CN102870013B - 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两个产生叠加的磁场的发送线圈、在两个磁场的范围中的接收线圈和控制装置，所述控制装置用于这样操控发送线圈，使得使在接收线圈中所感生的与交变电压时钟同步的电压在数值上最小化。在此，控制装置被设立用于当交变电压的比例不对应于接收线圈与发送线圈的间距的比例时，检测到对象。

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结构伸展时。

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）。

DE 10 2007 053 881 A1描述了一种用于确定线圈关于两个另外的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送线圈生成磁交变场。接收线圈被带到磁交变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。

具有印刷线圈的金属搜索设备在DE 10 2004 047 189 A1中被公开。

发明内容

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。

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磁场的发送线圈、在两个磁场的范围中的接收线圈和控制装置，所述控制装置用于这样给发送线圈供应交变电压，使得使在接收线圈中感生的与交变电压时钟同步的交流电压在数值上最小化。在此，控制装置被设立用于当交变电压的比例不对应于（korrespondiert）接收线圈发送线圈的间距的比例时检测到金属对象。

如果系统被金属对象干扰，则在接收线圈中感生与交变电压时钟同步的交流电压。调节系统如下被设计用于在数值上最小化该时钟同步的交流电压分量（也即使其为零）。直流电压分量或者还有非时钟同步的交流电压分量通过外部耦合输入保持不被考虑。由此可以有利地减小测量设备的易受干扰性。

有利地，从而在使用仅三个线圈的情况下可以不仅差动地而且场补偿地测量。由此可以在测量设备的高灵敏度时减少制造耗费，成本优点可以与此相关联。

优选地，交变电压是彼此移相的交流电压，用以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解调，由此可以非常有效地抑制具有与调制频率不相等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。

接收线圈可以对称地布置在发送线圈之间。由此根据金属对象的接近方向，测量值的符号可以是不同的并且基于符号可以判定，是否对对象作反应。可以通过这种方式避免误测量。

在发送线圈的磁场的范围中也可以布置另外的接收线圈，其中控制装置被设立用于基于在接收线圈中和在另外的接收线圈中感生的电压交替地给发送线圈供应电压。

接收线圈和该另外的接收线圈可以关于发送线圈采取不同的位置和/或基于其形状、伸展或其构造具有不同的灵敏度。在发送线圈和接收线圈的相应的构造和布置时，从而能够可能的是，通过利用多个接收线圈的比较式测量来确定金属对象的方向、距离和/或大小。

尽管可以使用任意的线圈类型，但是优选地线圈中的至少一个是空气线圈。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，由此可以在测量设备的制造范围中一次地进行校准。

优选地，线圈中的至少一个被构造为电路板上的印刷电路（“印刷线圈”）。由此可以在小生产耗费的情况下实现一个或多个印刷线圈的精确制造。在此，可以在同一电路板上构建控制装置。通过最小化布线和装配成本从而可以节省另外的制造成本。

也可设想的是，通过磁场传感器代替接收线圈。例如可以使用磁阻磁场传感器，例如霍尔传感器。

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：借助于两个发送线圈产生叠加的磁场，确定在两个磁场的范围中在接收线圈中感生的电压，这样地给发送线圈供应交变电压，使得使在接收线圈中感生的与交变电压时钟同步的交流电压在数值上最小化，并且当交变电压的比例不对应于接收线圈与发送线圈的间距的比例时检测到金属对象。

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可以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示出测量设备的框图；

图2示出图1的测量设备处的线圈和金属对象的布置；

图3示出图1的测量设备的多个接收线圈的布置；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的框图。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的输出端与第二发送线圈130连接。发送线圈125和130的剩余的端部分别与地电连接。

如通过在发送线圈125和130处的点所表明的，发送线圈125和130同向地取向。在供应相对于地相反的电压时，发送线圈125、130建立具有相反的定向的磁场。在无对象的情况下和在接收线圈135对称地布置在发送线圈125和130之间时，接收线圈135实现的磁通量为零并且在接收线圈135中感生的电压同样为零。相同的效应也可以通过相应地对发送线圈125、130重新取向和适配由可控放大器115、120给出的电压的极性来获得。

