CN103080776B - 测量设备尤其用于检测金属物体的测量设备 - Google Patents

Abstract

一种测量设备，尤其是用于检测金属物体的测量设备，包括用于产生磁场的发送线圈、两个接收线圈，它们这样在磁场的范围内相互定向并彼此电连接，从而当磁场以相同的方式作用到两个接收线圈上时，在接收线圈上的合成的接收电压为零，还包括用于向发送线圈供应交替的发送电压的控制装置以及用于在接收电压的基础上确定金属物体的确定装置。在此，控制装置设置成改变发送电压的有效值，从而使得接收电压保持在预定的阈值之下。

Description

测量设备尤其用于检测金属物体的测量设备

技术领域

本发明涉及一种测量设备，尤其是一种用于检测金属物体的测量设备。

背景技术

已知若干金属搜索仪，它们在查找尤其是可能隐藏在墙内的金属物体时起到帮助。通常在这种金属搜索仪中借助发送线圈产生交替的磁场。一对在电气方面串联的、非平行定向的接收线圈被设置在所产生的磁场范围内。若在线圈的范围内没有金属物体，那么在两个接收线圈中感应电压具有相反的显示且通过串联抵消。若金属物体在磁场中与两个接收线圈距离不一样远，那么在接收线圈中感应出了不同的电压，因而电串联的接收线圈的接收电压不等于零。接收电压借助放大器放大并且接下来与阈值相比较。若接收电压超过阈值，那么发出信号，该信号提示有金属物体。

为了能够检测小型的和/或距离线圈很远的金属物体，由发送线圈产生的磁场可以很强且放大器的放大因子可以很大。而大型的和/或在线圈附近的金属物体便可能导致一个接收电压，接收电压过度控制放大器。对金属物体的位置或边界的精确的确定可能受到金属搜索仪的这种较大的敏感度的干扰。在现有技术中公知若干金属搜索仪，它们的敏感度能通过用户手动调整。此外，由DE102005007803A1公开了一种金属搜索仪，在该金属搜索仪中，不同的敏感度通过在发送线圈上交替电压的频率的改变实现。

但这种频率调整在线路技术上耗费且在借助可编程的微型计算机实施的情形下要求较为有效率的处理单元。在两种变型方案中，金属搜索仪的制造成本都可能变高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于检测金属物体的测量设备，一种用于检测金属物体的方法以及一种用于实施所述方法的计算机程序产品，其中，能以简单的方式实现检测的敏感度的适配。

本发明借助一种有权利要求1特征的装置、一种有权利要求7特征的方法和一种有权利要求9特征的计算机程序产品解决这些技术问题。从属权利要求给出优选的实施形式。

按照第一个方面，按本发明的用于检测金属物体的测量设备包括用于产生磁场的发送线圈、两个接收线圈、用于将交替的发送电压供应给发送线圈的控制装置和用于在接收电压的基础上确定金属物体的确定装置，接收线圈这样在磁场的范围内相互定向并且电连接，即，当磁场以相同的方式作用到两个接收线圈上时，接收线圈的合成的接收电压为零。在此，控制装置设置成这样来控制发送电压的有效值，从而接收电压保持低于预定的阈值。

发送电压的有效值能比它们的频率更易受到影响，因此测量设备可以构造得较为简单。

在一种优选的实施形式中，控制装置设置成，为发送线圈提供脉宽调制的信号并且借助脉宽调制信号的占空比控制发送电压的有效值。

有固定频率的信号的脉宽的影响能尤为简单地实施并且可以有利地借助小功率的可编程的微型计算机实施。可编程的微型计算机可以同时用于在测量设备内部的其它控制任务，因而能达到金属搜索仪的高度有效的结构。在一种特别优选的实施形式中，该信号是矩形信号并且不在发送线圈上设任何其它构件以用来将矩形信号转换成近似正弦形的信号。

控制装置设置成，根据接收电压改变发送电压的有效值。由此可以达到测量设备的动态范围的拓宽，这种拓宽对测量设备的用户而言尽量透明。在另一种实施形式中，在控制装置内部例如以计算的方式实现了对敏感度的改变的补偿，因而敏感度变化在借助输出装置输出的值中部分或全部得到补偿。

