CN104969062A - 带有二维线圈阵列的基于阻抗的测量装置 - Google Patents

Abstract

本文描述的基于阻抗探测材料的装置包括二维线圈阵列(1)和适于确定每个线圈(1)的表示其阻抗的参数的测量单元(4)。脉冲发生器(3)能够在每个线圈(1)中产生电流脉冲。电路通过行和列线(rp1...rpN1，cp1...cpN2，c21...csN2)来驱动和感测线圈阵列以最少化所需部件的数量。所述装置可以尤其是用于探测混凝土。

Description

带有二维线圈阵列的基于阻抗的测量装置

技术领域

本发明涉及用于探测材料电阻抗的装置，其具有至少一个线圈、用于在所述线圈中产生电流脉冲的脉冲发生器和用于确定表示所述线圈的阻抗的参数的测量单元。

背景技术

通过电阻抗测量装置来探测材料例如钢筋混凝土是已知的。这样的装置包括线圈和用于向线圈馈送电流脉冲的脉冲发生器。在每个电流脉冲后，线圈产生的磁场衰减并引起线圈上的感应电压衰减。该电压的衰减是线圈阻抗的函数，其依赖于场范围内的材料的磁导率μ和电导率σ。例如，如果线圈接近埋入混凝土内的金属钢筋条时，场范围内的平均磁导率μ和电导率σ，和由此得到的线圈的阻抗会变化，这导致感应电压的衰减变缓。

因此，通过测量表示线圈的电感的参数，能够洞察线圈附近的材料的组成。这对于混凝土内的钢筋条或其他金属部分的定位、深度和/或直径的确定是非常有用的。

发明内容

本发明要解决的问题是进一步改进此类装置。所述问题是通过权利要求1的装置解决的。相应地，所述装置包括二维线圈阵列。进一步的，测量单元适于确定表示所述线圈中的单个线圈的阻抗的参数。这样的设计使得提供了材料的空间分辨测量方法，例如对混凝土内的钢筋条或其他金属部分的位置和/或取向进行定位。

在有利的实施例中，所述脉冲发生器适于向每个所述线圈分别馈送单独的电流脉冲，也就是说，它能够向每个选定的线圈馈送电流脉冲，同时不向其他线圈馈送脉冲。这使得能够在阵列内的任意位置产生定位明确的磁场。

另外，所述测量单元可以适于测量例如所述线圈中的单个线圈的所述参数。

所述线圈可以有利地由印刷电路板上的导电轨形成，其使得它们的制造成本低廉。

所述装置有利地用于探测混凝土，特别是探测钢筋混凝土，以定位其中的钢筋条或其他金属部分。

附图说明

当考虑做出以下详细的说明时，本发明将被更好的理解，并且不同于上述那些内容的对象将变得明显。这样的说明参考所附的附图，其中：

图1显示了装置的部件的框图，

图2显示了线圈电路的实施例，

图3显示了测量单元的最重要部件的实施例，

图4显示了印刷电路板上的线圈，和

图5是在多层印刷电路板上实现的线圈的示意图。

具体实施方式

定义：

术语“二维线圈阵列”应理解为线圈被排列成平面或曲面上的矩阵，在行方向上并排排列第一数量N1＞1的线圈，并且在列方向上并排排列第二数量N2＞1的线圈，行和列方向彼此横切地延伸。

术语“基于阻抗探测材料的装置”应理解为通过使线圈靠近材料来确定样品材料(例如混凝土)的特性的装置。向线圈馈送电流脉冲，并且线圈的磁场的建立或衰减是所述场所受到的磁导率μ和电导率σ的函数，其取决于材料的组成。因此，所述装置适于测定取决于材料的磁导率μ和/或电导率σ的特性。

概述：

图1显示了根据本发明的装置的部件的概况。可以看到，所述装置包括多个线圈1，其以行和列排列成二维阵列，标示为行方向x和列方向y。虽然每行的线圈数目N1和每列的线圈数目N2可以低至2，有利地这两个数目都大于2，这样可以获得待测材料的空间良好分辨信息。在图1的实施例中，N1＝N2＝6，但是其他数字例如8或16也可以使用。

