CN102870011B - 金属的或磁性对象的检测 - Google Patents

Abstract

用于检测金属对象的测量设备（100）包括两个用于产生叠加的磁场的发射线圈（125,130）、用于确定施加在发射线圈之间的差电压的装置（135）和控制装置（110-120,145-160），所述控制装置用于这样给发射线圈供应交变电压，使得差电压的与交变电压时钟同步的交流电压分量按数值最小化。控制装置被设立用于当交变电压的比例不对应于在不存在金属对象的情况下发射线圈的阻抗的比例时，检测金属对象。

Description

金属的或磁性对象的检测

技术领域

在对工件的确定的加工时存在风险：隐藏在工件中的物体通过加工被损坏。例如，在向墙钻孔时可能损坏在墙内伸展的输水管道、电流管线或气体管道。在相反的情况下可能值得期望的是，恰好如此执行加工，使得隐藏在工件中的物体被一起加工，例如当来自上面的例子中的孔应该通过墙内的钢筋或支承构造伸展时。

背景技术

为了检测这样的隐藏的物体，基于线圈的金属探测器在现有技术中是已知的。这种探测器在测量区域中产生磁场。如果金属物体位于测量区域中，则物体由于其对所产生的磁场的影响而被识别出。经常，为了确定所产生的磁场使用至少两个接收线圈，所述接收线圈这样取向和相互连接，使得当在测量区域中不存在金属对象情况下由两个接收线圈共同提供的测量信号趋于零（差动测量）。在一种变型方案中，使用多个用于产生磁场的发射线圈，所述发射线圈如此被操控，使得与在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于零（场补偿测量）。

DE102007053881A1描述了一种用于确定线圈关于两个其他线圈的位置或角度的测量方法。为此，借助于两个有角地相互布置的发射线圈生成磁交变场。接收线圈被带至（verbracht）磁交变场中并且发射线圈的操控这样被改变，使得在接收线圈中由发射线圈中的每一个感生相同的电压。输送给发射线圈的电流值的比例用作用于接收线圈关于发射线圈的位置和/或角度确定的尺度。

DE102004047189A1描述了具有印刷线圈的金属探测器。

本发明所基于的任务是提供用于金属对象的简单的和精确的探测器。本发明的另一任务在于说明用于确定金属对象的方法。

发明内容

本发明借助于具有权利要求1的特征的测量设备和具有权利要求9的特征的方法来解决所述任务。从属权利要求说明优选的实施方式。

根据本发明，用于检测金属对象的测量设备包括两个用于产生叠加的磁场的发射线圈和用于确定在发射线圈之间施加的差电压的装置。此外，设置控制装置，用于给发射线圈这样供应交变电压，使得差电压的与交变电压时钟同步的交流电压分量按数值最小化。控制装置被设立用于当交变电压的比例不对应于在不存在金属对象情况下发射线圈的阻抗的比例时，检测对象。

如果发射线圈的阻抗由金属对象由于不同的距离而不同地被影响，则这是这种情况。通过在发射线圈的范围中放弃接收机线圈或磁传感器，可以减少在测量设备中的线圈的数量，由此，可以减小用于测量设备的所需要的位置并且可以节省制造成本。通过由此可能的紧凑的结构可以将大量测量设备布置在小的空间上，由此测量值的空间分辨率可以被提升直至可表示的范围中。

优选地，交变电压是交流电压，以便周期性地在数值上和相位上改变发射线圈的磁场。交流电压能够实现同步解调，由此可以非常有效地抑制具有与调制频率不相同的频率的干扰性信号。此外，可以通过交流电压产生交变磁场，以便在非磁性材料诸如铜中感生涡流，基于所述涡流于是可以探测这些非磁性材料。

