CN104169742A - 电容式定位仪 - Google Patents

Abstract

一种用于电容式探测被封闭在介质（105）中的对象（110）的定位仪（100），包括测量电极（140）、参考电极（145）和接收电极（150），其中测量电极与接收电极一起构成可通过对象影响的测量电容（C1），并且参考电极与接收电极一起构成不能被对象影响的参考电容（C2），此外还包括用于给测量电容和参考电容供应移相的交变电压的振荡器（125）以及用于控制所述交变电压至少之一的幅度的控制装置，以便使测量电极或参考电极的电场对接收电极的影响彼此相均衡。在此，所述电极平面地成形，并且所述测量电极具有比参考电极大的面积。

Description

电容式定位仪

技术领域

本发明涉及定位仪。尤其是，本发明涉及用于电容式探测封闭在介质中的对象的定位仪。

背景技术

为了检测埋藏在墙壁中的物体、例如在轻型结构墙壁中的梁，已知电容式探测器。这样的探测器使用电极，所述电极的充电行为或放电行为被确定，以便推断出介电对象。带有多个电极的探测器也是已知的，其中电极对的电容的变化被确定。通常需要在墙壁上手动地校准这样的探测器，因为这些仪器甚至不能识别墙壁接触并且电极或电极对的电容取决于环境条件、如温度、空气湿气、背离传感器的对象、通过使用者的接地、墙壁材料的电或介电特性。为了考虑这些可变的影响因素，必须在墙壁处校准已知的仪器，为此或者需要通过使用者的相应控制或者需要昂贵的传感器系统。

DE 10 2007 058 088 A1示出用于定位介质中的介电对象的传感器。所示的传感器确定在参考电容和测量电容之间的比例，所述测量电容与该对象关于这两个电容的电极的位置相关。

DE 10 2008 005 783 B4示出作为防夹保护的电容式探测器，其借助推挽测量电桥将两个电容的电容相互比较。电容之一通过两个可彼此相对安置的电极构成，使得其相对间距的变化可以被用于生成信号，该信号发出夹紧警告。

本发明所基于的任务是说明一种用于电容式探测的定位仪，该定位仪为了实现高的测量精度不需要校准。

发明内容

本发明借助于具有独立权利要求的特征的定位仪来解决该任务。从属权利要求再现优选的实施方式。

基本上有两个需要校准定位仪的理由。一方面不可控制的影响如环境温度、环境湿气、背离传感器的对象或定位仪通过使用者的接地可能影响输出信号。另一方面，输出信号与介质处的对象无关地与空气中（in Luft）的输出信号不同，其中介质的材料和材料厚度以及墙壁电特性如介电常数或传导性可以引入到输出信号中。

本发明的用于电容式探测被封闭在介质中的对象的定位仪包括测量电极、参考电极和接收电极，其中测量电极与接收电极一起构成可通过对象影响的测量电容，并且参考电极与接收电极一起构成不能被对象影响的参考电容，此外包括用于给测量电容和参考电容供应移相的交变电压的振荡器和用于控制所述交变电压至少之一的幅度的控制装置，以便使测量电极或参考电极的电场对接收电极的影响彼此相均衡。在此，所述电极平面地实施，其方式是所述电极与其表面相比仅具有小的厚度。在优选的实施方式中，所述表面此外是平坦的。此外，测量电极具有比参考电极大的面积。

通过在推挽测量电桥处使用所描述的电极装置，可以补偿影响在电极之间的电容的干扰因素。这种影响可以是与对象和介质无关的，例如环境温度、空气湿气、与电极背离的对象或定位仪经由在其手中持有所述仪器的使用者的接地。

在优选的实施方式中，测量电极与接收电极的间距大于参考电极与接收电极的间距。

所描述的推挽测量电桥根据对象的存在确定商的改变，该商通过测量电容和参考电容之差与这两个电容之和构成。以相同形式影响这两个电容的影响因此不改变测量参量。通过各个电极的所说明的几何构型（Ausprägung）可以使通过对象对参考电容的可影响性降低。

测量电极可以至少部分地并且尤其是在测量电极与接收电极之间的区域中由防护电极包围，该防护电极与恒定电势连接。在该以及另外的实施方式中适合于将测量电极、接收电极和参考电极布置在相同的平面中。防护电极在这种情况下可以同样在该平面中伸展。恒定电势可以尤其是与仪器地（Gerätemasse）相应。防护电极在该平面中提供屏蔽，该屏蔽被调整到预先确定的、尤其是在时间上恒定的电势。因此无需附加的耗费来实现该屏蔽，如果由于调节条件而在接收电极处出现电势，使得与上面描述的交变电压同步的交变电压分量消失，则这种无源屏蔽尤其是有效的。防护电极因此可以与所描述的推挽测量电桥相结合地改善定位仪的确定质量。

