專利名稱：具有場補償?shù)拇艌鰝鞲衅鞯膫鞲衅餮b置、尤其是金屬傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1或者權(quán)利要求15的前序部分所述的用于對被封閉在介質(zhì)中的對象、尤其是金屬對象測定位置的傳感器裝置和方法。此外，本發(fā)明描述了工具設(shè)備、尤其是測量設(shè)備，例如可手持的定位設(shè)備，其帶有用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求15的方法的這種傳感器裝置。
背景技術(shù)：
為了探測封閉在介質(zhì)例如墻、天花板或者地面中的對象例如電線路、水管、管道、金屬架子，較長時間以來使用定位設(shè)備。在此，尤其是使用電感性設(shè)備、也即產(chǎn)生由在介質(zhì)中封閉的金屬物體干擾的磁場的設(shè)備。
這種系統(tǒng)由DE 10 2004 011 285 Al 已知。
在用于找出在墻或者地面中的金屬對象例如鋼筋、管道或線纜的金屬傳感器領(lǐng)域中的現(xiàn)有技術(shù)是基于線圈的金屬傳感器。這存在于不同的實施中:(i)場補償?shù)?ii)差動地，(iii)場補償?shù)睾筒顒拥亍?br> 本發(fā)明的任務(wù)是在微型化、集成以及效率方面改善用于找出在墻和地面中的金屬對象的金屬傳感器。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的核心是用于找出在墻和地面中的金屬對象的金屬傳感器，該金屬傳感器聯(lián)合了場補償?shù)?、差動的、基于線圈的傳感器的優(yōu)點并且利用了特定的磁場傳感器、尤其是價格合適的霍爾傳感器、但是還有基于AMR/GMR的磁力計以及SQUIDS的附加優(yōu)點。(AMR-傳感器:各向異性磁阻傳感器；GMR-傳感器:巨磁阻傳感器；SQUID:超導量子干涉設(shè)備)。
這些上述的磁場傳感器的優(yōu)點是緊湊的結(jié)構(gòu)大小、高敏感性、尤其是對于局部磁場變化而不是對通過較大區(qū)域的磁通量的變化的敏感性。由此，得到金屬傳感器的直接優(yōu)點:緊湊的大小，因為這些傳感器本身是小的并且例如小的(印制)線圈就足夠產(chǎn)生足夠大的場(由于大的敏感性)，多個單傳感器的集成，由此得到有利的特性，例如位置/深度估計可能性直至待探測對象的形象化的(bildhaft)分辨率。
為此本發(fā)明建議一種由發(fā)送線圈和磁場傳感器組成的系統(tǒng)。本發(fā)明的用于對封閉在介質(zhì)中的對象測定位置、尤其用于探測金屬物體的傳感器裝置具有帶有至少兩個線圈和磁場傳感器的布置，其中線圈和磁傳感器的相互布置和/或線圈匝數(shù)量和/或線圈的繞線方向和/或線圈電流被選擇為使得在磁場傳感器的地點處由線圈產(chǎn)生的磁場近似消失。
在由線圈產(chǎn)生的磁場(=“初級場”)的范圍中的對象產(chǎn)生“次級場”。該次級場于是可以按照本發(fā)明借助磁場傳感器來測量。在該布置中可達到的對在磁場傳感器的地點處的初級場的補償對于用于探測金屬的/可磁化的對象)的磁場傳感器的使用是非常有利的，因為將會給來自其工作區(qū)域的磁場傳感器帶來過高的磁場。但是高磁場在測量時是必要的，以便在對象的地點處產(chǎn)生足夠高的磁場，使得由此得到的次級場在傳感器的地點處仍足夠高。本發(fā)明的裝置以有利的方式實現(xiàn)對初級場最小化或者甚至使其消失，其中但是待探測的對象的由初級場感應(yīng)的次級場足夠大，以便利用磁場傳感器被探測到。
初級場的補償?shù)牧硗獾膬?yōu)點是，由對象引起的信號(產(chǎn)生自次級場的信號)與基本信號(產(chǎn)生自初級場的信號)的比例被改善多個數(shù)量級。
