CN1977187B - 穿透材料地定位测量信号的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于穿透材料地定位测量信号的方法，尤其是涉及一种在墙壁、天花板和地板上穿透材料的定位方法。根据本发明建议了，高频发射器(20，120)发射出在千兆赫频率范围中的测量信号(22，122)，该测量信号(22，122)至少一次穿透材料(10)，并且为了定位穿透位置(18)而由高频接收器(24，124)来检测该测量信号(22，122)。此外，本发明涉及一种用于执行该方法的装置。

Description

穿透材料地定位测量信号的方法和装置
本发明涉及一种用于穿透材料地(werkstoffdurchdringend)定位测量信号的方法，尤其是涉及一种用于在墙壁、天花板和地板上的穿透材料的定位方法的装置和方法。
现有技术
如果必须从墙壁、地板、天花板等等的两侧进行定位，则通常采用穿透材料的定位方法。这例如在钻孔或岩芯钻进时是必要的。如果从诸如墙壁、地板或天花板的材料的一侧不能钻孔，则给出其它的应用情况，以致必须从材料的背离侧出发穿过材料对着预定的位置钻孔。
从现有技术中公知应该能可靠地执行这种钻孔的辅助手段。在此，通常在要钻透的材料的一侧上固定小的发射设备，而在工件的另一背离的表面上(例如在墙壁、地板或者天花板的背面上)采用应确定由发射设备所发射出的测量信号的穿透位置的移动接收器。
在此，公知感应式工作的设备，其中，发射器产生磁场，而具有线圈装置的对应的接收器可以检测该磁场的中心。因此，例如从US5,434,500中公知一种包括具有位置指示器的检测器在内的磁场发生器，其中，该磁场发生器用作发射单元，该发射单元被放置到要定位的位置上的墙壁的第一侧上，并且在该位置上产生磁场。所属的检测器用作接收单元，并且在墙壁的背离发射单元的表面上运用(fuehren)该接收单元。在此，接收单元拥有两对检测器，每对检测器各有两个检测器，这些检测器测量磁场的相对强度。通过测量各个检测器中的每一个的磁场的相对强度，能定位磁场发生器的位置或能定位该位置到墙壁的背离发生器的一侧上的投影。在US 5,434,500的装置中，借助光学显示使所检测到的磁场的强度可视化。如果所检测到的磁场的强度对于所有四个检测元件是同样大的，则将接收单元直接布置在发射单元的对面。
从DE 34 46 392 A1中公知一种方法，用于在墙壁的另一侧上识别存在于墙壁的一侧上的检验点。在尤其是用在容器的金属壁中的该方法中，为了加速检验点的识别和为了提高识别的位置可靠性而规定，在检验点上将磁极放置到墙壁上，并且在墙壁的背离该磁极的另一侧上检测该磁极的穿透墙壁的磁场。为了检测该磁场，在DE 34 46392 A1的方法中优选地应用霍尔效应器件。
此外，现有技术的公知的设备还具有以下缺点，即在位于诸如墙壁、天花板或者地板的材料中的金属部分(诸如钢梁或钢筋)强烈地干扰检测并且有时甚至可以使检测成为不可能。除此之外，这样的设备的定位精度不如说是差的。
本发明的任务因而是给出一种方法或一种装置，该方法允许迅速、可靠和精确地定位穿过材料的所确定的位置。
根据本发明通过一种具有权利要求1所述的特征的方法来解决该任务。除此之外，通过一种具有权利要求11所述的特征的装置来解决该任务。
发明优点
根据本发明的用于穿透材料地定位测量信号的方法(尤其是根据本发明的在墙壁、天花板和地板上的穿透材料的定位方法)使用了发射出在千兆赫频率范围中的测量信号的高频发射器，该测量信号至少一次穿透诸如墙壁、天花板或者地板的材料并且由高频接收器来检测和定位。
由于所使用的高频方法，能实现更准确地定位测量信号的穿透位置，因为所要求保护的方法对于被包围在材料中的对象较不敏感地作出反应。
尤其是通过所要求保护的方法从现在起也能通过混凝土进行穿透钻孔，因为可以进行穿过混凝土墙壁的相对应的投影。在混凝土墙壁中通常存在的钢筋关于所应用的高频技术构成了仅微小的干扰势能。除此之外，通过所应用的频率范围可以提高定位精度。用户因此可以进行通过混凝土和尤其是通过钢筋混凝土的钻孔，其中，该用户可靠地知道，在墙壁的背离侧上，钻头在何处从该墙壁中出来。
从在从属权利要求中所列举的特征中，得出了本发明装置或本发明方法的有利的扩展方案。
为了提高测量精度，有利的是，使用在千兆赫高频范围中的测量信号，该测量信号具有多于一个的测量频率。在此，高频发射器例如借助FMCW方法(调频连续波(Frequency Modulated ContinuousWave))或脉冲雷达方法将在千兆赫范围中的微波输入耦合到墙壁中。该发射器因此可以生成一个或多个单个频率(FMCW)或者但是也可以宽带地(脉冲雷达)辐射。
对于穿透材料有利的是，应用在一千兆赫直至五千兆赫的区间中的一个或多个测量频率。优选地应用在1.5GHz至3.5GHz的区间中的频率。
接着，在材料的背离高频发射器的侧上，合适的移动接收器定位由该发射器所生成的信号。
