CN103154775A

CN103154775A - 具有场补偿的磁场传感器的传感器装置、尤其是金属传感器

Info

Publication number: CN103154775A
Application number: CN2011800520000A
Authority: CN
Inventors: R.克拉普夫; T.齐博尔德; A.阿尔布雷希特
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2011-09-21
Publication date: 2013-06-12
Also published as: US20130300401A1; WO2012055641A3; WO2012055641A2; EP2633340A2; DE102010043078A1

Abstract

本发明涉及传感器装置（10）、尤其是金属传感器，带有至少两个线圈（12，14）和磁场传感器（16），其中，线圈和磁传感器的相互布置和/或线圈匝数量和/或线圈的绕线方向和/或线圈电流被选择为使得在磁场传感器（16）的地点处由线圈（12，14）产生的磁场近似消失。本发明还涉及用于在使用至少两个线圈和磁场传感器、尤其是AMR传感器、GMR传感器或霍尔传感器的情况下探测对象的方法，尤其是用于找出金属对象的方法，其中，线圈和磁传感器的相互布置和/或线圈匝数量和/或线圈的绕线方向和/或线圈电流被选择为使得在磁场传感器的地点处由线圈产生的磁场近似消失。

Description

具有场补偿的磁场传感器的传感器装置、尤其是金属传感器

技术领域

本发明涉及根据权利要求1或者权利要求15的前序部分所述的用于对被封闭在介质中的对象、尤其是金属对象测定位置的传感器装置和方法。此外，本发明描述了工具设备、尤其是测量设备，例如可手持的定位设备，其带有用于执行根据权利要求15的方法的这种传感器装置。

背景技术

为了探测封闭在介质例如墙、天花板或者地面中的对象例如电线路、水管、管道、金属架子，较长时间以来使用定位设备。在此，尤其是使用电感性设备、也即产生由在介质中封闭的金属物体干扰的磁场的设备。

这种系统由DE 10 2004 011 285 A1已知。

在用于找出在墙或者地面中的金属对象例如钢筋、管道或线缆的金属传感器领域中的现有技术是基于线圈的金属传感器。这存在于不同的实施中：（i）场补偿地（ii）差动地，（iii）场补偿地和差动地。

本发明的任务是在微型化、集成以及效率方面改善用于找出在墙和地面中的金属对象的金属传感器。

发明内容

本发明的核心是用于找出在墙和地面中的金属对象的金属传感器，该金属传感器联合了场补偿的、差动的、基于线圈的传感器的优点并且利用了特定的磁场传感器、尤其是价格合适的霍尔传感器、但是还有基于AMR/GMR的磁力计以及SQUIDS的附加优点。（AMR-传感器：各向异性磁阻传感器；GMR-传感器：巨磁阻传感器；SQUID：超导量子干涉设备）。

这些上述的磁场传感器的优点是紧凑的结构大小、高敏感性、尤其是对于局部磁场变化而不是对通过较大区域的磁通量的变化的敏感性。由此，得到金属传感器的直接优点：紧凑的大小，因为这些传感器本身是小的并且例如小的（印制）线圈就足够产生足够大的场（由于大的敏感性），多个单传感器的集成，由此得到有利的特性，例如位置/深度估计可能性直至待探测对象的形象化的（bildhaft）分辨率。

为此本发明建议一种由发送线圈和磁场传感器组成的系统。本发明的用于对封闭在介质中的对象测定位置、尤其用于探测金属物体的传感器装置具有带有至少两个线圈和磁场传感器的布置，其中线圈和磁传感器的相互布置和/或线圈匝数量和/或线圈的绕线方向和/或线圈电流被选择为使得在磁场传感器的地点处由线圈产生的磁场近似消失。

在由线圈产生的磁场（＝“初级场”）的范围中的对象产生“次级场”。该次级场于是可以按照本发明借助磁场传感器来测量。在该布置中可达到的对在磁场传感器的地点处的初级场的补偿对于用于探测金属的/可磁化的对象）的磁场传感器的使用是非常有利的，因为将会给来自其工作区域的磁场传感器带来过高的磁场。但是高磁场在测量时是必要的，以便在对象的地点处产生足够高的磁场，使得由此得到的次级场在传感器的地点处仍足够高。本发明的装置以有利的方式实现对初级场最小化或者甚至使其消失，其中但是待探测的对象的由初级场感应的次级场足够大，以便利用磁场传感器被探测到。

初级场的补偿的另外的优点是，由对象引起的信号（产生自次级场的信号）与基本信号（产生自初级场的信号）的比例被改善多个数量级。

由发送线圈和磁场传感器组成的所描述的系统在此可以利用按照推挽调节器原理的操控有利地被实现。在此情况下，推挽调节器的优点是在大的场区域上的高动态性以及通过有利地使用同步解调器的高信噪比（Signal-Rausch-Abstand）。