每个线圈1都有线圈电路2。另外，所述装置包括脉冲发生器3、测量单元4和控制单元5。脉冲发生器3适于向每个线圈1分别馈送电流脉冲，同时测量单元4能够确定每个线圈的表示其阻抗的参数。控制单元5协调脉冲发生器3和测量单元4的操作。这些部件的设计将在下一部分进行更详细的描述。

脉冲发生器：

脉冲发生器3包括行脉冲线rp1...rpN1和列脉冲线cp1...cpN2，所有这些都连接到计时电路6。在二维阵列的每个单元i，j中，一个列脉冲线cpi与一个行脉冲线rpj相交。在操作中，一个行脉冲线例如被设置为高压(如10伏特)，同时其他行脉冲线被保持在低压(如0伏特)。另外，列脉冲线保持在高压(如10伏特)，有一条列脉冲线例外，对该条列脉冲线施加至少一个低压脉冲(例如到0伏特)。

线圈电路：

图2显示了单个线圈电路2和它从属的线圈1的实施例。可以看到，线圈电路2包括连接到列脉冲线cpi的第一输入端10，连接到行脉冲线rpj的第二输入端11，和连接到列信号线csi的输出端，假设i和j是二维线圈阵列中的线圈电路的坐标。

另外，每个线圈电路2包括第一半导体开关T1和第二半导体开关T2，也就是说每个线圈1具有一个第一半导体开关T1和一个第二半导体开关T2。这两个开关可以例如为场效应晶体管(FET)或双极晶体管。它们中的每一个具有两个电流端子(例如FET的源极和漏极或双极晶体管的集电极和发射极)和控制端子(例如FET的栅极或双极晶体管的基极)。如本领域技术人员已知的，第一和第二电流端子之间的电导率通过控制端子处的电压来控制，这使得可以通过改变控制端子处的电压来接通或切断电流端子之间的电流。

可以看到，线圈1的一个端子接地(或连接到另一固定的参考电势)，同时线圈1的另一端子(在点P处)连接到半导体开关T1的一个电流端子。半导体开关T1的第二电流端子连接到行脉冲线rpj。半导体开关T1的控制端子连接到列脉冲线cpi。

另外，如提到的，线圈电路2包括第二半导体开关T2，它的控制端子连接到行脉冲线rpj，它的一个电流端子通过电阻R1连接到线圈1，并且它的第二电流端子被连接到列信号线csi。电阻R1具有至少10-1000Ω的电阻。

测量单元：

测量单元4的设计如图3所示。它包括模拟多路分配器20，其具有连接到列信号线cs1...csN2的N2个输入端以及一个输出端21。半导体开关T3使得能够选择性地将每个输入端连接到输出端21。半导体开关T3的控制端子由控制单元5和脉冲发生器3控制。

从输出端21来的信号被馈送到运算放大器22的反相输入端，也就是说多路分配器被设置在列信号线cs1...csN2和放大器22之间。放大器22在其反馈回路内具有电阻R2。放大器22的正相输入端连接到恒定参考电势Vref。

另外，如可以看到的，电压限制器23，例如包括两个相反极性(reversely-poled)的并联的肖特基二极管，被设置在放大器22的输入端处。它限制放大器22的输入端处的电压，使其相对于大地不超过100V，特别是相对于大地小于1V，例如几个100mV。

操作过程

装置的上述实施例的操作过程将在下面描述。

在正常操作过程中，控制单元5操作脉冲发生器3以在行和列脉冲线rp1...rpN1和cp1...cpN2上分别产生一系列的脉冲，通过此激活线圈矩阵中的各线圈1。

为了激活例如位于行j和列i处的线圈，脉冲发生器6将除了行脉冲线rpj之外的所有行脉冲线设置到低电压，同时行脉冲线rpj被设置到高电压。所有的列脉冲线cp1...cpN2被设置到高电压。进一步地，多路分配器20被设置成仅将第二行脉冲线csj连接到输出端21。这种情况下，所有半导体开关T1都是非导通的，即没有电流通过任何线圈1。此外，只有位于行j的半导体开关T2是导通的，且多路分配器20仅将列j的行i处的线圈连接到放大器22的输入端。

