CN102859393A - 金属对象或者磁性对象的检测 - Google Patents

Abstract

一种用于检测金属对象的测量装置包括：两个发送线圈，用于产生叠加的磁场；在两个磁场的区域中的磁阻测量设备，用于输出与磁场相关的输出信号；以及控制设备，用于为发送线圈提供交流电压，使得将测量设备的输出信号的与交流电压时钟同步的交流电压部分在数值上最小化。在此，控制设备设计为，当交流电压的比例并不对应于测量设备距发送线圈的距离的比例时，检测到对象。

Description

金属对象或者磁性对象的检测

技术领域

在确定的对工件的加工情况中，存在的危险是，埋藏在工件中的物体由于加工而受到损坏。例如，在钻孔到壁中的情况中，会损坏在壁内走向的水、电流或者气体线路。在相反情况中，例如当上述例子中的孔要经过壁内的钢筋或者支承结构时，会是希望的是，恰好如此进行加工，使得在工件中埋藏的物体被同时加工。

背景技术

为了检测这种被埋藏的物体，在现有技术中公开了基于线圈的金属探测器。这种探测器在测量区域中产生磁场。如果金属物体在测量区域中，则物体由于其对产生的磁场的影响而被识别。通常，为了确定产生的磁场，使用至少两个接收线圈，其定向和彼此连接为，使得在测量区域中不存在金属对象的情况下，由两个接收线圈共同提供的测量信号趋向于零（差分测量）。在一个变形方案中，使用多个发送线圈用于产生磁场，所述发送线圈被激励，使得与测量区域中金属对象的存在无关地，在两个接收线圈中测量的信号趋向于零（场补偿的测量）。

DE 10 2007 053 881 A1描述了一种测量方法，用于确定一个线圈相对于两个另外的线圈的位置或者角度。为此，借助两个相对彼此成角度地布置的发送线圈产生交变磁场。接收线圈被引入交变磁场中，并且对发送线圈的操控改变为使得在接收线圈中由每个发送线圈感应相同的电压。由发送线圈输送的电流值的比例（Verhaeltnis）用作接收线圈相对于发送线圈的位置和/或角度确定的度量。

DE 10 2004 047 189 A1描述了一种带有印刷线圈的金属探测器。

发明内容

本发明所基于的任务是，提供一种用于金属对象的简单并且准确的探测器。本发明的另一任务是说明一种用于确定金属对象的方法。

本发明借助一种具有权利要求1所述的特征的测量装置以及一种具有权利要求10所述的特征的方法来解决所述任务。从属权利要求说明了优选的实施形式。

用于检测金属对象的测量装置包括：两个发送线圈，用于产生叠加的磁场；在两个磁场的区域中的磁阻测量设备，尤其是带有霍尔传感器的测量设备，用于输出与磁场相关的输出信号；以及控制设备，用于为发送线圈提供交变电压，使得将测量设备的输出信号的与交变电压时钟同步的交流电压部分在数值上最小化。在此，控制设备设计为，当交变电压的比例并不对应于（korrespondiert）测量设备距发送线圈的距离的比例时，检测到对象。

测量装置可以进行场补偿的和差分的测量，并且由此提供准确的测量结果，该测量结果对于干扰是鲁棒的。此外，可以使用磁阻测量设备，其明显小于通常的用于确定磁场的线圈。由此，测量装置的非常紧凑的结构是可能的，并且能够在狭窄的空间周围实现高度集成的测量布置。不同于线圈，磁阻传感器测量磁场而并不是磁通量的时间变化。在借助矩形信号产生交变场的情况下，这具有的优点是，对象的影响不仅在边缘区域中的场变化的短暂时间内被测量，而且可以在矩形激励的半波的整个持续时间期间被测量。由此，可以提高测量准确性。

