專利名稱：用于定位被封閉物體的方法及測(cè)量?jī)x的制作方法
現(xiàn)有技術(shù)本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1及權(quán)利要求8前序部分的用于定位被封閉在一個(gè)介質(zhì)中的物體的方法及測(cè)量?jī)x。
這種方法及用于實(shí)施該方法的測(cè)量?jī)x使用一個(gè)電容傳感器裝置，它產(chǎn)生一個(gè)檢測(cè)信號(hào)，例如一個(gè)電磁場(chǎng)形式的檢測(cè)信號(hào)，以使得該檢測(cè)信號(hào)穿透被測(cè)試的介質(zhì)，但至少以足夠的量作用到該介質(zhì)中。一個(gè)被封閉在該介質(zhì)中的物體將影響該檢測(cè)信號(hào)，以致通過該檢測(cè)信號(hào)的求值可獲得關(guān)于被封閉在一個(gè)介質(zhì)中的物體的信息。
所述類型的測(cè)量?jī)x，例如柱栓傳感器(Studsensor)通過由被封閉物體產(chǎn)生的其電容傳感器裝置電容量的變化來檢測(cè)被封閉在介質(zhì)中的一個(gè)物體。被封閉在介質(zhì)中的一個(gè)物體改變了介質(zhì)的介電特性，由此使一個(gè)移動(dòng)到物體附近的測(cè)量電容器收到源于該物體的電容量改變或其阻抗的改變。該電容量的改變例如可通過電容傳感器裝置的測(cè)量電容器的位移電流(Verschiebestrom)來測(cè)量。
由US6,249,113B1公知了一種緊湊的手持式柱栓傳感器，它為了定位被封閉的物體，當(dāng)測(cè)量?jī)x在壁上移動(dòng)時(shí)檢測(cè)出一個(gè)傳感器回路中的電容量變化。為了顯示被封閉的物體在介質(zhì)中被定位的確切位置，該US6,249,113B1的測(cè)量?jī)x具有一個(gè)發(fā)光二極管陣列(LED)，它們箭頭狀地設(shè)置在測(cè)量?jī)x的殼體表面上。如果物體被測(cè)量?jī)x檢測(cè)到，則根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)度使測(cè)量?jī)x殼體上箭頭狀發(fā)光二極管陣列中的發(fā)光二極管對(duì)受激勵(lì)。愈接近被封閉的物體，即由物體產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)愈強(qiáng)，被激勵(lì)的發(fā)光二極管愈向發(fā)光二極管陣列的箭頭尖部轉(zhuǎn)移。如果該測(cè)量?jī)x最后直接地位于被封閉物體的上面，則發(fā)光二極管陣列的箭頭尖部發(fā)光，由此原則上借助US6,249,113B1的測(cè)量?jī)x可測(cè)定被一個(gè)介質(zhì)如墻壁封閉的物體的局部區(qū)域。但借助US6,249,113B1公開的裝置不能定位被封閉在介質(zhì)中的物體及作為其基礎(chǔ)的簡(jiǎn)單方法也不能測(cè)量物體被封閉的深度。
WO94/04932中公開的用于定位放置在一個(gè)表面后面的物體的便攜式裝置具有一個(gè)用于檢測(cè)由物體引起的附加電容量的傳感器，一個(gè)檢測(cè)信號(hào)的求值單元及一個(gè)用于顯示測(cè)量結(jié)果的顯示器。此外該WO94/04932的測(cè)量?jī)x還具有一個(gè)裝置，該裝置能使測(cè)量?jī)x的傳感器裝置以高靈敏度或低靈敏度模式工作。
此外WO94/04932公知了一種用于確定放置在一個(gè)表面后面的物體位置的方法。為此，使相應(yīng)的測(cè)量?jī)x在被測(cè)試壁上移動(dòng)。WO94/04932的傳感器有可能檢查出材料密度的增大或減小。這使得該裝置例如可告知使用者傳感器例如直接在一個(gè)封入物上面被錯(cuò)誤地定標(biāo)。作為基礎(chǔ)的該方法還可使操作者知道對(duì)于被封閉的物體的檢測(cè)，被測(cè)試介質(zhì)過厚或過薄。
WO94/04932的測(cè)量?jī)x的數(shù)字存儲(chǔ)器可使定標(biāo)數(shù)據(jù)在測(cè)量?jī)x在被接通狀態(tài)時(shí)一直被存儲(chǔ)。
由US6,198,271B1公知了一種柱栓傳感器，它為了定位被封閉在壁中的物體，使用三個(gè)組合在測(cè)量?jī)x中的電容傳感器，當(dāng)傳感器在壁上移動(dòng)期間檢測(cè)電容量的變化。一個(gè)求值電路監(jiān)測(cè)對(duì)三個(gè)電容元件充電所需的相對(duì)時(shí)間，以使得當(dāng)傳感器在被測(cè)試的壁上移動(dòng)時(shí)可根據(jù)由被封閉的物體引起的測(cè)試材料的介電常數(shù)變化來測(cè)量三個(gè)傳感器元件的相對(duì)電容量的變化。比較電路利用各個(gè)傳感器元件測(cè)量的相對(duì)電容量變化來確定被封閉物體的位置。
US6,198,271B1的測(cè)量?jī)x具有一個(gè)由多個(gè)顯示元件組成的顯示器，它與測(cè)量?jī)x的求值單元這樣地連接，以使得僅是直接位于被定位物體上面的元件顯示信號(hào)。以此方式可使測(cè)量?jī)x在被定位物體上測(cè)量及由此間接地定位物體。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)根據(jù)本發(fā)明的、用于定位一個(gè)被封閉在介質(zhì)中的物體的方法使用一個(gè)由電容傳感器裝置產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)，該檢測(cè)信號(hào)穿入被測(cè)試的介質(zhì)中及受到存在于介質(zhì)中的物體的影響。通過當(dāng)存在被封閉物體時(shí)的檢測(cè)信號(hào)與無物體時(shí)得到的檢測(cè)信號(hào)相比較的求值可獲得關(guān)于被封閉物體的信息。為了檢測(cè)被封閉的物體，根據(jù)本發(fā)明的方法利用電容傳感器裝置的電容量變化，該變化由被封閉物體產(chǎn)生的被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)變化引起。介電常數(shù)的變化可通過電容傳感器裝置的電極之間阻抗的測(cè)量來確定。
根據(jù)本發(fā)明，在上述方法中提出為了獲得關(guān)于被封閉在介質(zhì)中的物體的深度信息，使用相位測(cè)量，尤其是一個(gè)與電容傳感器裝置的位移電流相關(guān)的測(cè)量參數(shù)的相位測(cè)量。
如果在電容傳感器裝置的電極之間施加一個(gè)電壓，則產(chǎn)生一個(gè)雜散電場(chǎng)，它延伸到電極外面的區(qū)域中及由此可作用到一個(gè)被測(cè)試的物體。有利地，對(duì)這種電場(chǎng)也可賦予所需的方向特性。如果在傳感器裝置的電極之間特別地施加一個(gè)交流電壓，則在電極之間沿連接兩電極的電力線流過位移電流。當(dāng)電壓固定時(shí)，測(cè)量電容器的阻抗愈小，電容量愈大，該位移電流就愈大。位于電力線區(qū)域中的物體將導(dǎo)致傳感器電極之間阻抗的變化及由此導(dǎo)致位移電流的變化。如果這時(shí)不僅測(cè)量位移電流的幅值而且還測(cè)量其相位，則除了得到被封閉的物體在封閉介質(zhì)表面上的純位置外，還可得到關(guān)于被封閉的物體在介質(zhì)表面后面的深度的信息。
