CN103688191A - 搜索设备 - Google Patents

Abstract

用于物体（105）的电容检测的搜索设备（205）包括用于加载激励信号的发射电极（110）、接收电极（115）、在发射电极和接收电极的范围内的检测范围（130）、用于检测发射电极和接收电极之间的电容的测量装置（200）、用于假如所检测的电容不同于参考电容则确定在检测范围内物体的存在的处理装置、和屏蔽电极（120），所述屏蔽电极被布置在发射电极和接收电极的范围内并且与电位连接，以便减小发射电极和接收电极之间的基本电容。

Description

搜索设备

技术领域

本发明涉及搜索设备。特别是，本发明涉及借助电容耦合的用于介电或金属物体的搜索设备。

为了发现被隐藏在建筑物的墙中的物体、诸如木梁、钢筋、水管或煤气管或电缆，已知不同的所谓的梁检测器，这些梁检测器基于上述的物体对电场的影响来检测这些物体。

背景技术

DE 10 2008 054 445 A1示出包括用于提供不同传感器信号的多个电极的二维布置的梁探测器。

DE 10 2008 054 460 A1示出具有多个传感器元件的矩阵式布置的相似的梁探测器。

DE 10 2007 058 088 A1还示出另一种梁探测器以及发射电极系统相对于接收电极系统的几何布置。

在US 4,099,118和DE 20 2009 017中介绍另外的梁探测器。

一般来说，已知的梁探测器利用发射和接收电极来工作，其中发射电极被加载激励信号并且此后确定发射和接收电极之间的电容。如果介电或金属物体接近由发射和接收电极构成的布置，那么确定的电容改变，使得可以检测该物体。

发明内容

本发明所基于的任务是，说明具有电极布置的搜索设备，该布置能够实现物体的较灵敏的和选择性较好（trennschärfer）的确定。

本发明借助具有权利要求1的特征的搜索设备来解决该任务。从属权利要求再现优选的实施方式。

根据本发明的用于物体的电容检测的搜索设备包括用于加载激励信号的发射电极、接收电极、在发射电极和接收电极的范围内的检测范围、用于检测发射电极和接收电极之间的电容的测量装置、用于假如所检测的电容不同于参考电容则确定在检测范围内物体的存在的处理装置、和被布置在发射电极和接收电极的范围内并且与电位连接以便减小发射电极和接收电极之间的基本电容的屏蔽电极。

相对于现有技术，在根据本发明的搜索设备中使用附加的屏蔽电极。该屏蔽电极降低在接近传感器的范围内的发射和接收电极之间的预期的电容耦合，而不显著地影响传感器的检测范围内的电容耦合。由此该屏蔽电极不仅不同于防护电极，而且不同于消除寄生电容耦合所利用的保护电极，其中该防护电极屏蔽测量电极的电容传感器的电场的不均匀边缘范围并且保证直到传感器面的边缘处的均匀场。

发射电极、接收电极和屏蔽电极优选地被布置在一个平面内。优选地，屏蔽电极被设置在另两个电极之间。一般地，优选地相对于发射和接收电极放置屏蔽电极，使得不伸展经过搜索设备的检测范围的、发射电极的电场的部分尽可能大部分地被构建在发射电极和屏蔽电极之间而不是在发射电极和接收电极之间。这意味着，当此外特别说明时，屏蔽电极被布置在发射电极和接收电极的范围内。

电容测量系统的动态范围（Dynamik）原则上受在物体的影响下或没有物体影响的电容变化与没有物体影响的在发射电极和接收电极之间的基本电容的比值的限制。这个比值直接影响信噪比（“signal-to-noise ratio”，SNR）。通过基本电容的根据本发明的减小，增大所说明的比值，由此可以直接改善信噪比。因此可以改善在检测物体时的灵敏度、检测间距和/或选择性。

在一种优选的实施方式中，屏蔽电极被布置并且与电位连接，使得发射电极和接收电极之间的电容的由物体引起的区别被最小化，理想地是不变的。因此可以降低干扰电容，而不降低被用于确定物体的所期望的电容差。

进一步有利地，检测范围位于物体对发射电极和屏蔽电极之间的电容的影响范围之外。由此可以实现以下目标，即只降低基本电容，而同时电容的可由物体导致的区别保持相同。屏蔽电极相对于发射或接收电极的精确的布置因此可以依赖于检测范围的位置。由此可以根据预定的检测范围选择屏蔽电极的形状和尺寸，使得电容变化和基本电容的比值的所描述的改善被优化。

