CN1977143A - 在高频基础上确定材料厚度的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于透过物质确定材料厚度的方法、特别是用于测量墙壁、天花板和地板的厚度的方法，在该方法中借助于一个高频发射机(24)在GHz频率范围内的测量信号(28)至少一次穿过要检查的物质(10)并且由高频接收机(38)检测该测量信号(28)。根据本发明建议，从在高频发射机(24)和/或高频接收机(34)的不同位置(20、22)上测量的、测量信号的至少两个渡越时间中确定物质(10)的材料厚度(d)。此外本发明涉及用于实施上述方法的设备系统(12；40、140、240、340、)。

Description

在高频基础上确定材料厚度的方法和装置

本发明涉及一种用于透过物质来确定材料厚度的方法以及装置，特别是用于测量墙壁、天花板和地板厚度的方法或者装置。

背景技术

在US 5,434,500中公开了一个包括拥有位置指示器的探测器在内的磁场发生器，其中磁场发生器用作发射单元，其被安放在要测定的位置处的墙壁的第一侧面，在此处产生磁场。附属的探测器用作接收单元并且在墙壁的背离发射单元的表面上进行探测。对此接收单元具有两对各两个的探测器，其测量磁场的相对强度。通过每一个探测器测量磁场的相对强度能够确定在墙壁背离发生器的侧面上磁场发生器的位置或者该位置的投影。在US 5,434,500的装置中，借助于一个光学指示直观显示被检测的磁场强度。如果被检测的磁场强度对于所有四个检测元件是同样的大小，则接收单元直接与发射单元相对布置。可是在US 5,434,500的装置中没有规定壁厚的定量测量。

在DE 34 46 392 A1中公开了在墙壁的一个侧面上识别在墙壁的另一个侧面上存在的测试点的方法。在该方法中、其特别应用在容器的金属壁的情况下、为了加速识别测试点并且为了提高识别的位置可靠性预先规定，在墙壁的测试点上放置一个磁极，在墙壁的另外的、背离磁极的侧面上检测透过墙壁的、磁极的磁场。为了检测磁场在DE 3446 392 A1的方法中主要应用了霍耳效应元件。

现有技术所公知的设备此外有以下缺点：在材料中、比如在墙壁、天花板或地板中存在的金属、比如钢梁或钢筋显著干扰检测并且有时甚至不能进行检测。此外如此设备的定位准确度较差。

因此本发明所解决的技术问题是：给出一种能够快速、可靠并准确地确定材料厚度的方法或装置。

根据本发明通过具有权利要求1特征的方法解决该技术问题。此外通过具有权利要求9的特征的装置解决该技术问题。

发明内容

根据本发明的、用于透过物质确定材料厚度方法、特别是用于测量墙壁、天花板和地板的厚度的方法使用一个高频发射机，其把在GHz频率范围内的测量信号射入要检查的物质使得：由高频接收机可以检测穿透物质的测量信号。对此根据高频发射机和/或高频接收机的不同位置的测量信号的至少两个渡越时间测量来确定物质的材料厚度。

用于确定材料厚度的分析方法能够在不了解墙壁厚度和/或墙壁材料特性、比如墙壁物质的介电常数的情况下确定墙壁厚度。

根据所使用的高频方法能够准确地确定墙壁厚度，因为通过所应用的频率范围可以提高定位准确性。在墙壁中包含的杂质、比如钢梁或钢筋在这种情况下不会妨碍确定墙壁厚度。

从附属权利要求列举的特征中得出根据本发明的方法或者用于实施该方法的装置的有益改进。

高频发射机和高频接收机在测量时有益地布置在要检查的物质的公共的第一表面上，其中借助于一个安放在物质的第二表面上的有源或无源的反射介体使透过物质的、高频发射机的测量信号折回到高频接收机。