当给发送线圈供应关于地具有相同极性的电压时，可以以仍然有利的方式实施测量原理。在供应相反极性的电压时在接收线圈135对称地布置在发送线圈125和130之间时在无对象情况下在发送线圈125、130处的电压在一个半波期间近似地具有相同的幅度，而这在供应相同极性的电压时是不需要的。更确切地说，也可设想的是，在供应相同极性的电压时在发送线圈125、130处施加的电压的幅度在一个半波期间已经在无对象情况下和在接收线圈135在发送线圈125、130之间的非对称布置中不同。在接着的半波中，这些幅度于是施加在相应的另外的发送线圈130、125上。而在金属对象存在时，在相应另外的发送线圈130、125处的幅度也在后续的半波中不同。在这种情况下，发送线圈125、130可以同向地取向，使得由两个发送线圈125、130构建相同指向的磁场。从而接收线圈135实现的磁通量在时间上是恒定的并且在接收线圈135中感生的电压为零。

其他描述涉及具有供应电压的相反极性和发送线圈125、130的同向取向的实施例。

接收线圈135利用一个端子与地连接，第二端子引导向输入放大器140。在另一实施方式中，接收线圈135可以通过磁场传感器代替，例如霍尔传感器。接收线圈可以利用其端部也与差分放大器的两个输入端连接，其中差分放大器的输出端与输入放大器140连接。输入放大器140利用恒定的放大因子表示；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/或灵敏性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。连接到同步解调器145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/多个时刻从模拟的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从输入放大器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倒相地由积分器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的经低通滤波的差的积分。

同步解调器仅考虑所感生的电压，所述所感生的电压与可控放大器115、120的交变电压是时钟同步的。所感生的电压的直流电压分量或还有非时钟同步的交流电压分量保持不被考虑，因此测量设备对于这种干扰是有抵抗力的。如果在接收线圈135中由第一发送线圈125的磁场感生出与由第二线圈130的磁场完全一样大的电压，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大小相同并且在积分器150的输出端处提供趋于零（地）的信号。但是如果发送线圈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。

在接收线圈135中感生的电压由于接收线圈135与发送线圈125、130的不相同的间距而被影响。相应的影响通过由发送线圈125、130给出的电压的不相同的幅度产生。因为接收线圈135的位置相对于发送线圈125、130是不变的，所以在由可控放大器115、120给出的电压的幅度之间的预先确定的比例相应于无对象的情况。如果电压的比例与预先确定的比例不同，则可以在发送线圈125、130的叠加的磁场的区域中推断出对象。

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的灵敏性可以被改变。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的放大因子减小的尺度增加或者反过来。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。

图2示出发送线圈125、130和接收线圈135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。发送线圈125和130这样相互定向，使得其主磁场的方向相互对准，其中发送线圈125、130具有一定的距离。在例如当发送线圈125、130被实施为印刷线圈时其直径显著大于其长度的发送线圈125、130的情况下，发送线圈125、130可以处于彼此平行的平面中，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，发送线圈125、130这样被布置和相互连接，使得其根据由时钟发生器110提供的信号生成交变的磁场，其中在每个时刻第一发送线圈125的磁场与第二发送线圈130的磁场相反地定向。在发送线圈125和130之间的面上，叠加的磁场相互消除。接收线圈135被布置在该面中，其中接收线圈135围绕其而缠绕的轴线优选地与该面垂直。接收线圈135可以与发送线圈125、130对准或者侧向地相对于发送线圈125、130推移地布置。如果发送线圈125、130相互对准，则该面是平面。

金属对象210位于发送线圈125和130的磁场的范围中，其中金属对象210与第一发送线圈125的间距小于与第二发送线圈130的间距。第一发送线圈125的磁场因此由金属对象210比第二发送线圈130的磁场更强烈地被影响。与此相应地，接收线圈135遭受发送线圈125、130的磁场，所述磁场不相同地强烈，使得所得出的磁场在接收线圈135的范围中存在并且在接收线圈135中感生正的电压。如果金属对象210比靠近第一发送线圈125更靠近第二发送线圈130，则差电压与此相应地为负的。

在接收线圈135中感生的电压的数值与发送线圈125、130的作用于接收线圈135的磁场的非对称性有关。因此在积分器150的输出端处出现与磁场的非对称性有关的信号。