由發(fā)送線圈和磁場傳感器組成的所描述的系統(tǒng)在此可以利用按照推挽調(diào)節(jié)器原理的操控有利地被實現(xiàn)。在此情況下，推挽調(diào)節(jié)器的優(yōu)點是在大的場區(qū)域上的高動態(tài)性以及通過有利地使用同步解調(diào)器的高信噪比(Signal-Rausch-Abstand)。
在使用印制線圈的情況下，次級場是非常小的(典型地幾個ΙΟηΤ)。因此，對于這種實施方式，尤其高度靈敏的AMR/GMR磁傳感器適用，而霍爾傳感器在這種情況下不太適用。
使用周期性的激勵場是有利的，因為接收信號的由對象引起的部分由于其頻率而于是可以非常好地從干擾和噪聲中分離(例如利用同步解調(diào)器)。
本發(fā)明的傳感器裝置的其它的優(yōu)點從從屬權(quán)利要求、后面的實施例以及附圖和所屬的描述中得到。


在附圖中示出了本發(fā)明傳感器裝置的實施例，其中該實施例在后面的描述中應(yīng)當更詳細地被闡述。附圖的圖示、其描述以及權(quán)利要求以組合的方式包括很多特征。技術(shù)人員也將單獨地考慮這些特征并且聯(lián)合成其它或者另外的有意義的組合。
圖1以強烈示意化的圖示示出本發(fā)明傳感器裝置的典型布置， 圖2a、2b以圖形圖示示出傳感器裝置的兩個線圈的所計算的磁場， 圖3a、3b在兩個正交方向上示出了本發(fā)明傳感器裝置的線圈的所計算的磁場， 圖4a、4b以總覽圖(2a)以及以細節(jié)圖(2b)示出了傳感器裝置的兩個線圈的初級磁場的所計算的z分量以及由對象產(chǎn)生的次級磁場， 圖5示出了借助推挽調(diào)節(jié)器對本發(fā)明傳感器裝置的操控， 圖6示出了定位設(shè)備形式的本發(fā)明工具設(shè)備的實施例。
具體實施方式
圖1以示意化的圖示示出本發(fā)明傳感器裝置10的可能的實施方式。
本發(fā)明傳感器裝置的在圖1中示例性示出的布置具有兩個線圈(“外部線圈12”，“內(nèi)部線圈14”)，它們被用于在空間中產(chǎn)生周期性變化的準靜止磁場(這里尤其是雙極場)(為此也例如參見圖2)。例如可以被構(gòu)造為霍爾傳感器、AMR傳感器也或者GMR傳感器但是也或者被構(gòu)造為SQUID的磁場傳感器16被用于測量尤其通過待探測的對象產(chǎn)生的磁場。線圈和傳感器的相互布置、以及線圈的匝數(shù)量、繞線方向和線圈電流在此按照本發(fā)明被選擇為，使得在磁場傳感器的地點處(并且理想地僅僅在那里)由線圈產(chǎn)生的磁場近似地(并且理想地精確地)消失，也即變?yōu)榱悖布丛诖艌鰝鞲衅鞯奈恢锰幇l(fā)生場補償。(為此例如也參見在圖3中的所計算的場)。在數(shù)學意義上線圈的磁場變?yōu)榱愕睦硐雸鲅a償在實際的觀點下幾乎不能實現(xiàn)。這應(yīng)當通過名稱“近似”消失來表述。剩余部分和所謂的“污染效應(yīng)”(其在最后的結(jié)果中阻止了磁場的絕對消除)屬于近似補償。
在圖1的實施例中傳感器裝置的兩個線圈12、14彼此同心地被構(gòu)造在共同的平面中，尤其是在共同的印制電路板18上。
對于兩個布置在一個平面中的、同心的具有相反線匝方向的線圈來說，在如下條件下(當所述兩個線圈由相同的電流流過時)在這兩個線圈的中點處的磁場消失:N/d = NVd'(I) N:外部線圈的匝數(shù)，d:外部線圈的直徑， N’:內(nèi)部線圈的匝數(shù)，d’:內(nèi)部線圈的直徑。
嚴格地講，對于上述關(guān)系(I)，相應(yīng)的線圈直徑相對于在線圈中的各個線圈匝的間距必須是大的。
使用帶有相反線匝方向的兩個線圈的優(yōu)點尤其是:這些線圈可以串聯(lián)接線。