测量电极、参考电极和接收电极可以处于一个平面中，其中在背离对象的侧上布置有与恒定电势连接的屏蔽电极，该屏蔽电极至少部分地或优选完全地遮盖处于该平面中的电极。由此可以减少不要被探测的对象、尤其是定位仪的使用者的影响。在一种变型方案中，该遮盖也可以仅仅提供部分遮盖，例如接收电极或参考电极可以从该遮盖中取出。

在另一实施方式中，其可以与上述实施方式组合，载体材料在测量电极和接收电极之间具有凹部。

在又另一实施方式中，其可以与上述实施方式组合，参考电极和接收电极布置在平坦的载体材料的表面上，其中载体材料在参考电极和接收电极之间具有凹部。

两种措施的目的在于，电场力线的数量通过载体材料在测量电极和接收电极之间或在参考电极和接收电极之间被最小化。通过载体材料的特性对测量电容或对参考电容的影响可以由此被减少并且电容与温度和湿度的相关性被简化。

防护电极可以与屏蔽电极电连接。两种不同类型的屏蔽因此可以以简单的方式相互连接。这可以有助于简单地构建定位仪，由此可以节省制造和开发成本。

在测量电极和接收电极之间可以有大量用于将屏蔽电极与防护电极电连接的导体段。

在另一实施方式中，其可以与上述实施方式组合，测量电极和接收电极布置在平坦的载体材料的表面上，其中该载体材料在测量电极和接收电极之间具有凹部，所述凹部的边界至少部分地配备有导电层，该导电层与屏蔽电极和防护电极电连接。

垂直接触的两种变型方案的目的在于：把在防护电极和屏蔽电极之间的电连接在测量电极和接收电极之间的区域中实施为，使得电场力线、尤其是通过载体材料引起的这样的电场力线在测量电极和接收电极之间被屏蔽。在测量电极和接收电极之间的基本电容可以由此被减小。由此可以在对象的影响方面提高测量电路的灵敏度。通过载体材料的特性对基本电容的影响由此可以被减少并且基本电容与温度和湿度的相关性被简化。

测量电极、参考电极和屏蔽电极可以分别用绝缘层覆盖。由此可以减少例如介质对参考电容或测量电容的电影响。尤其是，绝缘层可以用作湿气屏障，使得空气湿气不能侵入到载体材料中并且不能影响电容。

测量电极或参考电极可以包括多个相互间隔的区段，所述区段低欧姆性地相互电连接。由此，电极可以布置为使得能够实现对象的二维可确定性。

测量电极或参考电极可以包括多个相互电绝缘的区段，所述区段被施加不相同的、但是相互成比例的信号。该电极装置的灵敏度因此可以在不同方向上有不同大小。

附图说明

现在参照附图更确切地描述本发明，其中：

图1示出定位仪；

图2示出图1的定位仪的电极的装置；

图3示出图2的装置处的电极之间的电连接；以及

图4示出图2的装置处的电极之间的可替换的电连接。

具体实施方式

图1示出用于电容式探测封闭在介质105中的对象110的定位仪100。

该定位仪100包括推挽测量电桥115和电极的装置120。

在测量电桥115处，振荡器125提供两个移相的、优选反相的相同频率的交变电压。这两个交变电压被引导给两个放大器130和135，它们中的至少一个可以借助信号在其放大系数方面被控制。第一放大器130的输出端与测量电极140连接，并且第二放大器135的输出端与参考电极145连接。

装置120至少包括电极140和145以及不接地的接收电极150。电极140、145和150彼此被布置为，使得在测量电极140和接收电极150之间出现测量电容C1，并且在参考电极145和接收电极150之间出现参考电容C2。在此，电极140、145和150被构造为，使得测量电容C1可以被对象110影响，而参考电容C2不能或者可以在可忽略地小的程度上被影响。

接收电极150与测量放大器155连接，所述测量放大器的输出端与同步解调器160连接。根据由振荡器125所提供的时钟信号（其频率相应于提供给放大器130和135的交变电压的频率），测量电极140和参考电极145对接收电极150的影响时间上交替地被确定并且被提供给积分器165，其例如可以被构造为求积分的比较器。积分器165的输出端与接口170连接，在该接口170处提供测量信号。测量信号此外被用于控制放大器130和135中的至少一个的放大系数。如果两个放大器130、135是可控制的，则设置有反相器175，以便反向地控制所述放大系数。

