電容式定位設(shè)備的制作方法
【專利摘要】根據(jù)本發(fā)明的用于電容式探測封閉在介質(zhì)（105）中的對象（110）的定位設(shè)備（100）包括測量電極（140）、接收電極（150）和參考電容（C2），其中所述測量電極與所述接收電極構(gòu)成可通過所述對象受到影響的測量電容（C1）并且所述參考電容不可通過所述對象而受到影響。所述電極布置在一個(gè)平面中并且設(shè)置有墊片（410），以便將所述電極與所述介質(zhì)的表面保持預(yù)先確定的、不同于零的最小間隔。
【專利說明】電容式定位設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及定位設(shè)備。尤其是，本發(fā)明涉及用于電容式探測封閉在介質(zhì)中的對象的定位設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002]為了檢測隱藏在墻壁中的物體、例如在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)墻壁中的梁，已知電容式探測器。這種探測器使用其充電或放電特性被確定的電極，以便推斷出介電對象。帶有多個(gè)電極的探測器也是已知的，在其中確定了電極對的電容變化。通常需要在墻壁上手動(dòng)地校準(zhǔn)這種探測器，因?yàn)檫@些設(shè)備本身不能識別墻壁接觸并且電極或電極對的電容取決于環(huán)境條件，如溫度、空氣濕度、背離傳感器的對象、通過使用者的接地、墻壁材料的電特性或介電特性。為了考慮這些變化的影響因素，必須在墻壁上校準(zhǔn)已知的設(shè)備，為此或者需要通過使用者的相應(yīng)控制或者需要昂貴的傳感器系統(tǒng)。
[0003]DE 10 2007 058 088 Al示出了用于定位介質(zhì)中的介電對象的傳感器。所示的傳感器確定了在參考電容和測量電容之間的比例，其與該對象關(guān)于這兩個(gè)電容的電極的位置相關(guān)。
[0004]DE 10 2008 005 783 B4示出了作為夾緊保護(hù)的電容式探測器，其借助推挽測量橋?qū)蓚€(gè)電容的電容相互比較。這些電容之一通過兩個(gè)可相對定位的電極構(gòu)成，使得它們的相對距離的變化可以用于生成信號，該信號對所述夾緊發(fā)出警告。
[0005]本發(fā)明所基于的任務(wù)是說明一種用于電容式探測的定位設(shè)備，其不需要校準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)高的測量精度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明借助具有獨(dú)立權(quán)利要求特征的定位設(shè)備來解決該任務(wù)。從屬權(quán)利要求再現(xiàn)了優(yōu)選的實(shí)施方式。
[0007]基本上有兩個(gè)理由要求定位設(shè)備的校準(zhǔn)。一方面不可控制的影響如環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、背離傳感器的對象或定位設(shè)備通過使用者的接地可能影響輸出信號。另一方面，輸出信號與介質(zhì)處的對象無關(guān)地與空氣中的輸出信號不同，其中介質(zhì)的材料和材料厚度以及墻壁電特性如介電常數(shù)或?qū)щ娦钥梢砸氲捷敵鲂盘栔小?br> [0008]根據(jù)本發(fā)明的用于電容式探測封閉在介質(zhì)中的對象的定位設(shè)備包括測量電極、接收電極和參考電容，其中測量電極與接收電極構(gòu)成可通過對象受到影響的測量電容并且參考電容不可通過對象受到影響。這些電極被布置在一個(gè)平面中并且設(shè)置有墊片，以便將電極與介質(zhì)的表面保持預(yù)先確定的、不同于零的最小間隔。
[0009]優(yōu)選地，接收電極是不接地的。
[0010]在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，參考電容由參考電極和接收電極構(gòu)成。
[0011]該定位設(shè)備提供輸出信號，該輸出信號提示對象的存在。然而，該輸出信號優(yōu)選地不僅僅取決于對象的存在或不存在，而是還取決于定位設(shè)備與介質(zhì)的間隔或介質(zhì)的電特性和介電特性。
[0012]在一種實(shí)施方式中，該定位設(shè)備包括用于基于測量電容和參考電容之間的比例來提供輸出信號的分析電路。