在圖1的實施例中，線圈被構(gòu)造為在印制電路板18上的印制線圈。在可替換的實施方式中，也可以使用傳統(tǒng)的線圈、也可以使用多于兩個的線圈以及尤其是也可以使用非同心地布置的線圈。
因此也可能的是，發(fā)送線圈并排地存在和/或例如重疊。但是本發(fā)明的核心是，始終將磁場傳感器安置在磁場的消失性線圈(verschwindenden Spulen Magnetfeldes)的區(qū)域中。
在合適的線圈布置、匝數(shù)和繞線方向情況下，可能的是，以電的方式串行地對線圈接線。所述線圈于是由相同的電流流過并且該電流的變化有利地不作用于在磁場傳感器的地點處的場補償，其中所述變化例如由溫度影響也或者其它環(huán)境影響而產(chǎn)生。
在圖1的實施例中，磁場傳感器16以GMR傳感器的實施方式被布置在中央、也即在圓形線圈12、14的中點中。但是可替換的磁場傳感器同樣是可能的。
在由線圈12、14產(chǎn)生的磁場(=“初級場”)的區(qū)域中的對象產(chǎn)生“次級場”。該次級場于是按照本發(fā)明由磁場傳感器16測量。通過這種方式，可以探測對象。(對此也參見圖4)。
傳感器的從優(yōu)方向(也即磁場必須與其平行以便以最大靈敏度由傳感器測量的那個方向)在如圖1中所示的那樣帶有在線圈中心中的磁場傳感器的平面的、同心的線圈布置情況下應(yīng)當在線圈平面的法線方向上示出。
磁場傳感器16的地點處的初級場的補償對于磁場傳感器在該應(yīng)用(探測金屬的/可磁化的對象)中的使用是有利的，因為從其工作區(qū)域給傳感器16帶來過高的磁場。但是，高的磁場是必要的，以便在對象的地點處產(chǎn)生足夠高的磁場，使得由此得到的在傳感器16的地點處的次級場仍然是足夠高的。初級場的補償?shù)牧硗獾膬?yōu)點是，由對象引起的信號(產(chǎn)生自次級場的信號)與基本信號(產(chǎn)生自初級場的信號)的比例被改善多個數(shù)量級。
在本發(fā)明的傳感器布置的線圈的直徑被優(yōu)化的情況下可以考慮兩個相反的效應(yīng): (I)當內(nèi)部線圈與外部線圈相比具有盡可能小的直徑時，總場的雙極特性越顯著。
內(nèi)部線圈的直徑在此基本上由磁場傳感器的大小來限定并且由此處于大約5mm的最小值處。
(2)但是線圈直徑的比例與值I相差得越小，在該場的零位置的區(qū)域中的磁場梯度越小。這減小了對磁場傳感器的定位精度的要求。
圖2a和2b示出了在x_z平面中兩個印制線圈(具有4匝、半徑為2cm的外部線圈)，內(nèi)部線圈(I膽、半徑0.5cm)的所計算的磁場。磁場圍繞z軸旋轉(zhuǎn)對稱。左邊的圖2a示出了在外部區(qū)域中的雙極形的場，右邊的圖2b示出了在內(nèi)部線圈的區(qū)域中由這兩個線圈產(chǎn)生的場的補償。
除了這里描述的雙極布置外，也可以設(shè)想四極布置，其根據(jù)相同的原理工作。
圖3a和3b示出了外部線圈(A)、外部和內(nèi)部線圈(B)的磁場的所計算的數(shù)值。曲線示出了，外部和內(nèi)部線圈的磁場一起在原點處消失(所謂的“場補償”)。在外部區(qū)域中的場幾乎不被該補償所影響。為了保證相同的傳感器作用距離這是重要的，其中該傳感器作用距離將會在無內(nèi)部線圈形式的附加補償線圈的情況下被實現(xiàn)。
圖4示出了初級磁場(C)和次級磁場(D)沿著z軸的z分量。(圖4b在此示出了零點的鄰近的附近的詳細片斷，為此參見相應(yīng)的標度)。次級場的源在該模擬中是鐵球(具有相對磁導率μ = 1000和直徑lcm),該鐵球處于Z軸上遠離傳感器5cm。對于激勵場的小頻率(ω — O)計算該情況。要注意的是，在無內(nèi)部補償線圈的情況下傳感器場在原點/零點中具有值I，也即是對象場的10000倍。
