CN105051572B - 用于定位金属性和/或能磁化的物件的物件搜寻设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于定位金属性或磁性物件的传感器包括两个发送线圈和一个接收线圈，它们以感应方式彼此耦合。在用于确定对于传感器的温度影响的方法中在所述发送线圈上提供第一对预先确定的交流电压并同时采样穿过发送线圈的电流以及接收线圈的第一电压。接下来在所述发送线圈上提供第二对预先确定的交流电压并同时采样穿过发送线圈的电流以及接收线圈的第二电压。基于所确定的电流和电压然后确定发送线圈和接收线圈之间的耦合系数并基于耦合系数确定所述物件。
Description
技术领域
本发明涉及一种也称作定位设备的物件搜寻设备。本发明尤其涉及一种温度平衡式物件搜寻设备和一种用于物件搜寻设备的温度平衡的方法。
背景技术
用于定位金属性或能磁化的物件的物件搜寻设备借助于一发送线圈产生一电磁场并借助于一接收线圈检查该电磁场是否被所述物件所改变。
WO 2010/133328 A1公开了具有两个发送线圈和一个接收线圈的金属探测器。这些发送线圈以经相位移动的多个交流电流加载并评价一与所述发送线圈以感应方式耦合的接收线圈的输出信号。发送线圈的电压或电流与接收信号相关地这样被改变，使得接收信号被消除。从发送线圈的电压或电流的关系然后可以推断出在发送线圈和接收线圈的区域中存在金属性物件。
但是，穿过物件搜寻设备的发送或接收线圈的电流的改变也可以通过温度影响来造成。例如，用于发送线圈的电流源或电压源或用于接收线圈的测量放大器可能经受温度波动。所使用的线圈的几何尺寸关系也可以通过温度改变而被改变。
该波动可以这样地大，使得物件不再能够明确地被找到或物件处于与确定的部位不同的部位上。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种用于确定对于用于定位金属性或磁性物件的传感器的温度影响的方法、一种对应的计算机程序产品和一种相应的传感器。此外，本发明的任务是提供一种测量设备、尤其是一种物件搜寻设备或定位设备。
本发明借助于具有如下特征的技术方案来解决这些任务。
用于定位金属性或磁性物件的传感器包括至少两个发送线圈和一个接收线圈，它们以感应方式彼此耦合。在用于确定对于传感器的温度影响的根据本发明的方法中，在所述发送线圈上提供第一对预先确定的交流电压并采样穿过发送线圈的电流以及接收线圈的第一电压，尤其是同时、即尤其在施加第一对预先确定的交流电压时采样它们。接下来在发送线圈上提供第二对预先确定的交流电压并采样穿过发送线圈的电流以及接收线圈的第二电压，尤其是同时、即尤其在施加第二对预先确定的交流电压时采样这些电流或电压。基于所确定的电流和电压然后确定发送线圈和接收线圈之间的耦合系数并基于耦合系数确定所述物件。确定物件尤其被理解为识别物件的位态或位置和可能地还有识别物件的类型。
所述方法基于这样的构思，即，在发送线圈和接收线圈的区域内的物件影响下不仅改变接收线圈的电压而且改变耦合系数。
如果涉及改变了接收线圈电压的温度影响，那么耦合系数保持不变。参考值例如一次性确定或固定地预先给定，通过将所确定的电压和所确定的耦合系数与这些参考值进行比较，可以以简单和可靠的方式确定温度影响。因此例如可以确定或平衡对于发送线圈的电压或电流源的温度波动或对于接收线圈的测量放大器的温度波动。所述方法可以因此允许温度平衡式物件确定。
所述物件尤其可以被确定，即被识别为物件或适用为物件，如果耦合系数相对于前一次测量的耦合系数不同。因此可以可靠地在物件的影响和对于接收信号的温度影响之间进行区分。
在一优选的实施方式中，前一次确定的电压和耦合系数涉及这样的布置，在该布置中，接收线圈和发送线圈之间的感应式耦合不被金属性或能磁化的物件影响。因此可以确保，不必使用参考物件，其具有预先确定的磁性特性用来确定温度影响。
在一实施方式中，第一对交流电压的电压相对彼此是分别以少于±5°相位移的并且第二对交流电压的电压同样是以少于±5°相对彼此相位移的。
