CN1279369C - 用于定位被封闭物体的方法及测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于定位被封闭在一个介质中的物体的方法，其中借助至少一个电容传感器装置产生一个检测信号，该检测信号穿入被测试的介质中，使得通过该检测信号的求值、尤其通过阻抗测量可获得关于被封闭在介质中的物体的信息。为了获得关于被封闭在介质中的物体的深度信息，使用一个与电容传感器装置的位移电流相关的测量参数的相位测量，根据本发明提出：该测量信号作为一个产生该检测信号的电容传感装置的侧向位移的函数被测量及求值。此外本发明还涉及用于实施根据本发明的方法的测量仪。

Description

用于定位被封闭物体的方法及测量仪

技术领域

本发明涉及用于定位被封闭在一个介质中的物体的方法及测量仪。

这种方法及用于实施该方法的测量仪使用一个电容传感器装置，它产生一个检测信号，例如一个电磁场形式的检测信号，以使得该检测信号穿透被测试的介质，但至少以足够的量作用到该介质中。一个被封闭在该介质中的物体将影响该检测信号，以致通过该检测信号的求值可获得关于被封闭在一个介质中的物体的信息。

背景技术

所述类型的测量仪，例如柱栓传感器(Studsensor)通过由被封闭物体产生的其电容传感器装置电容量的变化来检测被封闭在介质中的一个物体。被封闭在介质中的一个物体改变了介质的介电特性，由此使一个移动到物体附近的测量电容器收到源于该物体的电容量改变或其阻抗的改变。该电容量的改变例如可通过电容传感器装置的测量电容器的位移电流(Verschiebestrom)来测量。

由US6,249,113B1公知了一种紧凑的手持式柱栓传感器，它为了定位被封闭的物体，当测量仪在壁上移动时检测出一个传感器回路中的电容量变化。为了显示被封闭的物体在介质中被定位的确切位置，该US6,249,113B1的测量仪具有一个发光二极管阵列(LED)，它们箭头状地设置在测量仪的壳体表面上。如果物体被测量仪检测到，则根据信号的强度使测量仪壳体上箭头状发光二极管阵列中的发光二极管对受激励。愈接近被封闭的物体，即由物体产生的检测信号愈强，被激励的发光二极管愈向发光二极管阵列的箭头尖部转移。如果该测量仪最后直接地位于被封闭物体的上面，则发光二极管阵列的箭头尖部发光，由此原则上借助US6,249,113B1的测量仪可测定被一个介质如墙壁封闭的物体的局部区域。但借助US6,249,113B1公开的装置不能定位被封闭在介质中的物体及作为其基础的简单方法也不能测量物体被封闭的深度。

WO94/04932中公开的用于定位放置在一个表面后面的物体的便携式装置具有：一个用于检测由物体引起的附加电容量的传感器，一个检测信号的求值单元及一个用于显示测量结果的显示器。此外该WO94/04932的测量仪还具有一个装置，该装置能使测量仪的传感器装置以高灵敏度或低灵敏度模式工作。

此外WO94/04932公知了一种用于确定放置在一个表面后面的物体位置的方法。为此，使相应的测量仪在被测试壁上移动。WO94/04932的传感器有可能检查出材料密度的增大或减小。这使得该装置例如可告知使用者：传感器例如直接在一个封入物上面被错误地定标。作为基础的该方法还可使操作者知道：对于被封闭的物体的检测，被测试介质过厚或过薄。

WO94/04932的测量仪的数字存储器可使定标数据在测量仪在被接通状态时一直被存储。

由US6,198,271B1公知了一种柱栓传感器，它为了定位被封闭在壁中的物体，使用三个组合在测量仪中的电容传感器，当传感器在壁上移动期间检测电容量的变化。一个求值电路监测对三个电容元件充电所需的相对时间，以使得当传感器在被测试的壁上移动时可根据由被封闭的物体引起的测试材料的介电常数变化来测量三个传感器元件的相对电容量的变化。比较电路利用各个传感器元件测量的相对电容量变化来确定被封闭物体的位置。

US6,198,271B1的测量仪具有一个由多个显示元件组成的显示器，它与测量仪的求值单元这样地连接，以使得仅是直接位于被定位物体上面的元件显示信号。以此方式可使测量仪在被定位物体上测量及由此间接地定位物体。

发明内容

根据本发明的、用于定位一个被封闭在介质中的物体的方法使用一个由电容传感器装置产生的检测信号，该检测信号穿入被测试的介质中及受到存在于介质中的物体的影响。通过当存在被封闭物体时的检测信号与无物体时得到的检测信号相比较的求值可获得关于被封闭物体的信息。为了检测被封闭的物体，根据本发明的方法利用电容传感器装置的电容量变化，该变化由被封闭物体产生的被测介质的介电常数变化引起。介电常数的变化可通过电容传感器装置的电极之间阻抗的测量来确定。