可以设置用于放大接收电压的接收放大器，其中，接收放大器的放大因子可以根据发送电压的有效值改变。

测量设备的动态范围的拓宽可以由此构造得更加透明；附加地可以避免接收放大器的过度控制（übersteuern），由此实现了对测量设备的动态范围的更好的利用以及可以改善所能达到的确定金属物体的精确度。

在第一种变型方案中，发送电压的有效值可以无级地改变。由此可以支持测量设备的更方便的操作性。在第二种变型方案中，发送电压的有效值可以以不连续的级发生改变。发送电压的有效值的影响的特定的变型在限定发送电压的不连续的级时能简化地转换。

按照第二个方面，用于检测金属物体的方法包括的步骤有：将交替的发送电压供应给发送线圈，以便产生磁场；确定作用到两个接收线圈上的接收电压，这两个线圈这样定向并相互电连接，使得接收电压在磁场以相同的方式作用到接收线圈上时为零；在确定的接收电压的基础上检测金属物体；这样来控制发送电压的有效值，使得接收电压保持低于预定的阈值。

交替的发送电压优选是脉宽调制的信号且发送电压的有效值借助信号的占空比控制。

按照第三个方面，计算机程序产品包括用于当计算机程序产品在处理装置上运行时实施所述方法的程序代码工具，其中，程序代码工具可以储存在计算机可读的介质上。

附图说明

现在参考附图详细阐释本发明，附图中：

图1示出用于金属搜索仪的测量设备；

图2示出用于阐明来自图1的测量设备的工作方式的图表；

图3示出来自图1的发送线圈的一种备选的实施形式；

图4示出对图1中发送电压的有效值的一种备选的影响；

图5示出了在图1的发送线圈上的不同的发送电压；

图6示出对图1中的发送电压的有效值的另一种备选的影响；

图7示出了图1中探测信号的不同的占空比；并且

图8示出了用于控制图1的测量设备的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了在金属搜索仪102中的测量设备100。测量设备100包括发送线圈105，该发送线圈布置在第一接收线圈110和第二接收线圈115的范围内。接收线圈110和115这样在磁场的范围内彼此定向以及相互电连接，即，当磁场以相同的方式作用到两个接收线圈上时，在接收线圈上的合成的接收电压为零。

接收线圈110和115尤其这样定向，即，接收线圈110和115的绕匝卷绕所围的纵轴线彼此平行地走向。接收线圈110、115例如可以彼此同心地或相互对准地布置。根据接收线圈110、115的绕匝围绕纵轴线卷绕的方向的不同，在每一个接收线圈110、115内通过外部磁场的磁通变化感应出正的或负的电压。在此，其中一个接收线圈110、115的一个正接头与另一个接收线圈110、115的负接头电连接，因而感应出的电压彼此反作用，并且倘若磁通变化以相同的方式与两个接收线圈110、115相关，那么施加到接收线圈110、115的各另一个接头上的总接收电压为零。本发明可以使用大量在现有技术中公知的装置。

测量设备100为此设置用于确定处在线圈105至115范围内的金属物体120。

发送线圈105用由发送放大器125提供的交替的电压Us触发。发送放大器125可以是一种模拟或数字的放大器。在一种简单的实施形式中，发送放大器125包括仅一个优选作为开关运行的晶体管。在另一种实施形式中，发送放大器125包括四个在H形布线中的晶体管，其中，所有四个晶体管都作为开关运行。

发送放大器125通过由控制装置130提供的测试信号Ut触发。控制装置130优选构造成可编程的微型计算机。测试信号Ut优选通过控制装置130的数字输出接头（“Port”）输出。

输出接头可以通过设置在控制装置130内部的可编程计时器或计数器控制。控制装置130可以借助计时器促使测试信号Ut从高值向低值或从低值向高值转换。这种促成通常借助计时器对控制装置130的中断请求（“Interrupt”）实现。控制装置130在中断之间可以执行其它任务，例如与用户互动。