[0013]在第一種變型中，最小間隔因此被選擇為，使得當(dāng)定位設(shè)備被放置在介質(zhì)上時(shí)，輸出信號是最小的。最小間隔因此被選擇為，使得該輸出信號比針對定位設(shè)備與介質(zhì)的其它間隔、特別是還有比最小間隔更小的間隔的輸出信號更小。因此在數(shù)學(xué)意義上是輸出信號的絕對值的局部最小值。
[0014]這樣定義的最小間隔可以主要取決于所使用的電極的幾何形狀并且憑經(jīng)驗(yàn)可容易地確定。通過以到介質(zhì)的如下間隔放置電極——其中在該間隔中輸出信號是最小的，定位設(shè)備可以近似地與介質(zhì)的電特性或介電特性無關(guān)。特別是定位設(shè)備與定位設(shè)備到介質(zhì)的間隔的小改變無關(guān)，所述改變?nèi)缍ㄎ辉O(shè)備在介質(zhì)上由于傾斜而移動(dòng)時(shí)或通過粗糙的表面而幾乎不可避免地引起。
[0015]在第二種變型中，輸出信號可以定性地反過來表現(xiàn)為間隔的函數(shù)，使得當(dāng)定位設(shè)備被放置在墻壁上時(shí)，輸出信號是最大的。在此，墊片也允許測量值與介質(zhì)的電特性或介電特性的依賴性并且避免定位設(shè)備與介質(zhì)的小的間隔變化。
[0016]該定位設(shè)備可以被設(shè)立用于基于相應(yīng)的測量電容和參考電容之差與之和的商來確定測量信號。對于這樣的分析電路，可以被用于該定位設(shè)備的不同方案是已知的。屬于此的有例如具有反饋放大器(“feedback amplifier”)的橋式測量電路。
[0017]在一種特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，分析電路按照推挽式測量橋的原理被構(gòu)造并且包括用于給測量電容和參考電容供應(yīng)有相位差的交變電壓的振蕩器、用于控制所述交變電壓中至少一個(gè)交變電壓的幅度的控制裝置、以及用于為控制裝置提供控制信號的確定裝置，以便相互均衡測量電極和參考電極的電場分別對接收電極的影響。在此輸出信號基于控制信號被提供。
[0018]通過上面所描述的具有推挽式測量橋的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)選方式的組合，可以提供定位設(shè)備，在該定位設(shè)備處大量通常的干擾影響已經(jīng)通過構(gòu)造方式或測量原理被考慮。由此可以提供簡單、穩(wěn)健并且精確的定位設(shè)備。
[0019]在一種實(shí)施方式中，測量電極、參考電極和接收電極位于一個(gè)平面中并且在背向?qū)ο蟮膫?cè)上布置有屏蔽電極，該屏蔽電極至少部分地覆蓋所述電極并且與恒定電勢連接。背向介質(zhì)的側(cè)的對象、例如在手中持有該定位設(shè)備的使用者的影響可以由此被減小。
[0020]該定位設(shè)備可以包括殼體，其中墊片被集成到該殼體中。特別是電極可以在殼體內(nèi)以到殼體的預(yù)先確定的間隔被布置。由于電極和介質(zhì)之間的過小的間隔所導(dǎo)致的錯(cuò)誤操作可以由此被可靠地避免。
[0021]在一種特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，通過墊片所提供的電極到介質(zhì)的最小間隔至少是5mm。研究已經(jīng)示出，利用通常大小和相對定位的電極的布置，所述的最小間隔可以導(dǎo)致上述優(yōu)點(diǎn)的大部分。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]現(xiàn)在參照附圖更確切地描述本發(fā)明，在其中:
圖1a示出了帶有第一分析電路的定位設(shè)備； 圖1b示出了帶有第二分析電路的定位設(shè)備；
圖2示出了圖1和2的定位設(shè)備的電極的布置；
圖3示出了圖1a和圖1b的分析電路之一的輸出信號的特征曲線；和圖4示出了根據(jù)圖1a或Ib的具有不同墊片的定位設(shè)備。

【具體實(shí)施方式】
[0023]圖1A示出了用于電容式探測封閉在介質(zhì)105中的對象110的定位設(shè)備100。
[0024]該定位設(shè)備100包括推挽測量橋115和電極的布置120。
[0025]在測量橋115處，振蕩器125提供了兩個(gè)有相位差的、優(yōu)選反相的相同頻率的交變電壓。這兩個(gè)交變電壓被輸送給兩個(gè)放大器130和135，它們中的至少一個(gè)可以借助信號在其放大因數(shù)方面被控制。第一放大器130的輸出端與測量電極140連接，并且第二放大器135的輸出端與參考電極145連接。