现在，脉冲发生器3向列脉冲线cpi施加低电势脉冲，通过此将半导体开关T1转变到其导通状态，这样电流开始流过行j和列i处的线圈1。一旦足够强的磁场建立，列脉冲线cpi就被设置回到其高压，通过此截断半导体开关T1。这导致点P处的负感应电压的立即建立。该电压的绝对值可以为大于100V，且可以轻易地超过第二半导体开关T2和T3的电流端子和控制端子之间的最大允许电压。然而，因为这些半导体开关处于导通状态并且连接到电压限制器23，电压限制器将半导体开关T2和T3的电流端子和它们的栅极之间的电压限制为可接受的值。半导体开关T2和点P之间的电压在电阻R1上降低。

因此，电压限制器23保护半导体开关T2和T3不受过电压破坏。电压限制器23的另一目的是防止在线圈1上的电压高时放大器22在饱和状态下操作，从而一旦放大器的输入电压降低到低水平时使得放大器保持响应。

在其初始峰后，感应电压开始衰减，衰减速率取决于线圈1的阻抗。为了测量依赖于阻抗的参数，当点P处的电压降低到相当低的值时，对放大器22的输出进行取样，使得放大器22处于其线性运行范围内。在该运行范围内，放大器22的放大率为R2/R1，并且其至少为5，特别是接近于10。

在切断通过线圈1的电流之后的给定时间，放大器22的输出端处的电压被测量，并且它被用于确定二维线圈阵列的单元i，j位置处的样品材料的响应。

必须明确的是，作为采用第二半导体开关T2和/或多路分配器20的替代方案，一行、一列或整个矩阵中的所有单元的电阻R1的输出侧(图2的右手侧)可以被直接连接到放大器22的输入端。然而，在这种情况下，放大器22的噪声放大会更高，因为它的反相输入端相对于大地的阻抗较低。

由于这个原因，在线圈1和放大器22之间提供第二半导体开关T2和/或多路分配器20是有利的，这样所述放大器22可以被连接以测量单个线圈1的感应电压或一次测量至少仅一个子集的线圈的感应电压。

机械设计：

所述装置的机械设计如图4和5所示。可以看到，线圈1有利地由印刷电路板30上的导电轨34形成。它们以行和列的二维阵列排列。它们沿着行方向x形成了N1行，沿着列方向y形成了N2列。如以上提到的，N1和N2有利地为大于2，例如8，以便获得合理的空间分辨率。每个线圈1的线圈电路2可以被设置为邻近它的线圈，同样成为相同行数和列数的二维阵列。其他电路，其以附图标记31、32表示，它们可以例如包括脉冲发生器3、控制单元5和/或测量单元4，可以例如位于线路板30的边缘或位于分离的电路板上。

电路板30可以有利地为多层电路板，也就是说它包括多层33，如图5示意性地显示的。本领域技术人员已知，每个这样的层可以承载它自己的金属轨。线圈1有利地由多个层33上的导电轨34形成。每个轨34形成螺旋，所有的螺旋基本上具有相同的设计且围绕相同的轴缠绕。

注释：

图4的装置显示了行和列方向x，y彼此垂直的实施例。然而，它们还可以以其他角度排列，例如60°或120°。

总的来说，基于阻抗探测材料的本装置包括二维线圈阵列1和测量单元，测量单元适于测定每个线圈1的表示其电阻抗的参数。脉冲产生器3能够在每个线圈1上产生电流脉冲。电路通过行和列线rp1...rpN1，cp1...cpN2，c21...csN2驱动和检测线圈阵列，以最小化所需的部件数量。所述装置可以，尤其是，被用于探测混凝土，不过它也可以用于其他应用中。

