少一個中心角。此時為了達到調(diào)節(jié)電路能夠執(zhí)行其調(diào)節(jié)功能并且因此產(chǎn)生控制值的狀態(tài)，然后從這個“抵消的狀態(tài)”的開始，線圈位于其上的平面相互平行地移位。換句話說，在圖8和圖10中，所述平面的中心軸線Ml、M2相對于彼此移動距離B。這個距離可以非常小，且通常為線圈直徑的0. 至2%是足夠的。圖10示出了在平面10. 3中與發(fā)送線圈2. 1相對的鏡像線圈是接收線圈8. 2，而第一接收線圈8. 1由第二發(fā)送線圈8. 3補充。發(fā)送線圈2. 1和接收線圈8. 2位于另外的平面 10. 3中，而發(fā)送線圈8. 3和接收線圈8. 1位于第一平面10. 2上。圖10示出了為穿過印刷電路方案的截面的形式的線圈布置，其中僅示出了兩個平面10.2和10.3。不言而喻，在印刷電路方案的情況下，也可以構想帶有另外的線圈的另外的平面?；?0. 1(即印刷電路板)承載上平面線圈和下平面線圈。在這個圖中發(fā)送線圈8. 3和接收線圈8. 1 一起位于上方，而發(fā)送線圈2. 1和接收線圈8. 2位于下方。通過將上線圈相對于下線圈進行適當?shù)亩ㄎ?，由發(fā)送線圈發(fā)送的信號在接收線圈8. 1,8. 2中完全地抵消。而在第一示例性實施方式中，傾斜角導致線圈布置的中心點移位，在第二示例性實施方式中，實現(xiàn)了為距離B的位移，所述距離能夠(例如)達到0.5mm。然而，原則上，傾斜和位移也是可以組合的，如果需要這樣做的話。最主要的一點是，最佳抵消點能夠總是盡可能準確地保持在相同的局部位置，使得控制值可以作為測量值使用，所述測量值為諸如圖 11所示的封閉型調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結果。只要抵消是可能的，那么接收線圈可以平行或串連地連接。發(fā)送線圈2. 1,8. 3和接收線圈8. 1,8. 2由多個線圈部分形成，這些線圈部分共同采用優(yōu)選圓形的布置，發(fā)送線圈和接收線圈優(yōu)選地由兩個線圈半部形成，這兩個線圈半部具有如示例性實施方式中那樣的基本相同大小。圖11示出了包括封閉型調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳感器的電子系統(tǒng)的示例性實施方式，所述封閉形調(diào)節(jié)系統(tǒng)用于使發(fā)送線圈2. 1和8. 3中產(chǎn)生的磁場的在接收線圈8. 1,8. 2中的最佳抵消局部點穩(wěn)定。時鐘脈沖發(fā)生器4. 8將第一時鐘脈沖信號4. 13傳送給第一調(diào)節(jié)電流源 4. 10以及將第二反相時鐘脈沖信號4. 12傳送給第二調(diào)節(jié)電流源4. 9。時鐘脈沖發(fā)生器的頻率可以根據(jù)線圈的感應系數(shù)選擇，并且在示例性實施方式中為大約120kHz。所述信號可以例如是矩形信號或正弦信號。第一調(diào)節(jié)電流源4. 10饋電給一個發(fā)送線圈的接線。類似于第一調(diào)節(jié)電流源，第二調(diào)節(jié)電流源4. 9饋電給其他發(fā)送線圈的接線。存于接收線圈中的信號通過交流電壓放大器4. 5 (下文稱為放大器)放大。放大器4. 5的輸出信號提供給同步解調(diào)器4. 6。該同步解調(diào)器從時鐘脈沖發(fā)生器4. 8經(jīng)由4. 18接收需要用于解調(diào)過程的第一時鐘脈沖信號以及接收第二時鐘脈沖信號4. 19。在最簡單的情況下，同步解調(diào)器4. 6將以同步的方式在時鐘相位的整個周期期間將放大器4. 5的輸出信號提供給積分比較器4. 7 的對應輸入。在這種情況下，時鐘脈沖信號4. 18和4. 19與發(fā)送時鐘脈沖相位一樣長。因此，在積分比較器4. 7的第一輸入信號4. 15和第二輸入信號4. 17的電壓相同的情況下，在接收線圈8. 1、8. 2中將不會出現(xiàn)同步信號分量。因此，在發(fā)生(例如)金屬的外部影響的情況下，那么將接收線圈8. 1,8. 2處的第一時鐘脈沖信號的平均值與第二時鐘脈沖信號的平均值相比較。在穩(wěn)定的狀態(tài)下，存在于放大器4. 5的輸入處的接收信號已經(jīng)對應于零狀態(tài)，使得放大器4. 5僅在其輸入處經(jīng)歷噪音。