在使用印制线圈的情况下，次级场是非常小的（典型地几个10nT）。因此，对于这种实施方式，尤其高度灵敏的AMR/GMR磁传感器适用，而霍尔传感器在这种情况下不太适用。

使用周期性的激励场是有利的，因为接收信号的由对象引起的部分由于其频率而于是可以非常好地从干扰和噪声中分离（例如利用同步解调器）。

本发明的传感器装置的其它的优点从从属权利要求、后面的实施例以及附图和所属的描述中得到。

附图说明

在附图中示出了本发明传感器装置的实施例，其中该实施例在后面的描述中应当更详细地被阐述。附图的图示、其描述以及权利要求以组合的方式包括很多特征。技术人员也将单独地考虑这些特征并且联合成其它或者另外的有意义的组合。

图1以强烈示意化的图示示出本发明传感器装置的典型布置，

图2a、2b以图形图示示出传感器装置的两个线圈的所计算的磁场，

图3a、3b在两个正交方向上示出了本发明传感器装置的线圈的所计算的磁场，

图4a、4b以总览图（2a）以及以细节图（2b）示出了传感器装置的两个线圈的初级磁场的所计算的z分量以及由对象产生的次级磁场，

图5示出了借助推挽调节器对本发明传感器装置的操控，

图6示出了定位设备形式的本发明工具设备的实施例。

具体实施方式

图1以示意化的图示示出本发明传感器装置10的可能的实施方式。

本发明传感器装置的在图1中示例性示出的布置具有两个线圈（“外部线圈12”，“内部线圈14”），它们被用于在空间中产生周期性变化的准静止磁场（这里尤其是双极场）（为此也例如参见图2）。例如可以被构造为霍尔传感器、AMR传感器也或者GMR传感器但是也或者被构造为SQUID的磁场传感器16被用于测量尤其通过待探测的对象产生的磁场。线圈和传感器的相互布置、以及线圈的匝数量、绕线方向和线圈电流在此按照本发明被选择为，使得在磁场传感器的地点处（并且理想地仅仅在那里）由线圈产生的磁场近似地（并且理想地精确地）消失，也即变为零，也即在磁场传感器的位置处发生场补偿。（为此例如也参见在图3中的所计算的场）。在数学意义上线圈的磁场变为零的理想场补偿在实际的观点下几乎不能实现。这应当通过名称“近似”消失来表述。剩余部分和所谓的“污染效应”（其在最后的结果中阻止了磁场的绝对消除）属于近似补偿。

在图1的实施例中传感器装置的两个线圈12、14彼此同心地被构造在共同的平面中，尤其是在共同的印制电路板18上。

对于两个布置在一个平面中的、同心的具有相反线匝方向的线圈来说，在如下条件下（当所述两个线圈由相同的电流流过时）在这两个线圈的中点处的磁场消失：

N：外部线圈的匝数，d：外部线圈的直径，

N’：内部线圈的匝数，d’：内部线圈的直径。

严格地讲，对于上述关系（I），相应的线圈直径相对于在线圈中的各个线圈匝的间距必须是大的。

使用带有相反线匝方向的两个线圈的优点尤其是：这些线圈可以串联接线。

在图1的实施例中，线圈被构造为在印制电路板18上的印制线圈。在可替换的实施方式中，也可以使用传统的线圈、也可以使用多于两个的线圈以及尤其是也可以使用非同心地布置的线圈。

因此也可能的是，发送线圈并排地存在和/或例如重叠。但是本发明的核心是，始终将磁场传感器安置在磁场的消失性线圈（verschwindenden Spulen Magnetfeldes）的区域中。

在合适的线圈布置、匝数和绕线方向情况下，可能的是，以电的方式串行地对线圈接线。所述线圈于是由相同的电流流过并且该电流的变化有利地不作用于在磁场传感器的地点处的场补偿，其中所述变化例如由温度影响也或者其它环境影响而产生。

在图1的实施例中，磁场传感器16以GMR传感器的实施方式被布置在中央、也即在圆形线圈12、14的中点中。但是可替换的磁场传感器同样是可能的。

在由线圈12、14产生的磁场（＝“初级场”）的区域中的对象产生“次级场”。该次级场于是按照本发明由磁场传感器16测量。通过这种方式，可以探测对象。（对此也参见图4）。

传感器的从优方向（也即磁场必须与其平行以便以最大灵敏度由传感器测量的那个方向）在如图1中所示的那样带有在线圈中心中的磁场传感器的平面的、同心的线圈布置情况下应当在线圈平面的法线方向上示出。