在一特别优选的实施方式中选择常数A、B、C1和C2，其中，在第一对交流电压期间，第一发送线圈的电压是A并且发送线圈的电压是B+C1。第二对交流电压期间，第一发送线圈的电压是A+C2并且第二发送线圈的电压是B。加数C1在此是A的大致3-7%且加数C2是B的大致3-7%。还适用的是，A/B优选相应于第二发送线圈的耦合系数相对于第一发送线圈的耦合系数的比例。
通过选择电压和比例可以阻止接收线圈的电压不仅在第一对交流电压期间而且在第二对交流电压期间呈现为零值。上述电压和电流的数学上的和过程技术上的处理可由此被简化地执行。由此可以不必处理特殊情况或摒弃错误测量。
在另一实施方式中，耦合系数被第一次确定且在测量布置方案重构之后、尤其是接收线圈极性反转之后被第二次确定且彼此进行计算，尤其是确定尺度并成对地相减。因此可以以简单的方式进一步减小对于测量结果的温度影响，该测量结果基于物件的确定。
根据本发明的计算机程序产品包括程序编码器件，其用于执行所描述的方法，如果该计算机程序产品在一处理装置上运行或存储在一能计算机读取的数据载体上。
用于定位金属性或能磁化的物件的根据本发明的传感器包括：至少两个发送线圈和一个接收线圈，它们以感应方式彼此耦合；一操控装置，其用于以交流电压供给发送线圈；一采样装置，其用于确定穿过发送线圈的电流以及接收信号，在发送线圈上的电压呈现出第一或第二预先确定的值对期间。在此，所述处理装置被设置用于基于所确定的电流和电压确定发送线圈和接收线圈之间的耦合系数并基于耦合系数确定物件。
这样的传感器可以在用于定位物件的常见运行中考虑那些确定的温度影响，以便由此平衡出现的测量错误。由此可以实现物件的温度平衡式确定。
以有利的方式可以因此实现用于探测围入一介质中的物件的测量设备、尤其是定位设备，其是紧凑、高效和无需校准的，也就是不再在每次单个测量之前必须由使用者校准。
在一实施方式中，传感器的部件借助于能编程的微计算机来实现。采样装置可以包括模拟-数字转换器并且可以设置选择器件，以便借助于采样装置交替地采样所述接收信号或线圈电流中的一个线圈电流。为了确定所述线圈电流可以分别将一测量电阻与所述发送线圈串联连接，其中，在测量电阻上下降的电压指出流过所述发送线圈的电流。所述模拟-数字转换器可以包括能编程的微计算机并且选择器件可以简单地实现，以便测量所提到的电流或电压。可编程的微计算机的可能在内的外围设备（Peripherie）的电路技术上的耗费可由于此保持得很小。与之相应地可以减少传感器的制造成本。
以类似的方式，操控装置可以包括用于操控所述发送线圈中的至少一个发送线圈的模拟-数字转换器。也可以设置两个模拟-数字转换器，其中，分别固定配置给发送线圈中的一个。
可选地可以设置第一参考电压源，其用于以预先确定的电压加载所述接收线圈。能借助于接收线圈确定的接收信号可以因此涉及第一参考电压源的电压。也可以设置第二参考电压源，用于分别以预先确定的电压加载这些接收线圈。在另外的实施方式中，第一参考电压源的电压或第二参考电压源的电压可以借助于上面提到的选择器件与所述模拟-数字转换器连接，以便确定这些参考电压的绝对值。由此可以避免，参考电压源的温度波动保持未识别。
附图说明
现在参照附图更加详细地描述本发明，其中：
图1示出了用于定位金属性或能磁化的物件的传感器的线路图；
图2示出了图1的传感器的线圈的两个实施方式；和
图3示出了用于确定对图1的传感器的温度影响的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了用于定位金属性或能磁化的物件105的传感器100的线路图。所述传感器100包括第一发送线圈110、第二发送线圈115和接收线圈120，它们感应式地彼此耦合，其中，所述线圈110、115和120的一种优选结构在下面参考图2更详细地实施。发送线圈110和115以交流电压加载，从而使得它们产生电磁场，这些电磁场作用到接收线圈120上。接收线圈120将可能被所述物件105影响的电磁场转换到这样的电压上，该电压被提供作为接收信号。基于该接收信号可以在考虑线圈110、115和120的几何布置的情况下推断出物件105存在还是不存在。