优选的是，交变电压是相对于彼此相移的交流电压，优选是相移180o的交流电压，以便将发送线圈的磁场周期性地在数值和相位上改变。交流电压能够实现同步解调，由此可以将频率不同于调制频率的干扰信号非常有效地抑制。此外，可以通过交流电压产生交变磁场，以便在非磁性材料例如铜中感应涡流，由于该涡流于是可以检测所述材料。

在第一变形方案中，测量设备可以包括多个彼此间隔的传感器用于确定磁场，其中传感器相对于彼此定向和彼此连接，使得传感器的输出信号在传感器上的相同磁场的情况下相加为零，并且发送线圈的主场方向和传感器的优选方向彼此平行。例如，可以使用在串联电路中的反平行取向的霍尔传感器，以便在两个发送线圈的区域中成本低廉并且精确地确定得到的磁场。

传感器可以具有优选方向，所述优选方向相对于彼此平行走向，并且传感器的信号可以从彼此相减。对此可替选地，传感器的优选方向可以反平行地取向，并且将传感器的信号彼此相加。为了相加或者相减，可以使用差分放大器，或者传感器可以相应地彼此连接。

原则上，任何类型的传感器是合适的，该传感器确定磁场。这种传感器可以具有小的尺寸，使得测量设备可以被小型化。由此，可以提高空间分辨率，在一个实施形式中直到可以图像方式示出的范围中。

有利的是，发送线圈在彼此平行的平面中相互叠置，由此使得用于一个或多个测量设备的多个发送线圈的矩阵式布置变得容易。发送线圈可以是空气线圈并且尤其是在电路板上构建的印刷电路（印刷线圈），使得制造可以较不费事并且由此可以是成本低廉的。

传感器之一可以被发送线圈之一环绕，并且另一传感器可以在发送线圈之外。通过选择传感器的具体位置，可以使用两个或者更多个传感器，以便在总和上输出与得到的磁场成比例的信号，该信号涉及在发送线圈的区域中的多个点。

在第二变形方案中，测量设备可以包括用于确定磁场梯度的传感器，其中发送线圈的主场方向彼此平行地走向，并且传感器的优选方向与主场方向垂直或者平行地走向。用于磁场的梯度的传感器能够以高精度地可用，例如作为AMR（各向异性磁阻效应）传感器、GMR（巨磁阻效应）传感器、CMR（庞磁阻效应）传感器、TMR（隧穿磁阻）传感器或者平面霍尔传感器。这种传感器此外可以作为标准部件而成本低廉地获得。在另一实施形式中，也可以使用并不基于磁阻效应的传感器，例如SQUID传感器。

发送线圈可以基本上彼此并排地布置在一个平面中，其中传感器的优选方向平行于或者垂直于该平面走向。由此，可以将测量装置安置在仅仅一侧被装备的电路板上，这可以降低测量装置的件价格。

发送线圈可以基本上为D形，其中D形的后部朝向彼此，并且传感器布置在D形的后部之间。于是，可以与用于磁场梯度的传感器一同实现非常紧凑的构造。

优选的是，传感器基本上布置在发送线圈的平面中，并且另一传感器设置在与该平面平行的平面中，其中传感器和另外的传感器的优选方向相互垂直。由此，可以提高测量装置的精度和普遍性。

此外，本发明还包括一种用于检测金属对象的测量方法，包括步骤：为两个发送线圈供给交变电压，以便产生叠加的磁场；确定在两个磁场的区域中的磁阻测量设备的、与磁场相关的输出信号；其中为发送线圈供给交变电压如此进行，使得将测量设备的输出信号的与交变电压时钟同步的交流电压部分在数值上最小化；以及当交变电压的比例并不对应于测量设备距发送线圈的距离的比例时，检测到对象。