磁场传感器16的地点处的初级场的补偿对于磁场传感器在该应用（探测金属的/可磁化的对象）中的使用是有利的，因为从其工作区域给传感器16带来过高的磁场。但是，高的磁场是必要的，以便在对象的地点处产生足够高的磁场，使得由此得到的在传感器16的地点处的次级场仍然是足够高的。初级场的补偿的另外的优点是，由对象引起的信号（产生自次级场的信号）与基本信号（产生自初级场的信号）的比例被改善多个数量级。

在本发明的传感器布置的线圈的直径被优化的情况下可以考虑两个相反的效应：

（1）当内部线圈与外部线圈相比具有尽可能小的直径时，总场的双极特性越显著。

内部线圈的直径在此基本上由磁场传感器的大小来限定并且由此处于大约5mm的最小值处。

（2）但是线圈直径的比例与值1相差得越小，在该场的零位置的区域中的磁场梯度越小。这减小了对磁场传感器的定位精度的要求。

图2a和2b示出了在x-z平面中两个印制线圈（具有4匝、半径为2cm的外部线圈），内部线圈（1匝、半径0.5cm）的所计算的磁场。磁场围绕z轴旋转对称。左边的图2a示出了在外部区域中的双极形的场，右边的图2b示出了在内部线圈的区域中由这两个线圈产生的场的补偿。

除了这里描述的双极布置外，也可以设想四极布置，其根据相同的原理工作。

图3a和3b示出了外部线圈（A）、外部和内部线圈（B）的磁场的所计算的数值。曲线示出了，外部和内部线圈的磁场一起在原点处消失（所谓的“场补偿”）。在外部区域中的场几乎不被该补偿所影响。为了保证相同的传感器作用距离这是重要的，其中该传感器作用距离将会在无内部线圈形式的附加补偿线圈的情况下被实现。

图4示出了初级磁场（C）和次级磁场（D）沿着z轴的z分量。（图4b在此示出了零点的邻近的附近的详细片断，为此参见相应的标度）。次级场的源在该模拟中是铁球（具有相对磁导率μ＝1000和直径1cm），该铁球处于z轴上远离传感器5cm。对于激励场的小频率（ω→0）计算该情况。要注意的是，在无内部补偿线圈的情况下传感器场在原点/零点中具有值1，也即是对象场的10000倍。

由发送线圈和磁场传感器组成的所描述的系统可以非常好地和有利地利用推挽调节器20操控。推挽调节器的优点是在大的场区域上的高动态性以及通过使用同步解调器的高信噪比。

图5示出了在推挽运行中线圈和磁传感器的示例性接线。

在此，推挽调节器20在根据图5的实施方式中由信号源24、可调节的放大器26、28、同步解调器22和积分比较器30组成。可调节的放大器26、28以独立幅度的180°移相的周期性变化的电流给两个发送线圈12、14通电。发送线圈（例如根据图1的外部和内部线圈）现在被卷绕为使得它们至少当在发送线圈场的区域中不存在金属的/可磁化的对象时（至少在一个时刻）产生相反定向的磁场，这些磁场在传感器地点处抵消。传感器16必要时经由可选的放大器32与同步解调器22连接。经由积分比较器30的推挽调节现在借助可调节的放大器26、28这样调节发送线圈电流的幅度，使得在传感器的地点处即使在发送线圈场的区域中存在金属的/可磁化的对象时至少在一个时刻该磁场消失。在存在金属的/可磁化的对象时该调节值变化并且因此可以被用于探测这种对象。

然而，除了这里所示的、带有两个线圈和一个磁场传感器的传感器装置的系统之外，带有多于两个的线圈和/或多个磁场传感器的系统也是可以设想的并且也是有意义的。

因此，尤其是在不同的地点处使用多个“补偿线圈”（在该实施例中是用于抵消初级场的内部线圈14）也是可能的。在此情况下，可能的是如下传感器系统，在所述传感器系统情况下，多个补偿线圈的位置布置在“外部”发送线圈之内以及之外。

将发送线圈布置在不同的平面中也可能是有利的。

分别在由各自的补偿线圈保持为无场的地点处使用多个磁场传感器也是本发明传感器装置的有利的变型。对此有利的是，可以在不同地点处测定次级场（也即由待测量的对象产生的场）并且由此可以至少在原理上推断出对象特性，例如横向位置、封闭深度也或者取向。

图6示出了作为测量设备以可手持的定位设备86g为形式的本发明工具设备的可能的实施例，其具有本发明的传感器装置。手持定位设备86g具有带有本发明传感器装置26g的定位装置24g。传感器装置26g以已经描述的方式包括至少两个线圈和至少一个传感器装置，它们以根据本发明的方式布置并且按照本发明方法工作。定位装置24g此外包括尤其是带有推挽调节装置20的操控单元28g、以及用于处理和后处理（Aufarbeitung）测量信号的分析单元30g。因此，尤其是推挽调节装置20的调节信号32（对此也参见图5）可以被分析单元30g使用，以便将对象表征为探测到的或者未探测到的。也就是说，本发明的传感器装置的推挽调节装置的调节信号32被用于探测对象。