[0026]布置120至少包括電極140和145以及不接地的接收電極150。電極140、145和150相對于彼此被布置為，使得在測量電極140和接收電極150之間出現(xiàn)測量電容Cl，并且在參考電極145和接收電極150之間出現(xiàn)參考電容C2。在此，電極140、145和150被構(gòu)造為，使得測量電容Cl可以被對象110所影響，而參考電容C2不被或者以可忽略的程度被影響。
[0027]接收電極150與測量放大器155連接，該測量放大器的輸出端與同步解調(diào)器160連接。根據(jù)由振蕩器125所提供的時(shí)鐘信號(其頻率相應(yīng)于提供給放大器130和135的交變電壓的頻率)，測量電極140和參考電極145對接收電極150的影響在時(shí)間上交替地被確定并且被提供給積分器165，該積分器例如可以被構(gòu)造為進(jìn)行積分的比較器。積分器165的輸出端與接口 170連接，在該接口 170處提供測量信號。測量信號此外還用于控制放大器130和135中的至少一個(gè)的放大因數(shù)。如果兩個(gè)放大器130、135可以被控制，則設(shè)置反相器175,以便互相相反地控制所述放大因數(shù)。
[0028]推挽測量橋115被設(shè)立用于對該布置120的測量電極140和參考電極施加交變電壓，使得對象110的介電影響對在接收電極150處的電容Cl和C2的作用一樣大。在此，參考電容C2物理上被構(gòu)建為使得其不能被對象110或者實(shí)際上不能被對象110所影響。如果例如對象110非對稱地處于電極140、145的區(qū)域中而使得電容Cl和C2介電地不同程度地被對象110所影響，則交變電壓具有不同大小的幅度，使得測量電極140和參考電極145對接收電極150的影響在時(shí)間平均上是相同的。在接口 170處提供的測量信號反應(yīng)放大器130,135的調(diào)制。如果測量信號高于或低于預(yù)先給定的值，該值對應(yīng)于不存在的對象110，則可以由測量信號推斷出對象110。
[0029]圖1B示出了相應(yīng)于圖1A的定位設(shè)備100，然而其中推挽測量橋115被帶有反饋式放大器(“feedback amplifier”)的橋式測量電路178代替。
[0030]測量電極140被供給來自第一交變電壓源180的交變電壓，并且參考電極145被供給來自第二交變電壓源185的第二交變電壓。由交變電壓源180和185提供的電壓是相互反相的并且具有相同幅度。
[0031]放大器195的輸出信號分別通過混合器190與交變電壓源180和185的交變電壓混合，放大器的反向輸入端與未接地的接收電極150連接。放大器195的輸出信號和第一交變電壓源180的交變電壓兩者以正的符號混合在一起并且轉(zhuǎn)發(fā)給測量電極140。對于參考電極145,在向下混合器190中放大器195的輸出信號同樣是正的,然而第二交變電壓源185的交變電壓被負(fù)混合并且向參考電極145轉(zhuǎn)發(fā)。
[0032]由此，測量電極140和參考電極145被施加反相的交變電壓，該交變電壓的幅度類似于圖1中所示的推挽測量橋115被控制為，使得電極140和145的電場對對象110的影響彼此相應(yīng)。在接口 170處提供交變電壓，當(dāng)該交變電壓超過預(yù)先確定的值時(shí)，其關(guān)于對象110進(jìn)行提示。在此，處于接口 170處的信號與電容Cl和C2之差和之和的商成比例。在所示電路處有利的是:接收電極150在受調(diào)控的情況下按交變電壓方式接地并且因此在接收電極150和地面之間不流過交變電流。
[0033]圖2示出了圖1中的定位設(shè)備100的電極的布置120。在此，圖2A在朝向?qū)ο?10的第一平面中示出了電極，并且圖2B在相對于第一平面背離對象110的第二平面中示出了電極的布置。實(shí)際上，所示的布置例如可以構(gòu)造為在由絕緣材料制成的電路板的不同層上的印制電路。
[0034]在圖2A中，第一測量電極205和分別對應(yīng)于圖2中的測量電極140的第二測量電極210、第一參考電極215和分別對應(yīng)于圖1中的參考電極145的第二參考電極220、以及對應(yīng)于圖1中的接收電極115的接收電極225和防護(hù)電極242處于第一平面中。彼此對應(yīng)的電極205和210、215和220可以低歐姆地相互電連接。在另外的實(shí)施方式中，彼此對應(yīng)的電極205-220被施加相同的或者不同但是彼此成比例的信號，這些信號可以來自不同的源。為此目的，例如可以在圖1的測量橋115中為測量電極205和210中的每一個(gè)設(shè)置自己的放大器130。在雙重地實(shí)施的電極205和210、215和220中的每一個(gè)也可以單個(gè)地實(shí)施。