附图说明

下面参照附图更准确描述本发明，其中：

图1示出了测量装置的框图；

图2示出了用于图1中的测量装置的磁阻测量设备的布置；

图3示出了图1中的测量装置上的多个发送线圈的布置；

图4示出了用于图1中的测量装置的磁场传感器和发送线圈的布置；

图5示出了用于图1中的测量装置的磁场梯度传感器和发送线圈的布置；以及

图6示出了借助图1中的测量装置用于检测金属对象的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了测量装置100的框图。测量装置100是用于检测金属对象、例如含铁材料构成的金属对象的金属探测器105的一部分。

时钟发生器110具有两个输出端，其在输出端上提供相移的、优选180o相移的周期性交变信号。交变信号尤其可以包括矩形信号、三角形信号或者正弦信号。时钟发生器的输出端与第一可控放大器115或者第二可控放大器120连接。每个可控放大器115、120都具有控制输入端，其通过控制输入端接收信号，该信号控制可控放大器115、120的放大因子。第一可控放大器115的输出端与第一发送线圈125连接，而第二可控放大其120的输出端与第二发送线圈130连接。发送线圈125和130的其余端分别与限定的电势电连接。

如通过在发送线圈125和130上的点表明的那样，发送线圈25和130相反地取向。在用相对于限定的电势相反的电压供给时，发送线圈125、130构建具有相同取向的磁场。

在供给具有相对于限定的电势相同取向的、具有交变的不同幅度的电压的情况下，也可以实现相同的效果，在该情况中流动具有叠加的直流部分的电流。在该情况中，得到发送线圈的相同的以及相反的取向。磁场传感器在所有情况中这样相对于彼此取向和连接，使得在没有对象的情况中在磁阻测量装置135的输出端上有恒定信号。该信号部分对应于电流的叠加的直流部分。为了不会不必要地配备输入放大器140，输入放大器可以与电容器直流电压去耦。

磁阻测量设备135与输入放大器140连接。输入放大器140以恒定的放大因子示出；然而在另一实施形式中，输入放大器140的放大因子也可以是可控的。由此，例如测量装置100的空间分辨率和/或灵敏度可以是可影响的，并且例如可以根据测量量来控制。

输入放大器140的输出端与同步解调器145连接。同步解调器145此外与时钟发生器110连接，并且由其接收时钟信号，该时钟信号指示在时钟发生器110的输出端上提供的信号的相位角值。在一个简单的实施形式中，其中由时钟发生器110提供的信号是对称的矩形信号，输出信号之一可以用作时钟信号。同步解调器145基本上基于时钟发生器110提供的时钟信号来将输入放大器140接收到的测量信号交替地在其上输出端或者下输出端上接通。

同步解调器145的两个输出端与积分器（积分比较器）150连接，该积分器在此示出为与两个电阻和两个电容器连接的运算放大器。其他的实施形式同样是可能的，例如作为有源低通滤波器。连接到同步解调器的数字实施形式也是可考虑的，其中在同步解调器的输出端上的信号在一个半波内的一个或者多个时刻被模数转换，并且随后与下一个半波中的相应值比较。差被积分，并且例如又转变为模拟信号，并且用于控制放大器。同步解调器145将输入放大器140接收的测量信号在其下输出端上提供，而积分器150将该信号在时间上积分，并且将结果在其输出端上提供。同步解调器145将输入放大器140接收到的测量信号在其上输出端上提供，而该信号被积分器150倒相地在时间上积分，并且将结果在积分器150的输出端上提供。在积分器150的输出端上的电压是同步解调器145的低通滤波后的输出的差的积分。

如果在磁阻测量设备135上的发送线圈125和130的叠加的磁场在数值和方向上大小相同，则在同步解调器145的输出端上提供的信号平均上在时间上大小相同，并且在积分器150的输出端上提供信号，该信号趋向于零（接地）。然而如果发送线圈125、130之一的磁场的影响占优势，则在同步解调器145的输出端上提供的信号在平均上不再相同，并且在积分器150的输出端上提供正信号或者负信号。

