CN102870327B - 介电对象的检测 - Google Patents

Abstract

一种用于检测介电对象的测量装置，其中所述测量装置包括：电势探头，用于确定在电场中的电势；第一电容装置和第二电容装置；以及用于为第一电容装置和第二电容装置供给交变电压的控制设备。控制设备被设立用于将交流电压相对于彼此相反地放大，以便将借助电势探头接收的电压的与交变电压时钟同步的交流电压部分在数值上最小化。当交变电压的比例/关系与电势探头至电容装置的距离的比例/关系不对应时，检测到介电对象。

Description

介电对象的检测

技术领域

本发明涉及一种用于介电对象的检测器。特别地，本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分所述特征的用于检测介电对象的测量装置。

背景技术

为了检测埋藏在壁中的物体如埋藏在壁中的梁，在现有技术中公开了电容性的检测器。所述检测器通常使用电极，观察其充电特性，以便推断出介电对象。也公开了具有多个电极的检测器，其中电容的变化由电极对确定。通常需要的是，将所述检测器在壁上手动校准，因为设备不能自己识别出壁接触，并且电容取决于环境条件如壁的湿度、空气湿度或者环境温度。因此不可能将这种检测器一次性地在制造时校准，而是该校准必须相对时间接近地在测量之前通过使用者来进行。在此，测量结果取决于校准的质量。如果带有壁接触的检测器在如下部位校准：在该部位的区域中存在梁，则以后的测量结果可能是多义的，这会使得使用者困惑。

此外，所描述的检测器对于在壁上的倾斜而言易受影响。由于倾斜，多个电极与壁的距离不相同，使得所测量的电容具有误差。此外，在电极上测量的电容在所描述的检测器接近壁时并不单调增加，使得与壁的距离以及检测器与壁的接近或者远离难以被领会。

DE102008005783A1描述了一种与湿度无关的电容性装置，用于针对夹紧进行保护。夹紧传感器包括带有可变距离的两个电极。夹紧传感器和带有恒定电容的电路被供给交变电压，其中电压被增强或者减弱，使得在夹紧传感器的电极上的电压最小化。如果电极的相对距离变化，则基于电极上增加的电压而检测到夹紧。

发明内容

本发明所基于的任务是，提供用于介电对象例如在壁中的木头梁的简单并且准确的检测器。

本发明借助具有权利要求1所述特征的测量装置以及具有权利要求10所述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。

根据本发明，用于检测介电对象的测量装置包括：电势探头，用于确定在电场中的电势；第一电容装置和第二电容装置；以及用于为第一电容装置和第二电容装置供给交变电压的控制设备。控制设备被设立用于将这些交变电压相对于彼此相反地（gegenlaeufig）放大，以便将借助电势探头接收的电压的与交变电压时钟同步的交流电压部分在数值上最小化。当所述交变电压大小不同时，检测到介电对象。

根据本发明的测量装置确定两个电容的差，使得两个电容涉及的干扰影响并不影响测量结果。在此，电容装置的每个可以包括电极，其与电势探头的电极形成电容。测量装置的通过使用者的校准可以省去，并且校准可以一次性地进行，譬如在制造测量装置的范围中进行。因为在壁上的校准被省去，当设备在对象的区域中被设置到壁上时，所以也可以直接并且可靠地检测对象。

优选的是，第一电容装置和第二电容装置的电极基本上设置在一个平面中，并且电势探头的电极设置在所述平面之外。与其中发送电极直接靠置在壁上的布置相比，在倾斜时，电极的相对距离变化相对于电极与壁的总距离而言较小。在测量设备相对于壁倾斜的情况中，可以将电容装置的相对电容变化最小化，使得将测量误差最小化。

电势探头可以包括两个与差分放大器连接的接收电极，其中接收电极以相对于第一电容装置和第二电容装置的距离、优选相同的距离布置在所述平面的不同侧上。差分放大器可以附加地包括高通滤波器。由差分放大器提供的信号由于差分测量而对于外部影响如带有电势的或者导电的壁不敏感。此外，由此执行的场补偿的测量非常准确。信号的符号指示介电对象的相对位置，从而可以使得找到介电对象变得容易。符号变换（过零）指示梁的中部。倾斜的影响可以如在上面描述的结构中那样被最小化。