虽然，本发明中采用优选实施例展示和描述，显然应该了解的是本发明不限于这些，其可以在所附权利要求范围内以其他不同方式表现或实施。

Claims (13)

1.一种基于阻抗探测材料的装置，包括至少一个线圈(1)、用于在所述线圈(1)中产生电流脉冲的脉冲发生器(3)、以及用于确定表示所述线圈(1)的阻抗的参数的测量单元(4)，其特征在于所述装置包括按行和列排列的二维线圈(1)阵列，其中所述测量单元(4)适于确定所述线圈(1)中的各个线圈的所述参数。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述线圈(1)被排列在平面或曲面上，在行方向(x)上排列了第一数量N1＞2的所述线圈(1)，并且在列方向(y)上排列了第二数量N2＞2的所述线圈(1)，行和列方向(x，y)彼此横切地延伸，特别是彼此垂直地延伸。

3.所述装置其中所述脉冲发生器(3)适于向每个所述线圈(1)分别馈送电流脉冲。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述线圈(1)按行和列排列，且所述脉冲发生器(3)包括：

行脉冲线(rp1...rpN1)，沿着每一行排列一条行脉冲线(rpj)，

列脉冲线(cp1...cpN2)，沿着每一列排列一条列脉冲线(ci)，

第一半导体开关(T1)，其中每个线圈(1)具有一个第一半导体开关(T1)，且其中每个第一半导体开关(T1)包括第一电流端子和第二电流端子以及控制端子，其中所述第一电流端子和所述第二电流端子之间的导通性是由所述控制端子处的电压来控制的，其中所述线圈(1)和所述行脉冲线(rp1...rpN1)连接到所述电流端子，且所述列脉冲线(cp1...cpN2)连接到所述控制端子。

5.根据前述任一权利要求所述的装置，进一步包括第二半导体开关(T2)，且其中所述测量单元(4)包括放大器(22)，其中每个所述第二半导体开关(T2)被设置在所述线圈(1)中的一个与所述放大器(22)之间以将单个的线圈(1)或所述线圈(1)的一个子集连接到所述放大器(22)。

6.根据权利要求5所述的装置，其中每个线圈(1)具有一个第二半导体开关(22)。

7.根据权利要求4和6所述的装置，进一步包括列信号线(cs1...csN2)，

其中所述第二半导体开关(T2)包括第一电流端子和第二电流端子以及控制端子，其中所述第一电流端子和第二电流端子之间的导通性由所述控制端子处的电压来控制，并且其中，对于所述第二半导体开关(T2)，

所述控制端子连接到所述行脉冲线(rp1...rpN1)，

所述第一电流端子连接到所述线圈(1)，且

所述第二电流端子连接到所述列信号线(cs1...csN2)中的一个。

8.根据权利要求7所述的装置，进一步包括设置在所述第二半导体开关(T2)的所述第一电流端子和所述线圈(1)之间的电阻器(R1)，并且特别地其中所述电阻器具有至少10-1000Ω的电阻。

9.根据权利要求7或8所述的装置，包括位于所述列信号线(cs1...csN2)和所述放大器(22)之间的多路分配器(20)，适于将所述列信号线(cs1..csN2)中的一个连接到所述放大器(22)。

10.根据权利要求6-9中的任一项所述的装置，进一步包括设置在所述放大器(22)的输入端处的电压限制器(23)，并且所述电压限制器(23)适于将所述输入端处的电压保持在所述第二半导体开关(T2)的所述电流端子与所述控制端子之间的最大允许电压以下，并且特别是低于100伏特。

11.根据上述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述线圈(1)由印刷电路板(30)上的导电轨(34)形成。

12.根据权利要求11所述的装置，其中所述印刷电路板(30)包括多个层(33)，其中每个线圈(1)由所述层(33)中的几个层上的导电轨(34)形成。

13.根据上述任一项权利要求所述的装置用于探测混凝土的应用，特别是用于探测钢筋混凝土。