由积分器150提供的信号通过端子155被提供用于进一步的处理。附加地，微计算机175与可控放大器115、120的控制输入端连接。微计算机175进行所提供的信号与阈值的比较，并且在输出端180输出信号，该信号指示金属对象。该信号可以以光学和/或声学的方式呈现给金属探测器105的使用者。

微计算机175此外可以对从可控放大器115、120的控制输入端所截取的信号进行进一步处理，并且与其相关地控制测量装置100的参数。例如，在时钟发生器110的输出端上的交变电压的信号形状或者频率可以变化，或者接收放大器140的灵敏度可以被改变。在另一实施形式中，测量装置100的所示的其他元件通过微计算机175来实现，譬如时钟发生器110、同步解调器145或者积分器150。

积分器150的相同信号也用于控制可控放大器115和120的放大因子，其中第二可控放大器120直接与积分器150的输出端连接，并且第一可控放大器115借助反相器160与积分器150的输出端连接。反相器160引起提供给其的信号的反转，使得根据积分器150的输出信号，第一可控放大器115的放大因子以与第二可控放大器120的放大因子减小的程度来增大，或者反过来。也可考虑的是，仅仅控制可控放大器之一的放大因子，而第二个可控放大器的放大因子保持为固定值。

在发送线圈125、130的区域中绘出了金属对象170。金属对象170具有距发送线圈125和130不同的距离，并且因此不同强度地影响发射电极125、130的相同强度的磁场。测量装置100设计用于通过相反地改变可控放大器115、120的放大因子来平衡该影响。如果仅仅两个可控放大器115、120之一被控制，而另外的被保持固定，则并不通过相反的变化来平衡，而是仅仅具有定向的改变。

图2示出了两个磁阻磁场传感器的布置200，用于与图1的测量设备一同使用。第一霍尔传感器210和第二霍尔传感器220具有相反的优选方向，并且彼此串联，使得其在均匀的磁场中在总和上提供零信号。霍尔传感器210、220以其优选方向平行于（210）或者反平行于（220）在没有对象的情况中由发送线圈产生的磁场的主场方向取向。霍尔传感器210、220的信号转发给图1中的输入放大器140。

霍尔传感器210和220必须以一定的距离相对于彼此布置，使得其在不同位置测量磁场。当传感器210、220在其优选方向上受到不同强度的磁场时，于是得到传感器210、220的输出信号。例如当图1中的发送线圈125、130之一的磁场由于金属对象而比其他发送线圈125、130的磁场更强地受到影响时，情况如此。由于磁场通过金属对象的影响，尤其是在磁阻测量设备的输出信号中得到不同于零的时钟同步的交流电压部分。在该情况中，测量装置100相反地改变电压（其中发送线圈125、130被供给所述电压），直到在霍尔传感器210、220上的磁场又在相应的优选方向上强度相同。在端子155上的电压可以作为发送线圈125、130的交变电压的差异的量度来分析。

在第二变形方案中，在确定磁场的霍尔传感器210、220的位置上使用传感器用于确定磁场梯度，所述磁场梯度于是垂直于在没有对象的情况下取向的磁场而取向。在又一实施形式中，仅仅设置了一个这种磁场梯度传感器。

图3示出了发送线圈在图1中的测量装置100上的布置。出于清楚的原因，相叠的发送线圈125/130的对作为圆被再现；磁场传感器或者磁场梯度传感器并未示出。每个圆对应于图4或者图5中所示的布置之一。为了操控布置310，设置了一个或者多个测量装置100，其中每个测量装置100在测量期间仅仅与布置310之一连接。可以进行将多个布置310切换到测量装置100之一上。通过多个布置310的相应的几何分布，可以确定要检测的金属对象的方向信息、深度信息或者大小信息。