在电容装置的至少之一的背离介电对象的侧上，可以设置有屏蔽电极，其与电势连接，该电势在中心地（mittig）处于交变的电压之间。该屏蔽电极例如也可以是另一电路板或者显示器，并且由此不能直接识别为屏蔽电极。一般地，该电势是地。测量装置的使用者于是相对于测量设备屏蔽，使得测量的干扰可以被最小化。

电容装置可以被构建为使得在该电容装置和电势探头之间存在的电容与介电对象无关。由此，测量可以基于仅仅与介电对象相关的电容来进行，由此可以简化测量设备的结构。尤其是，这种测量设备可以相对于倾斜不敏感，因为电势探头可以取与电极相同的电势，使得得到的电场并不由于电势探头的电场而改变。

可以设置补偿网络，用于将通过电容装置提供的至少一个电容改变与介电对象无关的量。由此，可以调节测量装置的灵敏度并且电容装置的电容可以例如与几何情况匹配。

此外，可以设置电容装置的多个电极对，其例如成对地位于电势探头的不同侧上，其中控制设备被设立用于：当不同的电极对被供给交变电压时，基于交变的电压的差来确定介电对象的大小、伸展、距离和方向的至少之一。通过将电极小型化，可以提高测量装置的空间分辨率，在一个实施形式中直到进入形成图像的范围中。优选的是，电极对的电极在平面中矩阵式地围绕电势探头布置。

一种用于检测介电对象的方法包括如下步骤：在电场中借助电势探头确定电势，为两个电容装置供给具有相反地放大的交变电压，使得确定的电势的与交变电压时钟同步的交流电压部分在数值上被最小化，以及当交变电压大小不同时，检测到介电对象。

该方法可以在程序控制的处理设备上、例如微计算机或者微控制器上运行，或者存储在计算机可读的存储介质上。

附图说明

下面参照附图更准确描述本发明。其中：

图1示出了测量装置的方框电路图；

图2a－2c示出了用于图1中的测量装置的电极的不同布置；

图3a、3b示出了用于图1中的测量装置的电势探头；

图4示出了用于图1中的测量装置的电极的另一布置；以及

图5示出了用于检测介电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的方框电路图。测量装置100是用于检测例如木头构成的介电对象的梁探测器105的部分。

时钟发生器110具有两个输出端，在输出端上其提供相移的、优选180o相移的周期性变换信号。变换信号尤其是可以包括矩形信号、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，其通过控制输入端来接收信号，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电极125连接，并且第二可控放大器120的输出端与第二发送电极130连接。

接收电极135用作电势探头，并且与输入放大器140连接；在电极125－135的范围中示出的补偿网络165首先并不被考虑，并且省去了阻抗170。输入放大器140用恒定的放大因子示出；然而在另外的实施形式中，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，并且例如能够根据测量量来控制。

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，并且从其接收时钟信号，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），可以将输出信号之一用作时钟信号。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所接收的测量信号交替地在其上部或者下部输出端上接通。

同步解调器145的两个输出端与积分器（进行积分的比较器）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。其他实施形式同样是可能的，例如作为有源低通滤波器。连接在同步解调器145之后的数字实施形式也是可考虑的，其中在同步解调器145的输出端上的信号在一个半波内的一个或者多个时刻上被模拟向数字地转换，并且随后与来自下一个半波的相应值进行比较。差被积分并且例如又转化为模拟信号，并且用于控制放大器。当同步解调器145将输入放大器140接收的测量信号在其下部输出端上提供时，积分器150在时间上对该信号积分，并且在其输出端上提供结果。当同步解调器145将输入放大器140接收的测量信号在其上部输出端上提供时，该测量信号被积分器150倒相地在时间上积分，并且在积分器150的输出端上提供结果。在积分器的输出端上的电压是同步解调器的经低通滤波后的输出的差的积分。