由發(fā)送線圈和磁場傳感器組成的所描述的系統(tǒng)可以非常好地和有利地利用推挽調(diào)節(jié)器20操控。推挽調(diào)節(jié)器的優(yōu)點是在大的場區(qū)域上的高動態(tài)性以及通過使用同步解調(diào)器的高信噪比。
圖5示出了在推挽運行中線圈和磁傳感器的示例性接線。
在此，推挽調(diào)節(jié)器20在根據(jù)圖5的實施方式中由信號源24、可調(diào)節(jié)的放大器26、28、同步解調(diào)器22和積分比較器30組成?？烧{(diào)節(jié)的放大器26、28以獨立幅度的180°移相的周期性變化的電流給兩個發(fā)送線圈12、14通電。發(fā)送線圈(例如根據(jù)圖1的外部和內(nèi)部線圈)現(xiàn)在被卷繞為使得它們至少當在發(fā)送線圈場的區(qū)域中不存在金屬的/可磁化的對象時(至少在一個時刻)產(chǎn)生相反定向的磁場，這些磁場在傳感器地點處抵消。傳感器16必要時經(jīng)由可選的放大器32與同步解調(diào)器22連接。經(jīng)由積分比較器30的推挽調(diào)節(jié)現(xiàn)在借助可調(diào)節(jié)的放大器26、28這樣調(diào)節(jié)發(fā)送線圈電流的幅度，使得在傳感器的地點處即使在發(fā)送線圈場的區(qū)域中存在金屬的/可磁化的對象時至少在一個時刻該磁場消失。在存在金屬的/可磁化的對象時該調(diào)節(jié)值變化并且因此可以被用于探測這種對象。
然而，除了這里所示的、帶有兩個線圈和一個磁場傳感器的傳感器裝置的系統(tǒng)之夕卜，帶有多于兩個的線圈和/或多個磁場傳感器的系統(tǒng)也是可以設(shè)想的并且也是有意義的。
因此，尤其是在不同的地點處使用多個“補償線圈”(在該實施例中是用于抵消初級場的內(nèi)部線圈14)也是可能的。在此情況下，可能的是如下傳感器系統(tǒng)，在所述傳感器系統(tǒng)情況下，多個補償線圈的位置布置在“外部”發(fā)送線圈之內(nèi)以及之外。
將發(fā)送線圈布置在不同的平面中也可能是有利的。
分別在由各自的補償線圈保持為無場的地點處使用多個磁場傳感器也是本發(fā)明傳感器裝置的有利的變型。對此有利的是，可以在不同地點處測定次級場(也即由待測量的對象產(chǎn)生的場)并且由此可以至少在原理上推斷出對象特性，例如橫向位置、封閉深度也或者取向。
圖6示出了作為測量設(shè)備以可手持的定位設(shè)備86g為形式的本發(fā)明工具設(shè)備的可能的實施例，其具有本發(fā)明的傳感器裝置。手持定位設(shè)備86g具有帶有本發(fā)明傳感器裝置26g的定位裝置24g。傳感器裝置26g以已經(jīng)描述的方式包括至少兩個線圈和至少一個傳感器裝置，它們以根據(jù)本發(fā)明的方式布置并且按照本發(fā)明方法工作。定位裝置24g此外包括尤其是帶有推挽調(diào)節(jié)裝置20的操控單元28g、以及用于處理和后處理(Aufarbeitung)測量信號的分析單元30g。因此，尤其是推挽調(diào)節(jié)裝置20的調(diào)節(jié)信號32(對此也參見圖5)可以被分析單元30g使用，以便將對象表征為探測到的或者未探測到的。也就是說，本發(fā)明的傳感器裝置的推挽調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)信號32被用于探測對象。