根据本发明，在上述方法中提出：为了获得关于被封闭在介质中的物体的深度信息，使用相位测量，尤其是一个与电容传感器装置的位移电流相关的测量参数的相位测量，该检测信号作为一个产生该检测信号的电容传感器装置的侧向位移的函数被测量及求值。

本发明还提出了一种用于实施上述方法的测量仪，尤其是用于定位被封闭在介质中的物体的手持式定位仪，具有：一个传感器装置，用来产生用于该传感器装置的检测信号的装置，还有由检测信号求得测量值的控制及求值单元，以及具有用于求得的测量参数的输出装置。

如果在电容传感器装置的电极之间施加一个电压，则产生一个杂散电场，它延伸到电极外面的区域中及由此可作用到一个被测试的物体。有利地，对这种电场也可赋予所需的方向特性。如果在传感器装置的电极之间特别地施加一个交流电压，则在电极之间沿连接两电极的电力线流过位移电流。当电压固定时，测量电容器的阻抗愈小，电容量愈大，该位移电流就愈大。位于电力线区域中的物体将导致传感器电极之间阻抗的变化及由此导致位移电流的变化。如果这时不仅测量位移电流的幅值而且还测量其相位，则除了得到被封闭的物体在封闭介质表面上的纯位置外，还可得到关于被封闭的物体在介质表面后面的深度的信息。

根据本发明的方法还可以在介电常数大于封闭介质的物体(例如铜电缆)与具有比封闭介质小的介电常数ε的其它物体(例如塑料管)之间作此区别。在前一情况下通过被封闭物体的位移电流增大，在后一情况下该位移电流减小。由此得到180°的相位变化，使得可在介电常数的大小上单值地识别物体。

通过以下所述的措施及特征可得到上面说明中所述方法的有利改进及进一步构型。

由被封闭的物体引起的位移电流的变化或传感器装置电容量的变化可借助各种电子电路来测量。在根据本发明的方法中将有利地不直接选择位移电流来求值检测信号，而是有利地使用一个与电容传感器装置的位移电流有线性关系的测量参数。通过不是直接测量位移电流而是测量一个测量参数M，可从测量信号中计算出对测量信号的干扰，该干扰例如基于求值电路的频率特性由串扰效应及相位畸变所致。

原则上，以任意形式与传感器元件阻抗相关联的任何电测量参数均适用。位移电流的变化或传感器装置电容量的变化可借助不同的电子电路来测量。例如可测量一个振荡电路的固有频率，该振荡电路由测量电容器及与其串联或并联的线圈构成。在用短的电脉冲激励后该振荡电路将进行在其谐振频率上的阻尼振荡。因此该振荡以时间为分辨的测量可推断出出现的位移电流。有利地，在根据本发明的、用于确定由被封闭的物体引起的阻抗变化的方法中，在检测信号的求值电路中测量一个电压。该电压值可简单地通过相应的采样电路在其幅值及其相位上以高精确度来确定。

有利的是，为了检测所述物体使用由一个被封闭的物体产生的电容传感器装置的位移电流的相位移。

通过具有多个频率的检测信号的使用或通过宽频谱检测信号的使用尤其可改善测量的信噪比。此外，通过在多于一个频率下的测量及求值可得到区分要定位的被封闭物体在金属-非金属特性方面的可能性。变换地，在使用多个测量频率的情况下也可同时识别不同深度的多个目标，尽管这些信号相重叠。在纯单频率测量时该情况将导致测量结果的误差。此外使用宽频谱电脉冲作为激励信号通过不同频率时测量结果的比较可避免相位测量的非单值性。

为了能检测由小的被封闭物体或其介电常数与封闭介质的介电常数区别不大的物体产生的微小电容量变化，根据本发明的方法提出：使用典型的在100MHz至10000MHz范围中的测量频率。有利地对于检测信号使用的测量频率优选在1000MHz至5000MHz的范围中。根据本发明的方法或使用该方法的测量仪的最佳测量频率典型地为在1500MHz至3500MHz的范围中的频率。

这样高的频率即使当基于被封闭的物体电容量变化小时也可产生位移电流足够大的变化，使得可用相应高的灵敏度来测量电容量的变化及产生该变化的物体。另一方面，这样的高频需要相应复杂的测量技术。在低频时电容传感器元件上电流与电压之间的相位移为90°，而在高频时由于电感应效应可观测到与此有差别。除看到阻抗虚部分量的改变外，根据在高频时测量电容器电介质的阻尼也可观测到阻抗中显著的欧姆电阻分量。在根据本发明的方法中这样来消除电感应干扰效应，即不是直接地测量电容传感器装置的电介质位移电流，而是测量与该位移电流线性地相关的测量参数。确定电介质位移电流与在根据本发明方法中测量的测量参数M的关系的、与频率相关的常数可单独地测量，由此可得到用于补偿干扰效应的两个自由度。这些系数可通过在确定阻抗上的参考值测量来确定及当用根据本发明的方法求值时被提供来使用。