如果第一发送电极125的电容正好与第二发送电极130的电容大小相同，则在同步解调器145的输出端上提供的信号在时间上平均大小相同，并且在积分器150的输出端上提供信号，该信号趋向零（接地）。然而如果电容大小不同，例如因为介电对象布置在发送电极125、130之一的区域中，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提供用于进一步的处理。附加地，微计算机165与可控放大器115、120的控制输入端连接。微计算机165进行所提供的信号与阈值的比较，并且在输出端170上输出信号，该信号指示介电对象。该信号可以用光学和/或声学方式呈现给梁检测器105的使用者。

微计算机165此外可以对从可控放大器115、120的控制输入端截取的信号进行进一步处理，并且据其控制测量装置100的参数。例如，在时钟发生器110的输出端上的交变电压的频率或者信号形状可以变化，或者接收放大器140的灵敏度被改变。在另一实施形式中，测量装置100的所示的元件进一步通过微计算机165来实施，譬如时钟发生器110、同步解调器145或者积分器150。

积分器150的相同的信号也用于控制可控放大器115和120的放大因子，其中两个可控放大器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的放大因子减小那样的程度来增大，或者反过来。也可考虑的是，仅仅可控放大器之一的放大因子被控制，而第二可控放大器的放大因子保持为固定值。

补偿网络165在发送电极125、130的每个上包括由两个阻抗构成的分压器。被划分的电压分别借助另一阻抗引导至输入放大器140。接收电极135并非直接地而是借助阻抗170引导至输入放大器140。通过相应地选择所述的各阻抗，可以改变在可控放大器115、120的输出端上有效的阻抗。由此，例如可以补偿电极125－135的非对称布置。

在另一实施形式中，相对于图1中的补偿网络165的示图省去了在第一发送电极125的区域中的阻抗以及第二发送电极130。由此，使得可控放大器115、120的交变电压在第一（单个的）发送电极125上的电容和通过补偿网络165形成的参考电容之间被平衡。参考电容相对于介电对象是不变的。为了测量，仅仅还需要第一发送电极125以及接收电极135。

反过来的实施形式同样是可能的，其中相对于图1中的补偿网络165的示图省去了在第二发送电极130的区域中的阻抗以及第一发送电极125。

通过设置开关，可以将测量装置100根据所描述的实施形式在三电极测量运行中在使用两个发送电极125和130情况下、在第一两电极测量运行中在使用第一发送电极125和接收电极135的情况下以及在第二两电极测量运行中在使用第二发送电极130和接收电极135的情况下运行。在不同的测量运行之间的切换可以循环进行，或者通过用户来控制。

当介电对象最接近接收电极135时，在两电极测量运行中在图1中的测量装置100的端子155上的电压最大，而在三电极测量运行中，当介电对象最接近发送电极125或者130之一时，该电压的数值最大，其中电压的符号指示各最接近的发送电极。如果对象在电极旁移动经过，则于是在三电极测量运行中产生带有符号变化的信号，并且在两电极测量运行中，产生带有在经过瞬间局部最大值的信号。

图2a-2c示出了图1中的发送电极125、130和接收电极130的不同布置200。视角是朝向底部的。在图2a-2c的上部区域中分别示出了通过壁210的水平截面的俯视图。在壁210中埋藏了木梁220。所示的布置200、尤其是图2b和2c的布置，可以普遍地应用于带有多个电极的电容性梁探测器，而并不局限于带有图1中的梁探测器105的应用。

在图2a中，电极125-130在一个平面中并排布置。接收电极130与每个发送电极125、130的距离相同。为了屏蔽来自不同于壁210的方向的其他方向的影响，可以任选地设置有屏蔽电极230，其布置在电极125-135之下。

在图2b中，不同于图2a中的示图，接收电极130布置在发送电极125、135位于其中的平面之外。在示图中，接收电极130在平面之上示出，在一个可替选的实施形式中，其也可以位于平面之下。在测量设备100连同电极125-135以及任选的屏蔽电极230围绕与壁210平行的竖轴倾斜的情况下，在接收电极130位置处的相对场变化小于在图2a中的布置200的情况下，因为借助发送电极125、135产生的电场的场强随着增大的距离而变小。倾斜的变小的影响也取决于，在倾斜的情况下，接收电极130相对于壁210的距离比发送电极125、135整体上相对于壁210的距离以更小的程度增大。