因此，該放大器能夠具有非常高的放大因數(shù)或被實現(xiàn)為高放大因數(shù)限幅放大器。這種情況也適用于穩(wěn)定狀態(tài)下的第一輸入ii 號4. 15和第二輸入信號4. 17。如果在比較器4. 7的輸出處不存在對應于這個零狀態(tài)的ii 號，那么對控制值4. 16進行調(diào)整，并且因此對發(fā)送線圈2. 1、8. 3中的電流進行調(diào)整，直至達到如同這個狀態(tài)一樣的時間為止?？刂齐娐反藭r確保以使得在同步解調(diào)器4. 6中將不存在差異信號的方式來不斷地對為最佳抵消點所確定的值進行重新調(diào)整。這就導致金屬探測器周圍的磁場中的隨時間變化的或動態(tài)的改變，比如當接近金屬是發(fā)生的改變，所述改變例如以控制值4. 16的變化的形式被感知。不言而喻，本說明書可能進行最多樣化的修改、變化和調(diào)整，這些修改、變化和調(diào)整都落入所附權利要求書及其等同物的范圍內(nèi)。參考符號列表
‘、.-‘、.-

1. 6
1. 7
1. 9
1. 10
位移的起點
具有0°相位角的信號
解耦點
具有180°相位角的信號位移的終點
接收線圈相對于發(fā)送線
圈的雙向箭頭位移接收線圈的幅度
接收線圈
發(fā)送線圈(現(xiàn)有技術)
4
4
4
7 4. 8 9
4. 10 11
積分比較器時鐘脈沖發(fā)生器第二調(diào)節(jié)電流源第一調(diào)節(jié)電流源反相級
4. 12 第二時鐘脈沖信號
4. 13
4. 15
4. 16
1.11，4. 20接收信號
2. 1
第一上線圈半部
4. 17
4. 18
第一時鐘脈沖信號積分比較器的第一輸入
信號
控制值積分比較器的第二輸入
信號
解調(diào)過程所需的第一時0086]鐘脈沖信號解調(diào)過程所需的第二時2. 2第二下線圈半部4.19鐘脈沖信號移位至右邊的最佳抵消2.3第一上線圈半部的接線5.1點移位至左邊的最佳抵消2.4第二下線圈半部的接線6.1點第一和第二線圈半部的2.57.3當接近金屬時的控制值組合接線2.6與2. 7補的電壓7.4接近金屬的區(qū)域2.7與2. 6互補的電壓8.1第一接收線圈半部3.1接收線圈的水平軸線8.2第二接收線圈半部發(fā)送線圈布置的水平軸3.28.3第二發(fā)送線圈半部線W傾斜角10.1基板(印刷電路板)A, B間隔10.2第一平面4.5交流電壓放大器10.3另外的平面4.6同步解調(diào)器M1，M2中心軸線
權利要求
1.一種用于金屬物體的定位的傳感器，所述傳感器特別是以PI模式操作的金屬探測器，所述傳感器包括至少一個發(fā)送線圈O. 1、2.2)以及至少一個接收線圈(1.9)，所述至少一個發(fā)送線圈和至少一個接收線圈相互感應性地耦合，并且以部分重疊的方式布置以用于解耦它們之間的相互作用，從而能夠獲得所述相互作用的最佳抵消點(1.3)，并且所述傳感器還包括傳感器電子系統(tǒng)，所述傳感器電子系統(tǒng)用于將電流傳遞通過所述發(fā)送線圈并且用于對由所述接收線圈接收的信號(1. 11)進行估值，其特征在于-提供了多個發(fā)送線圈(2. 1、2. 2)，電流被所述傳感器電子系統(tǒng)傳遞通過所述多個發(fā)送線圈，-在相等的電流的情況下，所述發(fā)送線圈(2. 1,2. 2)對所述至少一個接收線圈(1. 9)起作用，使得產(chǎn)生最佳抵消局部點(1.3)，-在電流通過第一發(fā)送線圈(2. 1)的情況下，所述最佳抵消點沿第一方向移動，而在電流通過另外的發(fā)送線圈(2.2)的情況下，所述最佳抵消點沿另外的方向移動，以及-提供了用于調(diào)節(jié)通過所述發(fā)送線圈部分的電流的控制電路，所述控制電路導致引起所述接收信號(1.11)的抵消的所述最佳抵消局部點移動。
2.根據(jù)權利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述發(fā)送線圈(2.1,2. 2)和所述至少一個接收線圈(1.9)以共面的方式布置。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的傳感器，其特征在于，所述發(fā)送線圈由多個發(fā)送線圈部分而形成，所述多個發(fā)送線圈部分共同具有近似發(fā)送線圈的形狀，所述形狀優(yōu)選地與至少一個接收線圈(1.9)對應。