在根据本发明方法的一个特别有益的实施形式中高频发射机和高频接收机运行在一个公共设备、特别是一个手持高频测量设备中。

在根据本发明的一个实施形式中为了进行至少两个渡越时间测量高频测量设备在要测查的材料上移动。对此由路径测量系统检测测量设备的折回的偏移路程并且提供给分析单元。

用于反射测量信号的反射介体有益地包含至少一个转发器。该转发器接收透过物质的高频信号并给高频接收机发送一个相应的信号。

有益地借助于脉冲雷达方法在GHz的频率范围内产生透过物质的测量信号，接下来测量信号耦合进入物质。对此在从1GHz到5GHz的间隔内、主要是在1.5GHz到3.5GHz的间隔内存在一个或多个测量频率。

用于实施根据本发明方的设备系统有益地具有至少一个可安放在物质表面上的、具有至少一个高频发射机和一个高频接收机的高频测量设备以及一个相对于该高频测量设备可移动的转发器。作为脉冲反射仪工作的高频测量设备发射一个具有在GHz范围内的频率的测量信号穿过有待测量的物质。由转发器检测该测量信号并且也许可能继续处理该测量信号。转发器然后向高频测量设备的高频接收机返回相应的测量信号。通过转发器“反射”的测量信号来分析该测量信号的渡越时间。从至少两个、在物质的两个不同位置进行的不同的渡越时间测量中不必了解材料特性、特别是不必了解介电常数即可确定物质的壁厚是有益的。附加于由高频测量设备检测的、测量信号的渡越时间，检测并分析在至少两个渡越时间测量的至少两个位置之间的高频测量设备的移动距离。

高频测量设备出于这个原因有益地支配一个路径传感器，其检测在两个测量点之间的测量设备的移动距离并且传递给测量设备的分析与控制单元。如此的路径传感器可以通过在测量设备的外壳上相应的滚轮或车轮记录行程。在信号分析方法中，使用在两个测量点之间的脉冲反射仪所折回的路程，以便通过在要检查的物质的至少两个不同位置上在脉冲反射仪和转发器之间的测量信号的渡越时间来确定其壁厚。

根据本发明的方法或者根据本发明的、用于实施该方法的装置如此有益地能够在不了解壁厚并且特别是不了解墙壁材料特性的情况下确定墙壁厚度。作为设备为此需要一个高频测量设备、例如一个基于脉冲反射仪的墙壁定位仪以及一个转发器或等效的反射介体。

从下面的附图以及具体实施形式的附属描述中得出根据本发明方法或者根据本发明装置的另外优点。

附图说明

在附图中示出了用于透过物质确定材料厚度的、根据本发明方法或者设备系统的实施形式，其在下面的描述中详细阐述。附图、其描述以及权利要求包含很多的组合特征。专业人员也可以单独考虑这些特征并且归纳为另外有益的组合，这同样被认为是在描述中公开的内容。

图示：

图1大致示出了基于根据本发明法的测量设备的示意图，

图2大致示出了用于第一测量点的根据本发明方法的示意图，

图3大致示出了用于根据本发明方法的转发器的主要电元件的第一实施例，

图4指出了用于根据本发明方法的转发器的一种替代的实现方案，

图5以示意图指出了根据本发明方法的转发器的另外的实现方案。

具体实施形式

图1示出了一个典型的、基于根据本发明方法的测量情况。对此应当确定物质10、例如一个墙壁、地板或天花板的厚度d，不必专门了解材料特性、比如材料10的介电常数。

借助于高频测量设备12、其作为脉冲反射仪运行并且放置在要检查的工件10的一个表面14上。发送一个在GHz频率范围内的测量信号穿过要检查的材料10，并且借助于在要检查的材料的背离高频测量设备12的表面上布置的转发器18以将要描述的方式把测量信号送回高频测量设备12的接收单元。从测量信号的渡越时间中可以推断出经过的路程并因此推断出材料厚度。为此一般需要了解测量信号在材料中的传播速度。这又取决于材料特性并且尤其取决于材料的介电常数。