为了放大或阻抗变换，给第一发送线圈110配置第一发送放大器125，给第二发送线圈115配置第二发送放大器130并给接收线圈120配置接收放大器135。在图1的接线图中优选以数码技术实施传感器100的一部分。这些数码元件尤其可以被一集成的、能编码的微电脑包括。
替换地也可以离散地或模拟地构建一些或所有元件。第一发送放大器125通过第一模拟-数字转换器145操控并且第二发送放大器130通过第二模拟-数字转换器150操控。接收放大器135的接收信号提供给一数字-模拟转换器155。处理装置160被设置用于这样地操控所述模拟-数字转换器145和150，使得交流电压施加在发送线圈110和115上，这些交流电压通常具有不同的振幅并且通常在小于大约10°的范围上经历小的相位移。但是，所使用的频率和脉冲形状是相同的；使用矩形或至少近似正弦形状作为优选的脉冲形状。
为了确定对传感器100的温度影响设置了串联第一发送线圈110的第一测量电阻（分路）165和串联第二发送线圈115的第二测量电阻170。在这些测量电阻165或170上下降的电压指出流过所述发送线圈110或115的电流。测量电阻165或170优选地具有小的温度相关性和小的构件公差。
接收线圈120的电压和穿过发送线圈110和115的电流可以分别被配置所赋予的接收放大器135或采样装置。在所示的优选实施方式中替代地设置了选择器件175，这些选择器件能够通过所述处理装置160控制，以便多个不同的信号中的仅一个信号与接收放大器135的输入端连接。选择器件175优选包括开关或类似的切换元件，其中在任何时间都不关闭多于一个的开关。因此可以替换地将在第一测量电阻165上或在第二测量电阻170上下降的电压或接收线圈120上的测量信号与接收放大器135的输入端连接。
在所示的优选实施方式中，接收线圈120的未与输入端放大器135连接的端部与第一参考电压源180连接并且所述发送线圈110和115的未与发送放大器125或130连接的端部与第二参考电压源185连接。
参考电压源180和185分别提供了一预先确定的直流电压，以便可以在预先确定的工作点上运行线圈110、115或120。在所示的实施方式中，选择器件175也被设置用于替换地使第二参考电压源185与接收放大器135连接。在一扩展方案中，选择器件175也可以被设置用于使第一参考电压源180与接收放大器135连接。
所述处理装置160被设置用于，借助于输出端放大器125、130施加第一交流电压到发送线圈110和115上并然后借助于选择器件175和输入端放大器135确定所述接收线圈120的输入端信号以及流过所述发送线圈110和115的电流。在此，施加在所述发送线圈110和115上的交流电压优选地具有预先确定的振幅关系和预先确定的相位移。该行动接下来以第二交流电压重复，这些第二交流电压与第一交流电压不同。
然后基于确定的电流和电压来确定第一发送线圈110和接收线圈120之间的第一耦合系数K1以及第二发送线圈115和接收线圈120之间的第二耦合系数K2。在存储器190中至少存储耦合系数、优选前面确定的耦合系数和接收信号。被存储的值可以通过传感器100的结构方式有条件地和固定地预先给定。在另一实施方式中一次性确定这些值，例如以已描述的方式，在线圈110至120的感应式影响范围内没有物件105期间，然后将这些确定的值存储在存储器190中。
如果接收线圈120的接收信号与已存储的接收信号不同，那么这可以归因为物件105或对传感器100部件的温度影响。如果这些确定的耦合系数K1和K2与存储的耦合系数没有不同，那么传感器100经受了温度影响。所确定的温度影响可以通过接口195给出。否则，当耦合系数K1、K2相对于前一次测量不同时，物件105处在线圈110至120的范围内。所述物件105然后可以基于确定的接收信号和耦合系数，参考发送线圈110和115的和接收线圈120的几何形状在它的大小、类型和位置上被更准确地确定。该结果同样可以通过接口195给出。
对于线圈110至120上的电流和电压的测量而言适用下列等式：
Usec(1) = K1· I1(1) + K2· I2(1) (等式 1)