有利地，在根据本发明的方法中，用于定位被封闭在介质中的物体的检测信号作为一个产生检测信号的电容传感器装置在封闭介质表面侧向位移的函数被求值。以此方式，一方面可定位被封闭的物体，即很精确地测量物体在封闭介质中的侧向位置；另一方面，允许传感器信号作为传感器越过所述物体的侧向位移的函数来测量，使测量精度进一步提高。视传感器的位移而定电容传感器装置测量电场的另一组电力线受到物体的影响。因此对于测量信号的相位得到与物体深度及与侧向位移相关的特征相关性。

并且可使用检测信号的以位置为分辨的测量，以便更好地识别仅由封闭介质引起的基础信号。

通过例如也与封闭介质的材料相关的阈值传感装置可有利地实现一个用于根据本发明方法的决定步骤，它可得出是否存在一个被封闭物体的结论。

同样地，通过有利地与一个位移传感器装置耦合的电容传感器装置的移动可由信号强度的下降获得物体尺寸的量度，使得使用根据本发明的方法不仅可得到物体在介质中的侧向位置、它相对介质表面的深度，而且还可得到物体的尺寸。

有利地，根据本发明的方法可用于一个测量仪的电容传感器装置，该测量仪用于定位被封闭在介质中的物体。尤其可以借助根据本发明的方法实现一种紧凑的手持式定位仪，它例如能以高精确性检测墙壁、天花板和/或地面中的封入物。

这种根据本发明的测量仪除一个相应的电容传感器装置外，还具有用于产生及求值该传感器装置检测信号的装置，以及有利地具有一个输出单元、例如一个显示器，这样可实现在测量仪的显示装置上位置可分辨地显示所求得的测量结果，尤其是被封闭在介质中的物体的位置及深度。为此这种测量仪设有控制及求值单元，该求值单元与传感器装置相连接及具有一个装置，该装置能以有利方式实时地、即当测量仪例如还在壁上移动时将分辨位置的测量结果直接显示在测量仪的显示器上。

根据本发明的测量仪或作为其基础的根据本发明的方法可以使操作者在空间的所有三维上精确地定位被封闭在介质中的物体。此外通过根据本发明的方法可得到关于被封闭物体的尺寸的信息。

附图说明

在附图中表示出根据本发明方法的一个实施例，在以下的说明中将详细地描述它。附图，其说明及涉及本发明的方法或使用该方法的测量仪的其它申请文件包括多个特征的组合，专业人员可单独地考察这些特征及由此总结成其它有意义的组合。

附图为：

图1：作为本发明方法的基础的测量状态的概图，

图2：根据本发明方法的阻抗测量的方块图，

图3：被求值的测量信号的温度依赖关系M(ω)的示意图，

图4：用于说明接收参考值的方法步骤的框图，

图5：用于说明根据本发明的方法的步骤的框图。

具体实施方式

图1表示应用本发明的方法或使用本发明的装置的一个典型测量状态的概图。一个被封闭在介质10中的物体12将借助一个电容传感器装置14来被检测。被封闭的物体12位于距离封闭介质10的表面16一个距离d上。一个此外还包括传感器14的测量仪18被放置到封闭物体12的介质10的表面上。该电容传感器装置14基本由一个具有两个电容器电极22及24的测量电容器20组成。仅是为了测量原理的图示说明，这些电容器电极22及24在图1中表示为彼此并列布置。在一个真实的电容传感器装置中一个测量电容器的电极基本上彼此平行地布置。测量电容器20的电场的所需定向效果将通过相应的电极或几何措施来产生。

通过施加一个电压26将在测量仪18的测量电容器20的电极22及24之间产生一个电场28，如果在该测量电容器的两个电极之间特别地施加一个交流电压，则在电容器电极之间沿描述电场28的电力线30流过一个所谓的位移电流。当电压U固定时，阻抗、即测量电容器20的复数电阻Z愈小，该位移电流I愈大。该位移电流I例如可直接通过电流表21或通过一个与位移电流相关的测量参数M，例如一个电压信号来测量。

测量电容器20的阻抗Z基本由位于电容器电极22及24之间的材料决定。如果现在该测量电容器20放置在被封闭的物体12的附近，则改变了被电场28扫过的区域中材料的成分。尤其是通过被封闭的物体12得到一个与无被封闭的物体12的介质10相比改变了的介电常数ε及由此改变了的阻抗Z。

由被封闭的物体12引起的介电常数的改变及由此而来的测量电容器的阻抗Z的改变相应于测量电容器的电容量C的改变。

测量电容器20的电容量C的增大及由此引起电容器电极之间移动电流I的增大在图1中通过电场28的图形中电力线图的电力线密度的增大来表明。

具有与周围介质10的相应介电常数相比较大介电常数ε的材料的进入将导致在由电容传感器14产生的电场区域28中电力线密度的增大；具有比周围材料小的介电常数的物体将导致被封闭的物体区域中电力线密度的下降。