优选地，用于确定差电压的装置由两个串联的欧姆电阻构成，所述欧姆电阻分别是发射线圈之一的复电阻的部分。分立的电阻因此可以取消，由此可以减少制造成本。

发射线圈可以这样布置在两个相间隔的、平行的层面中，使得其磁场平行地定向。金属对象相对于层面的位置于是可以根据以下来识别：给哪个线圈供应相对于无对象的情况放大的电压。位于发射线圈之一的层面的对面的金属对象可以被忽视，以便避免例如由测量设备的用户引起的误测量。

发射线圈中的一个或两者可以是空气线圈并且尤其是可以作为电路板上的印刷电路被成形为印刷线圈。由此可以如此构建测量装置，使得所述测量装置仅非常弱地对温度或老化影响作反应，由此校准可以一次地在测量设备的制造的范围中进行。通过将发射线圈构造为电路板上的印刷线圈，在小的生产耗费的情况下可以实现发射线圈的精密的制造。在此，可以在相同的电路板上构建控制装置。通过最小化布线和装配成本可以因此节省其他制造成本。

按照本发明的另一方面，用于检测金属对象的方法包括步骤：借助于两个发射线圈产生相同指向地（gleichgerichtet）取向的磁场，给发射线圈供应交变电压，并且当交变电压的比例不对应于流经发射线圈的电流的比例时检测对象。

本发明也可以被实施为计算机程序产品，其中本发明计算机程序产品包括用于执行所述方法的程序代码装置并且可以在处理装置上运行或者被存储在计算机可读的数据载体上。

附图说明

下面参照附图更精确地描述本发明，其中：

图1示出测量设备的方块图；

图2示出图1的测量设备处的金属对象和线圈的布置；

图3示出图1的测量设备的多对发射线圈的布置；和

图4示出用于图1的测量装置的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出测量设备100的方块图。测量设备100是用于检测例如由含铁的材料组成的金属对象的金属探测器105的部分。

时钟发生器110具有两个输出端，所述时钟发生器在所述输出侧处提供移相的、优选地移相180°的周期性交变信号。交变信号尤其可以包括矩形信号、三角形信号或正弦信号。时钟发生器的输出端与第一可控放大器115或第二可控放大器120连接。可控放大器115、120中的每一个均拥有控制输入端，所述可控放大器115、120中的每一个经由所述控制输入端接受信号，所述信号控制可控放大器115、120的放大因子。第一可控放大器115的输出端与第一发射线圈125连接，并且第二可控放大器120的输出端与第二发射线圈130连接。发射线圈125和130的剩余的端部经由第一或第二电阻135a、135b相互连接。在一种实施方式中，电阻135a、135b通过发射线圈125或135的欧姆电阻构成。

在一时刻分别相同的电流流经两个发射线圈125和130中的每一个。施加给两个发射线圈125、130的交变电压的极性和幅度对在线圈125、130中产生的磁场不具有分开的影响。如在图1中通过发射线圈125、130处的点所表明的，两个发射线圈125、130同向地取向。因此发射线圈构建具有相同指向的定向的磁场；如由反向缠绕的发射线圈产生的相反指向的（gegengerichtet）磁场虽然同样是可能的，但是由于叠加的磁场的消失的偶极分量一般是较少地有利的。但是可以想象，如果对探测深度的限制是希望的，则该缺点故意地被利用。

连接从彼此连接的电阻135a、135b伸展到输入放大器140。输入放大器140示出具有恒定的放大因子；但是在另外的实施方式中输入放大器140的放大因子也可以是可控的。由此例如测量设备100的空间分辨率和/或灵敏度可以是可影响的并且例如根据测量参量是可控的。

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另外与时钟发生器110连接并且从该时钟发生器接收时钟信号，所述时钟信号指示在时钟发生器110的输出端处提供的信号的相位角值。在由时钟发生器110提供的信号是对称矩形信号的简单实施方式中，输出信号之一可以被用作时钟信号。同步解调器145基本上基于由时钟发生器110提供的时钟信号交替地在其上面的或下面的输出端处接通从输入放大器140接收的测量信号。