Usec(2) = Kl· I1(2) + K2 · I2(2) (等式 2)
其中：
Usec(1)在第一交流电压期间的接收线圈（120）的电压（接收信号）；
Usec(2)在第二交流电压期间的接收线圈（120）的电压（接收信号）；
I1(1)：在第一交流电压期间穿过第一发送线圈110的电流；
I2(1)：在第一交流电压期间穿过第二发送线圈110的电流；
I1(2)：在第二交流电压期间穿过第一发送线圈110的电流；
I2(2)：在第二交流电压期间穿过第二发送线圈110的电流；
K1 第一发送线圈（110）和接收线圈（120）之间的耦合系数；以及
K2 第二发送线圈（110）和接收线圈（120）之间的耦合系数。
等式1和2的等式系统根据耦合系数K1和K2解出并且耦合系数K1和K2基于所确定的电压和电流来确定。
在一优选的实施方式中，在第一交流电压或第二交流电压期间的第一发送线圈110的交流电压和第二发送线圈115的交流电压分别具有少于大致±5°的相位差△。发送线圈110和115上的电压的振幅优选地与耦合系数K1和K2相关地选择。为此形成常数A和B并且在第一交流电压期间为第一发送线圈110的电压（A）和第二发送线圈115的电压（B+C1）。在第二交流电压期间，第一线圈110的电压是（A+C2）且第二发送线圈115的电压是（B）。在此，加数C1和C2优选地是相同大小的。C1优选是A的大致3-7%；C2优选是B的大致3-7%。比例A/B优选地相应于比例K2/K1，耦合系数K1和K2的倒数。
在另一实施方式中，接收信号、即接收线圈120的电压在接收线圈120的不同极化下被确定，而发送线圈110和115上的交流电压保持不变。第一发送线圈110的电压因此为A且第二发送线圈115的电压为B；这些电压之间的相位差△在大致±5°的范围内。在此，A、B和△这样地选择，使得接收信号在接收线圈110换极时不变。
图2示出了图1的传感器100的线圈110至120的两个实施方式。在此，这些线圈分成两个平面，这两个平面平行于观察平面地错开。在图2A的上面示出的实施例中，第一发送线圈110处在第一平面中且第二线圈115处在第二平面中。接收线圈120包括D形的第一部分205和D形的第二部分210，第一部分处在第一平面上，第二部分处在第二平面上。在此，所述部分205和210或发送线圈110和115沿着多个方向彼此邻接，这些方向本身之间围出一个角度α，该角度优选不等于90°。
在图2B中示出了一实施方式，该实施方式类似于图2A的实施方式，但是其中，接收线圈120的部分205或210具有不同的匝数。图2A和2B的实施方式以优选的方式适用于图1的传感器100上的使用。
但是，线圈110、115和120的另外的实施方式或布置方式也是可行的，只要发送线圈110和115与接收线圈120感应式耦合且存在电磁影响范围，被产生的电磁场可以在该影响范围内通过物件105被影响。
图3示出了用于确定对传感器的温度影响的方法的流程图，该传感器是一种就像图1的传感器那样的用于定位金属性或磁性物件的传感器。方法300尤其被设置用于在所述处理装置160上运行。
在第一步骤305中，第一交流电压施加到第一发送线圈110上。在步骤310中，第二交流电压施加到第二发送线圈115上。接下来，在步骤315中确定穿过第一发送线圈110的电流I1(1)，在步骤320中确定穿过第二发送线圈115的电流I2(1)并在步骤325中确定接收线圈120上的电压。
以类似的方式，在步骤330中将第三交流电压施加到第一发送线圈110上并在步骤335中将第四交流电压施加到第二发送线圈115上。然后，在步骤340中确定穿过第一发送线圈110的电流I1（2），在步骤345中确定穿过第二发送线圈115的电流I2（2）并在步骤350中确定接收线圈120的电压。在该方法300的一变型方案中，也可以比确定接收线圈120上的电压更少次数地执行电流I1(1)、I2(1)、I1(2)和I2(2)的确定。