手持定位設(shè)備86g此外具有帶有未更詳細描述的路徑測量裝置的滾輪88g，借助所述滾輪，操作者可以將手持定位設(shè)備86g沿著介質(zhì)移動。在手持定位設(shè)備86g的顯示器90g上，手持定位設(shè)備86g根據(jù)所移動的路徑表示所探測的對象。路徑傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明傳感器裝置的探測值至測量設(shè)備的地點位置的分配。尤其是，本發(fā)明測量設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)由相應(yīng)的輸出單元90g、尤其是圖形顯示器相關(guān)地表示所封閉的對象的探測信號和位置。在較簡單的實施方式中，也可以放棄路徑傳感器系統(tǒng)并且例如僅僅通過光信號和(/或聲學信號傳送對象的探測。
本發(fā)明的方法或者按照該方法工作的工具設(shè)備不局限于在這些圖中所示的實施例。
尤其是，本發(fā)明方法不局限于使用兩個發(fā)送線圈、尤其是兩個同心布置的發(fā)送線圈。因此也可能的是，發(fā)送線圈并排地存在和/或例如重疊。本發(fā)明的核心是，將磁場傳感器安置在磁場的消失性線圈的區(qū)域中。
但是，除了這里所示的帶有兩個線圈的系統(tǒng)之外，帶有多于兩個的線圈的系統(tǒng)也是可以設(shè)想的并且也是有意義的。
因此，尤其是在不同的地點處使用多個“補償線圈”(內(nèi)部線圈)也是可能的。在此情況下，也可能的是如下傳感器系統(tǒng)，在這些傳感器系統(tǒng)情況下，多個補償線圈的位置布置在“外部”發(fā)送線圈之內(nèi)以及之外。
將發(fā)送線圈布置在不同的平面中也可能是有利的。
分別在由各自的補償線圈保持為無場的地點處使用多個磁場傳感器也是本發(fā)明傳感器裝置的有利的變型。對此有利的是，可以在不同地點處測定次級場(也即由待測量的對象產(chǎn)生的場)并且由此可以至少在原理上推斷出對象特性，例如橫向位置、封閉深度也或者取向。
磁場也可以通過屏蔽裝置被置于零并且磁傳感器可被安置在相應(yīng)的位置處。
本發(fā)明的工具設(shè)備不局限于測量設(shè)備、尤其是定位設(shè)備。鋸式、磨削式或者鉆式工具設(shè)備也可以裝備有本發(fā)明的傳感器裝置，無論是作為集成到工具設(shè)備中的測量系統(tǒng)而也或者是作為要安置在工具設(shè)備處的附件。
權(quán)利要求
1.傳感器裝置(10，26g)、尤其是金屬傳感器，帶有至少兩個線圈(12，14)和磁場傳感器(16)，其特征在于，線圈(12，14)和磁傳感器(16)的相互布置和/或線圈匝數(shù)量和/或線圈的繞線方向和/或線圈電流被選擇為使得在磁場傳感器(16)的地點處由線圈(12，14)產(chǎn)生的磁場近似消失、尤其是完全地被補償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器裝置，其特征在于，設(shè)置第一外部線圈(12)和第二內(nèi)部線圈(14)，其尤其是相互同心地布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感器裝置，其特征在于，磁場傳感器(16)由至少一個線圈(14)的匝所包圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的傳感器裝置，其特征在于，磁場傳感器(16)布置在至少一個、基本上圓形的線圈(14)的中點中。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的傳感器裝置，其特征在于，至少兩個線圈(12，14)和磁場傳感器(16)被布置在一個平面中。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的傳感器裝置，其特征在于，至少兩個線圈(12，14)和磁場傳感器(16)被布置在共同的印制電路板(18)上。