由于被封闭的物体所引起的电容量改变或电容传感器中位移电流的改变可借助各种电子电路来测量及求值。

例如可使用一个振荡电路的固有频率，该振荡电路由测量电容器及至少一个与它串联或并联的线圈组成。在通过一个短的电脉冲激励后该振荡电路将进行其谐振频率的阻尼振荡。该谐振频率以时间为分辨的测量可推断出所参与的电容量及由此推断出位移电流。

变换地，可通过对测量电容器施加固定频率的恒定的交流电压来直接测量位移电流。

在根据本发明的方法中，不是直接地测量电容传感器装置14的位移电流I，而是为了检测信号的求值测量一个与频率相关的测量参数M，该参数与电容传感器装置的位移电流近似为线性关系。在根据本发明的方法中，尤其是测量与位移电流相关的电压作为测量参数M。即对于所使用的测量参数M有：

M＝M(ω)＝α(ω)+β(ω)*I(ω)

该复数测量参数M(ω)以测量电容器的位移电流I(ω)的线性近似式被求值。其中α(ω)描述电容器电极的内部串扰，及β(ω)考虑频率特性及求值电路和电容传感器装置的匹配网络内导线上的相位失真。

α(ω)及β(ω)为频率相关的常数，它们可相互无关地测量。例如可通过对确定阻抗的参考值测量非常精确地确定它们，使得通过M的测量也可测量出位移电流。

图2表示可在根据本发明的方法的范围中使用的求值电路的一个实施例。一个由时基32控制的脉冲发生器34产生一个短持续时间、宽频谱的电压脉冲，该脉冲可通过一个波耦合器36对电容传感器装置14供电。测量电容器20的电容量及由此传感器的阻抗Z是与电容器电极的电场穿过的电介质相关的。

如果电容传感器装置放置到物体12的附近，则由于静电场介电常数的改变引起电场的畸变。阻抗Z由此被改变及可通过位移电流或导出的测量参数M(ω)来测量。电容传感器的阻抗将作为一个与时间相关的电压信号U(t)通过定向耦合器36被输出耦合、放大及输入一个采样单元40，在其中确定测量信号的幅值及相位，这在下面将更详细地描述。

在波阻调准的导线与测量传感器14连接的点上将发生或多或少显著的、由发生器通过波耦合器36输入耦合的电压的反射。在该点反射的信号的幅值及相位反映了传感器14的阻抗Z与导线波阻的差别及允许推断出传感器14的阻抗的幅值及相位及由此确定出通过传感器14的电流的幅值及相位。

因此通过传感器电容器14的电流的幅值及相位的确定可归结到在传感器14的连接点上反射的电压U的幅值及相位的确定。

在该连接点上反射的信号通过波耦合器返回。由波耦合器36中的串扰在发送支路中感应出的信号与直接在检测支路方向上返回的信号分量相比是可忽略的。在检测电路输入端上出现的电压V又反映出在传感器14的连接点反射的电压U，不考虑波耦合器36上的微小损耗及传播时间差。

在波耦合器36后面得到的(通常很小的)电压在检测支路中最好首先在一个高频放大器38中放大。接着在确定的时刻T上进行电压采样。在此情况下电压被测量的这些时刻由一个采样脉冲给出。为了能够相对由发生器产生的电压来确定反射电压的相位，重要的是，发送信号的发生器及采样脉冲发生器锁相地耦合。这将通过时基的使用来保证。

在频率f时在采样单元上出现的电压分量：

V(f)＝v(f)*exp(i(f))

根据关系式：

W(T)＝Re(exp(i*2π*f*T)*V(f))

与采样单元后测量的电压W(T)相关。因此采样时刻T的位移允许推断出在频率f上电压V的幅值及相位。

电压W有利地首先在一个低频放大器中被处理，以便接着在一个模-数转换器中被检测。因此通过在不同时刻T上电压W的检测可以不仅求得反射电压分量的幅值而且也可求得其相位，及由此推断出流过传感器的电流的幅值及相位。

在模-数转换器44的后面该测量信号再传送到一个数字信号处理器(DSP)46。

DSP单元46不仅进行信号处理，而且也控制时基，用于既产生激励脉冲也产生采样脉冲。该DSP单元46可以求得被求值的测量值，即尤其是被封闭的物体在壁中的深度及其相对测量传感器的侧向位置，这是实时地进行的，即在测量过程期间进行并在显示器48上显示出来。以此方式，通过根据本发明的方法可作到还当测量仪譬如在一个壁上移动期间就在显示器上对操作者显示出：被封闭的物体在何位置及在壁怎样的深度上。

为了获得侧向的定位位置，该电容测量装置可在两个相反的方向50或52上在被测试介质上移动。一个可将电容传感器装置的当前位置传送到数字信号处理器的、相应的位移传感器装置可实现不仅物体深度而且物体侧向位置的相关显示。