推挽测量电桥115被设立用于对该装置120的测量电极140和参考电极如此施加交变电压，使得对象110的介电影响对在接收电极150处的电容C1和C2的作用一样大。在此，参考电容C2物理上被构建为使得所述参考电容不能被对象110或者实际上不能被对象110影响。如果例如对象110非对称地处于电极140、145的区域中，使得电容C1和C2介电地不同强烈地由对象110影响，则交变电压具有不相同高度的幅度，使得测量电极140和参考电极145对接收电极150的影响在时间平均上是相同的。在接口170处提供的测量信号反映放大器130、135的调制（Aussteuerung）。如果测量信号高于或低于预先确定的值，该值对应于不存在的对象110，则可以由测量信号推断出对象110。

图2示出图1的定位仪100的电极的装置120。在此，图2A示出在朝向对象110的第一平面中的电极，并且图2B示出在关于第一平面背离对象110的第二平面中的电极的装置。实际上，所示的装置例如可以构造为在由绝缘材料制成的电路板的不同层上的印制电路。

在图2A中，分别相应于图2中的测量电极140的第一测量电极205和第二测量电极210、分别相应于图1的参考电极145的第一参考电极215 和第二参考电极220、以及相应于图1的接收电极115的接收电极225和防护电极242位于第一平面中。彼此对应的电极205和210、215和220可以低欧姆性地相互电连接。在另外的实施方式中，彼此对应的电极205-220被施加相同的或者不相同但是彼此成比例的信号，这些信号可以来自不同的源。为此目的，例如可以在图1的测量电桥115中为每个所述测量电极205和210设置自己的放大器130。双重地实施的电极205和210、215和220中的每一个也可以单独地实施。

参考电极215、220小于测量电极205和210，更确切地说，优选明显小于测量电极205和210，使得测量电极205、210的面积是参考电极215、220的面积的多倍。优选地，测量电极205和210是相同大小的。同样优选地，参考电极215、220是相同大小的。

优选地，测量电极205和210与参考电极215和220相比离接收电极225更远，更确切地说明显更远，使得测量电极205和210至接收电极225的距离分别是参考电极215和220与接收电极225的距离的多倍。优选地，第一测量电极205与接收电极225的间距相应于第二测量电极与接收电极225的间距。同样优选地，第一参考电极215与接收电极225的间距相应于第二参考电极220与接收电极225的间距。

可选地，在装置120中还设置有第一对应电极235并且必要时也设置有第二对应电极240。测量电极205、210和对应电极235、240优选是相同大小的并且水平和垂直地以彼此相同大小的间距来布置。测量电极205和210以及对应电极235和240分别可以由防护电极242包围。

防护电极232在水平方向上大致在图2A的中心伸展，该防护电极232将布置在上部的测量电极205和210、分别所分配的防护电极242、参考电极215和220以及第一接收电极225与布置在下部的对应电极235和240连同分配给其的防护电极242和另外的防护电极230分开，并且减小在对应电极235、240和接收电极225之间的电容耦合。该装置120的在图2A中处于水平防护电极232之下的部分在另外的实施方式中也可以取消。

全部的防护电极230、232、242是可选的。防护电极242用于中断在处于第一平面中的电极205-225、235、240之间的电容耦合。防护电极230对应于接收电极225并且提高电极装置的对称性并且由此提高了场力线分布的对称性。防护电极230、232、242与预先确定的、尤其是时间上恒定的电势连接，例如与图1中的定位仪100的仪器地连接。该策略与已知的有源屏蔽（“active shielding”）的不同之处在于：防护电极的电势在时间上是恒定的并且不跟踪另一电势（nachführen）。防护电极242尤其是在使用在图1中所示的推挽测量电桥115情况下出现，因为测量电桥115被设立用于调整在接收电极150处的电势，使得与测量电极140或参考电极145处的交变电压的时钟同步的交变电压分量消失。

在第一平面的相邻电极之间的绝缘也可以借助空气来实现，其方式是在电极之间引入凹部244，如示例性地在第一参考电极215和接收电极225之间以及在第二参考电极220和接收电极225之间所示出的。

在所示的、优选的实施方式中，装置120的全部电极205-242由绝缘层246覆盖，以便使与环境空气的介质105或其他对象的电阻性耦合变得困难。绝缘层也用作湿气屏障，使得例如来自空气中的湿气不能侵入到载体材料中并且不能影响电容。

