CN102870012B - 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包括用于产生磁场的发送线圈和与发送线圈连接的补偿网络，其中在发送线圈和补偿网络之间施加差电压。测量设备另外包括控制装置，所述控制装置用于这样给发送线圈和补偿网络供应交变电压，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流经发送线圈和补偿网络的电流的比例时，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

为了检测这种隐藏的物体，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送线圈，所述发送线圈如此被操控，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，借助于两个成角度地相互布置的发送线圈生成磁交变场。接收线圈被带到磁场中并且发送线圈的操控这样改变，使得在接收线圈中由发送线圈中的每一个感生相同的电压。输送给发送线圈的电流值的比例（Verhaeltnis）用作用于接收线圈关于发送线圈的位置和/或角度确定的尺度。

DE102004047189A1描述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7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用于产生磁场的发送线圈以及与发送线圈连接的补偿网络，其中在发送线圈与补偿网络的连接上施加差电压。控制装置被设置用于这样给发送线圈和补偿网络供应交变电压，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（korrespondiert）流经发送线圈和补偿网络的电流的比例时检测到金属对象。

因此可以借助于仅一个唯一的发送线圈来可靠地检测金属对象。在此，施加在发送线圈和施加在补偿网络上的交变电压总是如此被调节，使得即使在发送线圈和补偿网络的阻抗不相等时，在发送线圈和补偿网络上下降的电压也彼此相应。调节信号被解释为实际上的测量信号。

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送线圈的磁场。交流电压能够实现同步调制，由此可以非常有效地抑制具有不等于调制频率的频率的干扰信号。此外，可以通过交流电压产生交变的磁场，以便在例如铜的非磁性材料中感生涡流，基于所述涡流于是可以探测所述非磁性材料。

补偿网络可以包括至少一个复电阻。发送线圈和补偿网络的阻抗可以相等并且发送线圈和补偿网络可以以相同的方式遭受诸如温度和老化效应的干扰影响，使得总起来说，干扰影响的影响得以补偿。测量设备的校准于是可以在测量设备的制造范围中一次地进行并且由用户进行的其他校准可以取消。

可以设置在发送线圈和补偿网络之间的连接，其中控制装置被设立用于根据在连接上所施加的差电压控制电压供应。因此，可以容易地和准确地确定指示流经发送线圈和流经补偿网络的电流的比例的电压。

补偿网络可以具有可变阻抗。由此，测量设备的灵敏度可以是可控制的。阻抗可以是离散地或分级地可变的并且尤其是根据测量信号来执行。补偿网络也可以在磁方面被屏蔽。

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：给发送线圈和与发送线圈连接的补偿网络供应交变电压，确定施加在发送线圈与补偿网络的连接上的差电压，其中给发送线圈和补偿网络供应交变电压这样来进行，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流经发送线圈和补偿网络的电流的比例时，检测到对象。

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的测量设备细节视图；

图3示出图1的测量设备的多个发送线圈的布置；和

图4示出图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的输出端与第一发送线圈125连接，并且第二可控放大器120的输出端与补偿网络130连接。补偿网络130提供阻抗，所述阻抗位于发送线圈125的所述阻抗的范围中。在几个实施方式中，补偿网络130可以具有可变阻抗。

下面描述一种实施方式，其中发送线圈125和补偿网络130的阻抗彼此相应。但这对于测量设备100的功能一般不需要。

发送线圈125的第二端子与引向地的分流电阻138并且与引向输入放大器140的电阻135a连接。补偿网络130拥有地端子并且经由电阻135b与输入放大器140连接。在分流电阻138上下降的电压与流经发送线圈125的电流成比例。流经电阻135a和135b的电流得出经由第三电阻139流向地的总电流。该电流与在分流电阻138上下降的电压以及在补偿网络130中下降的电压之和成比例。从而，在电阻139上相对地下降的电压与在分流电阻138上下降的电压以及在补偿网络130中下降的电压之和成比例。该电压施加在输入放大器140的输入端上。

