CN104204858A - 电容式定位设备 - Google Patents

Abstract

一种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）和与接收电极连接的参考电容（C2）。在此，带有接收电极的测量电极构成可被该对象影响的测量电容（C1），而参考电容不能被对象影响。此外，设置对应电极（235，240），其被设立用于将交变电流导入到介质中，该交变电流在数值上对应于从测量电极流入到该介质中并且与其反相的交变电流。

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。

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、接收电极和与接收电极连接的参考电容。在此，带有接收电极的测量电极构成可被该对象影响的测量电容，而参考电容不能被对象影响。此外，设置有对应电极，其被设立用于将交变电流导入到介质中，该交变电流在数值和相位上对应于从测量电极流入到介质中的交变电流。

通过这些对应电极可以最小化或补偿使测量结果失真的电流。尤其是，可以将定位设备的使用者对测量的影响最小化。定位设备的运行因此可以是与使用者如何操作定位设备以及使用者以何种程度或以何种方式接地（也即与介质电耦合）无关的。该对象因此可以被确定，而无须在测量之前校准定位设备。

优选地，参考电容由参考电极和接收电极构成。

对应电极可以与介质一起构成电容，以便将交变电流电容式地导入到介质中。为此，对应电极可以布置在该介质附近并且与其电流分离。尤其是对应电极可以布置在测量电极附近并且与其类似地构造。对应电极与介质的电容式耦合尤其是可以有利地应用在不均匀或不平坦的介质中，因为与介质的电接触不是必要的。

代替地或附加地，对应电极也可以与介质电阻耦合，以便将交变电流电导入到介质中。由此例如可以将对应电极的表面选择得尺寸相对小。

在一种优选实施方式中，定位设备还包括：两个反相的交变电压源，其中的第一交变电压源与测量电极连接，并且第二交变电压源与参考电容连接；以及用于对对应电极施加信号的第三交变电压源，该第三交变电压源与在测量电极处的电压反相并且具有与其成比例的幅度。

测量电极和对应电极分别以不同强度与介质的耦合可以通过这种方式补偿。由此，该对象例如利用在介质不平坦表面上的电极的平坦布置可以更好地被确定。此外，该布置相对于在介质表面上的电极倒装可以是不敏感的。

优选地，该定位设备还包括用于控制第三交变电压源的信号的幅度的装置，使得从对应电极流入到介质中的交变电流在其数值上对应于从测量电极流入到介质中的交变电流。由此可以进一步改善所描述的补偿。

该定位设备还可以包括另外的对应电极和用于对该另外的对应电极施加信号的第四交变电压源，该信号与参考电极处的电压反相并且具有与其成比例的幅度。

上面描述的优点因此可以关于参考电极同样来实现。在该实施方式中，可以设置用于控制第四交变电压源的信号的幅度的装置，使得由该另外的对应电极流入到该介质中的交变电流在其数值上对应于从参考电极流入介质的交变电流。

测量电极、参考电极和接收电极可以被第一和第二电极的交替布置包围，其中该布置的第一电极与测量电极电连接并且该布置的第二电极与对应电极电连接。

通过这种方式，测量电极和对应电极分别至该介质的电流可以被相互均衡，由此使用者对测量的影响如上面已经描述的那样可以被最小化。

在另一优选的实施方式中，这些电极位于平面中，并且在与对象背离的侧上布置有与恒定电势连接的屏蔽电极，该屏蔽电极完全覆盖至少测量电极。测量电容可以通过这种方式更少地被处于背离介质侧上的对象、尤其是被定位设备的使用者所影响。

为了进行分析，定位设备可以包括用于基于在测量电容和参考电容之间的比例来探测对象的桥式测量电路。尤其是，可以确定参考电容和测量电容之差和之和的商并且进行分析。因此，同样涉及测量电容和参考电容的影响因素（例如环境温度和环境湿度）不能影响测量。

在特别优选的实施方式中，定位设备具有两个反相的交变电压源，其中的第一交变电压源与测量电极连接并且第二交变电压源与参考电极连接，并且此外还具有用于控制这些交变电压中至少一个交变电压的幅度的控制装置，用于使测量电极和参考电极的电场对接收电极的影响相互均衡。

这种分析电路可以以已知集成电路的形式简单并且低成本地使用。

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示出了用于图1和2的定位设备的叉指式电极；以及

图4示出了用于图2的布置的对应电极的操控电路。

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并且同样也设置有一个或多个另外的对应电极240、255、260。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距来相互布置。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。参考电极215、220和对应电极255、260优选是相同大小的并且水平和垂直地以相同大小的间距来相互布置。