同步解调器145的两个输出端与积分器（积分比较器）150连接，所述积分器这里被表示为用两个电阻和两个电容器接线的运算放大器。另外的实施方式同样是可能的，例如作为有源低通滤波器。在到同步解调器的连接方面的数字实施也是可设想的，其中信号在同步解调器的输出端处在一个半波内在一个/多个时刻从模拟的被转换成数字的并且然后与来自下一半波的相应的值比较。差被积分并且例如再次被转化成模拟信号并且被用于控制放大器。在同步解调器145在其下面的输出端处提供从输入放大器140接收的测量信号期间，积分器150在该时间上对该信号进行积分并且在其输出端处提供结果。在同步解调器145在其上面的输出端处提供从输入放大器140接收的测量信号期间，该测量信号在该时间上逆转地由积分器150积分并且结果在积分器150的输出端处被提供。在积分器的输出端处的电压是同步解调器的经低通滤波的输出的差的积分。

经由在电阻135a、135b之间可截取的差电压，可以检测在发射线圈125和130之间的阻抗差别。

发射线圈125、130中的每一个的阻抗与金属对象与发射线圈125、130的间距有关。如果发射线圈125、130的阻抗大小相同，则在同步解调器145的输出端处提供的信号在该时间上平均地也大小相同并且在积分器150的输出端处提供信号，所述信号趋于零（地）。但是如果发射线圈125、130的阻抗不同，则在同步解调器145的输出端处提供的信号平均地不再相同，并且在积分器150的输出端处提供正的或负的信号。

由积分器150提供的信号经由端子155被提供用于进一步处理。附加地，微计算机165可以与可控放大器115、120的控制输入端连接。微计算机165执行所提供的信号与阈值的比较并且在输出端170处输出信号，所述信号指示金属对象。该信号可以以光学和/或声学的方式呈现给金属探测器105的用户。

微计算机165此外可以执行对从可控放大器115、120的控制输入端截取的信号的进一步处理并且根据其来控制测量设备100的参数。例如，在时钟发生器110的输出端处的交变电压的频率或信号形状可以被改变或者接收放大器140的灵敏度可以被改变。在另一实施方式中，测量设备100的所示元件中的其他元件通过微计算机165实现，例如时钟发生器110、同步解调器145或积分器150。

积分器150的相同的信号也被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借助于反相器160与积分器150的输出端连接。反相器160这样引起给其所提供的信号的翻转，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的放大因子减小一样的尺度增加或者相反。也可设想，仅控制两个可控放大器115、120之一的放大因子，而第二可控放大器115、120的放大因子被保持在固定的值。

与具有仅一个发射线圈的测量设备相比，在本测量设备情况下，对发射线圈125、130的阻抗的温度影响通过两个发射线圈125、130中的相应的变化来补偿。此外，可以通过发射线圈125、130的适当的几何布置实现测量设备100的提高的定向作用。

图2示出发射线圈125、130相对于金属对象210的布置200用于阐述图1的测量设备100的测量原理。发射线圈125和130这样相互定向，使得其主磁场的方向相互对准，其中发射线圈125、130具有一定的间距。在例如当发射线圈125、130被实施为印刷线圈时其直径显著大于其长度的发射线圈125、130的情况下，发射线圈125、130可以处于彼此平行的层面中，在印刷线圈的例子中例如在电路板的相对的表面上。

如上面参照图1所述的，发射线圈125、130这样被布置和相互连接，使得其根据由时钟发生器110提供的信号分别生成交替的磁场。

金属对象210位于发射线圈125和130的磁场的范围中，其中金属对象210与第一发射线圈125的间距小于与第二发射线圈130的间距。第一发射线圈125的磁场因此由金属对象210比第二发射线圈130的磁场强烈地被影响。与此相应地，第一发射线圈125的阻抗与第二发射线圈130的阻抗不同。在发射线圈125和130的阻抗大小不同的情况下，在电阻135a和135b之间的电压具有与零不同的交流电压分量，所述交流电压分量与可控放大器115、120的交变电压时钟同步。该时钟同步的交流电压分量通过同步解调器145和随后的积分器150确定。差电压的时钟同步的交流电压分量的数值与发射线圈125、130的阻抗的非对称性有关。在积分器150的输出端处，因此出现信号，该信号与磁场的非对称性有关。差电压的时钟同步的交流电压分量的相位按金属对象210如所示是否比第二发射线圈130更接近于第一发射线圈125或者金属对象210是否比第一发射线圈125更接近于第二发射线圈130而定相差180°。