4.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的傳感器，其特征在于，兩個發(fā)送線圈(2.1、2.2) 優(yōu)選地與所述接收線圈(1.9)重疊不同的表面區(qū)域。
5.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的傳感器，其特征在于，提供了多個接收線圈 (8.1,8. 2)以及多個發(fā)送線圈O. 1、8. 3)，其中，在每種情況下，至少一個發(fā)送線圈(2.1; 8. 3)和至少一個接收線圈(8. 2 ；8. 1)布置在第一平面(10. 2)內(nèi)以及至少一個另外的平面 (10. 3)內(nèi)，其中，布置在所述第一平面內(nèi)的線圈相對于布置在所述至少一個另外的平面內(nèi)的線圈旋轉(zhuǎn)經(jīng)過關于所述平面的名義公共中心軸線(M1、M2)的中心角，以用于使所述線圈的相互作用抵消，其中，所述中心軸線(M1、M2)相對于彼此偏移或移位。
6.根據(jù)權利要求5所述的傳感器，其特征在于，所述發(fā)送線圈(2.1,8. 3)的外圍大致幾乎與所述接收線圈(8. 1、8.2)的外圍一致。
7.根據(jù)權利要求5或6所述的傳感器，其特征在于，所述發(fā)送線圈(2.1,8. 3)和/或所述接收線圈(8. 1、8.2)由多個線圈部分而形成。
8.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的傳感器，其特征在于，所述發(fā)送線圈(2.1、8.3) 或所述接收線圈(8. 1、8.2)由基本相同大小的兩個線圈半部形成。
9.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的傳感器，其特征在于，優(yōu)選地為包括所述發(fā)送線圈(2. 1、2.2)的發(fā)送線圈布置的對稱軸線的軸線(3.2)相對于優(yōu)選地為所述接收線圈 (1.9)的對稱軸線的軸線(3. 1)傾斜一角度(W)。
10.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的傳感器，其特征在于，所述發(fā)送線圈(2.1、2.2) 和所述接收線圈(1.9)的布置的中心點彼此相隔距離(A)，在相等的電流通過所述發(fā)送線圈的情況下，所述距離大致確定了所述局部點(1. 將落入的范圍。
11.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的傳感器，其特征在于，提供了用于比較與所述發(fā)送線圈(2. 1,2. 2)相關聯(lián)的電壓信號的比較器(4. 7)，以用于確定控制值；以及提供了至少一個調(diào)節(jié)電流源(4.9、4. 10)，其中，用于調(diào)節(jié)提供給所述發(fā)送線圈的電流的幅度的所述控制值優(yōu)選地以連續(xù)的方式來調(diào)節(jié)所述幅度，使得所述比較器(4.7)的輸入處的電壓信號的幅度基本相等，或使得所述比較器(4.7)的輸入處的來自時鐘周期的兩個時鐘區(qū)段的電壓信號中不存在差異。
12.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的傳感器，其特征在于，當接近金屬時，導致所述最佳抵消點(1. 的局部位移的所述控制值的變化是所測量的值。
13.一種用于利用傳感器對金屬物體進行定位的方法，所述傳感器特別是以PI模式操作的金屬探測器，所述傳感器包括至少一個發(fā)送線圈(2. 1、2.2)和至少一個接收線圈 (1.9)，所述至少一個發(fā)送線圈和至少一個接收線圈相互感應性地耦合，并且以部分重疊的方式布置以用于解耦它們之間的相互作用，從而能夠獲得引起接收信號(1.11)的抵消的最佳抵消點(1.3)，其中，借助傳感器電子系統(tǒng)，電流被傳遞通過所述至少一個發(fā)送線圈，并且由所述接收線圈接收的信號(1.11)被估值，其特征在于，-電流由所述傳感器電子系統(tǒng)傳遞通過多個發(fā)送線圈(2. 1,2. 2)，-在相等的電流的情況下，所述發(fā)送線圈(2. 1,2. 2)對至少一個接收線圈(1.9)起作用，使得產(chǎn)生最佳抵消局部點(1.3)，-在電流通過一個發(fā)送線圈(2. 