深度确定借助图3a或者3b的布置是可能的。方向确定或者取向确定可以借助图3c或者3d的布置来进行。在图3e中的布置可以用于成像。

图4示出了用于图1中的测量装置的磁场传感器和发送线圈的布置。在图4中示出的所有磁场传感器以优选方向垂直地取向，即平行于在发送线圈125、130内主导的主磁场地取向，其中在优选方向中，磁场传感器必须经受磁场，以便产生最大输出信号。磁场传感器的优选方向与所说明的取向的偏差如果足够小则是无损的，使得磁场传感器可以确定在所使用的方向中的磁场。发送线圈125、130构建为在电路板的对置侧上的无芯印刷线圈。

在图4a中，图2中的霍尔传感器210和220分别居中地布置在发送线圈125或130之一中。霍尔传感器210和210的取向是反平行的，并且其连接如图2中那样平行地示出。

在图4b中，霍尔传感器210和220平行取向并且并联连接。由发送线圈125、130产生的磁场在发送线圈125、130内和外具有不同的方向。霍尔传感器210、220具有距发送线圈125、130的绕组的这样的距离，使得在没有对象的情况下磁场的数值相互对应。

在图4c中，不同于图4b的示图，设置了另一第二霍尔传感器220，其中两个第二霍尔传感器220彼此关于第一霍尔传感器210对置。霍尔传感器的取向是平行的，其中第二霍尔传感器220与发送线圈的绕组的距离选择为，使得在第二霍尔传感器220上主导的磁场的数值在没有对象的情况下在总和上对应于在第一霍尔传感器上主导的磁场的数值。霍尔传感器210、220连接为使得其输出信号相加。

在图4d中继续图4c的布置的原理，其中附加的第一霍尔传感器210设置在第一发送线圈125的内部。霍尔传感器连接为使得其输出信号被相加。所有霍尔传感器彼此平行地取向。霍尔传感器与发送线圈125的绕组的距离选择为，使得在第一霍尔传感器210上主导的磁场的数值的总和对应于在第二霍尔传感器220上主导的磁场的数值的总和。

图5示出了用于图1中的测量设备的磁场梯度传感器和发送线圈的布置。不同于图4的示图，所使用的传感器是磁场梯度传感器510，其优选方向平行于所示电路板的表面走向。在另一实施形式中，磁场梯度传感器的优选方向平行于主场方向走向。在此，磁场梯度传感器的优选方向与所说明的取向的偏差如果足够小则是无损的，使得磁场梯度传感器可以确定在所使用的方向中的磁场。

多个磁场梯度传感器510分别彼此连接，使得其输出信号相加。也可考虑的是，磁场梯度传感器510分开地分析，例如相继地分析。为此，磁场传感器510的输出端必须通过开关交替地与输入放大器140的输入端连接。

在图5a中，在电路板的对置的侧上构建发送线圈125、130。发送线圈125、130并排，并且基本上具有D形，其中D形的后部平行并且朝向彼此。磁场梯度传感器510的优选方向与D形的后部的方向形成90o的角度。

在图5b中，不同于图5a中的示图，磁场梯度传感器510布置在电路板的与发送线圈125、130相同的侧上。D形的后部围绕如下部位：磁场梯度传感器510在该部位上。

在图5c中，除了图5b中的示图，在电路板的下侧上设置了另一磁场梯度传感器510。上部的磁场梯度传感器510的优选方向与D形的后部的方向垂直，并且下部的磁场梯度传感器510的优选方向与上部磁场梯度传感器510的优选方向垂直。在另一实施形式中，也可以两个优选方向与D形的后部的方向垂直。

在图5d中，分别将图5b的布置设置在电路板的上侧和下侧上，其中所述布置在电路板平面中相对于彼此转动90o。磁场梯度传感器510的优选方向彼此垂直。

图6示出了用于借助图1中的测量装置检测金属对象的流程图600。在第一步骤610中，发送线圈125、130被供给交变电压，以便产生相反取向的磁场。随后，在步骤620中，确定在两个磁场的区域中磁阻测量设备的与磁场相关的输出信号。根据确定的信号的时钟同步的交流电压部分，在步骤630中进行给发送线圈供给交流电压，使得测量设备的输出信号的时钟同步的交流电压部分在数值上被最小化。最后，在步骤640中，当交流电压的比例并不对应于测量设备距发送线圈的距离的比例时，检测到金属对象。