图2B示出四个屏蔽电极250，所述屏蔽电极分别被测定并且被安置为使得它们将测量电极205、210之一或者对应电极235、240之一连同必要时所分配的防护电极242遮盖。屏蔽电极250在定位仪100处与时间上恒定的电势连接，该电势可以相应于定位仪100的仪器地。附加地或可替换地，屏蔽电极250可以与防护电极242连接。屏蔽电极250也可以借助未示出的绝缘层246被保护免受外部影响。

图3示出图2的装置120的不同平面之间的电连接。

凹部244被引入到电路板305中，该电路板在其上侧承载图2A的第一平面，并且在其下侧承载图2B的第二平面。凹部244在参考电极145和接收电极150之间被引入到电路板305中。凹部244可选地在至少一侧上配备有导电层310，该导电层在上部与第一平面的电极之一（这里示例性地为防护电极242）电连接，并且在下部与第二平面的电极之一（这里示例性地为屏蔽电极250）电连接。在另一例子中，凹部244可以在测量电极140和接收电极150之间被引入到电路板305中。导电层210在此情况下优选建立在上侧上的防护电极242和在下侧上的屏蔽电极250之间的电接触。

在图4中示出了该电连接的对此可替换的机械构型。代替凹部244，将多个垂直孔安放到电路板305中，导体段315穿过所述孔。导体段315优选作为贯通接触部（“通孔”）例如通过电镀途径或借助铆钉来制造。

在图3和图4中所示的两个变型方案用于构造空气填充区域和可选地构造在垂直方向上的导体段，以便屏蔽电极之间的电场，所述电极在平面内关于导体段彼此相对。两个实施方式可以附加于或替换于为相同目可使用的防护电极242而被设置。

Claims (11)

1.用于电容式探测被封闭在介质（105）中的对象（110）的定位仪（100），包括：

-测量电极（140）、参考电极（145）和接收电极（150），

-其中测量电极（140）与接收电极（150）一起构成可通过对象（110）影响的测量电容（C1），并且参考电极（145）与接收电极（150）一起构成不能被对象（110）影响的参考电容（C2）；

-用于给测量电容（C1）和参考电容（C2）供应移相的交变电压的振荡器（125）；

-用于控制所述交变电压至少之一的幅度的控制装置（130，135，155，160，165，175），以便使测量电极（140）或参考电极（145）的电场对接收电极（150）的影响彼此相均衡，其特征在于，

-所述电极（140，145，150）平面地成形，并且所述测量电极（140）具有比参考电极（145）大的面积。

2.根据权利要求1所述的定位仪（100），其中所述测量电极（140）与接收电极（150）的间距大于所述参考电极（145）与接收电极（150）的间距。

3.根据权利要求1或2所述的定位仪（100），其中所述测量电极（140）至少部分地由防护电极（242）环绕，其中该防护电极（242）与恒定电势连接。

4.根据上述权利要求之一所述的定位仪（100），其中所述测量电极（140）、参考电极（145）和接收电极（150）处于一个平面中，并且在背离对象（110）的侧上布置有与恒定电势连接的屏蔽电极（250），该屏蔽电极至少部分地遮盖处于该平面中的电极（140，145，150）。

5.根据权利要求3和4所述的定位仪（100），其中所述防护电极（242）与屏蔽电极（250）电连接。

6.根据权利要求5所述的定位仪（100），其中在测量电极（140）和接收电极（150）之间有大量用于将屏蔽电极（250）与防护电极（242）电连接的导体段（315）。

7.根据权利要求5或6所述的定位仪（100），其中所述测量电极（140）和接收电极（150）布置在平坦的载体材料（305）的表面上，并且该载体材料（305）在测量电极（140）和接收电极（150）之间具有凹部（244）。

8.根据权利要求7所述的定位仪，其中所述凹部（244）的边界至少部分地配备有导电层（310），该导电层与屏蔽电极（250）和防护电极（242）电连接。

9.根据上述权利要求之一所述的定位仪（100），其中所述测量电极（140）、参考电极（145）和屏蔽电极（250）分别用绝缘层（246）覆盖。

10.根据上述权利要求之一所述的定位仪（100），其中测量电极（140）或参考电极（145）包括多个相互间隔的区段（205，210），所述相互间隔的区段低欧姆性地相互电连接。

11.根据上述权利要求之一所述的定位仪（100），其中所述测量电极（140）或参考电极（145）包括多个相互电绝缘的区段（205-220），所述相互电绝缘的区段被施加不相同的、但是相互成比例的信号。