根据积分器150的输出电压，互相相反地改变可控放大器115、120的放大因子，使得给发射线圈125、130供应不同大小的电压。也可能的是，仅改变可控放大器125、130之一的放大因子，而第二可控放大器125、130的放大因子被保持到固定的值。对于根据图1的布置，相同的电流在一时刻流经两个发射线圈125、130中的每一个。但是由于发射线圈125、130的在存在对象220的情况下不同的阻抗，在发射线圈125和130处的电压降大小不同，并且得出差电压的与零不同的时钟同步的交流电压分量。

金属对象210在磁场中的存在可以通过在端子155处施加的调节信号与零的偏差来检测。在一个实施方式中，金属对象仅基于调节信号的预先确定的符号来检测。从而例如可能由测量设备的用户引起的在发射线圈125、130的一侧的对象被忽视。

在图2中所示的另一实施方式中，设置第三电阻135c和第四电阻135d，其分别将发射线圈125、130的与电阻135a或135b之一连接的端子引向地。第五电阻135e从输入放大器140的输入端引向地。与在图1中所示的实施方式不同，在图2中所示的实施方式能够实现，不同的电流在一时刻流经两个发射线圈中的每一个。在两个发射线圈125、130处施加的交变电压的与地有关的极性和幅度因此对在发射线圈125、130中产生的两个磁场中的每一个具有分开的影响。因此可以执行测量设备100的以下变动：

-可控放大器115和120相对于地提供相反的电压。在无对象的情况下，电压具有相同的幅度。在存在金属对象210时，所施加的电压的幅度不同。优选地，以相同指向的磁场工作，但是相反指向的磁场也是可设想的。

-可控放大器115和120相对于地提供相同指向的电压并且发射线圈125、130的绕组是同向的，使得产生相同指向的磁场。这里在一个半波期间施加在两个发射线圈125、130上的电压已经在无对象的情况下具有不同的幅度。但是，在无对象的情况下，在随后的半波中，这些幅度施加在相应另外的发射线圈125、130上。而在存在金属对象210时，在相应另外的发射线圈125、130处的幅度也在相继的半波中不同。

-可控放大器115和120相对于地提供相同指向的电压并且发射线圈125、130的绕组是反向的，使得产生相反指向的磁场。关于前述变动的实施适用于电压的幅度。

图3示出具有图1的测量设备100用的多对发射线圈的布置300。除了具有电阻135a、135b的发射线圈125、130的参照图1所述的布置之外，设置具有其他电阻335a、335b的相应布线的其他发射线圈325、330。两个相互耦合的开关310和320可选地分别将发射线圈125、130或发射线圈325、330的端子与图1的可控放大器115、120的输出端连接。在彼此相对应的电阻135a、135b、335a和335b之间的连接彼此连接并且引向输入放大器140。

线圈对125、130和325、330可以布置在一个层面中或者位于不同的层面中。尤其是并排的线圈可以被实施为印刷线圈。如果当开关115和120被切换时，输入放大器140处的差电压改变，则可以基于线圈对125、130和325、330的几何布置推断出金属对象所处于的方向，例如通过三角测量。同样可能的是推断出对象的距离。方向确定可以通过其他线圈对来精细化。如果使用大量足够彼此紧密地布置的发射线圈，则可以将测量设备100的分辨率提高到直至形象化的（bildhaft）范围中。