Claims (11)

1. 一种用于检测金属对象（170）的测量装置（100），其中所述测量装置（100）包括如下：

－ 两个发送线圈（125，130），用于产生叠加的磁场；

－ 在两个磁场的区域中的磁阻测量设备（135，510），用于输出与磁场相关的输出信号；

－ 控制设备（110－120，145－160），用于为发送线圈（125，130）供给交变电压，使得将测量设备（135，510）的输出信号的与交变电压时钟同步的交流电压部分在数值上最小化；

其特征在于，

－ 控制设备（110－120，145－160）设计为，当交变电压的比例并不对应于测量设备（135，510）距发送线圈（125，130）的距离的比例时，检测到对象。

2. 根据上述权利要求之一所述的测量装置（100），其特征在于，所述交变电压是相对于彼此相移的交流电压，以便将发送线圈（125，130）的磁场周期性地在数值和相位上改变。

3. 根据权利要求1或2所述的测量装置（100），其特征在于，

－ 测量装置包括多个彼此间隔的传感器（210，220）用于确定磁场，

－ 其中所述传感器（210，220）相对于彼此定向和彼此连接，使得所述传感器（210，220）的输出信号在传感器（210，220）上相同磁场的情况下相加为零，并且

－ 发送线圈（125，130）的主场方向和传感器（210，220）的优选方向基本上彼此平行。

4. 根据权利要求3所述的测量装置（100），其特征在于，所述发送线圈（125，130）在彼此平行的平面中相互叠置。

5. 根据权利要求3或4所述的测量装置（100），其特征在于，所述传感器（210，220）之一被发送线圈（125，130）之一环绕，并且所述传感器（210，220）的另一个在发送线圈（125，130）之外。

6. 根据权利要求1或2所述的测量装置（100），其特征在于，

－ 测量装置（100）包括用于确定磁场梯度的传感器（510），

－ 发送线圈（125，130）的主场方向彼此平行地走向，并且

－ 传感器（510）的优选方向与主场方向基本上垂直或者平行地走向。

7. 根据权利要求6所述的测量装置（100），其特征在于，所述发送线圈（125，130）基本上彼此并排地布置在一个平面中，并且传感器（510）的优选方向基本上平行于该平面走向。

8. 根据权利要求6或7所述的测量装置（100），其特征在于，所述发送线圈（125，130）基本上为D形，其中所述D形的后部朝向彼此，并且所述传感器（510）布置在D形的后部之间。

9. 根据权利要求7或8所述的测量装置（100），其特征在于，所述传感器（510）基本上布置在发送线圈（125，130）的平面中，并且另一传感器（510）设置在与该平面平行的平面中，其中该传感器（510）和另外的传感器（510）的优选方向相互垂直或者平行。

10. 一种用于检测金属对象（170）的测量方法（600），包括以下步骤：

－ 为两个发送线圈（125，130）供给（610，630）交变电压，以便产生叠加的磁场；

－ 确定（620）在两个磁场的区域中的磁阻测量设备的、与磁场相关的输出信号；

－ 其中为发送线圈（125，130）供给（610，630）交变电压如此进行，使得将测量设备（135，510）的输出信号的与交变电压时钟同步的交流电压部分在数值上最小化；并且

其特征在于，

－ 当交变电压的比例并不对应于测量设备距发送线圈（125，130）的距离的比例时，检测到（640）对象（170）。

11. 一种计算机程序产品，带有程序代码装置，当所述计算机程序产品在处理设备上运行或者存储在计算机可读数据载体上时，用于执行权利要求10所述的方法（600）。

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