根據(jù)本發(fā)明的方法還可以在介電常數(shù)大于封閉介質(zhì)的物體(例如銅電纜)與具有比封閉介質(zhì)小的介電常數(shù)ε的其它物體(例如塑料管)之間作此區(qū)別。在前一情況下通過被封閉物體的位移電流增大，在后一情況下該位移電流減小。由此得到180°的相位變化，使得可在介電常數(shù)的大小上單值地識(shí)別物體。
通過其它權(quán)利要求中所述的措施及特征可得到權(quán)利要求1中所述方法的有利改進(jìn)及進(jìn)一步構(gòu)型。
由被封閉的物體引起的位移電流的變化或傳感器裝置電容量的變化可借助各種電子電路來測(cè)量。在根據(jù)本發(fā)明的方法中將有利地不直接選擇位移電流來求值檢測(cè)信號(hào)，而是有利地使用一個(gè)與電容傳感器裝置的位移電流有線性關(guān)系的測(cè)量參數(shù)。通過不是直接測(cè)量位移電流而是測(cè)量一個(gè)測(cè)量參數(shù)M，可從測(cè)量信號(hào)中計(jì)算出對(duì)測(cè)量信號(hào)的干擾，該干擾例如基于求值電路的頻率特性由串?dāng)_效應(yīng)及相位畸變所致。
原則上，以任意形式與傳感器元件阻抗相關(guān)聯(lián)的任何電測(cè)量參數(shù)均適用。位移電流的變化或傳感器裝置電容量的變化可借助不同的電子電路來測(cè)量。例如可測(cè)量一個(gè)振蕩電路的固有頻率，該振蕩電路由測(cè)量電容器及與其串聯(lián)或并聯(lián)的線圈構(gòu)成。在用短的電脈沖激勵(lì)后該振蕩電路將進(jìn)行在其諧振頻率上的阻尼振蕩。因此該振蕩以時(shí)間為分辨的測(cè)量可推斷出出現(xiàn)的位移電流。有利地，在根據(jù)本發(fā)明的、用于確定由被封閉的物體引起的阻抗變化的方法中，在檢測(cè)信號(hào)的求值電路中測(cè)量一個(gè)電壓。該電壓值可簡(jiǎn)單地通過相應(yīng)的采樣電路在其幅值及其相位上以高精確度來確定。
通過具有多個(gè)頻率的檢測(cè)信號(hào)的使用或通過寬頻譜檢測(cè)信號(hào)的使用尤其可改善測(cè)量的信噪比。此外，通過在多于一個(gè)頻率下的測(cè)量及求值可得到區(qū)分要定位的被封閉物體在金屬-非金屬特性方面的可能性。變換地，在使用多個(gè)測(cè)量頻率的情況下也可同時(shí)識(shí)別不同深度的多個(gè)目標(biāo)，盡管這些信號(hào)相重疊。在純單頻率測(cè)量時(shí)該情況將導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的誤差。此外使用寬頻譜電脈沖作為激勵(lì)信號(hào)通過不同頻率時(shí)測(cè)量結(jié)果的比較可避免相位測(cè)量的非單值性。
為了能檢測(cè)由小的被封閉物體或其介電常數(shù)與封閉介質(zhì)的介電常數(shù)區(qū)別不大的物體產(chǎn)生的微小電容量變化，根據(jù)本發(fā)明的方法提出使用典型的在100MHz至10000MHz范圍中的測(cè)量頻率。有利地對(duì)于檢測(cè)信號(hào)使用的測(cè)量頻率優(yōu)選在1000MHz至5000MHz的范圍中。根據(jù)本發(fā)明的方法或使用該方法的測(cè)量?jī)x的最佳測(cè)量頻率典型地為在1500MHz至3500MHz的范圍中的頻率。
這樣高的頻率即使當(dāng)基于被封閉的物體電容量變化小時(shí)也可產(chǎn)生位移電流足夠大的變化，使得可用相應(yīng)高的靈敏度來測(cè)量電容量的變化及產(chǎn)生該變化的物體。另一方面，這樣的高頻需要相應(yīng)復(fù)雜的測(cè)量技術(shù)。在低頻時(shí)電容傳感器元件上電流與電壓之間的相位移為90°，而在高頻時(shí)由于電感應(yīng)效應(yīng)可觀測(cè)到與此有差別。除看到阻抗虛部分量的改變外，根據(jù)在高頻時(shí)測(cè)量電容器電介質(zhì)的阻尼也可觀測(cè)到阻抗中顯著的歐姆電阻分量。在根據(jù)本發(fā)明的方法中這樣來消除電感應(yīng)干擾效應(yīng)，即不是直接地測(cè)量電容傳感器裝置的電介質(zhì)位移電流，而是測(cè)量與該位移電流線性地相關(guān)的測(cè)量參數(shù)。確定電介質(zhì)位移電流與在根據(jù)本發(fā)明方法中測(cè)量的測(cè)量參數(shù)M的關(guān)系的、與頻率相關(guān)的常數(shù)可單獨(dú)地測(cè)量，由此可得到用于補(bǔ)償干擾效應(yīng)的兩個(gè)自由度。這些系數(shù)可通過在確定阻抗上的參考值測(cè)量來確定及當(dāng)用根據(jù)本發(fā)明的方法求值時(shí)被提供來使用。
有利地，在根據(jù)本發(fā)明的方法中，用于定位被封閉在介質(zhì)中的物體的檢測(cè)信號(hào)作為一個(gè)產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)的電容傳感器裝置在封閉介質(zhì)表面?zhèn)认蛭灰频暮瘮?shù)被求值。以此方式，一方面可定位被封閉的物體，即很精確地測(cè)量物體在封閉介質(zhì)中的側(cè)向位置；另一方面，允許傳感器信號(hào)作為傳感器在物體上面的側(cè)向位移的函數(shù)來測(cè)量，使測(cè)量精確定進(jìn)一步提高。視傳感器的位移而定電容傳感器裝置測(cè)量電場(chǎng)的另一組電力線受到物體的影響。因此對(duì)于測(cè)量信號(hào)的相位得到與物體深度及與側(cè)向位移相關(guān)的特征相關(guān)性。
并且可使用檢測(cè)信號(hào)的以位置為分辨的測(cè)量，以便更好地識(shí)別僅由封閉介質(zhì)引起的基礎(chǔ)信號(hào)。
通過例如也與封閉介質(zhì)的材料相關(guān)的閾值傳感裝置可有利地實(shí)現(xiàn)一個(gè)用于根據(jù)本發(fā)明方法的決定步驟，它可得出是否存在一個(gè)被封閉物體的結(jié)論。
同樣地，通過有利地與一個(gè)行程傳感裝置耦合的電容傳感器裝置的移動(dòng)可由信號(hào)強(qiáng)度的下降獲得物體尺寸的量度，使得使用根據(jù)本發(fā)明的方法不僅可得到物體在介質(zhì)中的側(cè)向位置、它相對(duì)介質(zhì)表面的深度，而且還可得到物體的尺寸。
有利地，根據(jù)本發(fā)明的方法可用于一個(gè)測(cè)量?jī)x的電容傳感器裝置，該測(cè)量?jī)x用于定位被封閉在介質(zhì)中的物體。尤其可以借助根據(jù)本發(fā)明的方法實(shí)現(xiàn)一種緊湊的手持式定位儀，它例如能以高精確定檢測(cè)墻壁、天花板和/或地面中的封入物。