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的傳感器裝置，其特征在于，至少一個線圈(12，14)被構(gòu)造為印制線圈。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求之一、尤其是根據(jù)權(quán)利要求6和/或7所述的傳感器裝置，其特征在于，該磁場傳感器(16)是AMR傳感器。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求1至7之一所述的傳感器裝置，其特征在于，該磁場傳感器(16)是GMR傳感器。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求1至7之一所述的傳感器裝置，其特征在于，該磁場傳感器是霍爾傳感器。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求1至7之一所述的傳感器裝置，其特征在于，該磁場傳感器(16)是 SQUID0
12.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的傳感器裝置，其特征在于，至少兩個線圈(12，14)以電的方式串行地接線。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的傳感器裝置，其特征在于，其具有用于操控線圈(12，14)的推挽調(diào)節(jié)器(20)。
14.工具設(shè)備，尤其是用于探測對象、尤其是金屬對象的測量設(shè)備(86g)，具有至少一個根據(jù)上述權(quán)利要求至少之一的傳感器裝置(10，26g)。
15.用于在使用至少兩個線圈(12，14)和磁場傳感器(16)、尤其是AMR傳感器、GMR傳感器或霍爾傳感器的情況下探測對象的方法，尤其是用于找出金屬對象的方法，其中，線圈(12，14)和磁傳感器(16)的相互布置和/或線圈匝數(shù)量和/或線圈的繞線方向和/或線圈電流被選擇為使得在磁場傳感器(16)的地點處由線圈(12，14)產(chǎn)生的磁場近似消失、尤其是完全地被補償。
16.根據(jù)權(quán)利要求1 5所述的方法，其特征在于，推挽調(diào)節(jié)器(20)借助可調(diào)節(jié)的放大器(26，28)調(diào)節(jié)至少兩個線圈的線圈電流的幅度為，使得在磁傳感器(16)的地點處至少在一個時刻該磁場消失。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，使用推挽調(diào)節(jié)器(20)的調(diào)節(jié)值(34)，以便探測對象 、尤其是金屬 對象。
全文摘要
本發(fā)明涉及傳感器裝置(10)、尤其是金屬傳感器，帶有至少兩個線圈(12，14)和磁場傳感器(16)，其中，線圈和磁傳感器的相互布置和/或線圈匝數(shù)量和/或線圈的繞線方向和/或線圈電流被選擇為使得在磁場傳感器(16)的地點處由線圈(12，14)產(chǎn)生的磁場近似消失。本發(fā)明還涉及用于在使用至少兩個線圈和磁場傳感器、尤其是AMR傳感器、GMR傳感器或霍爾傳感器的情況下探測對象的方法，尤其是用于找出金屬對象的方法，其中，線圈和磁傳感器的相互布置和/或線圈匝數(shù)量和/或線圈的繞線方向和/或線圈電流被選擇為使得在磁場傳感器的地點處由線圈產(chǎn)生的磁場近似消失。
文檔編號G01V3/11GK103154775SQ201180052000
公開日2013年6月12日 申請日期2011年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月28日
發(fā)明者R.克拉普夫, T.齊博爾德, A.阿爾布雷希特 申請人:羅伯特·博世有限公司