如果在高频测量设备的两个不同的、可是已知的位置20或者22上对于至少两个不同的测量执行并分析在高频测量设备12和转发器18之间的信号渡越时间，则借助于几何关系确定壁厚d，不需要了解材料常数。

图2根据在第一测量位置20的测量情况的描述示出了根据本发明方法的几个主要方法步骤。高频测量设备12的高频单元32、至少包括一个高频发射机24和一个高频接收机38例如借助于FMCW或脉冲雷达方法在GHz频率范围内产生微波。因此高频发射机24可以产生一个或多个单频率(FMCW方法)或宽带的脉冲频谱(脉冲雷达)。该测量信号28处在GHz频率范围内，具有这些测量频率，其典型地处在1GHz直到5GHz的间隔内。在根据本发明的方法中主要应用在1.5GHz直到3.5GHz的频率间隔内的一个或多个测量频率。

在根据本发明的方法中在物质的一个相应表面14上，高频测量设备12保持在物质的一个侧面上或者固定在该侧面上。高频测量设备12具有一个高频发射机24，其具有一个天线装置26，其主要指向物质10并且可以向物质10中发射一个高频测量信号28。通过包含至少一个天线的天线装置26发射如此产生的微波信号、其形成测量信号。如果高频测量设备12在物质10、例如墙壁、天花板或地板的一个侧面上放置在定义的位置20，则该微波作为定向的高频信号28穿透墙壁并且可以通过在该物质10另一个侧面上的反射介体18的接收机34检测该信号。

反射介体18再度穿过墙壁发回一个偏移内部渡越时间的返回的测量信号36到高频测量设备12上。

不仅形成为高频发射机24而且也形成为高频接收机38的高频测量设备12、借助于接收天线检测由反射器18发出的返回测量信号36。在相应的线路布置中采用一个单独的高频天线振子26作为高频测量设备12的发射或者接收天线。可是在根据本发明方法的另外实施形式中也可以为高频测量设备12单独布置发射天线和接收天线。

反射介体18处在物质10的背离高频测量设备12的侧面16上，其有源或者无源地把透过墙壁10的测量信号28作为返回的测量信号36反射到高频测量设备12的接收单元。如此的反射介体18例如可以通过一个无源反射器、例如SAW元件(Surface Acoustic Wave)形成。对此由反射介体18反射的测量信号36可以在相同的频率范围内或者也可以在与正程测量信号28偏移的频率范围内。

有益地一个所谓的转发器40可以用作反射介体18，其检测、处理穿过物质10的测量信号28并且在一个内部的延迟时间之后、发回一个与已检测的、最初的测量信号28相关的应答信号36再度穿过物质10。

图3示出了用于根据本发明方法的这种转发器的第一个可能的实施形式。由测量设备12产生的高频交变场穿过物质10、例如要检查的墙壁。在该墙壁的、与测量设备12相反的侧面上存在一个转发器140，其对由测量设备产生的信号进行定位和检测并且以将要描述的方式发回给测量设备。

这种转发器在经历一定的内部并因此已知的渡越时间之后，产生一个新的信号，转发器通过自身的天线、例如在2.45GHz频率的情况下在ISM频带内发射该信号。这个新产生的信号再度穿过墙壁并且可以由测量设备12的高频接收机24检测。

通过这种方式可以借助于形成脉冲反射仪的测量设备12找到该转发器的新的发送信号的最小渡越时间，并且例如在墙壁上标记相应的位置。标记单元不仅可以处在测量设备12上而且也可以处在转发器140上。通过分析在反射仪、也就是说测量设备12和转发器140之间的渡越时间可以确定壁厚。

下面阐述这种转发器的原理结构。不同形式的高频接收机适合作为转发器中的接收机，比如分析测量设备12的独特测量信号的功率电平的功率检波器或者也可以是脉冲检测器，其可以检测测量设备12的典型的磁场变化。