1)的情況下，所述最佳抵消點沿第一方向移動，而在電流通過另外的發(fā)送線圈(2.2)的情況下，所述最佳抵消點沿另外的方向移動，以及-以使得引起所述接收信號(1.11)的抵消的所述最佳抵消局部點位移的方式來調(diào)節(jié)通過所述發(fā)送線圈的電流。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其特征在于，多個發(fā)送線圈部分被用作發(fā)送線圈， 所述多個發(fā)送線圈部分共同具有近似發(fā)送線圈的形狀，所述形狀優(yōu)選地與所述接收線圈 (1. 9)對應。
15.根據(jù)權利要求13或14所述的方法，其特征在于，基本相同大小的兩個發(fā)送線圈半部被用作發(fā)送線圈或發(fā)送線圈部分。
16.根據(jù)權利要求13至15中任一項所述的方法，其特征在于，優(yōu)選地為包括所述發(fā)送線圈(2. 1,2. 2)的發(fā)送線圈布置的對稱軸線的軸線(3. 2)被布置成相對于優(yōu)選地為所述接收線圈(1.9)的對稱軸線的軸線(3. 1)傾斜一角度(W)。
17.根據(jù)權利要求13至16中任一項所述的方法，其特征在于，所述接收線圈與優(yōu)選的兩個發(fā)送線圈(2. 1,2. 2)重疊不同的表面區(qū)域。
18.根據(jù)權利要求13至17中任一項所述的方法，其特征在于，為了產(chǎn)生所述傳感器，提供了多個接收線圈(8. 1、8.2)和多個發(fā)送線圈O. 1、8.3)，其中，在每種情況下，至少一個發(fā)送線圈(2. 1 ；8. 3)和至少一個接收線圈(8. 2 ；8. 1)布置在第一平面(10. 2)內(nèi)以及至少一個另外的平面(10.3)內(nèi)，其中，布置在所述第一平面內(nèi)的線圈相對于布置在所述至少一個另外的平面內(nèi)的線圈旋轉(zhuǎn)經(jīng)過關于所述平面的名義公共中心軸線(M1、M2)的中心角，直至所述線圈的相互作用抵消為止，其中，所述中心軸線(M1、M2)然后相對于彼此移位一間隔(B)。
19.根據(jù)權利要求13至18中任一項所述的方法，其特征在于，與所述發(fā)送線圈(2.1、 2. 2)的部分相關聯(lián)的電壓信號優(yōu)選地以連續(xù)的方式進行比較以用于確定控制值，并且，所述控制值通過至少一個調(diào)節(jié)電流源(4.9、4. 10)來調(diào)節(jié)提供給所述發(fā)送線圈的所述部分的電流的幅度，使得所述比較器(4.7)的輸入處的電壓信號的幅度基本相等。
20.根據(jù)權利要求13至19中任一項所述的方法，其特征在于，例如在接近金屬的過程中導致所述最佳抵消點(1. 的局部位移的所述控制值的變化被用作例如針對所述接近金屬的測量值。
21.根據(jù)權利要求13至20中任一項所述的方法，其特征在于，所述發(fā)送線圈(2.1、 2.2)以時鐘脈沖發(fā)生器(4.8)的時鐘速率來控制，并且，以所述時鐘速率對由所述接收線圈(1.9)接收的信號進行采樣，其中，采樣時間點能自由地選擇，且以優(yōu)選幾納米的小步長來控制，并且位于時鐘周期中的任意預先定義的或能預先定義的位置，以便從所述接收信號中獲得特定信息。
全文摘要
一種用于金屬物體的定位的傳感器以及相關的方法，所述傳感器包括多個發(fā)送線圈(2.1、2.2)和接收線圈(1.9)，多個發(fā)送線圈和接收線圈相互感應性地耦合，并且以部分重疊的方式布置以用于解耦它們之間的相互作用，其中能夠獲得相互作用的最佳抵消點。由于這樣的事實利用相同的通電，被傳感器電子系統(tǒng)通電的發(fā)送線圈(2.1、2.2)對至少一個接收線圈(1.9)起作用，其中產(chǎn)生了最佳抵消局部點，當?shù)谝话l(fā)送線圈(2.1)被通電時，該點沿第一方向移動，而當另外的發(fā)送線圈(2.2)被通電時，所述點沿另一個方向移動，并且還由于這樣的事實提供了用于控制發(fā)送線圈中的電流并且導致抵消接收信號的最佳抵消局部點變位的控制電路，從而產(chǎn)生了簡單有效的傳感器。
文檔編號G01V3/10GK102428390SQ201080021939
公開日2012年4月25日 申請日期2010年5月18日 優(yōu)先權日2009年5月18日
發(fā)明者格爾德·賴梅 申請人:格爾德·賴梅