CN104169743A - 电容式定位设备 - Google Patents

Abstract

根据本发明的用于电容式探测封闭在介质（105）中的对象（110）的定位设备（100）包括测量电极（140）、接收电极（150）和参考电容（C2），其中所述测量电极与所述接收电极构成可通过所述对象受到影响的测量电容（C1）并且所述参考电容不可通过所述对象而受到影响。所述电极布置在一个平面中并且设置有垫片（410），以便将所述电极与所述介质的表面保持预先确定的、不同于零的最小间隔。

Description

电容式定位设备

技术领域

本发明涉及定位设备。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设备。

背景技术

为了检测隐藏在墙壁中的物体、例如在轻质结构墙壁中的梁，已知电容式探测器。这种探测器使用其充电或放电特性被确定的电极，以便推断出介电对象。带有多个电极的探测器也是已知的，在其中确定了电极对的电容变化。通常需要在墙壁上手动地校准这种探测器，因为这些设备本身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、空气湿度、背离传感器的对象、通过使用者的接地、墙壁材料的电特性或介电特性。为了考虑这些变化的影响因素，必须在墙壁上校准已知的设备，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示出了用于定位介质中的介电对象的传感器。所示的传感器确定了在参考电容和测量电容之间的比例，其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示出了作为夹紧保护的电容式探测器，其借助推挽测量桥将两个电容的电容相互比较。这些电容之一通过两个可相对定位的电极构成，使得它们的相对距离的变化可以用于生成信号，该信号对所述夹紧发出警告。

本发明所基于的任务是说明一种用于电容式探测的定位设备，其不需要校准来实现高的测量精度。

发明内容

本发明借助具有独立权利要求特征的定位设备来解决该任务。从属权利要求再现了优选的实施方式。

基本上有两个理由要求定位设备的校准。一方面不可控制的影响如环境温度、环境湿度、背离传感器的对象或定位设备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导电性可以引入到输出信号中。

根据本发明的用于电容式探测封闭在介质中的对象的定位设备包括测量电极、接收电极和参考电容，其中测量电极与接收电极构成可通过对象受到影响的测量电容并且参考电容不可通过对象受到影响。这些电极被布置在一个平面中并且设置有垫片，以便将电极与介质的表面保持预先确定的、不同于零的最小间隔。

优选地，接收电极是不接地的。

在一种优选的实施方式中，参考电容由参考电极和接收电极构成。

该定位设备提供输出信号，该输出信号提示对象的存在。然而，该输出信号优选地不仅仅取决于对象的存在或不存在，而是还取决于定位设备与介质的间隔或介质的电特性和介电特性。

在一种实施方式中，该定位设备包括用于基于测量电容和参考电容之间的比例来提供输出信号的分析电路。

在第一种变型中，最小间隔因此被选择为，使得当定位设备被放置在介质上时，输出信号是最小的。最小间隔因此被选择为，使得该输出信号比针对定位设备与介质的其它间隔、特别是还有比最小间隔更小的间隔的输出信号更小。因此在数学意义上是输出信号的绝对值的局部最小值。

这样定义的最小间隔可以主要取决于所使用的电极的几何形状并且凭经验可容易地确定。通过以到介质的如下间隔放置电极——其中在该间隔中输出信号是最小的，定位设备可以近似地与介质的电特性或介电特性无关。特别是定位设备与定位设备到介质的间隔的小改变无关，所述改变如定位设备在介质上由于倾斜而移动时或通过粗糙的表面而几乎不可避免地引起。

在第二种变型中，输出信号可以定性地反过来表现为间隔的函数，使得当定位设备被放置在墙壁上时，输出信号是最大的。在此，垫片也允许测量值与介质的电特性或介电特性的依赖性并且避免定位设备与介质的小的间隔变化。

该定位设备可以被设立用于基于相应的测量电容和参考电容之差与之和的商来确定测量信号。对于这样的分析电路，可以被用于该定位设备的不同方案是已知的。属于此的有例如具有反馈放大器（“feedback amplifier”）的桥式测量电路。