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。在一种简单的实施方式中，其中由时钟发生器110提供的信号是对称矩形信号，可以使用输出信号之一作为时钟信号。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转接从输入放大器140接收的信号。

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与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145的连接方面积分器150的数字实施也是可设想的，其中信号在同步解调器145的输出端处在一个半波内在一个或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。

当同步解调器145在其下面的输出端处提供由输入放大器140接收的测量信号的时候，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。当同步解调器145在其上面的输出端处提供从输入放大器140接收的测量信号的时候，该测量信号在该时间上反相地由积分器150积分并且结果在积分器150的输出端处被提供。在积分器150的输出端处的电压是同步解调器150的经低通滤波的输出的差的积分。

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175可以与可控放大器115、120的控制输入端连接。微计算机175执行所提供的信号与阈值的比较并且在输出端180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175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变化或者接收放大器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175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的相同的信号也可以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的放大因子以至少与第二可控放大器120的放大因子减小的程度增加或者相反。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。

如果金属对象170不处于由发送线圈125产生的磁场的区域中，则发送线圈125和补偿网络130的阻抗大小相同并且在电阻135a和135b之间施加电压零。必要时，在将金属对象170带到发送线圈125的区域中之前可以根据所述条件校准测量设备100。

如果金属对象170处于发送线圈125的区域中，则由此发送线圈125的阻抗和从而流经发送线圈125的电流变化。与此相应地，在电阻135a、135b之间施加的电压的时钟同步的交流电压分量不等于零并且在积分器150的输出端处施加的信号相对于零以一个数值改变。然后，可控放大器115和120互相相反地如此在其放大因子方面被改变，即施加在发送线圈125上和施加在补偿网络130上的电压这样被改变，使得在电阻135a和135b之间施加的电压的时钟同步的交流电压分量再次被减小到零。金属对象170的存在可以通过将积分器150的输出电压与零比较来检测。

在发送线圈125和补偿网络130的阻抗不同的情况下，在端子155处输出的信号在无对象的情况下不是零，而是另外的预先确定的值。于是关于预先确定的值进行调节值的上述比较。预先确定的值的确定可以在校准的范围中被确定，其方式是，在不存在金属对象时确定在端子155处的信号。

补偿网络130有利地尽可能如此被设计，使得所述补偿网络遭受与发送线圈125的温度和老化效应相应的温度和老化效应，以便通过同向地影响元件125、130来总体上补偿通过温度和老化对测量设备100的影响。在该情况下，对测量设备100的校准可以在制造测量设备100时一次地被执行并且不必由用户在与要执行的测量时间接近地重复。

图2示出补偿网络130的扩展表示。在简单的实施方式中，补偿网络130仅仅包括复分压器210，所述复分压器包括复电阻220和230。复电阻220、230这样被选择，使得所述复电阻共同地构成阻抗，当要检测的金属对象不处于由发送线圈125产生的磁场的区域中时，所述阻抗相应于发送线圈125的阻抗。第二可控放大器120的借助于电阻220和230对地划分的电压借助于第二电阻135b耦合输出并且引导到输入放大器140，如上面参照图1所述的。

在补偿网络130的其他实施方式中，还设置其他复电阻240，所述其他复电阻借助于开关250可以与复电阻230并联。通过操作开关250可以在补偿网络130的两个不同的阻抗之间切换。以相应的方式也还可以通过对还有另外的和/或其他的复阻抗（如复阻抗240）的并联或串联接线来实现其他阻抗。

在示例性实施中，开关250由阈值开关260操控，所述阈值开关包括比较器（运算放大器）270和两个电阻280和190。电阻280和290构成在测量设备100的供应电压U和地之间的分压器。所划分的电压被引导给比较器270的非反相输入端。比较器270的反相输入端与积分器150的输出端或端子155连接。如果由积分器150提供的电压超过通过分压器280、290提供的电压，则比较器270操作开关250并且由此改变补偿网络130的阻抗。