這種根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量?jī)x除一個(gè)相應(yīng)的電容傳感器裝置外，還具有用于產(chǎn)生及求值該傳感器裝置檢測(cè)信號(hào)的裝置，以及有利地具有一個(gè)輸出單元、例如一個(gè)顯示器，這樣可實(shí)現(xiàn)在測(cè)量?jī)x的顯示裝置上位置可分辨地顯示所求得的測(cè)量結(jié)果，尤其是被封閉在介質(zhì)中的物體的位置及深度。為此這種測(cè)量?jī)x設(shè)有控制及求值單元，該求值單元與傳感器裝置相連接及具有一個(gè)裝置，該裝置能以有利方式實(shí)時(shí)地、即當(dāng)測(cè)量?jī)x例如還在壁上移動(dòng)時(shí)將分辨位置的測(cè)量結(jié)果直接顯示在測(cè)量?jī)x的顯示器上。
根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量?jī)x或作為其基礎(chǔ)的根據(jù)本發(fā)明的方法可以使操作者在空間的所有三維上精確地定位被封閉在介質(zhì)中的物體。此外通過根據(jù)本發(fā)明的方法可得到關(guān)于被封閉物體的尺寸的信息。
附圖在附圖中表示出根據(jù)本發(fā)明方法的一個(gè)實(shí)施例，在以下的說明中將詳細(xì)地描述它。附圖，其說明及涉及本發(fā)明的方法或使用該方法的測(cè)量?jī)x的權(quán)利要求書包括多個(gè)特征的組合，專業(yè)人員可單獨(dú)地考察這些特征及由此總結(jié)成其它有意義的組合。
附圖為

圖1作為本發(fā)明方法的基礎(chǔ)的測(cè)量狀態(tài)的概圖，圖2根據(jù)本發(fā)明方法的阻抗測(cè)量的方塊圖，圖3被求值的測(cè)量信號(hào)的溫度依賴關(guān)系M(ω)的示意圖，圖4用于說明接收參考值的方法步驟的框圖，圖5用于說明根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟的框圖。
實(shí)施例的說明圖1表示應(yīng)用本發(fā)明的方法或使用本發(fā)明的裝置的一個(gè)典型測(cè)量狀態(tài)的概圖。一個(gè)被封閉在介質(zhì)10中的物體12將借助一個(gè)電容傳感器裝置14來被檢測(cè)。被封閉的物體12位于距離封閉介質(zhì)10的表面16一個(gè)距離d上。一個(gè)此外還包括傳感器14的測(cè)量?jī)x18被放置到封閉物體12的介質(zhì)10的表面上。該電容傳感器裝置14基本由一個(gè)具有兩個(gè)電容器電極22及24的測(cè)量電容器20組成。僅是為了測(cè)量原理的圖示說明，這些電容器電極22及24在圖1中表示為彼此并列布置。在一個(gè)真實(shí)的電容傳感器裝置中一個(gè)測(cè)量電容器的電極基本上彼此平行地布置。測(cè)量電容器20的電場(chǎng)的所需定向效果將通過相應(yīng)的電極或幾何措施來產(chǎn)生。
通過施加一個(gè)電壓26將在測(cè)量?jī)x18的測(cè)量電容器20的電極22或24之間產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)28，如果在該測(cè)量電容器的兩個(gè)電極之間特別地施加一個(gè)交流電壓，則在電容器電極之間沿描述電場(chǎng)28的電力線30流過一個(gè)所謂的位移電流。當(dāng)電壓U固定時(shí)，阻抗、即測(cè)量電容器20的復(fù)數(shù)電阻Z愈小，該位移電流I愈大。該位移電流I例如可直接通過電流表21或通過一個(gè)與位移電流相關(guān)的測(cè)量參數(shù)M，例如一個(gè)電壓信號(hào)來測(cè)量。
測(cè)量電容器20的阻抗Z基本由位于電容器電極22及24之間的材料決定。如果現(xiàn)在該測(cè)量電容器20放置在被封閉的物體12的附近，則改變了被電場(chǎng)28掃過的區(qū)域中材料的成分。尤其是通過被封閉的物體12得到一個(gè)與無被封閉的物體12的介質(zhì)10相比改變了的介電常數(shù)ε及由此改變了的阻抗Z。
由被封閉的物體12引起的介電常數(shù)的改變及由此而來的測(cè)量電容器的阻抗Z的改變相應(yīng)于測(cè)量電容器的電容量C的改變。
測(cè)量電容器20的電容量C的增大及由此引起電容器電極之間移動(dòng)電流I的增大在圖1中通過電場(chǎng)28的圖形中電力線圖的電力線密度的增大來表明。
具有與周圍介質(zhì)10的相應(yīng)介電常數(shù)相比較大介電常數(shù)ε的材料的進(jìn)入將導(dǎo)致在由電容傳感器14產(chǎn)生的電場(chǎng)區(qū)域28中電力線密度的增大；具有比周圍材料小的介電常數(shù)的物體將導(dǎo)致被封閉的物體區(qū)域中電力線密度的下降。
由于被封閉的物體所引起的電容量改變或電容傳感器中位移電流的改變可借助各種電子電路來測(cè)量及求值。
例如可使用一個(gè)振蕩電路的固有頻率，該振蕩電路由測(cè)量電容器及至少一個(gè)與它串聯(lián)或并聯(lián)的線圈組成。在通過一個(gè)短的電脈沖激勵(lì)后該振蕩電路將進(jìn)行其諧振頻率的阻尼振蕩。該諧振頻率以時(shí)間為分辨的測(cè)量可推斷出所參與的電容量及由此推斷出位移電流。
變換地，可通過對(duì)測(cè)量電容器施加固定頻率的恒定的交流電壓來直接測(cè)量位移電流。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，不是直接地測(cè)量電容傳感器裝置14的位移電流I，而是為了檢測(cè)信號(hào)的求值測(cè)量一個(gè)與頻率相關(guān)的測(cè)量參數(shù)M，該參數(shù)與電容傳感器裝置的位移電流近似為線性關(guān)系。在根據(jù)本發(fā)明的方法中，尤其是測(cè)量與位移電流相關(guān)的電壓作為測(cè)量參數(shù)M。即對(duì)于所使用的測(cè)量參數(shù)M有M＝M(ω)＝α(ω)+β(ω)*I(ω)該復(fù)數(shù)測(cè)量參數(shù)M(ω)以測(cè)量電容器的位移電流I(ω)的線性近似式被求值。其中α(ω)描述電容器電極的內(nèi)部串?dāng)_，及β(ω)考慮頻率特性及求值電路和電容傳感器裝置的匹配網(wǎng)絡(luò)內(nèi)導(dǎo)線上的相位失真。
α(ω)及β(ω)為頻率相關(guān)的常數(shù)，它們可相互無關(guān)地測(cè)量。例如可通過對(duì)確定阻抗的參考值測(cè)量非常精確地確定它們，使得通過M的測(cè)量也可測(cè)量出位移電流。
圖2表示可在根據(jù)本發(fā)明的方法的范圍中使用的求值電路的一個(gè)實(shí)施例。一個(gè)由時(shí)基32控制的脈沖發(fā)生器34產(chǎn)生一個(gè)短持續(xù)時(shí)間、寬頻譜的電壓脈沖，該脈沖可通過一個(gè)波耦合器36對(duì)電容傳感器裝置14供電。測(cè)量電容器20的電容量及由此傳感器的阻抗Z是與電容器電極的電場(chǎng)穿過的電介質(zhì)相關(guān)的。