在一种优选的实施方式中，发射电极、接收电极和屏蔽电极被布置在一个平面内。特别是为了检测隐藏在建筑物墙中的物体，这种布置可以是有利的。这样的平面的传感器布置关于相对于墙的倾斜的灵敏度可以被最小化。

此外优选地，径向对称地布置发射电极、屏蔽电极和接收电极。由此可以实现确定结果与物体相对于电极布置的位置的不相关性。

在另一优选的实施方式中，可以设置第二屏蔽电极，该第二屏蔽电极环绕其它的电极或在径向上被布置在其它的电极之外。

由此传感器布置的灵敏度可以朝该传感器布置的边缘被降低，使得检测范围可更清晰地被划界。第二屏蔽电极可以和与第一屏蔽电极相同的或不同的电位连接。

为了限制检测范围，可以把屏蔽电极安置在发射电极、接收电极和屏蔽电极的背离检测范围的一侧上。

在特别优选的实施方式中，测量装置包括推挽测量电桥。该推挽测量电桥可以包括两个发射电极和一个接收电极，其中发射电极中的每个与接收电极形成上面所描述的布置之一。在一种替代的实施方式中，也可以设置两个接收电极，其中发射电极中的每个与接收电极中的各一个形成上面所描述的布置之一。这两个接收电极在一种优选的实施方式中可以低阻地彼此连接。在另一种实施方式中，这两个接收电极也可以高阻地、例如由阻抗变换器分隔地连接。在还有另一种替代的实施方式中，也可以只设置一个发射电极并且与参考电容相比确定发射电极和接收电极之间的电容，该参考电容例如可以由推挽测量电桥处的补偿网络形成。

在推挽测量电桥的情况下，屏蔽电极优选地与基本上与接收电极的电位对应的电位连接。在一种替代的实施方式中，代替推挽测量电桥也可以应用低阻放大器。

在还有一种替代的实施方式中，代替推挽测量电桥也可以应用高阻放大器，其中屏蔽电极优选地与基本上与发射电极的电位对应的电位连接。

附图说明

现在参考附图更详细地描述本发明，其中：

图1示出具有屏蔽电极的发射电极和接收电极的布置；

图2示出搜索设备的电路图；以及

图3到图6示出电极的其它布置。

具体实施方式

图1示出在物体105处的电极布置100的纵截面。电极布置100包括发射电极110、接收电极115和屏蔽电极120。电极110到120在不可见的维度内例如以恒定厚度矩形地实施，其中其它的状况（Konstellationen）也是可设想的。发射电极110与电位Ф1连接、接收电极115与电位Ф2连接并且屏蔽电极120与电位Ф3连接。在另外的实施方式中，电极110到115不必被布置在一个平面中，例如屏蔽电极可以朝着检测范围130的方向垂直地进一步向上延伸。

源于电场的场力线125在电极110到120之间被画出，其中该电场存在于场力线125的末端之间。场力线125的被画出的方向仅仅是示范性的。场力线125伸展，使得在场力线125的每个点处，静电力的方向通过在该点中场力线的切线来说明。在这点中的电位根据场力线125的起点和终点之间的电位差和场力线125到起点以及终点的长度的比值来确定。

物体105处于检测范围130内。该检测范围仅被示出在电极110到120之上，在此不进一步探讨对称地处于电极110到120之下的检测范围。此外，在电极110到120和检测范围130之间限定了接近传感器的范围132。屏蔽电极120位于接近传感器的范围132之内并且在那里水平地优选地位于发射电极110和接收电极115之间。

在电极布置100的上侧从发射电极110伸展到接收电极115的场力线125穿过检测区域130。另一方面，从发射电极110出发并且保持在接近传感器的范围132之内、即不穿过检测范围130的场力线125终止于屏蔽电极120。因此，从发射电极110出发的电场的不能被物体105影响的部分被引导到屏蔽电极120，使得这部分不为存在于发射电极110和接收电极115之间的基本电容作贡献。

发射电极110和接收电极115之间的基本电容是当物体105未存在于检测范围130内出现的电容。然而，如果物体105处于检测范围130内，那么该物体由场力线125来检测。根据物体105是否如在图1中所示出的那样借助电阻135与地或地线连接并且是否物体105有金属或介电特性，发射电极110和接收电极115之间的电容可以通过物体105的存在相对于基本电容而变小或增大。接触物体105的场力线125可以在物体105处终止或延续到接收电极115。