图4示出用于根据图1和2的测量设备100检测金属对象210的方法400的示意性流程图。在步骤410中，借助于发射线圈125、130产生相同指向地取向的磁交变场。在接着的步骤420中通过控制放大器115、120的放大因子给发射线圈125、130供应时钟发生器110的移相的交变电压，而且如此供应，使得差电压的与交变电压时钟同步的交流电压分量按数值最小化。在最后的步骤430中，当交变电压的比例不对应于流经发射线圈125、130的电流的比例时，检测金属对象210。

在图1中所示的测量设备中，通过两个发射线圈125、130的电流总是相同的，电流的比例因此为1。输入放大器140的输入端处的差电压、更确切地说差电压的时钟同步的交流电压分量被调节到零，其方式是，借助于可控放大器115、120将不同的电压施加给两个发射线圈125、130。在该情况下，发射线圈125、130处的电压的比例与1不同并且从而与通过发射线圈125、130的电流的比例不同。电压的比例对应于积分器150的输出端处的控制信号。当发射线圈125、130处的电压的比例不等于1时，端子155处的控制信号因此于是恰好不等于零，这通过发射线圈125和130的不同的阻抗引起。如果发射线圈125、130的阻抗在无对象的情况下相同，则当在端子155处施加的信号不等于零时，该信号指示对象。

Claims (9)

1.用于检测金属对象（210）的测量设备（100），其中所述测量设备（100）包括以下：

-两个用于产生叠加的磁场的发射线圈（125,130）；

-用于确定施加在发射线圈（125,130）之间的差电压的装置（135a，135b）；

-控制装置（110-120,145-160），所述控制装置用于给发射线圈（125,130）供应交变电压，使得差电压的与交变电压时钟同步的交流电压分量按数值最小化；其特征在于，

-控制装置（110-120,145-160）被设立用于当交变电压的比例不对应于当在磁场中不存在金属对象（220）的情况下发射线圈（125,130）的阻抗的比例时，检测金属对象（210）。

2.根据权利要求1所述的测量设备（100），其特征在于，交变电压是相互移相的交流电压，以便周期性地在数值上和相位上改变发射线圈（125,130）的磁场。

3.根据权利要求1或2所述的测量设备（100），其特征在于，用于确定差电压的装置（135a，135b）由两个串联的欧姆电阻（135a，135b）构成，所述欧姆电阻分别是发射线圈（125,130）的复电阻的部分。

4.根据权利要求1或2所述的测量设备（100），其特征在于，每个发射线圈（125,130）的端子之一分别借助于其他电阻（135c，135d）与地连接。

5.根据权利要求1或2所述的测量设备（100），其特征在于，发射线圈（125,130）布置在两个相间隔的、平行的层面中，使得其磁场平行地定向。

6.根据权利要求1或2所述的测量设备（100），其特征在于，发射线圈（125,130）中的至少一个是空气线圈。

7.根据权利要求6所述的测量设备（100），其特征在于，空气线圈是电路板上的印刷电路。

8.用于检测金属对象（210）的方法（400），包括以下步骤：

-借助于两个发射线圈（125,130）产生（410）叠加的磁场；

-确定在发射线圈（125,130）之间施加的差电压；

-给发射线圈（125,130）供应（420）交变电压，使得差电压的与交变电压时钟同步的交流电压分量按数值最小化；和

-当交变电压的比例不对应于当在磁场中不存在金属对象（220）的情况下发射线圈（125,130）的阻抗的比例时，检测（430）对象（210）。

9.用于检测金属对象（210）的设备，包括：

-用于借助于两个发射线圈（125,130）产生（410）叠加的磁场的装置；

-用于确定在发射线圈（125,130）之间施加的差电压的装置；

-用于给发射线圈（125,130）供应（420）交变电压，使得差电压的与交变电压时钟同步的交流电压分量按数值最小化的装置；和

-用于当交变电压的比例不对应于当在磁场中不存在金属对象（220）的情况下发射线圈（125,130）的阻抗的比例时，检测（430）对象（210）的装置。