如果電容傳感器裝置放置到物體12的附近，則由于靜電場(chǎng)介電常數(shù)的改變引起電場(chǎng)的畸變。阻抗Z由此被改變及可通過位移電流或?qū)С龅臏y(cè)量參數(shù)M(ω)來測(cè)量。電容傳感器的阻抗將作為一個(gè)與時(shí)間相關(guān)的電壓信號(hào)U(t)通過定向耦合器36被輸出耦合、放大及輸入一個(gè)采樣單元40，在其中確定測(cè)量信號(hào)的幅值及相位，這在下面將更詳細(xì)地描述。
在波阻調(diào)準(zhǔn)的導(dǎo)線與測(cè)量傳感器14連接的點(diǎn)上將發(fā)生或多或少顯著的、由發(fā)生器通過波耦合器36輸入耦合的電壓的反射。在該點(diǎn)反射的信號(hào)的幅值及相位反映了傳感器14的阻抗Z與導(dǎo)線波阻的差別及允許推斷出傳感器14的阻抗的幅值及相位及由此確定出通過傳感器14的電流的幅值及相位。
因此通過傳感器電容器14的電流的幅值及相位的確定可歸結(jié)到在傳感器14的連接點(diǎn)上反射的電壓U的幅值及相位的確定。
在該連接點(diǎn)上反射的信號(hào)通過波耦合器返回。由波耦合器36中的串?dāng)_在發(fā)送支路中感應(yīng)出的信號(hào)與直接在檢測(cè)支路方向上返回的信號(hào)分量相比是可忽略的。在檢測(cè)電路輸入端上出現(xiàn)的電壓V又反映出在傳感器14的連接點(diǎn)反射的電壓U，不考慮波耦合器36上的微小損耗及傳播時(shí)間差。
在波耦合器36后面得到的(通常很小的)電壓在檢測(cè)支路中最好首先在一個(gè)高頻放大器38中放大。接著在確定的時(shí)刻T上進(jìn)行電壓采樣。在此情況下電壓被測(cè)量的這些時(shí)刻由一個(gè)采樣脈沖給出。為了能夠相對(duì)由發(fā)生器產(chǎn)生的電壓來確定反射電壓的相位，重要的是，發(fā)送信號(hào)的發(fā)生器及采樣脈沖發(fā)生器鎖相地耦合。這將通過時(shí)基的使用來保證。
在頻率f時(shí)在采樣單元上出現(xiàn)的電壓分量V(f)＝v(f)*exp(i(f))根據(jù)關(guān)系式W(T)＝Re(exp(i*2π*f*T)*V(f))與采樣單元后測(cè)量的電壓W(T)相關(guān)。因此采樣時(shí)刻T的位移允許推斷出在頻率f上電壓V的幅值及相位。
電壓W有利地首先在一個(gè)低頻放大器中被處理，以便接著在一個(gè)模-數(shù)轉(zhuǎn)換器中被檢測(cè)。因此通過在不同時(shí)刻T上電壓W的檢測(cè)可以不僅求得反射電壓分量的幅值而且也可求得其相位，及由此推斷出流過傳感器的電流的幅值及相位。
在模-數(shù)轉(zhuǎn)換器44的后面該測(cè)量信號(hào)再傳送到一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)46。
DSP單元46不僅進(jìn)行信號(hào)處理，而且也控制時(shí)基，用于既產(chǎn)生激勵(lì)脈沖也產(chǎn)生采樣脈沖。該DSP單元46可以求得被求值的測(cè)量值，即尤其是被封閉的物體在壁中的深度及其相對(duì)測(cè)量傳感器的側(cè)向位置，這是實(shí)時(shí)地進(jìn)行的，即在測(cè)量過程期間進(jìn)行并在顯示器48上顯示出來。以此方式，通過根據(jù)本發(fā)明的方法可作到還當(dāng)測(cè)量?jī)x譬如在一個(gè)壁上移動(dòng)期間就在顯示器上對(duì)操作者顯示出被封閉的物體在何位置及在壁怎樣的深度上。
為了獲得側(cè)向的定位位置，該電容測(cè)量裝置可在兩個(gè)相反的方向50或52上在被測(cè)試介質(zhì)上移動(dòng)。一個(gè)可將電容傳感器裝置的當(dāng)前位置傳送到數(shù)字信號(hào)處理器的、相應(yīng)的位移傳感裝置可實(shí)現(xiàn)不僅物體深度而且物體側(cè)向位置的相關(guān)顯示。
對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的方法可考慮為了定標(biāo)，可取代測(cè)量電容器20測(cè)量一個(gè)確定的參考阻抗54。為此用于檢測(cè)信號(hào)的產(chǎn)生及求值的電路設(shè)有開關(guān)裝置，它在圖2的實(shí)施例中用象征性的開關(guān)56表示。該開關(guān)裝置可以使激勵(lì)脈沖不接入測(cè)量電容器20，而是轉(zhuǎn)接到參考阻抗54。該確定的參考阻抗54可通過譬如信號(hào)導(dǎo)線的短路來產(chǎn)生。用于實(shí)現(xiàn)儀器內(nèi)部確定阻抗的另一可能性例如為信號(hào)導(dǎo)線的一個(gè)“開路端(offenes Ende)”。以此方式，根據(jù)本發(fā)明的方法或根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量?jī)x具有一個(gè)方法內(nèi)部或儀器內(nèi)部的定標(biāo)裝置，通過它可使作為基礎(chǔ)的方法實(shí)現(xiàn)譬如熱漂移的計(jì)算補(bǔ)償。
尤其是可通過在確定阻抗54上的定標(biāo)測(cè)量來確定受電網(wǎng)絡(luò)影響的常數(shù)α(ω)及β(ω)，這些常數(shù)形成電容傳感器裝置的位移電流I與測(cè)量的參數(shù)M(ω)之間的關(guān)系，及根據(jù)該參考值測(cè)量來補(bǔ)償所出現(xiàn)的測(cè)量信號(hào)M(ω)相對(duì)位移電流I(ω)的漂移。
基本的漂移效應(yīng)主要由溫度改變及參與的元件的老化過程來得到。因此也可引起譬如激勵(lì)脈沖與采樣脈沖(Abfrageimpuls)之間的附加的延時(shí)δT，這將導(dǎo)致低頻信號(hào)的畸變。因?yàn)檫@種附加延時(shí)在測(cè)量信號(hào)M(ω)傅里葉變換時(shí)將僅僅導(dǎo)致一個(gè)乘法因子，這種采樣時(shí)刻的漂移可相對(duì)簡(jiǎn)單地由數(shù)據(jù)項(xiàng)計(jì)算出來。
此外激勵(lì)脈沖的脈沖功率及頻譜具體分布形狀將經(jīng)受熱漂移。高頻放大器的頻率特性的漂移也可通過參考值測(cè)量來補(bǔ)償。
為了補(bǔ)償測(cè)量?jī)x中的變化、如溫度引起的漂移，對(duì)于測(cè)量信號(hào)可使用一個(gè)線性校正函數(shù)。圖3概要地表示溫度對(duì)測(cè)量參數(shù)M(ω)影響。測(cè)量參數(shù)M(ω)受到很強(qiáng)的與溫度相關(guān)的變化。曲線56表示在溫度為20℃時(shí)的與頻率相關(guān)的測(cè)量信號(hào)M(ω)。同樣表示的測(cè)量曲線58給出在溫度為-10℃時(shí)的測(cè)量信號(hào)M(ω)。作為測(cè)量信號(hào)求值基礎(chǔ)的方法現(xiàn)在將從在不同溫度時(shí)的兩個(gè)測(cè)量曲線的線性相關(guān)性出發(fā)。