对于根据本发明的方法可考虑：为了定标，可取代测量电容器20测量一个确定的参考阻抗54。为此用于检测信号的产生及求值的电路设有开关装置，它在图2的实施例中用象征性的开关56表示。该开关装置可以使激励脉冲不接入测量电容器20，而是转接到参考阻抗54。该确定的参考阻抗54可通过譬如信号导线的短路来产生。用于实现仪器内部确定阻抗的另一可能性例如为信号导线的一个“开路端(offenes Ende)”。以此方式，根据本发明的方法或根据本发明的测量仪具有一个方法内部或仪器内部的定标装置，通过它可使作为基础的方法实现譬如热漂移的计算补偿。

尤其是可通过在确定阻抗54上的定标测量来确定受电网络影响的常数α(ω)及β(ω)，这些常数形成电容传感器装置的位移电流I与测量的参数M(ω)之间的关系，及根据该参考值测量来补偿所出现的测量信号M(ω)相对位移电流I(ω)的漂移。

基本的漂移效应主要由温度改变及参与的元件的老化过程来得到。因此也可引起譬如激励脉冲与采样脉冲(Abfrageimpuls)之间的附加的延时δT，这将导致低频信号的畸变。因为这种附加延时在测量信号M(ω)傅里叶变换时将仅仅导致一个乘法因子，这种采样时刻的漂移可相对简单地由数据项计算出来。

此外激励脉冲的脉冲功率及频谱具体分布形状将经受热漂移。高频放大器的频率特性的漂移也可通过参考值测量来补偿。

为了补偿测量仪中的变化、如温度引起的漂移，对于测量信号可使用一个线性校正函数。图3概要地表示温度对测量参数M(ω)影响。测量参数M(ω)受到很强的与温度相关的变化。曲线56表示在温度为20℃时的与频率相关的测量信号M(ω)。同样表示的测量曲线58给出在温度为-10℃时的测量信号M(ω)。作为测量信号求值基础的方法现在将从在不同温度时的两个测量曲线的线性相关性出发。

因此为了补偿温度效应，使用了两个校正系数γ0(ω)及γ1(ω)，以便确定在定标条件(例如20℃)下测量的测量参数M(ω)相对在现场测量中出现的测量参数M(ω)的关系，即例如为：

M^-10℃(ω)＝γ0(ω)*(M^20℃(ω))+γ1(ω)。

因此对于根据本发明的方法，例如可测量定标条件即确定温度时的测量参数M(ω)及一个参考阻抗，该参考阻抗例如可通过空气测量(Luftmessung)、定标块(Kalibrierstein)或短路的传感器来实现。

如果这时在现场的实际工作条件下用相同的确定阻抗进行定标测量、即空气测量、定标块上的测量或用短路传感器的测量，则由现在基于漂移效应改变的测量值M(ω)可推断出校正系数γ0(ω)及γ1(ω)。这样求得的校正量被存储在一个存储器单元中，使得可在以后的信号求值时调用它们。

如果在对一个被封闭的物体的现场实际测量前用确定阻抗进行定标测量，则通过定标测量当前获得的校正量γ0(ω)及γ1(ω)也可在实际测量过程中用来校正测量参数M(ω)。

以此方式，根据本发明的方法可以从被测出的测量信号中计算出以不正确方式影响待处理的测量参数的效应。对此通常称为漂移效应的、对电容传感器装置的测量参数的影响尤其属于温度的变化、湿度的变化、通过元件老化引起的变化及通过测量仪的供电电压的变化引起的改变。例如根据本发明测量仪的一个实施例为一个手持式电池供电形式的测量仪，电池电压的下降可在一定期间被补偿，而不会由该电压变化导致对测量结果质量的明显影响。

除所述的漂移效应外，各个元件的参数差异将导致各个测量仪的不同测量特性，这也可通过所述的校正功能来补偿。因此根据本发明的方法可通过将存储在仪器中的参考信号与一个在测量时刻记录的定标信号相比较来补偿漂移效应或元件的参数差异。通过比较测量可求得用于测量信号的线性校正量，对于根据本发明的方法该校正量可使当前现场测量的测量值回溯到参考条件进行计算。

尤其有利的是，在一个测量仪制造好时直接进行参考值测量，例如在工厂中在确定的定标条件下进行。然后该测量可在以后用现场的实际定位测量来校准。

也可以借助一个“主测量仪”进行这种获得确定测量信号M(ω)的参考值测量及对于“主测量仪”求得的参考值以特性曲线组的形式直接录入到制造好的其它测量仪中。在此情况下，也应能对例如各个仪器测量电容器电场的方向特性的参数差异进行补偿。

基于电容器电极或相应的定向电极的机械或几何差别产生的不同的方向特性对于测量电场意味着对于被封闭物体检测位置方面的差别，及使得由不同测量仪获得的测量数据难以比较。

图4通过框图表示参考值的测量流程，这些参考值例如在根据本发明的测量仪制造好后已直接在工厂中进行测量及可存储在测量仪的存储单元中。在步骤90中，将一个使用指南写入根据本发明的测量仪的存储单元中，该使用指南可作为动画电影画面序列在测量仪的显示器上播出，及由此使操作者了解在现场进行测量仪定标的方法步骤。