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，使得给发送线圈125、130供应不同大小的电压。在接收线圈135的范围中的由发送线圈125、130生成的磁场于是再次具有相同的数值和不同的符号，使得在接收线圈135中感生的电压再次趋于零。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对象在发送线圈125、130的侧上被忽略。

图3示出图1的测量设备100的多个接收线圈的布置300。除了接收线圈135，提供另外的接收线圈310。该另外的接收线圈310的一个端子与地连接，另一端子与开关320连接。开关320选择性地或者将另外的接收线圈310的第二端子或者将接收线圈135的第二端子与输入放大器140的输入端连接。

另外的接收线圈310具有比接收线圈135多的绕组并且因此在可比的磁场情况下提供比接收线圈135大的输出信号。接收线圈135和310例如可以并排地或同中心地布置，例如作为印刷线圈。

在另一实施方式中，接收线圈135和310相同地被构建。通过与具有合适数量的开关位置的开关320相结合地相应地设置很多另外的接收线圈310，可以根据接收线圈135、310的布置可确定金属对象210的方向、距离和/或大小，例如通过基于接收线圈135、310的布置的三角测量。

在一个实施方式中，可以在上面参照图2所述的平面中布置大量同种接收线圈135、310。最接近金属对象210的该接收线圈135、210需要通过发送线圈125、130产生的磁场的最大非对称性。通过借助于开关320切换从而可以确定，接收线圈135、310中的哪个最接近金属对象210，由此可以导出金属对象210相对于发送线圈125、130的方向。

图4示出用于根据图1和图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，借助于发送线圈125、130产生不同取向的磁交变场。在步骤420中确定在接收线圈135中感生的电压。在步骤430中，根据在步骤420中确定的感生的电压这样控制放大器115、120的放大因子，使得在接收线圈135中感生的与交变电压时钟同步的电压在数值上被最小化。在最后的步骤440中，基于给发送线圈125、130的不对称的电压供应或者放大器115、130的不相同的调节（Aussteuerung）来检测金属对象210。为此比较，在端子155处施加的电压是否超过值零多于预先确定的尺度，其中该尺度本身可以是任意的值。

Claims (9)

1.用于检测金属对象（210）的测量设备（100），其中该测量设备包括以下：

-两个用于产生叠加的磁场的发送线圈（125,130）；

-在两个磁场的范围中的接收线圈（135）；

-控制装置（110-120,145-160），用于给发送线圈（125,130）供应交变电压，使得在接收线圈（135）中所感生的与交变电压时钟同步的电压在数值上最小化，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接收线圈（135）与发送线圈（125,130）的间距的比例时，检测到金属对象（210）。

2.根据权利要求1所述的测量设备（100），其特征在于，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（125,130）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，所述接收线圈（135）对称地布置在发送线圈（125,130）之间。

4.根据权利要求3所述的测量设备（100），其特征在于至少一个在发送线圈（125,130）的磁场的范围中布置的另外的接收线圈（310），其中所述控制装置（110-120,145-160）被设立用于基于在接收线圈（135）中和在该另外的接收线圈（310）中感生的电压交替地给发送线圈（125,130）供应电压。

5.根据权利要求4所述的测量设备（100），其特征在于，设置分析装置，以便基于在接收线圈（135,310）中感生的电压确定金属对象（210）的方向、距离和大小中至少之一。

6.根据权利要求1或2所述的测量设备（100），其特征在于，所述线圈（125,130,135）中的至少一个是空气线圈。

7.根据权利要求1或2所述的测量设备（100），其特征在于，所述线圈（125,130,135）中的至少一个被构造为电路板上的印刷电路。

8.根据权利要求7所述的测量设备（100），其特征在于，所述控制装置（110-120,145-160）被构建在电路板上。

9.用于检测金属对象（210）的方法（400），包括以下步骤：

-借助于两个发送线圈（125,130）产生（410）叠加的磁场；

-确定（420）在两个磁场的范围中在接收线圈（135）中感生的电压；

-给发送线圈（125,130）供应（430）交变电压，使得在接收线圈（135）中感生的与交变电压时钟同步的电压在数值上最小化，并且

-当交变电压的比例不对应于接收线圈（135）与发送线圈（125,130）的间距的比例时检测（440）到金属对象（210）。