在测试信号Ut的两个连续的从高值向低值的过渡之间的时间始终是相同的，但是在测试信号保持处在高值期间的时间也可以受控制装置130影响，由此在测试信号保持处在低值期间的时间也会受到影响。这两个持续时间的比例被称为占空比并且通常以百分比表示。若两个持续时间是相同的，那么占空比为50%。测试信号以此方式被脉宽调制，人们也称为PWM信号（“脉宽调制的信号（PulseWidthModulatedSignal）”）。

通过测试信号Ut的占空比的影响，也改变了在发送线圈105上的发送电压Us的有效值。有效值（也称为RMS值，“均方根（RootMeansquare）”）是施加在发送线圈105上的交替的发送电压Us的平方均值，并且说明，当发送线圈105被视作欧姆负载（ohmscherVerbraucher）时，在发送线圈105上的哪个直流电压会引起相应的电功率。通过发送电压Us的有效值能控制由发送线圈105产生的磁场的强度。

通过借助脉宽调制影响在发送线圈105上的发送电压Us的有效值，使在一个时间段内，即使脉宽调制的占空比发生了变化，对控制装置130的中断请求的平均数量仍保持相同。控制装置130的中断负荷因此保持恒定不变，从而能尽量与占空比无关地完成控制装置130的其它任务。

相互串联的接收线圈110和115与接收放大器135连接，因而接收放大器可以放大接收线圈110、115的接收电压Ur。接收放大器135具有放大因子，其在一种优选的实施形式中可以借助控制装置130受到影响。接收放大器通过相应的连接为控制装置130提供输出电压Ua，输出电压对应被以放大因子放大的接收电压Ur。为了评估输出电压Ua，控制装置130可以具有合适的模数转换器。

此外，控制装置130与输出装置140连接。输出装置140设置成，模拟地或数字地输出光学的和/或声学的信号。控制装置130为此设置成，根据由接收放大器135提供的放大的接收电压Ur来触发输出装置140，因而向测量设备100或金属搜索仪102的用户给出关于金属物体120的提示。在一种变型方案中，输出装置140直接通过由接收放大器135提供的输出电压Ua控制并且控制装置使输出装置140不受影响。为此，接收放大器135和输出装置140通过相应的连接直接相互连接。

由控制装置130提供的测试信号Ut是一种脉宽调制的矩形信号，其通过发送放大器125放大并且提供给发送线圈105。通常，通过寄生效应在发送放大器125和发送线圈105的区域内充分发生矩形信号到正弦形信号的转化，因而通过触发发送线圈105引起的谐波被充分减少。在接收电压Ur内谐波的减少通过发送线圈105与接收线圈110和115的磁耦合以及通过接收放大器135的传递特性达到。

根据交替的发送电压Us通过发送线圈105产生的磁场首先以相同的方式作用到第一接收线圈110和第二接收线圈115上并且在这两个接收线圈110、115中感应出各一个电压。因为接收线圈110和115非平行地定向，所以彼此串联的接收线圈110和115的接收电压Ur总共为零。若金属物体120处在产生的磁场的范围内，那么该金属物体要比其中一个接收线圈110、115更为靠近另一个接收线圈，因而由发送线圈105产生的磁场不同地作用到接收线圈110和115上，从而使接收电压Ur不为零。接收电压Ur的大小与金属物体120到接收线圈110和115的间距的比以及与金属物体120的尺寸有关。

根据接收电压Ur或者说输出电压Ua，控制装置130控制测试信号Ut的占空比。由此使发送电压Us的有效值发生变化以及因此通过发送线圈105产生的磁场的强度也发生变化。若接收电压Ur例如为零，那么测试信号Ut被调整到50%的占空比，因而由发送线圈105提供的磁场的强度最大。因此测量设备100的敏感度最高。

但若放大的接收电压Ur很大，那么测试信号Ut的占空比被调整到一个很小的值，例如2%。由发送线圈105产生的磁场由此相对之前所述的情况急剧变小，因此接收电压Ur同样变小。由此降低了测量设备100的敏感度。