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、240、255和260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示出了用于图1和2的定位设备100的叉指式电极300。叉指式电极300包括多个第一电极305和第二电极310，所述第一电极和第二电极交替地布置。所有第一电极305彼此电连接，并且所有第二电极310彼此电连接。在此，叉指式电极300可能除了屏蔽电极250之外包围电极的整个布置120。在图3中，由布置120仅仅示出了测量电极140、参考电极145和接收电极150。所示的三个电极140至145的大小和间距关系是纯示例性的。

第一电极305与测量电极140电连接，并且第二电极310与图2中的对应电极235、240之一连接。

图4示出了针对图2的布置120的对应电极235、240、255和260的操控电路400。该操控电路400包括两个交变电压源405和410，以及两个放大器415和420。交变电压源405提供信号，该信号与在测量电极140处的电压反相并且具有与该电压成比例的幅度。以相应的方式，交变电压源410提供信号，该信号与在参考电极145处的电压反相并且具有与该电压成比例的幅度。

在一种实施方式中取消放大器415和420，并且将由电压源405和410提供的电压直接地与对应电极235和240或255和260连接。在另一种、在图4中示出的实施方式中，设置有放大器415、420或者对应部件如混合器或可控制的衰减环节，以便控制在对应电极235、240、255和260处的交变电压的幅度，使得流过第一对应电极235和第二对应电极240的交变电流在数值上相应于流过测量电极140的交变电流，并且流过第三对应电极255和第四对应电极260的交变电流在数值上相应于流过参考电极145的交变电流。为此，放大器415和420以合适的方式与电极140和145或者其引线连接，如通过这些连接处的箭头表示的那样。

如果仅仅设置对应电极235、240，则可以取消图4的与另外的对应电极255、260对应的部分。

在另一实施方式中，取消用于对应电极235、240、255和260的单独的操控单元。于是，对应电极235、240与参考电极145电流连接并且对应电极255、260与测量电极140电流连接。

Claims (12)

1.一种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）和与接收电极（150）连接的参考电容（C2），

-其中带有接收电极（150）的测量电极（140）构成能被该对象（110）影响的测量电容（C1），并且参考电容（C2）不能被对象（110）影响，

其特征在于

-对应电极（235，240），其被设立用于将交变电流导入到介质（105）中，该交变电流在数值上对应于从测量电极（140）流入到介质（105）中并且与其反相的交变电流。

2.根据权利要求1所述的定位设备（100），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），其中所述对应电极（235，240）与介质（105）一起构成电容，以便将交变电流电容式地导入到介质（105）中。

4.根据权利要求2所述的定位设备（100），其中所述对应电极（235，240）与介质（105）电阻耦合，以便将交变电流电阻式地导入到介质（105）中。

5.根据上述权利要求之一所述的定位设备（100），还包括：

-两个反相的交变电压源，其中的第一交变电压源（130，185）与测量电极（140）连接，并且第二交变电压源（135，180）与参考电容（145）连接；以及

-用于对对应电极（235）施加信号的第三交变电压源（410），该第三交变电压源与在测量电极（140）处的电压反相并且具有与其成比例的幅度。

6.根据权利要求4所述的定位设备（100），还包括用于控制第三交变电压源（405）的信号的幅度的装置（415），使得从对应电极（235，240）流入到介质（105）中的交变电流在其数值上对应于从测量电极（140）流入到介质（105）中的交变电流。

7.根据权利要求4或5所述的定位设备（100），还包括另外的对应电极（255，260）和用于对所述另外的对应电极（255，260）施加信号的第四交变电压源（410），该信号与参考电极（145）处的电压反相并且具有与其成比例的幅度。

8.根据权利要求6所述的定位设备（100），还包括用于控制第四交变电压源（410）的信号的幅度的装置（420），使得由该另外的对应电极（235，240）流入到介质（105）中的交变电流在其数值上对应于从参考电极（145）流入到介质（105）的交变电流。

9.根据上述权利要求之一所述的定位设备（100），其中测量电极（140）、参考电极（145）和接收电极（150）被第一电极（305）和第二电极（310）的交替布置（300）包围，并且该布置（300）的第一电极（305）与测量电极（140）电连接以及该布置（300）的第二电极（310）与参考电极（145）电连接。

10.根据上述权利要求之一所述的定位设备（100），其中这些电极（140、145、150、235、240、255、260）位于平面中，并且在与对象（110）背离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覆盖这些电极（140、145、150、235、240、255、260）。

11.根据上述权利要求之一所述的定位设备（100），还包括用于基于在测量电容（C1）和参考电容（C2）之间的比例来探测对象（110）的桥式测量电路（178）。

12.根据上述权利要求之一所述的定位设备（100），还包括：

-两个反相的交变电压源，其中的第一交变电压源（130）与测量电极（140）连接并且第二交变电压源（135）与参考电极（145）连接；以及

-用于控制这些交变电压中的至少一个交变电压的幅度的控制装置（155，160，165，175），用于使测量电极（140）和参考电极（145）的电场对接收电极（150）的影响相互均衡。