为了以所描述的方式形成场力线125，屏蔽电极120必须不仅相对于发射电极110和接收电极115占据合适的位置，而且与相应的电位连接。这个电位尤其依赖于测量电路的构造，利用该测量电路确定电极110和115之间的电容。在所示出的情况下，屏蔽电极120的电位Ф3基本上对应于接收电极115的电位Ф2。这种布置可以有利地在借助低阻放大器或推挽测量电桥来确定电容的情况下被应用。如果应用高阻放大器，那么电位Ф3可以基本上对应于接收电极115的电位Ф2。然而，在这种情况下，电位Ф3必须主动地跟踪（nachgeführt）电位Ф2。为此，例如在接收电极115处的电位Ф2利用阻抗变换器高阻地检测并且低阻地被施加到屏蔽电极120上。

图2示出推挽测量电桥200的框图。推挽测量电桥200是用于检测图1中的物体105的搜索设备205的部分。物体105可以特别是包括介电物体105、接地的金属物体105或对地绝缘的金属物体105。在搜索设备205的其它的实施方式中，电极布置如图1的电极布置那样也可以与其它的测量装置连接，例如与振荡回路或Sigma-Delta调制器连接。

推挽测量电桥220的时钟发生器210有两个输出端，在这两个输出端处该时钟发生器提供相移的、优选地相移180°的周期性的交流信号。这些交流信号可以包括特别是矩形信号、三角信号或正弦信号。该时钟发生器的输出端与第一可控放大器215或第二可控放大器220连接。这些可控放大器215、220中的每一个都拥有控制输入端，该可控放大器通过该控制输入端接受控制相应可控放大器215、220的增益系数的信号。第一可控放大器215的输出端与第一发射电极225连接并且第二可控放大器220的输出端与第二发射电极230连接。接收电极235用作电位探针。发射电极225和230对应于图1中的发射电极110并且接收电极235对应于图1中的接收电极115。

接收电极235与输入放大器240连接；暂时不考虑在第一接收电极225的范围内被示出的补偿网络265。输入放大器240以恒定的增益系数被示出；然而，在其它的实施方式中，输入放大器240的增益系数也可以是可控的。由此例如推挽测量电桥200的空间分辨率和/或灵敏度可以是可影响的并且例如根据在输入放大器240处的测量信号是可控的。

输入放大器240的输出端与同步解调器245连接。该同步解调器245此外与时钟发生器210连接并且从该时钟发生器接收时钟信号，该时钟信号指示在时钟发生器210的输出端处所提供的信号的相位。在一种简单的实施方式中，被引导到可控放大器215、220的输出信号之一可以被用作时钟信号，其中在该实施方式中由时钟发生器210所提供的信号是对称的矩形信号。同步解调器245基本上基于由时钟发生器210所提供的时钟信号将从输入放大器240接收的测量信号交替地连接到其上或下输出端。

同步解调器245的两个输出端与积分器（积分比较器）250连接，该积分器在此作为与两个电阻和两个电容器接线的运算放大器被示出。其它的实施方式同样是可能的，例如作为有源低通滤波器。关于同步解调器245的数字实施方案也是可设想的，在这种数字实施方案中在同步解调器245的输出端处的信号在半波之内的一个或多个时间点上进行模数转换并且此后与随后的或在前的半波的对应值进行比较。差值被积分并且例如再次被转变为模拟信号并且被用于控制放大器215、220。当同步解调器245在其下输出端处提供从输入放大器240接收的测量信号时，积分器250把这个信号对时间积分并且在其输出端处提供结果。当同步解调器245在其上输出端处提供从输入放大器240接收的测量信号时，积分器250把这个信号反相地对时间积分并且在积分器250的输出端处提供结果。在积分器250的输出端处的电压是同步解调器245的被低通滤波的输出的差值的积分。

如果接收电极235相对于第一发射电极225的电容正好与接收电极235相对于第二发射电极230的电容一样大，那么在同步解调器245的输出端处所提供的信号在时间上平均是一样大的，并且在积分器250的输出端处提供趋向0（地）的信号。然而，如果或许因为物体105对接收电极235和第一发射电极225之间的电容的影响不同于对接收电极235和第二发射电极230之间的电容的影响，所确定的电容是不一样大的，那么在同步解调器245的输出端处所提供的信号在时间平均上不再相等，并且在积分器250的输出端处提供正的或负的信号。信号的符号和数值指示所确定的电容的比值，其中信号0对应于电容的比值1。