在一种备选的实施形式中，控制装置130不影响接收放大器135的放大因子，而是通过相应地触发输出装置140来力求向用户指出测量设备100的当前所使用的敏感度。

图2示出了用于说明图1的测量设备100的工作方式的图表200。在图2的中央区域中示出了图1的金属搜索仪102和金属物体120，它们通过壁210相互分离。金属搜索仪102沿水平方向平行于壁210移动。

在图2的上部区域中，沿水平方向示出了线段S，该线段描述了金属搜索仪102沿在壁210上的移动路径的位置。在垂直方向上绘出了由接收放大器135提供的输出电压Ua。在图表200中的第一电压变化曲线220示出了在金属搜索仪102沿壁210移动期间接收放大器135的输出电压Ua的理论变化曲线。第一电压变化曲线220大致具有钟形曲线的形状。

若金属搜索仪102沿壁210处在S1和S2之间的区段中，那么它就如此接近金属物体120，使得接收放大器135与第一电压变化曲线220在这个区域中的理想假设相反地被过度控制并且输出电压Ua不超过最大的输出电压Ua1。通常，每个放大因子大于1的放大器都通过相应大的输入信号进行过度控制。

为了避免过度控制，当第一电压变化曲线220达到第一阈值Ua2时，降低图1中的测量设备100的发送线圈105上的发送电压的有效值，因而在S1和S2之间产生了第二电压变化曲线230。第二电压变化曲线230基本上在相关区段中基本上具有和第一电压变化曲线220相同的形状，但变小了预定的因子。

在图2的下部，沿垂直方向示出了测试信号Ut在时间t内沿水平方向的变化曲线。在金属搜索仪102沿壁210的运动速度相同的前提下，这个图与在图2的上部中的图表200类似。通过测试信号Ut的占空比的变化，图1中的发送电压Us的有效值发生了变化，因此最后也改变了输出信号的强度。

在与时间点t1对应的部位S1的左边的部分中，测试信号Ut的占空比为50%、从S1起，向右从那起直至对应时间点t2的部位S2，占空比仅为2%。在部位S2或者说时间点t2的右边，占空比再次为50%。

在图2所示的实施形式中，发送线圈105的发送电压Us的有效值在两个不连续的级中变化，这两个不连续的级对应占空比50%和2%。在本发明其它的实施形式中，其它或更为不同的占空比也是可行的。占空比的改变也可以无级地进行。无论如何，当测试信号Ut的占空比对应50%时，在发送线圈105上的发送电压Us的有效值就最大。

图3示出了图1的发送线圈105的一种备选的实施形式。发送线圈105被构造为一系列子发送线圈305、310和315。由此除了端部抽头320和325外也产生了多个中间抽头330、335、340。抽头320至340中的任意两个可以与图1的发送放大器125连接，其中，抽头320至340的选择决定了绕匝的数量，处在抽头320至340之间的子发送线圈305至315总共具有这个数量的绕匝。由此可以改变发送线圈105的感应率，因而由发送线圈105产生的磁场的强度变化。同时，发送线圈105的电特性改变，因而通过感应率的变化也使发送电压Us的有效值变化。

图4示出了对图1中的发送电压的有效值的一种备选的影响。矩形发电器410提供优选对称的矩形电压。借助多重转换器420将通过矩形发电机410提供的信号与多个不同的电阻425中的一个的第一接头连接。电阻425的各两个接头与发送线圈105的其中一个接头连接。发送线圈105的第二接头导电地与接地线连接。通过多重转换器420的转换，电阻425中的各另一个与发送线圈105串联，由此通过发送线圈105改变了电流以及因此也改变了发送电压Us的有效值。

图5示出了在图1中的发送线圈105上的不同的发送电压Us的图500。在水平方向示出了时间t，在垂直方向则示出了发送电压Us。第一变化曲线510对应测试信号Ut的占空比50%。有较小幅度的第二变化曲线520对应约10%的占空比。有进一步变小的幅度的第三变化曲线530对应约2%的占空比。

图6示出了图1中发送电压Us的有效值的另一种备选的影响。所示线路图对应图4的线路图，其中，多重转换器420和电阻425被可变的电阻610替代。通过可变的电阻610的电阻值的变化，能连续地影响在发送线圈105上的电流或电压有效值。