手持定位设备86g此外具有带有未更详细描述的路径测量装置的滚轮88g，借助所述滚轮，操作者可以将手持定位设备86g沿着介质移动。在手持定位设备86g的显示器90g上，手持定位设备86g根据所移动的路径表示所探测的对象。路径传感器能够实现本发明传感器装置的探测值至测量设备的地点位置的分配。尤其是，本发明测量设备能够实现经由相应的输出单元90g、尤其是图形显示器相关地表示所封闭的对象的探测信号和位置。在较简单的实施方式中，也可以放弃路径传感器系统并且例如仅仅通过光信号和（/或声学信号传送对象的探测。

本发明的方法或者按照该方法工作的工具设备不局限于在这些图中所示的实施例。

尤其是，本发明方法不局限于使用两个发送线圈、尤其是两个同心布置的发送线圈。因此也可能的是，发送线圈并排地存在和/或例如重叠。本发明的核心是，将磁场传感器安置在磁场的消失性线圈的区域中。

但是，除了这里所示的带有两个线圈的系统之外，带有多于两个的线圈的系统也是可以设想的并且也是有意义的。

因此，尤其是在不同的地点处使用多个“补偿线圈”（内部线圈）也是可能的。在此情况下，也可能的是如下传感器系统，在这些传感器系统情况下，多个补偿线圈的位置布置在“外部”发送线圈之内以及之外。

将发送线圈布置在不同的平面中也可能是有利的。

磁场也可以通过屏蔽装置被置于零并且磁传感器可被安置在相应的位置处。

本发明的工具设备不局限于测量设备、尤其是定位设备。锯式、磨削式或者钻式工具设备也可以装备有本发明的传感器装置，无论是作为集成到工具设备中的测量系统而也或者是作为要安置在工具设备处的附件。

Claims

1.传感器装置（10，26g）、尤其是金属传感器，带有至少两个线圈（12，14）和磁场传感器（16），其特征在于，线圈（12，14）和磁传感器（16）的相互布置和/或线圈匝数量和/或线圈的绕线方向和/或线圈电流被选择为使得在磁场传感器（16）的地点处由线圈（12，14）产生的磁场近似消失、尤其是完全地被补偿。

2.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，设置第一外部线圈（12）和第二内部线圈（14），其尤其是相互同心地布置。

3.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其特征在于，磁场传感器（16）由至少一个线圈（14）的匝所包围。

4.根据权利要求1、2或3所述的传感器装置，其特征在于，磁场传感器（16）布置在至少一个、基本上圆形的线圈（14）的中点中。

5.根据上述权利要求之一所述的传感器装置，其特征在于，至少两个线圈（12，14）和磁场传感器（16）被布置在一个平面中。

6.根据上述权利要求之一所述的传感器装置，其特征在于，至少两个线圈（12，14）和磁场传感器（16）被布置在共同的印制电路板（18）上。

7.根据上述权利要求之一所述的传感器装置，其特征在于，至少一个线圈（12，14）被构造为印制线圈。

8.根据上述权利要求之一、尤其是根据权利要求6和/或7所述的传感器装置，其特征在于，该磁场传感器（16）是AMR传感器。

9.根据上述权利要求1至7之一所述的传感器装置，其特征在于，该磁场传感器（16）是GMR传感器。

10.根据上述权利要求1 至7之一所述的传感器装置，其特征在于，该磁场传感器是霍尔传感器。

11.根据上述权利要求1 至7之一所述的传感器装置，其特征在于，该磁场传感器（16）是SQUID。

12.根据上述权利要求之一所述的传感器装置，其特征在于，至少两个线圈（12，14）以电的方式串行地接线。

13.根据上述权利要求之一所述的传感器装置，其特征在于，其具有用于操控线圈（12，14）的推挽调节器（20）。

14.工具设备，尤其是用于探测对象、尤其是金属对象的测量设备（86g），具有至少一个根据上述权利要求至少之一的传感器装置（10，26g）。

15.用于在使用至少两个线圈（12，14）和磁场传感器（16）、尤其是AMR传感器、GMR传感器或霍尔传感器的情况下探测对象的方法，尤其是用于找出金属对象的方法，其中，线圈（12，14）和磁传感器（16）的相互布置和/或线圈匝数量和/或线圈的绕线方向和/或线圈电流被选择为使得在磁场传感器（16）的地点处由线圈（12，14）产生的磁场近似消失、尤其是完全地被补偿。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，推挽调节器（20）借助可调节的放大器（26，28）调节至少两个线圈的线圈电流的幅度为，使得在磁传感器（16）的地点处至少在一个时刻该磁场消失。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，使用推挽调节器（20）的调节值（34），以便探测对象、尤其是金属对象。