因此為了補(bǔ)償溫度效應(yīng)，使用了兩個(gè)校正系數(shù)γ0(ω)及γ1(ω)，以便確定在定標(biāo)條件(例如20℃)下測(cè)量的測(cè)量參數(shù)M(ω)相對(duì)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中出現(xiàn)的測(cè)量參數(shù)M(ω)的關(guān)系，即例如為M-10℃(ω)＝γ0(ω)*(M20℃(ω))+γ1(ω)。
因此對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的方法，例如可測(cè)量定標(biāo)條件即確定溫度時(shí)的測(cè)量參數(shù)M(ω)及一個(gè)參考阻抗，該參考阻抗例如可通過空氣測(cè)量(Luftmessung)、定標(biāo)塊(Kalibrierstein)或短路的傳感器來實(shí)現(xiàn)。
如果這時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工作條件下用相同的確定阻抗進(jìn)行定標(biāo)測(cè)量、即空氣測(cè)量、定標(biāo)塊上的測(cè)量或用短路傳感器的測(cè)量，則由現(xiàn)在基于漂移效應(yīng)改變的測(cè)量值M(ω)可推斷出校正系數(shù)γ0(ω)及γ1(ω)。這樣求得的校正量被存儲(chǔ)在一個(gè)存儲(chǔ)器單元中，使得可在以后的信號(hào)求值時(shí)調(diào)用它們。
如果在對(duì)一個(gè)被封閉的物體的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量前用確定阻抗進(jìn)行定標(biāo)測(cè)量，則通過定標(biāo)測(cè)量當(dāng)前獲得的校正量γ0(ω)及γ1(ω)也可在實(shí)際測(cè)量過程中用來校正測(cè)量參數(shù)M(ω)。
以此方式，根據(jù)本發(fā)明的方法可以從被測(cè)出的測(cè)量信號(hào)中計(jì)算出以不正確方式影響待處理的測(cè)量參數(shù)的效應(yīng)。對(duì)此通常稱為漂移效應(yīng)的、對(duì)電容傳感器裝置的測(cè)量參數(shù)的影響尤其屬于溫度的變化、濕度的變化、通過元件老化引起的變化及通過測(cè)量?jī)x的供電電壓的變化引起的改變。例如根據(jù)本發(fā)明測(cè)量?jī)x的一個(gè)實(shí)施例為一個(gè)手持式電池供電形式的測(cè)量?jī)x，電池電壓的下降可在一定期間被補(bǔ)償，而不會(huì)由該電壓變化導(dǎo)致對(duì)測(cè)量結(jié)果質(zhì)量的明顯影響。
除所述的漂移效應(yīng)外，各個(gè)元件的參數(shù)差異將導(dǎo)致各個(gè)測(cè)量?jī)x的不同測(cè)量特性，這也可通過所述的校正功能來補(bǔ)償。因此根據(jù)本發(fā)明的方法可通過將存儲(chǔ)在儀器中的參考信號(hào)與一個(gè)在測(cè)量時(shí)刻記錄的定標(biāo)信號(hào)相比較來補(bǔ)償漂移效應(yīng)或元件的參數(shù)差異。通過比較測(cè)量可求得用于測(cè)量信號(hào)的線性校正量，對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的方法該校正量可使當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的測(cè)量值回溯到參考條件進(jìn)行計(jì)算。
尤其有利的是，在一個(gè)測(cè)量?jī)x制造好時(shí)直接進(jìn)行參考值測(cè)量，例如在工廠中在確定的定標(biāo)條件下進(jìn)行。然后該測(cè)量可在以后用現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際定位測(cè)量來校準(zhǔn)。
也可以借助一個(gè)“主測(cè)量?jī)x”進(jìn)行這種獲得確定測(cè)量信號(hào)M(ω)的參考值測(cè)量及對(duì)于“主測(cè)量?jī)x”求得的參考值以特性曲線組的形式直接錄入到制造好的其它測(cè)量?jī)x中。在此情況下，也應(yīng)能對(duì)例如各個(gè)儀器測(cè)量電容器電場(chǎng)的方向特性的參數(shù)差異進(jìn)行補(bǔ)償。
基于電容器電極或相應(yīng)的定向電極的機(jī)械或幾何差別產(chǎn)生的不同的方向特性對(duì)于測(cè)量電場(chǎng)意味著對(duì)于被封閉物體檢測(cè)位置方面的差別，及使得由不同測(cè)量?jī)x獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)難以比較。
圖4通過框圖表示參考值的測(cè)量流程，這些參考值例如在根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量?jī)x制造好后已直接在工廠中進(jìn)行測(cè)量及可存儲(chǔ)在測(cè)量?jī)x的存儲(chǔ)單元中。在步驟90中，將一個(gè)使用指南寫入根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量?jī)x的存儲(chǔ)單元中，該使用指南可作為動(dòng)畫電影畫面序列在測(cè)量?jī)x的顯示器上播出，及由此使操作者了解在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量?jī)x定標(biāo)的方法步驟。
在方法步驟92中，進(jìn)行參考值測(cè)量及存儲(chǔ)在測(cè)量?jī)x中，該測(cè)量對(duì)此用于確定儀器個(gè)體的系統(tǒng)參數(shù)。為此對(duì)在確定阻抗上測(cè)量的測(cè)量信號(hào)求值及產(chǎn)生一個(gè)用于每個(gè)測(cè)量?jī)x的線性階的校正函數(shù)。借助該校正函數(shù)可以由以后的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量到的信號(hào)中計(jì)算出元件參數(shù)差異，如電容傳感器裝置的機(jī)械制作差異。
在方法步驟92中測(cè)量?jī)x在各種確定的基礎(chǔ)材料上進(jìn)行測(cè)量。這些參考值測(cè)量的測(cè)量值，例如對(duì)空氣、水泥、金屬及多孔混凝土以及其它廣泛的建筑材料測(cè)量的測(cè)量值將存儲(chǔ)在測(cè)量?jī)x中。借助這些確定材料已知的介電常數(shù)可確定由檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)定的常數(shù)α(ω)及β(ω)，它們構(gòu)成電容傳感器裝置的介電的位移電流與用來求值的測(cè)量信號(hào)M(ω)之間的關(guān)系。通過該參考值測(cè)量也可確定及調(diào)整信號(hào)失真，這些信號(hào)失真是基于相位畸變及信號(hào)導(dǎo)線的頻率特性或測(cè)量電容器的電極之間的內(nèi)部串?dāng)_引起的。以此方式，在以后現(xiàn)場(chǎng)確定測(cè)量信號(hào)M(ω)時(shí)借助該已知的系數(shù)α(ω)及β(ω)可很精確地推算出作為基礎(chǔ)的介電位移電流。