在一种特别优选的实施方式中，分析电路按照推挽式测量桥的原理被构造并且包括用于给测量电容和参考电容供应有相位差的交变电压的振荡器、用于控制所述交变电压中至少一个交变电压的幅度的控制装置、以及用于为控制装置提供控制信号的确定装置，以便相互均衡测量电极和参考电极的电场分别对接收电极的影响。在此输出信号基于控制信号被提供。

通过上面所描述的具有推挽式测量桥的优点的优选方式的组合，可以提供定位设备，在该定位设备处大量通常的干扰影响已经通过构造方式或测量原理被考虑。由此可以提供简单、稳健并且精确的定位设备。

在一种实施方式中，测量电极、参考电极和接收电极位于一个平面中并且在背向对象的侧上布置有屏蔽电极，该屏蔽电极至少部分地覆盖所述电极并且与恒定电势连接。背向介质的侧的对象、例如在手中持有该定位设备的使用者的影响可以由此被减小。

该定位设备可以包括壳体，其中垫片被集成到该壳体中。特别是电极可以在壳体内以到壳体的预先确定的间隔被布置。由于电极和介质之间的过小的间隔所导致的错误操作可以由此被可靠地避免。

在一种特别优选的实施方式中，通过垫片所提供的电极到介质的最小间隔至少是5mm。研究已经示出，利用通常大小和相对定位的电极的布置，所述的最小间隔可以导致上述优点的大部分。

附图说明

现在参照附图更确切地描述本发明，在其中：

图1a示出了带有第一分析电路的定位设备；

图1b示出了带有第二分析电路的定位设备；

图2示出了图1和2的定位设备的电极的布置；

图3示出了图1a和图1b的分析电路之一的输出信号的特征曲线；和

图4示出了根据图1a或1b的具有不同垫片的定位设备。

具体实施方式

图1A示出了用于电容式探测封闭在介质105中的对象110的定位设备100。

该定位设备100包括推挽测量桥115和电极的布置120。

在测量桥115处，振荡器125提供了两个有相位差的、优选反相的相同频率的交变电压。这两个交变电压被输送给两个放大器130和135，它们中的至少一个可以借助信号在其放大因数方面被控制。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。

布置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相对于彼此被布置为，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所影响，而参考电容C2不被或者以可忽略的程度被影响。

接收电极150与测量放大器155连接，该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的影响在时间上交替地被确定并且被提供给积分器165，该积分器例如可以被构造为进行积分的比较器。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。测量信号此外还用于控制放大器130和135中的至少一个的放大因数。如果两个放大器130、135可以被控制，则设置反相器175，以便互相相反地控制所述放大因数。

推挽测量桥115被设立用于对该布置120的测量电极140和参考电极施加交变电压，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其不能被对象110或者实际上不能被对象110所影响。如果例如对象110非对称地处于电极140、145的区域中而使得电容C1和C2介电地不同程度地被对象110所影响，则交变电压具有不同大小的幅度，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应放大器130、135的调制。如果测量信号高于或低于预先给定的值，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1B示出了相应于图1A的定位设备100，然而其中推挽测量桥115被带有反馈式放大器（“feedback amplifier”）的桥式测量电路178代替。

测量电极140被供给来自第一交变电压源180的交变电压，并且参考电极145被供给来自第二交变电压源185的第二交变电压。由交变电压源180和185提供的电压是相互反相的并且具有相同幅度。

放大器195的输出信号分别通过混合器190与交变电压源180和185的交变电压混合，放大器的反向输入端与未接地的接收电极150连接。放大器195的输出信号和第一交变电压源180的交变电压两者以正的符号混合在一起并且转发给测量电极140。对于参考电极145，在向下混合器190中放大器195的输出信号同样是正的，然而第二交变电压源185的交变电压被负混合并且向参考电极145转发。

由此，测量电极140和参考电极145被施加反相的交变电压，该交变电压的幅度类似于图1中所示的推挽测量桥115被控制为，使得电极140和145的电场对对象110的影响彼此相应。在接口170处提供交变电压，当该交变电压超过预先确定的值时，其关于对象110进行提示。在此，处于接口170处的信号与电容C1和C2之差和之和的商成比例。在所示电路处有利的是：接收电极150在受调控的情况下按交变电压方式接地并且因此在接收电极150和地面之间不流过交变电流。