接下来在步骤355中确定耦合系数K1和K2，就像上面参考等式1和2更准确地实施的那样。在另一实施方式中，步骤305至355接下来也可以带有如下区别地重新运行，在此所述接收线圈120的极性是反转的。在此，发送线圈110和115上的电压优选地保持不变，从而使得步骤315和320优选地仅必须运行一次，在这些步骤中确定发送线圈110和115的发送电流。所述换极可以借助于选择器件175进行或对于接收线圈120而言可以设置所赋予的换极装置，例如继电器或桥接电路。在一实施方式中，接收线圈120的每个端部可以借助于所述换极装置交替地与输入端放大器135或第一参考电压源175连接。也可以设置接收线圈120在一侧上或在两侧上与其余的电路分开。接下来，两次测量所确定的耦合系数K1和K2被确定尺度并成对地相减：
K1' =K1(1)-K1(2) （等式3）
K2' =K2(1)-K2(2) （等式4）
其中：
K1(1)是在第一次运行之后的第一发送线圈110与接收线圈120之间的第一耦合系数K1；
K1(2)是在第二次运行之后的第一发送线圈110与接收线圈120之间的第一耦合系数K1；
K2(1)是在第一次运行之后的第二发送线圈115与接收线圈120之间的第二耦合系数K2；
K2(2)是在第二次运行之后的第二发送线圈115与接收线圈120之间的第二耦合系数K2。
在相减之前，这些耦合系数K1和K2也可以设有尺度。尺度和成对的相减必要时也可以对于耦合系数的实数部分和虚数部分分开地进行。所需的尺度系数可以存储在处理单元的不可变存储器中或基于测量由所述处理单元进行计算。
尤其当使用了用于测量在接收线圈120中感应出的电压的电压放大器时，该电压可以与极性相关，接收线圈120以该极性连接到接收放大器135上。当接收放大器135的输入端阻抗与第二参考电压源185的阻抗不同时，总是表现出所述关系。通过接收线圈120的极性逆转，分别对于两个极性确定耦合系数K1和K2和成对地将耦合系数K1和K2彼此相减可以消除在接收线圈120中感应出的电压与极性的相关性。因此也可以消除对于感应电压的不可避免的温度影响，这些温度影响通过第二参考电压源185的或输入端放大器135的阻抗的温度造成的改变引起。
在不同极性条件下确定的耦合系数K1和K2相减的情况下，其正负号与接收线圈120的极性相关的那些干扰影响增大到两倍的大小。这尤其是涉及感应造成的干扰影响。另一方面，其正负号相对于极性不变的干扰影响被消除，在该极性下确定了耦合系数K1和K2。这尤其包括电容性造成的干扰影响。通过所述相减，耦合系数K1'和K2'以改善的方式替代指出温度影响指出了物件105。
在步骤360中确定接收线圈120的接收信号与存储的值不同，这些存储的值例如可以从图1中的存储器190中取出。然后在步骤365中确定，所确定的耦合系数K1和K2是否与存储的耦合系数不同。如果是该情况，在步骤370中就推断出在线圈110、115和120的区域中存在物件105。否则在步骤375中确定了对于传感器100的温度影响。
所述方法300接下来可以返回到步骤305并重新运行。在步骤375中确定的温度影响可以在稍后确定所述物件105时在步骤375中考虑，从而使得平衡了对于传感器100的温度影响并且在接口195上提供的、指出物件105的信号清除了温度影响。
Claims (15)
1.用于定位金属性和/或磁性物件（105）的方法（300），其中，传感器（100）包括至少两个发送线圈（110、115）和一个接收线圈（120），它们以感应方式彼此耦合，其中，所述方法（300）包括至少下面的步骤：
- 在所述发送线圈（110、115）上提供第一对预先确定的交流电压并采样穿过所述发送线圈（110、115）的电流（I1(1)、I2(1)）以及所述接收线圈（120）的第一电压（Usec(1)）；
- 在所述发送线圈（110、115）上提供第二对预先确定的交流电压并采样穿过所述发送线圈（110、115）的电流（I1(2)、I2(2)）以及所述接收线圈（120）的第二电压（Usec(2)）；
- 基于所确定的电流（I1(1)、I2(1)、I1(2)、I2(2)）和电压（Usec(1)、Usec(2)）确定所述发送线圈（110、115）与所述接收线圈（120）之间的耦合系数（K1、K2）；以及