在方法步驟92中也可獲得用于作為該方法基礎(chǔ)的封閉介質(zhì)模型的內(nèi)插參數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的方法使用一個(gè)用于封閉介質(zhì)的數(shù)字模型，該模型使用確定參考材料的多個(gè)材料參數(shù)。通過在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的封閉材料的信號(hào)與存儲(chǔ)在測(cè)量?jī)x中模型的參數(shù)之間的比較優(yōu)選可很精確地確定被測(cè)封閉介質(zhì)的介電特性?；旧希鳛樵撃Ｐ突A(chǔ)的參考參數(shù)的內(nèi)插法可使用在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的封閉介質(zhì)的值上。
在方法步驟96中，進(jìn)行電容傳感器裝置的幾何因子的確定。為此對(duì)封閉在一個(gè)已知介質(zhì)中的、在一個(gè)確定空間上極其有限的參考體進(jìn)行參考信號(hào)測(cè)量。由于電容傳感器裝置電極的機(jī)械或幾何偏差可導(dǎo)致測(cè)量電容器方向特性的區(qū)別，以致在被封閉的物體的位置的精確確定上其結(jié)果可能不可靠。因此在方法步驟96中將對(duì)于每個(gè)測(cè)量?jī)x求得用于考慮各個(gè)測(cè)量?jī)x的方向特性偏差的校正參數(shù)并存儲(chǔ)在該測(cè)量?jī)x中，使得求值算法可調(diào)用及考慮這些參數(shù)。
圖4中的方法步驟98表示根據(jù)本發(fā)明的方法或根據(jù)本發(fā)明測(cè)量?jī)x的參考值的工廠調(diào)整，它從所進(jìn)行的參考值測(cè)量中求出用于物體檢測(cè)的閾值。借助該閾值處理算法將決定該物體是否適合被檢測(cè)。該閾值與每個(gè)測(cè)量?jī)x的測(cè)量精確度及與相應(yīng)的元件參數(shù)差異有關(guān)。
圖4的方法步驟100表示在先求得的調(diào)整量在根據(jù)本發(fā)明測(cè)量?jī)x中的存儲(chǔ)。借助這些存儲(chǔ)的參考值及在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量前進(jìn)行的定標(biāo)測(cè)量可以盡可能排除對(duì)測(cè)量信號(hào)的干擾，使得可實(shí)現(xiàn)一個(gè)極其精確的測(cè)量傳感器。在此情況下尤其突出的是用該測(cè)量傳感器也可識(shí)別譬如塑料管。對(duì)根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量?jī)x或作為其基礎(chǔ)的根據(jù)本發(fā)明方法的效力提高的實(shí)質(zhì)影響在于接收了多個(gè)參考值，這些參考值可在以后的信號(hào)求值中使測(cè)量?jī)x計(jì)算出干擾效應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明方法的中心點(diǎn)在于使被求值的測(cè)量信號(hào)M(ω)分解成兩個(gè)分量。測(cè)量信號(hào)M(ω)被劃分成一個(gè)由封閉介質(zhì)引起的基礎(chǔ)分量UG(ω)，及一個(gè)由被封閉物體產(chǎn)生的封入分量E(ω)。
封入信號(hào)及基礎(chǔ)信號(hào)將基于測(cè)量信號(hào)M(ω)既可在相位上也可在幅值上被識(shí)別。在此情況下應(yīng)注意，通過介電封入物測(cè)出的封入信號(hào)E(ω)極其地小。適于基于被封閉的物體確定的電容量變化在介電封入物如塑料管的情況下典型地在亞皮法(Subpikofarad)的范圍中。當(dāng)在電容傳感器上施加例如1V的交流電壓及測(cè)量頻率為100KHz的情況下，該微小電容量變化將產(chǎn)生出小于1微安的位移電流的差別。
由于該原因，根據(jù)本發(fā)明的方法將使用吉伽赫茲(Gigahertz)范圍中的測(cè)量頻率，以便即使被封閉的物體引起的極小電容量變化也可產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)中足夠大的變化。在此情況下，基礎(chǔ)信號(hào)代表不具有封入物體時(shí)得到的信號(hào)。它例如可在封入物的旁邊直接地測(cè)得。根據(jù)本發(fā)明，主要通過測(cè)量電場(chǎng)表面附近區(qū)域的位移電流分量來產(chǎn)生基礎(chǔ)信號(hào)。以下將假設(shè)基礎(chǔ)信號(hào)UG(ω)是已知的。該基礎(chǔ)信號(hào)UG(ω)由沿著測(cè)量電容器電場(chǎng)的電力線v的位移電流Iv(ω)組成。如從圖1中可看到的，各個(gè)電力線v具有不同的長(zhǎng)度。因此我們可確定一個(gè)中間的電力線長(zhǎng)L，它給出位移電流的相位。以下所有的相位將相對(duì)該中間相位給出。如果使一個(gè)介電封入物處于電容傳感器裝置的測(cè)量電極的附近，則改變了位移電流的電流分布。在實(shí)踐中可假設(shè)由被封閉的物體引起的該變化是很小的，即有E(ω)＜＜UG(ω)因此我們可近似地假定，介電封入物的影響將導(dǎo)致沿具有長(zhǎng)度Lv的各個(gè)電力線v的位移電流Iv的增強(qiáng)或變?nèi)?。即有Iv(ω)(具有封入物)＝＝ξ*Iv(ω)(基礎(chǔ))*exp(i*2π/λ(ω)*(Lv-L))這里ξ表示實(shí)數(shù)放大倍數(shù)或衰減系數(shù)。如果封入物的介電常數(shù)ε大于封閉介質(zhì)的介電常數(shù)ε，則ξ＞1。測(cè)量電容器的電容量增高及位移電流增大。否則ξ＜1。封入物足夠小，以致僅是一定長(zhǎng)度的電力線Lv相關(guān)，則近似地有E(ω)＝(Iv(ω)(具有封入物)-Iv(ω)(基礎(chǔ)))＝(1-ξ)*exp(i*2π/λ(ω)*(Lv-L))*Iv(ω)(基礎(chǔ))如果封入物的類型是已知的，例如為一種金屬封入物或空腔，則(1-ξ)的符號(hào)是已知的。
則有2π/λ(ω)*(Lv-L)＝-Φ(ω)+ψ(ω)即可借助以下關(guān)系式由信號(hào)E(ω)的相位與基礎(chǔ)信號(hào)UG(ω)的相位的比較推斷出相關(guān)電力線的長(zhǎng)度Lvλ(ω)/2π*(-Φ(ω)+ψ(ω))+L＝Lv該相關(guān)電力線的長(zhǎng)度通過一個(gè)幾何因子G(ω，L)與物體的深度相關(guān)。
在實(shí)踐中測(cè)量?jī)x在一個(gè)位置間隔[x，y]上穿過一個(gè)中間位置，在其中絕大多數(shù)情況是沒有封入物的。因此空間平均值MW_M(ω)提供了用于基礎(chǔ)分量的一個(gè)有用的插入點(diǎn)。即，當(dāng)在n位置Xj檢測(cè)到測(cè)量參數(shù)M(Xj，ω)時(shí)，為了確定基礎(chǔ)分量，對(duì)于所有j求M(Xj，ω)的總和及再用1/N歸一。