在方法步骤92中，进行参考值测量及存储在测量仪中，该测量对此用于确定仪器个体的系统参数。为此对在确定阻抗上测量的测量信号求值及产生一个用于每个测量仪的线性阶的校正函数。借助该校正函数可以由以后的现场测量到的信号中计算出元件参数差异，如电容传感器装置的机械制作差异。

在方法步骤92中测量仪在各种确定的基础材料上进行测量。这些参考值测量的测量值，例如对空气、水泥、金属及多孔混凝土以及其它广泛的建筑材料测量的测量值将存储在测量仪中。借助这些确定材料已知的介电常数可确定由检测网络规定的常数α(ω)及β(ω)，它们构成电容传感器装置的介电的位移电流与用来求值的测量信号M(ω)之间的关系。通过该参考值测量也可确定及调整信号失真，这些信号失真是基于相位畸变及信号导线的频率特性或测量电容器的电极之间的内部串扰引起的。以此方式，在以后现场确定测量信号M(ω)时借助该已知的系数α(ω)及β(ω)可很精确地推算出作为基础的介电位移电流。

在方法步骤92中也可获得用于作为该方法基础的封闭介质模型的内插参数。根据本发明的方法使用一个用于封闭介质的数字模型，该模型使用确定参考材料的多个材料参数。通过在现场测量的封闭材料的信号与存储在测量仪中模型的参数之间的比较优选可很精确地确定被测封闭介质的介电特性。基本上，作为该模型基础的参考参数的内插法可使用在现场测量的封闭介质的值上。

在方法步骤96中，进行电容传感器装置的几何因子的确定。为此对封闭在一个已知介质中的、在一个确定空间上极其有限的参考体进行参考信号测量。由于电容传感器装置电极的机械或几何偏差可导致测量电容器方向特性的区别，以致在被封闭的物体的位置的精确确定上其结果可能不可靠。因此在方法步骤96中将对于每个测量仪求得用于考虑各个测量仪的方向特性偏差的校正参数并存储在该测量仪中，使得求值算法可调用及考虑这些参数。

图4中的方法步骤98表示根据本发明的方法或根据本发明测量仪的参考值的工厂调整，它从所进行的参考值测量中求出用于物体检测的阈值。借助该阈值处理算法将决定该物体是否适合被检测。该阈值与每个测量仪的测量精确度及与相应的元件参数差异有关。

图4的方法步骤100表示在先求得的调整量在根据本发明测量仪中的存储。借助这些存储的参考值及在现场实际测量前进行的定标测量可以尽可能排除对测量信号的干扰，使得可实现一个极其精确的测量传感器。在此情况下尤其突出的是：用该测量传感器也可识别譬如塑料管。对根据本发明的测量仪或作为其基础的根据本发明方法的效力提高的实质影响在于接收了多个参考值，这些参考值可在以后的信号求值中使测量仪计算出干扰效应。

根据本发明方法的中心点在于：使被求值的测量信号M(ω)分解成两个分量。测量信号M(ω)被划分成：一个由封闭介质引起的基础分量UG(ω)，及一个由被封闭物体产生的封入分量E(ω)。

封入信号及基础信号将基于测量信号M(ω)既可在相位上也可在幅值上被识别。在此情况下应注意，通过介电封入物测出的封入信号E(ω)极其地小。适于基于被封闭的物体确定的电容量变化在介电封入物如塑料管的情况下典型地在亚皮法(Subpikofarad)的范围中。当在电容传感器上施加例如1V的交流电压及测量频率为100KHz的情况下，该微小电容量变化将产生出小于1微安的位移电流的差别。

由于该原因，根据本发明的方法将使用吉伽赫兹(Gigahertz)范围中的测量频率，以便即使被封闭的物体引起的极小电容量变化也可产生测量信号中足够大的变化。在此情况下，基础信号代表不具有封入物体时得到的信号。它例如可在封入物的旁边直接地测得。根据本发明，主要通过测量电场表面附近区域的位移电流分量来产生基础信号。以下将假设：基础信号UG(ω)是已知的。该基础信号UG(ω)由沿着测量电容器电场的电力线v的位移电流Iv(ω)组成。如从图1中可看到的，各个电力线v具有不同的长度。因此我们可确定一个中间的电力线长L，它给出位移电流的相位。以下所有的相位将相对该中间相位给出。如果使一个介电封入物处于电容传感器装置的测量电极的附近，则改变了位移电流的电流分布。在实践中可假设：由被封闭的物体引起的该变化是很小的，即有：

E(ω)＜＜UG(ω)

因此我们可近似地假定，介电封入物的影响将导致沿具有长度Lv的各个电力线v的位移电流Iv的增强或变弱。即有：

Iv(ω)(具有封入物)＝

＝ξ*Iv(ω)(基础)*exp(i*2π/λ(ω)*(Lv-L))