图3示出具有用于图1的测量设备100的多对发送线圈和补偿网络的布置300。除了具有电阻135a、135b的补偿网络130和发送线圈125的参照图1所述的布置之外，以相应的接线设置具有其他电阻335a、335b的其他补偿网络330和其他发送线圈325。未示出对应于图1中分流电阻138的从发送线圈125、325的端子引向地的电阻。同样在图3中没有示出图1的与输入放大器140连接的电阻139。线圈125和325可以被实施为电路板上的印刷电路（“印刷线圈”）。在同一电路板上还可以布置测量装置100的其他元件。

两个相互耦合的开关310和320可选地分别将发送线圈125和补偿网络130的端子或者发送线圈325和补偿网络330的端子与图1的可控放大器115、120的输出端连接。在彼此对应的电阻135a、135b、335a和335b之间的连接相互连接并且引向输入放大器140。

在另一实施方式中，仅设置补偿网络130，其与不同的发送线圈125、135接线。开关320在该情况下可选地将第二电阻135b的未与补偿网络130连接的端子与第一电阻135a、335a之一连接。元件335b和330取消。

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125、325的几何布置来推导出金属对象210所处于的方向，例如通过三角测量。同样可设想的是，推断出金属对象的距离。方向确定可以通过其他发送线圈来精细化。如果使用大量足够密集地相互布置的发送线圈，则可以将测量设备100的分辨率升高直至形象化的范围。

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，分别给发送线圈125和补偿网络130供应交变电压，其中电压被相互移相、优选地移相180°。

在随后的步骤420中，确定差电压，所述差电压出现在电阻135a和135b处并且指示流经发送线圈325的电流与流经补偿网络330的电流的比例。接着，在步骤430中与所述交变电压的相位同步地解调差电压并且对结果进行积分。

在步骤440中，基于所积分的结果这样相互相反地操控可靠放大器115和120，直至差信号的时钟同步的交流电压分量再次接近零。

最后，在步骤450中比较，所积分的结果是否与零偏差超过预先确定的数值并且在该情况下检测到金属对象170。可选地可以将对金属对象170的光学和/或声学指示输出给用户。

Claims (8)

1.用于检测金属对象（170）的测量设备（100），其中所述测量设备（100）包括以下：

-用于产生磁场的发送线圈（125）；

-与发送线圈（125）连接的补偿网络（130）；

-其中在发送线圈（125）与补偿网络（130）的连接上施加差电压；

-控制装置（110-120，145-160），其用于给发送线圈（125）和补偿网络（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被最小化；

其特征在于，

-所述控制装置（110-120，145-160）被设立用于当所述交变电压的比例不对应于流经发送线圈（125）和补偿网络（130）的电流的比例时检测到金属对象（170）。

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

3.根据前述权利要求之一所述的测量设备（100），其特征在于，所述补偿网络（130）包括至少一个复电阻。

4.根据权利要求1或2所述的测量设备（100），其特征在于，所述补偿网络（130）具有可变阻抗。

5.根据权利要求4所述的测量设备（100），其特征在于，所述阻抗分级地可改变。

6.根据权利要求5所述的测量设备（100），其特征在于，所述控制装置（110-120，145-160）被设立用于根据交变电压的差别控制所述阻抗。

7.用于检测金属对象（170）的方法（400），包括以下步骤：

-给发送线圈（125）和与发送线圈（125）连接的补偿网络（130）供应（410）交变电压；

-确定施加在发送线圈（125）与补偿网络（130）的连接上的差电压；

-其中给发送线圈（125）和补偿网络（130）供应（410）交变电压这样来进行，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流经发送线圈（125）和补偿网络（130）的电流的比例时，检测到（440）对象（170）。

8.用于检测金属对象（170）的设备，包括以下装置：

-用于给发送线圈（125）和与发送线圈（125）连接的补偿网络（130）供应（410）交变电压的装置；

-用于确定施加在发送线圈（125）与补偿网络（130）的连接上的差电压的装置；

-其中给发送线圈（125）和补偿网络（130）供应（410）交变电压这样来进行，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

-用于当交变电压的比例不对应于流经发送线圈（125）和补偿网络（130）的电流的比例时检测到（440）对象（170）的装置。