图2示出了图1中的定位设备100的电极的布置120。在此，图2A在朝向对象110的第一平面中示出了电极，并且图2B在相对于第一平面背离对象110的第二平面中示出了电极的布置。实际上，所示的布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，第一测量电极205和分别对应于图2中的测量电极140的第二测量电极210、第一参考电极215 和分别对应于图1中的参考电极145的第二参考电极220、以及对应于图1中的接收电极115的接收电极225和防护电极242处于第一平面中。彼此对应的电极205和210、215和220可以低欧姆地相互电连接。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的测量桥115中为测量电极205和210中的每一个设置自己的放大器130。在双重地实施的电极205和210、215和220中的每一个也可以单个地实施。

可选地，在布置120中还设置有第一对应电极235并且同样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相同大小的间隔来相互布置。测量电极205和210以及对应电极235和240分别可以被防护电极242包围。

防护电极232在水平方向上大致延伸在图2a的中心，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分隔。该布置120的处于图2A中水平防护电极232下方的部分在另外的实施方式中也可以被取消。

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150并且提高了电极布置的对称性并且由此提高了场力线分布。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中的定位设备100的设备地连接。该做法与已知的主动屏蔽（“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。防护电极230、232、242尤其是在使用图1中所示的推挽测量桥115时提供，因为测量桥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利用空气来实现，其方式是在这些电极之间引入凹部244，如其例如在第一参考电极215和第一接收电极225之间并且在第二参考电极220和第一接收电极225之间所示出的。

在所示的优选实施方式中，布置120的全部电极205-242被绝缘层246覆盖，以便使得与环境空气的介质105或其他对象的电阻耦合变得困难。绝缘层也用作湿气阻障，使得例如来自空气的湿气不能进入到载体材料中并且不能影响电容。

图2B示出了四个屏蔽电极250，它们分别被测定并且定位为使得它们覆盖测量电极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。屏蔽电极250在定位设备100处与时间上恒定的电势连接，该电势可以相应于定位设备100的设备地。附加地或代替地，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被保护以防外部影响。

图3示出具有如上面参考图2描述的电极布置120的图1a和1b的分析电路115和178的输出信号的图示300。该图示300一般地适用于具有不接地的电极的电容传感器。在水平方向上示出在介质105和电极的布置120之间的间隔并且在垂直方向上示出在接口170处所提供的输出信号S。

特征曲线305定性地表示输出信号S和间隔d之间的相互关系，而不取决于对象110是否存在于布置120的范围中以及对象110通过其位置、大小和介电特性对输出信号S有哪种影响。如果该间隔d是零，那么输出信号S就是大的。随着间隔d增加，输出信号S首先陡峭地并且之后较平缓地下降，直至在间隔d1时达到最小值。在间隔d1之后随着进一步增加的间隔d，输出信号S增加并且在进一步的延伸中紧贴着输出信号S的预先确定的值。

特征曲线305通过以下方式完成，即两个取决于间隔d的效应相反地作用于输出信号S。参考图1a和1b的分析电路115和178从以下出发，即以下公式适用：

                                                                       （公式1）

用语言来表达，输出信号S与测量电容C1和参考电容C2之差与之和的商成比例。在此测量电容C1由测量电极140和接收电极150构成并且参考电容C2由参考电极145和接收电极150构成。

特别是在较小的间隔d时产生影响的第一效应通过测量电极和接收电极或参考电极和接收电极之间的电容的减小促使传感器信号S减小。由此在电极140或145和接收电极150之间的电流被缩小并且传感器信号随着增加的间隔d变小。

通过特别是在较大间隔d时产生影响的第二效应，随着间隔d增加，在电极140、145和150与介质105之间的电容减小。这导致测量电极140和接收电极150或参考电极145和接收电极150之间的电流增大，由此输出信号S变大。