由积分器250所提供的信号经由端子255被提供给搜索设备205的未被示出的分析和输出装置。该分析装置例如可以执行与阈值的比较，使得当由积分器250所提供的信号超过预定的阈值时，搜索设备205的用户获得光学、声学和/或触觉输出。在此，总的信号或信号的数值可以与阈值进行比较。

由积分器250所提供的信号也被用于可控放大器215和220的增益系数的控制，其中第二可控放大器220直接与积分器250的输出端连接并且第一可控放大器215借助反相器260与积分器250的输出端连接。反相器260引起被提供给其的信号的反相，使得根据积分器250的输出信号，第一可控放大器215的增益系数以与第二可控放大器220的增益系数减小的程度一样的程度增大或反之亦然。也可设想的是，当第二可控放大器220、215的增益系数被保持在固定的值时，只控制可控放大器215、220之一的增益系数。

可控放大器215和220的增益系数增大或减小，直到交流电压分量在数值上被最小化，其中该交流电压分量与施加在发射电极225和230上的交变电压是同步的并且施加在接收电极上。

推挽测量电桥200是调整电路，该调整电路被设立用于通过以下方式来维持发射电极225和230分别相对于接收电极235的电位差的预定的比值，即以合适的比值给发射电极223和230加载信号。

由积分器250所提供的信号是用于补偿例如由于介电物体造成的、可变电容对电位差的不对称影响的控制信号。在其它的实施方式中，基于电极上的电流或电压来确定电极上的可变比值。

在另一实施方式中，第一发射电极225由补偿网络265代替。该补偿网络265由分压器组成，该分压器由两个阻抗组成并且该分压器的输出端借助第三个阻抗被耦合到输入放大器240的输入端。因此，可控放大器215、220的交变电压在存在于第二（并且唯一的）发射电极230和接收电极235之间的电容和由补偿网络形成的参考电容之间被平衡。参考电容相对于介电物体105是不变的。为了测量仅还需要第一发射电极225和接收电极235。

根据测量方法，参考电容不必作为物理电容来实现。也可以涉及“虚拟的”参考电容。在一种实施方式中，例如可以确定电容器的充电曲线的时间常数并且与参考时间进行比较。于是该参考时间是用于参考电容的量度，而无需参考电容物理地存在于推挽测量电桥200中。

发射电极225、230中的每个相对于接收电极的布置优选地配备有屏蔽电极120，如上参考图1更详细地解释的。

图3示出适合于与图2中的推挽测量电桥200一起应用的电极布置。图3A示出纵截面，图3B示出俯视图。

发射电极225和230、接收电极235和两个屏蔽电极120被布置在一个平面中。屏蔽电极120相互电连接并且位于电位Ф3上，如上面参考图1更详细地描述的。通过在接收电极235和发射电极225或230之间的间隙中的屏蔽电极120的宽度和位置可以影响，发射电极225、230和接收电极235之间的基本电容以何数值被减小。同时可以由此影响检测范围130（未被画出）的位置和尺寸，如上面参考图1所描述的。

在一种实施方式中，应用平行于电极225到230和120所位于的平面延伸的保护电极。该保护电极与合适的电位、例如地或地线连接，并且相对于电极225到235和120的平面把检测范围130限制到一侧。

基于在图3中被示出的实施方式，很多变型方案是可能的。例如代替矩形也可以以任意的其它的形状、例如菱形地、三角形地、椭圆地、圆形地或多边形地构造电极225到235和120。也可以把发射电极225和230和/或接收电极235分割为多个拓扑上不相连的范围，然而这些范围相互电连接。也可以把多个发射电极225、230与多个接收电极235组合。电极225到235和120也不一定必须被布置在一个平面内，而是可以占据到平面的不同的间距或一般形成任意的三维形状。

图4示出适合应用于图2中的推挽测量电桥200的另一电极布置。图4A和4B中的视图对应于图3A和3B的视图。

区别于在图3中所示出的实施方式，屏蔽电极120在发射电极225、230的平面内环绕发射电极225或230。所有电极225到235和120再次处于一个平面内。在与该平面平行的平面内示出了两个保护电极405，这两个保护电极分别具有覆盖发射电极225、230之一和属于该发射电极的屏蔽电极120的面积。在所示出的实施方式中，没有保护电极405存在于接收电极235的范围内，然而在其它的实施方式中也可以在此设置保护电极405。也可以只设置一个覆盖所有电极225到235和120的面积的保护电极405。