[0035]可選地，在布置120中還設(shè)置有第一對應(yīng)電極235并且同樣也設(shè)置有第二對應(yīng)電極240。測量電極205、210和對應(yīng)電極235、240優(yōu)選是相同大小的并且水平和垂直地以相同大小的間隔來相互布置。測量電極205和210以及對應(yīng)電極235和240分別可以被防護(hù)電極242包圍。
[0036]防護(hù)電極232在水平方向上大致延伸在圖2a的中心，該防護(hù)電極232將布置在上部的測量電極205和210、分別所分配的防護(hù)電極242、參考電極215和220以及第一接收電極225與布置在下部的對應(yīng)電極235和240連同分配給其的防護(hù)電極242和另外的防護(hù)電極230分隔。該布置120的處于圖2A中水平防護(hù)電極232下方的部分在另外的實(shí)施方式中也可以被取消。
[0037]全部的防護(hù)電極230、232、242是可選的。防護(hù)電極242用于中斷在處于第一平面中的電極205-225、235、240之間的電容耦合。防護(hù)電極230對應(yīng)于接收電極150并且提高了電極布置的對稱性并且由此提高了場力線分布。防護(hù)電極230、232、242與預(yù)先確定的、尤其是時(shí)間上恒定的電勢連接，例如與圖1中的定位設(shè)備100的設(shè)備地連接。該做法與已知的主動(dòng)屏蔽(“active shielding”)的不同之處在于:防護(hù)電極的電勢在時(shí)間上是恒定的并且不跟蹤另一電勢。防護(hù)電極230、232、242尤其是在使用圖1中所示的推挽測量橋115時(shí)提供，因?yàn)闇y量橋115被設(shè)立用于調(diào)整在接收電極150處的電勢，使得與測量電極140或參考電極145處的交變電壓的時(shí)鐘同步的交變電壓分量消失。
[0038]在第一平面的相鄰電極之間的絕緣也可以利用空氣來實(shí)現(xiàn)，其方式是在這些電極之間引入凹部244，如其例如在第一參考電極215和第一接收電極225之間并且在第二參考電極220和第一接收電極225之間所示出的。
[0039]在所示的優(yōu)選實(shí)施方式中，布置120的全部電極205-242被絕緣層246覆蓋，以便使得與環(huán)境空氣的介質(zhì)105或其他對象的電阻耦合變得困難。絕緣層也用作濕氣阻障，使得例如來自空氣的濕氣不能進(jìn)入到載體材料中并且不能影響電容。
[0040]圖2B示出了四個(gè)屏蔽電極250，它們分別被測定并且定位為使得它們覆蓋測量電極205、210之一或者對應(yīng)電極235、240之一連同必要時(shí)所分配的防護(hù)電極242。屏蔽電極250在定位設(shè)備100處與時(shí)間上恒定的電勢連接，該電勢可以相應(yīng)于定位設(shè)備100的設(shè)備地。附加地或代替地，屏蔽電極250可以與防護(hù)電極242連接。屏蔽電極250也可以借助未示出的絕緣層246被保護(hù)以防外部影響。
[0041]圖3示出具有如上面參考圖2描述的電極布置120的圖1a和Ib的分析電路115和178的輸出信號的圖示300。該圖示300 —般地適用于具有不接地的電極的電容傳感器。在水平方向上示出在介質(zhì)105和電極的布置120之間的間隔并且在垂直方向上示出在接口170處所提供的輸出信號S。
[0042]特征曲線305定性地表示輸出信號S和間隔d之間的相互關(guān)系，而不取決于對象110是否存在于布置120的范圍中以及對象110通過其位置、大小和介電特性對輸出信號S有哪種影響。如果該間隔d是零，那么輸出信號S就是大的。隨著間隔d增加，輸出信號S首先陡峭地并且之后較平緩地下降，直至在間隔dl時(shí)達(dá)到最小值。在間隔dl之后隨著進(jìn)一步增加的間隔d，輸出信號S增加并且在進(jìn)一步的延伸中緊貼著輸出信號S的預(yù)先確定的值。
[0043]特征曲線305通過以下方式完成，即兩個(gè)取決于間隔d的效應(yīng)相反地作用于輸出信號S。參考圖1a和Ib的分析電路115和178從以下出發(fā)，即以下公式適用:
Γ1 —f,

(公式 I)
Cl + (72
用語言來表達(dá)，輸出信號S與測量電容Cl和參考電容C2之差與之和的商成比例。在此測量電容Cl由測量電極140和接收電極150構(gòu)成并且參考電容C2由參考電極145和接收電極150構(gòu)成。
[0044]特別是在較小的間隔d時(shí)產(chǎn)生影響的第一效應(yīng)通過測量電極和接收電極或參考電極和接收電極之間的電容的減小促使傳感器信號S減小。由此在電極140或145和接收電極150之間的電流被縮小并且傳感器信號隨著增加的間隔d變小。