- 基于所述耦合系数（K1、K2）确定所述物件（105）。
2.根据权利要求1所述的方法（300），其中，同时采样穿过所述发送线圈（110、115）的电流（I1(1)、I2(1)）以及所述接收线圈（120）的第一电压（Usec(1)）。
3.根据权利要求1或2所述的方法（300），其中，同时采样穿过所述发送线圈（110、115）的电流（I1(2)、I2(2)）以及所述接收线圈（120）的第二电压（Usec(2)）。
4.根据权利要求1或2所述的方法（300），其中，当所述耦合系数（K1、K2）相对于前一次测量的耦合系数不同时，确定所述物件（105）。
5.根据权利要求4所述的方法（300），其中，前一次确定的电压（Usec(1)、Usec(2)）和耦合系数（K1、K2）涉及这样的布置，在该布置中，所述发送线圈（110、115）和所述接收线圈（120）之间的感应式耦合不受金属性或能磁化的物件（105）影响。
6.根据前述权利要求1或2所述的方法（300），其中，所述第一对交流电压的电压相对彼此分别以少于±5°相位移动并且所述第二对交流电压的电压相对彼此分别以少于±5°相位移动。
7.根据权利要求1或2所述的方法（300），其中，选择常数A、B、C1和C2并适用的是：
- 在所述第一对交流电压情况下的第一发送线圈的电压：A；
- 在所述第一对交流电压情况下的第二发送线圈的电压：B+C1；
- 在所述第二对交流电压情况下的第一发送线圈的电压：A+C2；
- 在所述第二对交流电压情况下的第二发送线圈的电压：B；
- 以及还适用的是：A/B=所述第二发送线圈的耦合系数/所述第一发送线圈的耦合系数，C1为A的3-7%且C2为B的3-7%。
8.根据权利要求1或2所述的方法（300），其中，所述耦合系数（K1、K2）被第一次确定并在反转所述接收线圈（120）的极性之后被第二次确定并彼此计算并成对地相减。
9.用于定位金属性和/或磁性物件（105）的传感器（100），包括至少下面的元件：
- 两个发送线圈（110、115）和一个接收线圈（120），它们以感应方式彼此耦合；
- 一操控装置（125、130、145、150），其用于给所述发送线圈（110、115）供给交流电压；
- 一采样装置（135、165），其用于确定穿过所述发送线圈（110、115）的电流（I1(1)、I2(1)、I1(2)、I2(2)）以及所述接收线圈（120）的电压（Usec(1)、Usec(2)）；
- 其中，设置一处理装置（160）并且设置其是用于基于所确定的电流（I1(1)、I2(1)、I1(2)、I2(2)）和电压（Usec(1)、Usec(2)）来确定所述发送线圈（110、115）与所述接收线圈（120）之间的耦合系数（K1、K2）；
-其中，所述处理装置（160）还被设置用于基于所述耦合系数（K1、K2）确定所述物件（105）。
10.根据权利要求9所述的传感器（100），其中，所述采样装置（135）包括一模拟-数字转换器（155），且设置有多个选择器件（175），以便借助于所述采样装置（135）交替地采样所述电压（Usec(1)、Usec(2)）中的一个电压或所述电流（I1(1)、I2(1)、I1(2)、I2(2)）中的一个电流。
11.根据权利要求9或10所述的传感器（100），所述传感器还包括一用于反转所述接收线圈（120）的极性的选择器件。
12.根据权利要求9或10所述的传感器（100），其中，所述操控装置包括一数字-模拟转换器（145、150）。
13.根据权利要求9或10所述的传感器（100），所述传感器还包括一用于以预先确定的电压加载所述接收线圈（120）的第一参考电压源（180）。
14.根据权利要求9或10所述的传感器（100），所述传感器还包括一用于分别以预先确定的电压加载这些发送线圈（110、115）的第二参考电压源（185）。
15.定位设备，其用于探测围入一介质中的物件，该定位设备具有至少一个根据权利要求9至14之一所述的传感器。
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