在图4中被示出的实施方式可以被改变，如上面参考图3关于电极225到235和120的形状和布置所描述的。

图5示出关于90°的旋转角旋转对称的电极布置。四个发射电极505、510、515和520以相同的间距围绕接收电极525分别偏移90°地被布置。屏蔽电极110环绕接收电极525并且附加地在相邻的发射电极505到520之间向外延伸。发射电极505到520可以在应用图2中的推挽测量电桥200的情况下以任意的方式被分配给发射电极225到230。接收电极525对应于接收电极235。也可以应用更复杂的测量电路，在该测量电路中在四个不同的相位中控制四个发射电极505到520。

电极505到525的尺寸、形状和位置可以被改变，如上面参考图3和4所描述的。此外，可以在一侧以到电极505到525的预定的间距布置一个或多个屏蔽电极。

图6示出同样适合应用于推挽测量电桥200的另一电极布置。

四个圆形的电极605、610、615和620被同心地布置在一个平面中。在一种实施方式中，最内部的电极605对应于电极235，紧接着外部的电极610对应于屏蔽电极620以及再紧接着外部的电极615对应于发射电极230。在另一实施方式中，交换电极605和615的分配。在两种实施方式中，还进一步位于外部的电极620可以可选地作为第二屏蔽电极120来设置，该第二屏蔽电极和与进一步位于内部的屏蔽电极120相同的或不同的电位连接。

电极605到620不必处于一个平面中并且代替圆形也可以形成任意的其它的封闭的曲线。如上面参考图3到5已经被阐述的，也可以在此在电极605到620的一侧使用一个或多个屏蔽电极。

Claims (12)

1.用于物体（105）的电容检测的搜索设备（205），包括：

－用于加载激励信号的发射电极（225，230）；

－接收电极（235）；

－在所述发射电极（225，230）和所述接收电极（235）的范围内的检测范围（130）；

－用于检测所述发射电极（225，230）和所述接收电极（235）之间的电容的测量装置（200）；

－用于假如所检测的电容不同于参考电容则确定在所述检测范围（130）内所述物体（105）的存在的处理装置（200），

其特征在于

－屏蔽电极（120），所述屏蔽电极被布置在所述发射电极（225，230）和所述接收电极（235）的范围内并且与电位（Ф3）连接，以便减小所述发射电极（225，230）和所述接收电极（235）之间的基本电容。

2.根据权利要求1所述的搜索设备（205），其中所述屏蔽电极（120）被布置并且与所述电位（Ф3）连接，使得所述发射电极（225，230）和所述接收电极（235）之间的电容的由所述物体（105）所引起的区别是不变的。

3.根据权利要求1或2所述的搜索设备（205），其中所述检测范围（130）位于所述物体（105）对所述发射电极（225，230）和所述屏蔽电极（120）之间的电容的影响范围之外。

4.根据上述权利要求之一所述的搜索设备（205），其中所述发射电极（225，230）、所述接收电极（235）和所述屏蔽电极（120）被布置在一个平面内。

5.根据上述权利要求之一所述的搜索设备（205），其中所述发射电极（225，230）、所述屏蔽电极（120）和所述接收电极（235）被径向对称地布置。

6.根据权利要求4或5所述的搜索设备（205），其中设置有第二屏蔽电极（120），该第二屏蔽电极在径向上被布置在其它的电极（225-235，110）之外。

7.根据上述权利要求之一所述的搜索设备（205），其中保护电极（405）被安置在所述发射电极（225，230）、所述接收电极（235）和所述屏蔽电极（120）的背离所述检测范围（130）的一侧上。

8.根据上述权利要求之一所述的搜索设备（205），其中所述测量装置包括推挽测量电桥（200）。

9.根据权利要求8所述的搜索设备（205），其中所述推挽测量电桥被设立用于确定另外的发射电极（225，230）和所述接收电极（235）之间的或另外的发射电极（225，230）和另外的接收电极（235）之间的电容。

10.根据权利要求8或9所述的搜索设备（205），其中所述屏蔽电极（120）与电位（Ф3）连接，所述电位基本上对应于所述接收电极（235）的电位（Ф2）。

11.根据上述权利要求之一所述的搜索设备（205），其中所述测量装置（200）包括与所述接收电极（235）连接的低阻放大器（240）并且所述屏蔽电极（120）与电位（Ф3）连接，所述电位基本上对应于所述接收电极（235）的电位（Ф2）。

12.根据上述权利要求之一所述的搜索设备（205），其中所述测量装置（200）包括与所述接收电极（235）连接的高阻放大器（240）并且所述屏蔽电极（120）与电位（Ф3）连接，所述电位基本上对应于所述接收电极（235）的电位（Ф2）。

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