[0045]通過特別是在較大間隔d時(shí)產(chǎn)生影響的第二效應(yīng)，隨著間隔d增加，在電極140、145和150與介質(zhì)105之間的電容減小。這導(dǎo)致測量電極140和接收電極150或參考電極145和接收電極150之間的電流增大，由此輸出信號S變大。
[0046]兩個(gè)效應(yīng)相互疊加，使得在間隔dl情況下定性地得出具有最小的傳感器信號S的特征曲線305。因此有利的是，通過墊片以第二段320的間隔d保持電極的布置120。特別優(yōu)選的是，墊片被設(shè)立用于將間隔d規(guī)定到dl，這在電極140到150通常的尺寸和布置在大約3 — 1mm的范圍中、特別是在大約5mm時(shí)是該情況。
[0047]最小間隔可以取決于電極的多重幾何特性。在測量電極和接收電極之間的間隔越大，通常最小間隔就越大。同樣最小間隔可以取決于測量電極和接收電極之間的保護(hù)電極的存在。保護(hù)電極的存在可以放大最小間隔。在研究中，針對具有保護(hù)電極的電極配置最小間隔的以下值被作為電極間隔的函數(shù)來確定

【權(quán)利要求】
1.用于電容式探測封閉在介質(zhì)(105)中的對象(110)的定位設(shè)備(100)，包括: 一測量電極(140)、接收電極(150)和參考電容(C2)， 一其中所述測量電極(140)與所述接收電極(150)構(gòu)成能通過所述對象(110)受到影響的測量電容(Cl)并且所述參考電容不能通過所述對象(I 10)受到影響， 其特征在于， 一所述電極(140、145、150)被布置在一個(gè)平面中并且設(shè)置有墊片(410)，以便將所述電極(140、145、150)與所述介質(zhì)(105)的表面保持預(yù)先確定的、不同于零的最小間隔(d)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定位設(shè)備，其中所述參考電容由參考電極(145)和接收電極(150)構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的定位設(shè)備(100)，其中所述接收電極(150)是不接地的。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的定位設(shè)備(100)，此外包括用于基于所述測量電容(Cl)和所述參考電容(C2)之間的比例來提供輸出信號(S)的分析電路(115、178)，其中最小間隔(d)被選擇為使得分析電路(115、178)的輸出信號(S)極其不取決于所述對象(110)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的定位設(shè)備(100)，其中所述比例與所述測量電容(Cl)和所述參考電容(C2)之差與之和的商成比例。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的定位設(shè)備(100)，其中所述分析電路(115、178)包括以下各項(xiàng): 一用于給所述測量電容(Cl)和所述參考電容(C2)供應(yīng)有相位差的交變電壓的振蕩器(125)； 一用于控制所述交變電壓之一的幅度的控制裝置(130、135)，和 一用于為所述控制裝置(130、135)提供控制信號的確定裝置(160、165)，以便將所述測量電極(140)和所述參考電極(145)的電場對所述接收電極(150)的影響相互均衡； 一其中所述輸出信號(S)基于所述控制信號被提供。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的定位設(shè)備(100)，其中所述電極(140、145、150)位于一個(gè)平面中并且與恒定電勢連接的屏蔽電極(250)布置在背向所述對象(110)的側(cè)上，所述屏蔽電極至少部分地覆蓋所述電極(140、145、150)。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的定位設(shè)備(100)，此外包括殼體(405)，其中所述墊片(410)被集成到所述殼體(405)中。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的定位設(shè)備(100)，其中所述最小間隔(d)至少是5mm。
【文檔編號】G01V3/08GK104169743SQ201380016800
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年2月14日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月29日
【發(fā)明者】T.齊博爾德, A.阿爾布雷希特 申請人:羅伯特·博世有限公司