有利的是，作為該基礎(chǔ)的平均值方法的一個(gè)可能擴(kuò)充，具有強(qiáng)信號(hào)變化的區(qū)域、即與平均值大偏差的區(qū)域從平均值構(gòu)成中排除或通過構(gòu)成位置上測(cè)量數(shù)據(jù)的中值來代替構(gòu)成平均值。
還可以是，調(diào)用在存儲(chǔ)器中以表格存儲(chǔ)的基礎(chǔ)信號(hào)MUG(ω)來代替不同位置上的平均值。如果已知該基礎(chǔ)涉及例如水泥，則可使用在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的、如由一個(gè)均勻的水泥塊得到的測(cè)量值MUGBETOn(ω)作為基礎(chǔ)信號(hào)。抽取被存儲(chǔ)的基礎(chǔ)信號(hào)的選擇可以自動(dòng)地、例如借助一個(gè)估計(jì)的基礎(chǔ)信號(hào)與不同的表格中基礎(chǔ)信號(hào)的比較或通過一個(gè)由使用者操作的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于基礎(chǔ)使用一個(gè)數(shù)字模型，該模型至少使用4個(gè)材料參數(shù)，例如已知材料的的介電常數(shù)。作為該模型基礎(chǔ)的是在介電邊界層上的電磁信號(hào)的反射特性。為了求得被測(cè)封閉介質(zhì)的材料，封閉介質(zhì)模型中參數(shù)的權(quán)重一直改變，直到通過比較優(yōu)化可重建盡可能接近被測(cè)基礎(chǔ)信號(hào)的模型信號(hào)為止。因此基于模型介質(zhì)參數(shù)的內(nèi)插法可推斷出被測(cè)封閉介質(zhì)的介電常數(shù)。在已知封閉介質(zhì)的介電常數(shù)的情況下，由來自被封閉物體的測(cè)量信號(hào)的相位信息可推斷出被封閉的物體在封閉介質(zhì)中的深度。
根據(jù)本發(fā)明在所述方法中提出，用于檢測(cè)被封閉物體的閾值是可變的。通過靈敏度調(diào)節(jié)例如可由測(cè)量信號(hào)中計(jì)算出非重要的物體，尤其具有周期結(jié)構(gòu)的物體，以使得在以后測(cè)量結(jié)果的光學(xué)顯示時(shí)不再出現(xiàn)。并且通過本發(fā)明的方法可作到基于選擇測(cè)量信號(hào)相位移的特定寬度使測(cè)量區(qū)域限制在所需的深度范圍上。以此方式可實(shí)現(xiàn)一個(gè)具體性質(zhì)的深度范圍的選擇。在根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量?jī)x的顯示器的光學(xué)再現(xiàn)中所示的測(cè)量深度可在不同的值(例如6或10cm)之間轉(zhuǎn)換。
圖5概要表示用于說明根據(jù)本發(fā)明的方法的各個(gè)方法步驟的框圖。
在步驟60中測(cè)量?jī)x接通后，進(jìn)行對(duì)于測(cè)量?jī)x的系統(tǒng)詢問。該系統(tǒng)詢問62檢驗(yàn)例如電池狀態(tài)(電池電壓)，電池內(nèi)阻及當(dāng)前溫度。接著在步驟64中對(duì)一個(gè)確定阻抗進(jìn)行參考值測(cè)量。對(duì)此例如可使用一個(gè)儀器內(nèi)部的參考裝置或也可進(jìn)行空氣測(cè)量。該參考值測(cè)量也可為了確定EMV干擾而進(jìn)行，例如通過相鄰發(fā)射設(shè)備的電磁波干擾。這種EMV干擾可根據(jù)本發(fā)明的方法以后從測(cè)量信號(hào)中計(jì)算出來。
在根據(jù)本發(fā)明方法的步驟65中，進(jìn)行壁接觸檢驗(yàn)，其中通過根據(jù)本發(fā)明測(cè)量?jī)x的適當(dāng)?shù)奈灰苽鞲衅鞯脑儐柨杀ＷC測(cè)量?jī)x按照規(guī)定地放置在待測(cè)試的壁上。變換地，壁接觸也可通過電容傳感器裝置的測(cè)量信號(hào)的求值來詢問。如果測(cè)量?jī)x求得作為封閉介質(zhì)的是空氣，則該測(cè)量?jī)x未放置在壁上。
接著，在方法步驟68的實(shí)際測(cè)量過程中進(jìn)行電容傳感器裝置的初始數(shù)據(jù)的測(cè)量及傳送到數(shù)字信號(hào)處理器中。在為測(cè)量信號(hào)求值開始的方法步驟70中，從初始數(shù)據(jù)中計(jì)算出外部干擾源的干擾信號(hào)。然后在方法步驟72中進(jìn)行一個(gè)基于元件參數(shù)差異的測(cè)量信號(hào)的第一校正。為此將考慮在工廠通過參考值測(cè)量得到的測(cè)量?jī)x個(gè)體系統(tǒng)參數(shù)、即相應(yīng)的校正系數(shù)及將測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換成所述的線性方式。方法步驟74描述儀器內(nèi)部漂移效應(yīng)、例如溫度及老化影響的校正。為了求得用于測(cè)量信號(hào)M(ω)的相應(yīng)校正函數(shù)，在方法步驟74中將進(jìn)行在工廠中對(duì)給定阻抗進(jìn)行的并存儲(chǔ)在儀器中的參考值測(cè)量值與根據(jù)方法步驟64的當(dāng)前參考值測(cè)量結(jié)果之間的比較。這時(shí)在方法步驟76中，對(duì)于這樣處理的測(cè)量信號(hào)M*(ω)進(jìn)行所述分離，即分離成封閉介質(zhì)的信號(hào)分量及由被封閉的物體引起的信號(hào)分量。通過在儀器中存儲(chǔ)的參考材料的特征參數(shù)及封閉介質(zhì)成分的相應(yīng)的材料模型并通過參考值的內(nèi)插來確定測(cè)量的壁材料。尤其是對(duì)測(cè)量的壁材料或封閉的介質(zhì)分配一個(gè)介電常數(shù)，該介電常數(shù)是測(cè)量信號(hào)進(jìn)一步求值所必需的。
在檢測(cè)信號(hào)分離成來自封閉介質(zhì)及來自被封閉的物體的信號(hào)分量后，為了確定被封閉的物體精確的定位位置，在方法步驟78中考慮用于電容傳感器裝置的幾何因子。該幾何因子例如考慮由制造引起的電容傳感器裝置的方向特性中的幾何偏差。該儀器個(gè)體的差別可通過一個(gè)線性校正函數(shù)來考慮及由實(shí)際的測(cè)量信號(hào)計(jì)算出來。在方法步驟80中，在考慮工廠調(diào)節(jié)的用于物體檢測(cè)的閾值的情況下，通過信號(hào)處理作此決定是否一個(gè)物體被定位。在決定為肯定的情況下，接著將通過所述測(cè)量參數(shù)M*(ω)的幅值及相位的求值來確定物體尺寸，它相對(duì)測(cè)量?jī)x的位置及被封閉的物體的深度。尤其是由測(cè)量參數(shù)M*(ω)的相位及在方法步驟76中求得的棒料的介電常數(shù)來求得被封閉的物體在壁中的深度。
在方法步驟82中使所產(chǎn)生的測(cè)量結(jié)果以圖形形式顯示在測(cè)量?jī)x的顯示器上。為此這樣地借助符號(hào)描述在測(cè)量?jī)x的顯示裝置上顯示被定位物體相對(duì)當(dāng)前測(cè)量?jī)x位置的位置、物體的尺寸及物體深度，以使得使用者可得到被測(cè)試壁的截面圖。