这里ξ表示实数放大倍数或衰减系数。如果封入物的介电常数ε大于封闭介质的介电常数ε，则ξ＞1。测量电容器的电容量增高及位移电流增大。否则ξ＜1。封入物足够小，以致仅是一定长度的电力线Lv相关，则近似地有：

E(ω)＝(Iv(ω)(具有封入物)-Iv(ω)(基础))

＝(1-ξ)*exp(i*2π/λ(ω)*(Lv-L))*Iv(ω)(基础)

如果封入物的类型是已知的，例如为一种金属封入物或空腔，则(1-ξ)的符号是已知的。

则有：

2π/λ(ω)*(Lv-L)＝-Φ(ω)+ψ(ω)

即可借助以下关系式由信号E(ω)的相位与基础信号UG(ω)的相位的比较推断出相关电力线的长度Lv：

λ(ω)/2π*(-Φ(ω)+ψ(ω))+L＝Lv

该相关电力线的长度通过一个几何因子G(ω，L)与物体的深度相关。

在实践中测量仪在一个位置间隔[x，y]上穿过一个中间位置，在其中绝大多数情况是没有封入物的。因此空间平均值MW_M(ω)提供了用于基础分量的一个有用的插入点。即，当在n位置Xj检测到测量参数M(Xj，ω)时，为了确定基础分量，对于所有j求M(Xj，ω)的总和及再用1/N归一。

有利的是，作为该基础的平均值方法的一个可能扩充，具有强信号变化的区域、即与平均值大偏差的区域从平均值构成中排除或通过构成位置上测量数据的中值来代替构成平均值。

还可以是，调用在存储器中以表格存储的基础信号MUG(ω)来代替不同位置上的平均值。如果已知该基础涉及例如水泥，则可使用在存储器中存储的、如由一个均匀的水泥块得到的测量值MUGBETOn(ω)作为基础信号。抽取被存储的基础信号的选择可以自动地、例如借助一个估计的基础信号与不同的表格中基础信号的比较或通过一个由使用者操作的开关来实现。

对于基础使用一个数字模型，该模型至少使用4个材料参数，例如已知材料的的介电常数。作为该模型基础的是在介电边界层上的电磁信号的反射特性。为了求得被测封闭介质的材料，封闭介质模型中参数的权重一直改变，直到通过比较优化可重建尽可能接近被测基础信号的模型信号为止。因此基于模型介质参数的内插法可推断出被测封闭介质的介电常数。在已知封闭介质的介电常数的情况下，由来自被封闭物体的测量信号的相位信息可推断出被封闭的物体在封闭介质中的深度。

根据本发明在所述方法中提出，用于检测被封闭物体的阈值是可变的。通过灵敏度调节例如可由测量信号中计算出非重要的物体，尤其具有周期结构的物体，以使得在以后测量结果的光学显示时不再出现。并且通过本发明的方法可作到：基于选择测量信号相位移的特定宽度使测量区域限制在所需的深度范围上。以此方式可实现一个具体性质的深度范围的选择。在根据本发明的测量仪的显示器的光学再现中所示的测量深度可在不同的值(例如6或10cm)之间转换。

图5概要表示用于说明根据本发明的方法的各个方法步骤的框图。

在步骤60中测量仪接通后，进行对于测量仪的系统询问。该系统询问62检验例如电池状态(电池电压)，电池内阻及当前温度。接着在步骤64中对一个确定阻抗进行参考值测量。对此例如可使用一个仪器内部的参考装置或也可进行空气测量。该参考值测量也可为了确定EMV干扰而进行，例如通过相邻发射设备的电磁波干扰。这种EMV干扰可根据本发明的方法以后从测量信号中计算出来。

在根据本发明方法的步骤65中，进行壁接触检验，其中通过根据本发明测量仪的适当的位移传感器的询问可保证：测量仪按照规定地放置在待测试的壁上。变换地，壁接触也可通过电容传感器装置的测量信号的求值来询问。如果测量仪求得作为封闭介质的是空气，则该测量仪未放置在壁上。

接着，在方法步骤68的实际测量过程中进行电容传感器装置的初始数据的测量及传送到数字信号处理器中。在为测量信号求值开始的方法步骤70中，从初始数据中计算出外部干扰源的干扰信号。然后在方法步骤72中进行一个基于元件参数差异的测量信号的第一校正。为此将考虑在工厂通过参考值测量得到的测量仪个体系统参数、即相应的校正系数及将测量信号转换成所述的线性方式。方法步骤74描述仪器内部漂移效应、例如温度及老化影响的校正。为了求得用于测量信号M(ω)的相应校正函数，在方法步骤74中将进行在工厂中对给定阻抗进行的并存储在仪器中的参考值测量值与根据方法步骤64的当前参考值测量结果之间的比较。这时在方法步骤76中，对于这样处理的测量信号M*(ω)进行所述分离，即分离成封闭介质的信号分量及由被封闭的物体引起的信号分量。通过在仪器中存储的参考材料的特征参数及封闭介质成分的相应的材料模型并通过参考值的内插来确定测量的壁材料。尤其是对测量的壁材料或封闭的介质分配一个介电常数，该介电常数是测量信号进一步求值所必需的。