图2c示出了布置200，其对于上面参照图1描述的两电极测量运行是适合的。接收电极130布置在发送电极125或135之一之上，其中发送电极125或者135比接收电极更宽。任选的屏蔽电极230优选比发送电极125或135更宽。发送电极也可以通过两个分立存在的发送电极125和135的电连接形成。通过所描述的布置200，可以进一步减小在两电极测量运行中倾斜的影响。

图3a和3b示出了用于图1中的测量装置的电势探头300。在图3a中示出了电势探头300的电极的布置310，在图3b中示出了带有电势探头300的其他元件的布置310。电势探头300可以替代附图中的测量装置100的接收电极135。

在图3a中的示图对应于在图2a-2c中的视角。发送电极125和135布置在屏蔽电极230上的平面中。第一接收电极320和第二接收电极330布置在发送电极125和135之间的垂直对称线340上。接收电极320、330与发送电极125、135的平面的距离优选相同。在发送电极125、135的区域中绘出了等电势线。接收电极320、330在零电势线上；然而当接收电极320、330在相同电势线上时，已经足够。在所示的接收电极320、330在对称线上的布置中，可以借助测量装置100来进行场补偿的测量。

如在图3b中所示，接收电极320、330通过电阻340或者350与差分放大器360的输入端连接。差分放大器360形成在其输入端上的电压的差（差分测量）。差分放大器360的输出端通过高通滤波器370引导至图1中的输入放大器140或者引导至连接在输入放大器140之前的阻抗170。高通滤波器370去除了低频干扰，其中低频干扰例如会通过带有电势的或者导电的壁210引起。

介电对象220主要影响第一接收电极330，使得第二接收电极320用作参考电势。屏蔽电极230与零电势（地）连接。屏蔽电极230也可以与任意其他电势连接，因为通过在差分放大器360中进行的减法，将相同的分量在所输送的信号中消除。电势探头300本身由此没有电势。此外，所示的电势探头由于将电极125、135、230、330、340分布在总计三个平面上而对于倾斜并不敏感，如上面参照图2a-2c所阐述的那样。

电势探头300的输出信号取决于介电对象如图2a-2c中的梁220的横向位置。如果梁220从右向左在电势探头300旁移动经过，只要梁220在对称轴340的左边，则在图1中的测量装置100的端子155上的输出信号是负的，而一旦梁220在对称轴340右边，则是正的。于是，大的梁220的边缘可以借助输出信号中的极值通过在壁220上的布置310的方法而被容易地发现。同样地，梁220的中部可以借助于符号变换而通过在壁220上的布置310的方法而被容易地找到。

图4示出了用于与图1中的测量装置100一同使用的电极的另一布置400。该布置400在俯视图中示出。相对于接收电极135，第一发送电极125和第二发送电极130成对地对置。整个结构具有3×3矩阵的形式，其中中间的元件通过接收电极135形成。

在三电极测量运行中，彼此对置的发送电极125、130的不同的对可以相继地与图1中的测量装置100连接。因为在端子155上的测量装置的输出信号的极性在三电极测量运行中取决于介电对象相对于接收电极的横向方向，所以可以通过相继的多次测量来精确地确定介电对象的方向。

在另一实施形式中，可以省去在布置400的对角线上的电极125、130，使得剩余的电极125－135以加号的形式布置。该布置400可以如上面参照图2所描述的那样与屏蔽电极230连接地在电极125、135的背离介电对象的侧上使用。

图5示出了用于借助图1的装置来检测介电对象220的方法500的流程图。该方法500包括步骤510至550。

在步骤510中，电容装置125和135被供给交变电压。在步骤520中，确定电势，该电势在电容装置125和135的区域中在电势探头135、300上出现。在步骤530中确定电势的交流电压部分，其与电容装置125和135上的交变电压时钟同步。根据确定的交流电压部分，在步骤510中控制电容装置125和130的供给，其中方法500为此必要时必须重新进行。借助对电容装置125和130的供给的控制，将与交变电压时钟同步的、在电势探头135、300上确定的电势的交流电压部分在数值上最小化。接着，在步骤540中，将电容装置125和135的交变电压相互比较。如果电压彼此偏差超过预先确定的程度，则在步骤550中检测到介电对象。随后，方法500回到开头，并且重新进行。