图3利用方框图示出了这种转发器140的可能结构。通过天线设备126由转发器140接收的信号经过耦合器142或环形器传递给接收放大器144。在放大之后，信号经过在静止状态下接通的高频开关146到达脉冲检测器148。该脉冲检测器148提供一个与输入功率成正比的输出电压。在NF放大器150中放大脉冲检测器148的电压。在后面的比较电路中从该模拟电压信号中生成一个数字信号。一个相对较短的、定义时间长度的比较器信号送入在单稳态触发器154中。借助于延迟节156和158该信号被用于消隐接收级并且用于产生发射脉冲。由脉冲发生器160产生的信号经过耦合器142或者环形器被再度送到天线设备126上并且穿过要检查的墙壁发回到测量设备12上。

图4示出了转发器240的一个替代的实现方式。对此应用一个扫描器。通过微控制器164如此调节时钟，在该时钟内控制扫描器，即在扫描器的输出端上出现最大电压。如果达到输出信号的最大值，则微控制器的时钟启动并且与测量设备12的时钟彼此同步，可是偏差测量信号的渡越时间。通过这种方式能够定位测量信号的穿过位置并且测量壁厚。因为直接发送控制扫描器的信号，以最小的延迟实现转发器的应答。

在图5中以最简单的方式示出了用于根据本发明方法的转发器的原理结构另外的替代方案。在图5所示的方案中，在转发器340中由放大器170放大接收的测量信号，在经历延迟节172引起的一定时间延迟之后，所接收的信号再度经过耦合器142和天线设备126以环形放大器的形式发射。

除了所描述的、用于根据本发明方法的转发器的结构和工作原理之外，还通过例如一个AC传感器(50Hz传感器)和/或一个电感传感器能够扩展转发器。转发器的这种附加功能使用户能够消除对在例如墙壁的背离测量设备12的侧面上例如电源线的损伤。

有益地通过高频定位设备12分析信息，该高频定位设备借助于适当的软件和硬件布线连接在接收运行中，从而可以例如对管的位置以及壁厚进行显示。

有益地，采用一种基于高频的定位设备作为根据本发明方法的高频定位设备，比如在专利申请书DE 102 07 424 A1中描述的定位设备。

为了确定第一测量位置20分析在高频测量设备12和转发器之间的渡越时间，该转发器例如以所介绍的形式之一40、140、240、340构造。对此测量设备12或转发器一直在物质的表面上移动，直到得出从测量设备12到转发器并且再度返回到测量设备12的渡越时间最小值。通过这种方式可以借助于形成脉冲反射仪的测量设备12找到测量信号的最小渡越时间并且例如在墙壁上标记相应的位置。因为不了解材料10的介电常数，所以从这个已检测的、最小渡越时间中不能直接推断出物质10的厚度d，使得实施在相邻测量点22的第二测量。

在根据本方法的、用于确定材料厚度d的测量中高频测量设备12、正如在图1所示的在物质10例如墙壁的表面上移动。高频测量设备12具有一个路径传感器50，其通过路径记录仪把测量设备经过的路径S传递给测量设备的控制与分析单元。高频测量设备12为此具有一个滚动体，其例如以车轮S2的形式形成并且形成一个用于高频测量设备12在墙壁表面上经过的路径S路径记录仪。

在根据本发明的方法中，在离开第一测量点20一段距离S的第二测量点22实施第二测量，在该测量中再度发射一个测量信号28穿过物质10，由转发器检测并且作为返回的测量信号36送回，再度由测量设备12检测并分析该返回的测量信号。如果对于在测量点20或者22的至少两个测量分析测量信号在用作脉冲反射仪和转发器之间的渡越时间，则可以推断出壁厚d，正如在下面简短说明的。对于物质10的厚度适用该数学关系式(参见图1)：

              d＝s/tanα              (1)

其中s是两个测量点的彼此间隔，α是在两个测量点和放置在物质的相对面16上转发器之间的角度。

此外对于通过两个测量点20、22和转发器的位置形成的直角三角形适用：

       d’＝s/sinα和cosα＝d/d’    (2)，(3)