尤其可以在測(cè)量?jī)x的顯示器上例如也以圖形方式顯示出一個(gè)允許的、可以在鉆孔過程中不遇到被定位物體的鉆孔深度。測(cè)量結(jié)果在測(cè)量?jī)x的顯示器上的顯示是實(shí)時(shí)進(jìn)行的，使得當(dāng)測(cè)量?jī)x在壁區(qū)段上移動(dòng)時(shí)，被定位物體僅有很短的延時(shí)便在根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量?jī)x的圖象顯示屏上顯示出來。
根據(jù)本發(fā)明的方法及相應(yīng)的根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量?jī)x并不被限制在說明書及附圖中所描述的實(shí)施例上。
圖4及5中的標(biāo)號(hào)表90-定標(biāo)指南92-借助參考值測(cè)量確定系統(tǒng)參數(shù)，用于計(jì)算出元件參數(shù)差異的系數(shù)計(jì)算94-測(cè)量?jī)x在不同基礎(chǔ)材料上測(cè)量，輸入信號(hào)空氣測(cè)量，多孔混凝土測(cè)量，水泥測(cè)量，金屬測(cè)量；輸出參數(shù)α，β，內(nèi)插參數(shù)96-傳感器幾何因子的確定；輸入?yún)?shù)水泥中金屬棒的測(cè)量98-求得用于物體檢測(cè)的閾值100-求得的調(diào)整量存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中60-測(cè)量?jī)x的接通或關(guān)斷62-電池狀態(tài)的檢驗(yàn)；輸入?yún)?shù)溫度，電池電壓，內(nèi)電阻64-參考值測(cè)量，EMV干擾測(cè)量66-壁接觸檢驗(yàn)；輸入?yún)?shù)位移傳感器1，位移傳感器2，測(cè)量數(shù)據(jù)
68-前端的初始數(shù)據(jù)70-考慮外部干擾源72-前端元件參數(shù)差異的校正；輸入信號(hào)系統(tǒng)參數(shù)74-溫度及老化影響的校正；輸入?yún)?shù)；工廠中的參考值測(cè)量，新參考值測(cè)量76-壁表面信號(hào)及壁封入物信號(hào)的分離，壁材料的確定；輸入?yún)?shù)各參數(shù)，內(nèi)插矢量；輸出參數(shù)壁材料，使用者指南78-考慮傳感器的幾何因子80-決定物體有/無，確定物體尺寸及物體深度；輸入?yún)?shù)閾值，壁材料82-結(jié)果的顯示，輸入?yún)?shù)顯示深度的限制
權(quán)利要求
1.用于定位被封閉在一個(gè)介質(zhì)中的物體的方法，其中借助至少一個(gè)電容傳感器裝置產(chǎn)生一個(gè)檢測(cè)信號(hào)，該檢測(cè)信號(hào)穿入被測(cè)試的介質(zhì)中，使得通過該檢測(cè)信號(hào)的求值、尤其通過阻抗測(cè)量可獲得關(guān)于被封閉在介質(zhì)中的物體的信息，其特征在于為了獲得關(guān)于被封閉在介質(zhì)中的物體的深度信息，使用一個(gè)與電容傳感器裝置的位移電流相關(guān)的測(cè)量參數(shù)的相位測(cè)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于使用測(cè)量參數(shù)與電容傳感器裝置的位移電流之間的線性關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于為了所述檢測(cè)信號(hào)的求值測(cè)量一個(gè)電壓信號(hào)的幅值及相位。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，2或3的方法，其特征在于為了檢測(cè)所述物體使用由一個(gè)被封閉的物體產(chǎn)生的電容傳感器裝置的位移電流的相位移。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中一項(xiàng)的方法，其特征在于檢測(cè)信號(hào)具有多于一個(gè)的測(cè)量頻率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于使用100MHz至10000MHz區(qū)間中的檢測(cè)信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)測(cè)量頻率，優(yōu)選在500MHz至5000MHz的區(qū)間中，及最佳在1000MHz至3000MHz的區(qū)間中。
7.根據(jù)以上權(quán)利要求中一項(xiàng)的方法，其特征在于用于定位被封閉在一個(gè)介質(zhì)中的物體的檢測(cè)信號(hào)作為一個(gè)產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)的電容傳感器裝置側(cè)向位移的函數(shù)被測(cè)量及求值。
8.用于實(shí)施權(quán)利要求1至7之一所述方法的測(cè)量?jī)x，尤其是用于定位被封閉在介質(zhì)中的物體的手持式定位儀，具有一個(gè)傳感器裝置，用來產(chǎn)生用于該傳感器裝置的檢測(cè)信號(hào)的裝置，還有由檢測(cè)信號(hào)求得測(cè)量值的控制及求值單元，以及具有用于求得的測(cè)量參數(shù)的輸出裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的測(cè)量?jī)x，其特征在于該測(cè)量?jī)x具有多個(gè)能夠使測(cè)量結(jié)果、尤其是被封閉在介質(zhì)中的物體的位置或位置及深度可位置分辨地顯示在該測(cè)量?jī)x的顯示裝置上的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于定位被封閉在一個(gè)介質(zhì)中的物體的方法，其中借助至少一個(gè)電容傳感器裝置產(chǎn)生一個(gè)檢測(cè)信號(hào)，該檢測(cè)信號(hào)穿入被測(cè)試的介質(zhì)中，使得通過該檢測(cè)信號(hào)的求值、尤其通過阻抗測(cè)量可獲得關(guān)于被封閉在介質(zhì)中的物體的信息。根據(jù)本發(fā)明提出為了獲得關(guān)于被封閉在介質(zhì)中的物體的深度信息，使用一個(gè)與電容傳感器裝置的位移電流相關(guān)的測(cè)量參數(shù)的相位測(cè)量。此外本發(fā)明還涉及用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法的測(cè)量?jī)x。
文檔編號(hào)G01V3/08GK1585904SQ03801488
公開日2005年2月23日 申請(qǐng)日期2003年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月21日
發(fā)明者斯特凡·克勞斯, 烏韋·什庫爾泰蒂-貝茨, 比約恩·哈澤, 烏利·赫夫曼 申請(qǐng)人:羅伯特·博施有限公司