两个效应相互叠加，使得在间隔d1情况下定性地得出具有最小的传感器信号S的特征曲线305。因此有利的是，通过垫片以第二段320的间隔d保持电极的布置120。特别优选的是，垫片被设立用于将间隔d规定到d1，这在电极140到150通常的尺寸和布置在大约3－10mm的范围中、特别是在大约5mm时是该情况。

最小间隔可以取决于电极的多重几何特性。在测量电极和接收电极之间的间隔越大，通常最小间隔就越大。同样最小间隔可以取决于测量电极和接收电极之间的保护电极的存在。保护电极的存在可以放大最小间隔。在研究中，针对具有保护电极的电极配置最小间隔的以下值被作为电极间隔的函数来确定：

测量电极到接收电极的间隔[mm]	电极到对象的最小间隔[mm]
		2.1	5.5
5	8.1
		9	9.9

图4a和4b示出根据图1a和1b的分别具有如上面参考图2所描述的电极布置120的定位设备100的两种不同的实施方式。

图4a示出定位设备100的第一实施方式，在该第一实施方式中包括壳体405，电极的布置120被安装在该壳体的底侧处。其余的组件、特别是分析电路115或178在此未被示出。一个或多个垫片410位于壳体405的底侧处，以便将该壳体405和因此还有该布置120与介质105的上表面保持预先确定的间隔d。该间隔d有利地位于图3的第二范围320中，理想地处于间隔d1。

图4b示出一种替代的实施方式，该实施方式基于图4a的实施方式。然而，在此该布置120不直接布置在壳体405的底侧处，而是被安装在壳体405处或壳体405中，使得当壳体405的底侧被放置到介质105的上侧上时，得出预先确定的间隔d。在此壳体可以在其底侧处被封闭并且电极的布置120被固定在壳体405处，使得壳体405本身用作垫片410。在另一种实施方式中，在壳体405内可以设置用于将布置120相对于壳体405固定的专用的垫片410。

Claims (9)

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

－测量电极（140）、接收电极（150）和参考电容（C2），

－其中所述测量电极（140）与所述接收电极（150）构成能通过所述对象（110）受到影响的测量电容（C1）并且所述参考电容不能通过所述对象（110）受到影响，

其特征在于，

－所述电极（140、145、150）被布置在一个平面中并且设置有垫片（410），以便将所述电极（140、145、150）与所述介质（105）的表面保持预先确定的、不同于零的最小间隔（d）。

2.根据权利要求1所述的定位设备，其中所述参考电容由参考电极（145）和接收电极（150）构成。

3.根据权利要求1或2所述的定位设备（100），其中所述接收电极（150）是不接地的。

4.根据上述权利要求之一所述的定位设备（100），此外包括用于基于所述测量电容（C1）和所述参考电容（C2）之间的比例来提供输出信号（S）的分析电路（115、178），其中最小间隔（d）被选择为使得分析电路（115、178）的输出信号（S）极其不取决于所述对象（110）。

5.根据权利要求4所述的定位设备（100），其中所述比例与所述测量电容（C1）和所述参考电容（C2）之差与之和的商成比例。

6.根据权利要求4或5所述的定位设备（100），其中所述分析电路（115、178）包括以下各项：

－用于给所述测量电容（C1）和所述参考电容（C2）供应有相位差的交变电压的振荡器（125）；

－用于控制所述交变电压之一的幅度的控制装置（130、135），和

－用于为所述控制装置（130、135）提供控制信号的确定装置（160、165），以便将所述测量电极（140）和所述参考电极（145）的电场对所述接收电极（150）的影响相互均衡；

－其中所述输出信号（S）基于所述控制信号被提供。

7.根据上述权利要求之一所述的定位设备（100），其中所述电极（140、145、150）位于一个平面中并且与恒定电势连接的屏蔽电极（250）布置在背向所述对象（110）的侧上，所述屏蔽电极至少部分地覆盖所述电极（140、145、150）。

8.根据上述权利要求之一所述的定位设备（100），此外包括壳体（405），其中所述垫片（410）被集成到所述壳体（405）中。

9.根据上述权利要求之一所述的定位设备（100），其中所述最小间隔（d）至少是5mm。