在检测信号分离成来自封闭介质及来自被封闭的物体的信号分量后，为了确定被封闭的物体精确的定位位置，在方法步骤78中考虑用于电容传感器装置的几何因子。该几何因子例如考虑由制造引起的电容传感器装置的方向特性中的几何偏差。该仪器个体的差别可通过一个线性校正函数来考虑及由实际的测量信号计算出来。在方法步骤80中，在考虑工厂调节的用于物体检测的阈值的情况下，通过信号处理作此决定：是否一个物体被定位。在决定为肯定的情况下，接着将通过所述测量参数M*(ω)的幅值及相位的求值来确定物体尺寸，它相对测量仪的位置及被封闭的物体的深度。尤其是由测量参数M*(ω)的相位及在方法步骤76中求得的棒料的介电常数来求得被封闭的物体在壁中的深度。

在方法步骤82中使所产生的测量结果以图形形式显示在测量仪的显示器上。为此这样地借助符号描述在测量仪的显示装置上显示被定位物体相对当前测量仪位置的位置、物体的尺寸及物体深度，以使得使用者可得到被测试壁的截面图。

尤其可以在测量仪的显示器上例如也以图形方式显示出一个允许的、可以在钻孔过程中不遇到被定位物体的钻孔深度。测量结果在测量仪的显示器上的显示是实时进行的，使得当测量仪在壁区段上移动时，被定位物体仅有很短的延时便在根据本发明的测量仪的图象显示屏上显示出来。

根据本发明的方法及相应的根据本发明的测量仪并不被限制在说明书及附图中所描述的实施例上。

                    图4及5中的标号表

90-定标指南

92-借助参考值测量确定系统参数，用于计算出元件参数差异的系数计算

94-测量仪在不同基础材料上测量，输入信号：空气测量，多孔混凝土测量，水泥测量，金属测量；输出参数：α，β，内插参数

96-传感器几何因子的确定；输入参数：水泥中金属棒的测量

98-求得用于物体检测的阈值

100-求得的调整量存储在存储器中

60-测量仪的接通或关断

62-电池状态的检验；输入参数：温度，电池电压，内电阻

64-参考值测量，EMV干扰测量

66-壁接触检验；输入参数：位移传感器1，位移传感器2，测量数据

68-前端的初始数据

70-考虑外部干扰源

72-前端元件参数差异的校正；输入信号：系统参数

74-温度及老化影响的校正；输入参数；工厂中的参考值测量，新参考值测量

76-壁表面信号及壁封入物信号的分离，壁材料的确定；输入参数：各参数，内插矢量；输出参数：壁材料，使用者指南

78-考虑传感器的几何因子

80-决定物体有/无，确定物体尺寸及物体深度；输入参数：阈值，壁材料

82-结果的显示，输入参数：显示深度的限制

Claims (9)

1.用于定位被封闭在一个介质中的物体的方法，其中借助至少一个电容传感器装置产生一个检测信号，该检测信号穿入被测试的介质中，使得通过该检测信号的求值、尤其通过阻抗测量可获得关于被封闭在介质中的物体的信息，其中，为了获得关于被封闭在介质中的物体的深度信息，使用一个与电容传感器装置的位移电流相关的测量参数的相位测量，其特征在于：该检测信号作为一个产生该检测信号的电容传感器装置的侧向位移的函数被测量及求值。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于：使用测量参数与电容传感器装置的位移电流之间的线性关系。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：为了所述检测信号的求值测量一个电压信号的幅值及相位。

4.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于：为了检测所述物体使用由一个被封闭的物体产生的电容传感器装置的位移电流的相位移。

5.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：检测信号具有多于一个的测量频率。

6.根据权利要求5的方法，其特征在于：使用100MHz至10000MHz区间中的检测信号的一个或多个测量频率，优选在500MHz至5000MHz的区间中，及最佳在1000MHz至3000MHz的区间中。

7.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：用于定位被封闭在一个介质中的物体的检测信号作为一个产生该检测信号的电容传感器装置的侧向位移的函数借助一个位移传感器装置被测量及求值。

8.用于实施权利要求1至7之一所述方法的测量仪，尤其是用于定位被封闭在介质中的物体的手持式定位仪，具有：一个传感器装置，用来产生用于该传感器装置的检测信号的装置，还有由检测信号求得测量值的控制及求值单元，以及具有用于求得的测量参数的输出装置。

9.根据权利要求8的测量仪，其特征在于：该测量仪具有多个能够使测量结果、尤其是被封闭在介质中的物体的位置或位置及深度可位置分辨地显示在该测量仪的显示装置上的装置。

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