Claims (11)

1.一种用于检测介电对象（220）的测量装置（100），其中所述测量装置（100）包括以下：

电势探头（135，300），用于确定在电场中的电势；

第一电容装置和第二电容装置；

用于为第一电容装置和第二电容装置供给交变电压的控制设备（110－120，140－160）；

其中所述控制设备（110－120，140－160）被设立用于将所述交变电压相对于彼此相反地放大，以便将借助电势探头（135，300）接收的电压的与所述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，

所述控制设备（110－120，140－160）被设立用于，当所述交变电压的比例与电势探头（135，300）至第一电容装置的第一距离和电势探头（135，300）至第二电容装置的第二距离的比例不对应时，检测到介电对象（220）。

2.根据权利要求1所述的测量装置（100），其特征在于，所述电容装置的每个都包括电极（125，130），所述电极与所述电势探头（135，300）的至少一个电极（320，330）一同形成电容。

3.根据权利要求2所述的测量装置（100），其特征在于，所述第一电容装置和第二电容装置的电极（125，130）基本上布置在一个平面中，并且所述电势探头（135，300）的至少一个电极（320，330）布置在该平面之外。

4.根据权利要求3所述的测量装置（100），其特征在于，所述电势探头（135，300）包括与差分放大器（360）连接的两个接收电极（320，330），其中所述接收电极（320，330）以至第一电容装置和第二电容装置相同的距离布置在所述平面的不同侧上。

5.根据上述权利要求之一所述的测量装置（100），其特征在于，在所述电容装置的至少之一的背离介电对象（220）的侧上布置有屏蔽电极（230），该屏蔽电极与电势连接，该电势处于这些交变电压之间中心处。

6.根据权利要求1至4之一所述的测量装置（100），其特征在于，所述电容装置之一构建为，使得在该电容装置和电势探头（135，300）之间存在的电容与介电对象（220）无关。

7.根据权利要求1至4之一所述的测量装置（100），其特征在于补偿网络（165），用于将通过第一电容装置和第二电容装置提供的电容的至少之一改变与介电对象（220）无关的数值。

8.根据权利要求2至4之一所述的测量装置（100），其特征在于，设置有分别由第一和第二电容装置的电极（125，130）构成的多个电极对，其中所述电极对的电极（125，130）成对地位于所述电势探头（135，300）的不同侧上，其中所述控制设备（110－120，140－160）被设立用于：当不同的电极对被供给所述交变电压时，基于所述交变电压的差来确定介电对象（220）的大小、伸展、距离和方向的至少之一。

9.根据权利要求8所述的测量装置（100），其特征在于，所述电极对的电极（125，130）在平面中矩阵式地围绕电势探头（135，300）布置。

10.一种用于检测介电对象（220）的方法（500），包括以下步骤：

借助电势探头（135，300）确定（520）在电场中的电势；

为两个电容装置供给（510）相反地放大的交变电压，使得确定的电势的与所述交变电压时钟同步的交流电压部分在数值上最小化；

当所述交变电压的比例与所述电势探头（135，300）至第一电容装置的第一距离和电势探头（135，300）至第二电容装置的第二距离的比例不对应时，检测（550）到介电对象（220）。

11.一种用于检测介电对象（220）的装置，包括：

用于借助电势探头（135，300）确定（520）在电场中的电势的装置；

用于为两个电容装置供给（510）相反地放大的交变电压使得确定的电势的与所述交变电压时钟同步的交流电压部分在数值上最小化的装置；

用于当所述交变电压的比例与所述电势探头（135，300）至第一电容装置的第一距离和电势探头（135，300）至第二电容装置的第二距离的比例不对应时检测（550）到介电对象（220）的装置。