测量信号28在高频测量设备12和转发器之间的渡越时间t_L依赖于介电常数ε_r和测量信号经过的距离L，如此适用：

$t_L=L*c_0/\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}---\left(4\right)$

其中c₀表示光速。对此忽略在材料10中的介电损耗，因为该接电损耗仅仅衰减信号，但不影响信号的传播速度

因为在根据本发明的方法中，既不知壁厚又不知物质的介电常数ε_r，所以可以列出下面的方程。考虑通过物质10的两个不同路径，二者通过在两个不同测量点20或者22的测量得出，得到两个不同的、依赖于经过路径和介电常数的、各自测量信号的渡越时间，可是对于两个测量来说介电常数是恒定的或认为是不变的。因此适用：

从等式(5)中得出等式(3)为：

           cosα＝t_L20/t_L22              (6)

如此以等式(1)得出被检查的材料厚度或者物质厚度d为

$d=\frac{s}{\tan \left(\mathrm{ar}\cos (t_{L20}/t_{L22})\right)}---\left(7\right)$

因此从高频测量设备在测量点20或者22之间的行程和信号在高频测量设备和转发器之间的渡越时间t_L20或者t_L22中得出壁厚d。从而可以准确地确定渡越时间，因为信号的渡越时间由通过墙壁10的渡越时间和在转发器内基于信号处理的内部渡越时间组成。在转发器内的时间取决于电路技术并且是已知的。从而从利用根据本发明装置测量的渡越时间中可以确定通过物质10的渡越时间t_L20或者t_L22。

根据本发明的方法有益地能够通过分析在高频测量设备和转发器之间的渡越时间确定壁厚。在此转发器具有一个低成本的电路用于检测非常小的并且时间较短的高频脉冲以及用于重复发送有源产生的、具有可比较频谱的“反射脉冲”。

根据本发明的方法以及根据本发明的、用于实施该方法的装置不局限于在实施例中描述的实施形式。

Claims (10)

1.用于透过物质确定材料厚度的方法、特别是用于测量墙壁、天花板和地板的厚度的方法，其中，借助于一个高频发射机(24)使在GHz频率范围内的测量信号(28)至少一次穿过有待检查的物质(10)并且由高频接收机(38)检测该测量信号(28)，

其特征在于，

从在高频发射机(24)和/或高频接收机(34)的不同位置(20、22)上测量的、测量信号的至少两个渡越时间中确定物质(10)的材料厚度(d)。

2.按照权利要求1的方法，

其特征在于，

高频发射机(24)和高频接收机(38)运行在物质(10)的一个公共的第一表面(14)上，其中借助于反射介体(18)把高频发射机(24)的测量信号返回到高频接收机(38)。

3.按照权利要求2的方法，

其特征在于，

反射介体(18)包含一个转发器(40、140、240、340)。

4.按照权利要求1、2或3之一的方法，

其特征在于，

高频发射机(24)和高频接收机(38)运行在一个公共的设备(12)、特别是一个手持设备中。

5.按照权利要求4的方法，

其特征在于，

在材料的表面(14)上移动用于测量至少两个渡越时间的测量设备(12)。

6.按照权利要求5的方法，

其特征在于，

检测测量设备(12)的移动距离(S)。

7.按照权利要求1的方法，

其特征在于，

借助于脉冲雷达方法产生在GHz频率范围内的测量信号(28)并且耦合进入物质(10)中。

8.按照权利要求1或7的方法，

其特征在于，

采用在1000MHz至5000MHz间隔内、最好在1500MHz至3500MHz间隔内的一个或多个测量频率。

9.用于实施按照权利要求1至9之一方法的设备系统，

其特征在于，

该装置包含至少一个放置在物质(10)表面(14)上的高频测量设备(12)，高频测量设备(12)具有至少一个高频发射机(24)和一个高频接收机(38)、以及包含一个相对于高频测量设备移动的转发器(40、140、240、340)。

10.按照权利要求9的系统，

其特征在于，

高频测量设备(12)支配一个用于记录路径(S)的路径传感器(50、52)。

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