图7示出了提供给图1中发送放大器125的测试信号Ut的不同的占空比。变化曲线710示出为处在低振幅0和搞振幅1之间。在此，变化曲线710可以在保持相同的频率下具有不同的占空比。在接下来所述情况的每一种中，变化曲线710在时间点t1上的幅度都上升以及之后在时间点t7上再次从0升到1。

在第一种情况下，变化曲线710的幅度在时间点t2上从1下降到0，这对应约10%的占空比。

在第二种情况下，变化曲线710的幅度在时间点t3上从1下降到0，这对应约20%的占空比。

在第三种情况下，变化曲线710的幅度在时间点t4上从1下降到0，这对应30%的占空比。

在第四种情况下，变化曲线710的幅度在时间点t5上从1下降到0，这对应40%的占空比。

在第四种情况下，变化曲线710的幅度在时间点t6上从1下降到0，这对应50%的占空比。

图8示出了用于控制图1的测量设备100的方法800的流程图。在第一步骤805中，方法800处在开始状态。

之后在步骤810中，将交替的发送电压Us供应给发送线圈105，因而发送线圈105在接收线圈105、110的区域内产生了一个磁场。

接下来在步骤815中确定接收电压Ur或基于接收电压Ur的输出电压Ua，接收电压在接收线圈105、110中总体通过产生的磁场感应。

接下来在步骤820中，在步骤815中确定的电压的基础上检测物体120。与之平行的是在步骤825中控制发送电压Us的有效值。发送电压Us的有效值的控制优选根据所检测的输出电压Ua进行。

接下来方法800回到步骤810并且重新运行。

Claims (8)

1.测量设备（100），尤其是用于检测金属物体（120）的测量设备，其中该测量设备（100）至少包括：

-用于产生磁场的发送线圈（105）；

-两个接收线圈（110、115），它们在磁场的范围内相互定向并彼此电连接，从而当磁场以相同的方式作用到两个接收线圈（110、115）上时，在接收线圈（110、115）上的合成的接收电压为零；

-用于向发送线圈（105）供应交替的发送电压的控制装置（130）；

-用于在接收电压（Ue）的基础上确定金属物体（120）的确定装置；

其特征在于，

-控制装置（130）被设置成改变发送电压（Us）的有效值，从而使接收电压（Ue）与金属物体（120）的尺寸无关地保持在预定的阈值（Ua2）之下。

2.按权利要求1所述的测量设备（100），其特征在于，控制装置（130）被设置成向发送线圈（105）提供脉宽调制的信号（Ut）以及借助脉宽调制的信号（Ut）的占空比来控制发送电压（Us）的有效值。

3.按权利要求2所述的测量设备（100），其特征在于，所述控制装置（130）被设置成根据接收电压（Ue）来改变发送电压（Us）的有效值。

4.按前述权利要求之一所述的测量设备（100），其特征在于，设置了用于放大接收电压（Ue）的接收放大器（135），其中接收放大器（135）的放大因子能根据发送电压（Us）的有效值改变。

5.按权利要求1至3之一所述的测量设备（100），其特征在于，发送电压（Us）能无级地改变。

6.按权利要求1至3之一所述的测量设备（100），其特征在于，发送电压（Us）能在两个不连续的有效级中改变。

7.用于检测金属物体（120）的方法，至少包括下列步骤：

-向发送线圈（105）供应交替的发送电压（Us），以便产生磁场；

-确定在两个接收线圈上的接收电压（Ue），这两个接收线圈这样定向并彼此电连接，从而当磁场以相同的方式作用到这两个接收线圈上时，接收电压为零；

-在确定的接收电压（Ue）的基础上检测金属物体（120）；以及

-这样控制发送电压（Us）的有效值，使得接收电压（Ue）保持在预定的阈值之下。

8.按权利要求7所述的方法，其中，交替的发送电压（Us）是脉宽调制的信号（Ut）并且借助该信号（Ut）的占空比来控制发送电压（Us）的有效值。