在本发明方法的可替换的实施形式中可以规定，在材料的共同的第一表面上来运行高频发射器和高频接收器。在该方法中，借助在材料的背离高频发射器的第二表面上可移动的反射器装置，将高频发射器的测量信号在穿透材料之后导回到高频接收器上。
在该可替换的方法的特别有利的实施形式中规定，在共同的设备中运行高频接收器和高频发射器。
为了显示穿透材料的测量信号，在本发明方法中以有利的方式借助高频接收器上的和/或反射器装置上的信号强度显示来进行定位。以此方式可以将高频接收器或反射器装置确定地定位在最大信号强度的地点上。借助相应的标记设备，随后可以将标记置于测量信号的所定位的穿透位置上。
根据本发明的用于执行所要求保护的方法的装置包括至少一个可被放置在材料表面上的高频发射器以及高频接收器，该高频发射器产生在千兆赫频率范围中的穿透材料的测量信号。在本发明装置的特定的实施形式中，高频发射器和高频接收器被布置在共同的设备中。
从以下的附图以及实施形式的所属的说明中能获知本发明方法或本发明装置的其它优点。
附图
在这些附图中示出了根据本发明的用于穿透材料地定位测量信号的方法的实施形式，在以下的说明中应详细阐述这些实施形式。附图、这些附图的说明以及权利要求包含多种组合的特征。本领域技术人员也将单个地考察这些特征，并且将这些特征总结成其它的、有意义的组合，这些组合因此应视作同样已在本说明书中被公开。
其中，
图1示出了本发明方法所基于的测量情况的示意图，
图2示出了本发明方法的主要方法步骤的示意图，
图3示出了本发明方法的可替换的实施形式，该实施形式在主要方法步骤的示意图上来论述，
图4示出了用于本发明方法的转发器的主要电子部件的第一实施例，
图5示出了用于本发明方法的转发器的可替换的实现可能性，
图6以示意图示出了本发明方法的转发器的其它的实现方案。
图1示出了一种本发明方法所基于的典型的测量情况。如果必须从墙壁、或地板或者天花板的两侧进行定位，则采用穿透材料的定位方法。以下将这样的墙壁、地板、天花板等等称为墙壁或泛称为材料10。
从在墙壁10的第一侧14上的第一所确定的位置12出发，应在墙壁的背向第一侧的第二侧16上定位对应于所确定的位置12的垂直投影的位置18。以此方式，用户可以例如进行穿过墙壁10的钻孔，其中，他事先知道，在墙壁10的背向侧16上，钻头在何处出来。
在本发明方法中，在所述一侧14上将高频发射设备保持在墙壁10上或固定在该墙壁10上。为此可以例如设置用于高频发射器的壁支架、粘接装置或者也可以设置三角架。此外，还能通过相对应的适配装置将高频传感器固定在导向孔钻进的孔中。
高频发射设备具有带有发射天线的高频发射器20，该发射天线优选地沿着墙壁的方向示出并且将高频测量信号22辐射到墙壁10中。测量信号22位于千兆赫频率范围中，具有典型地位于1GHz至5GHz的区间中的测量频率。在本发明方法中，优选地应用来自1.5GHz至3.5GHz的频率区间中的一个或多个测量频率。然后在背离墙壁10的第一侧14的第二侧16上，由高频接收器24来检测高频发射器20的定向的高频信号22。高频接收器24为此拥有具有一个或多个接收天线的接收单元，这些接收天线接收了测量信号22并且将测量信号22转交给测量设备24的评估电子装置。为此典型地既在水平方向上又在垂直方向上，高频接收器24将在墙壁10的第二侧16上处理(verfahren)。
通过诸如信号强度显示器28的光学或声学输出装置26，可以定位测量信号22的最大值。通过本发明方法的所选出的频率范围，可以显著提高高频接收器的定位精度，并且因此显著提高了所确定位置12到墙壁的第二表面16上的投影30的定位精度。
各种类型的接收器(尤其是雷达接收器或微波接收器)适用作高频接收器24，这些接收器要么宽带地要么窄带地(调谐到发射器频率地)接收所发射的频率信号。除此之外，也可以使用电容式接收器，通过发射器信号22干扰这些接收器的电容式生成的高频场，并且这些接收器通过测量干扰的强度来允许投影点18的定位。接收器24例如也可以是高频定位设备，借助合适的软件或硬件布线可以将该高频定位设备连接到纯接收运行中。
图2示出了基于高频的根据本发明的穿透材料的定位方法的若干主要方法步骤。高频发射器20的高频单元32例如借助FMCW或脉冲雷达方法产生千兆赫范围中的微波。发射器因此可以生成一个或多个单个频率(FMCW方法)或宽带的脉冲频谱(脉冲雷达)。通过包括至少一个天线的天线装置34来辐射构成了本发明方法的测量信号22的如此产生的微波信号。如果在例如墙壁10的工件的一侧14上将高频发射器20放置在所确定的位置上，则作为定向的高频信号22的微波穿透了墙壁，并且该微波可以通过在墙壁的另一侧16上的高频接收器24被检测到。高频接收器24为此具有接收天线装置36以及高频接收部分38，该高频接收部分38处理并且例如借助显示装置以直观易懂的方式示出了所接收到的高频信号。因此，可以借助高频接收器24在墙壁10的背离高频发射器20的第二侧16上来定位测量信号的穿透地点或投影位置18，并且通过合适的装置在墙壁表面上进行标记。因此例如也可以借助本发明方法来进行穿过钢筋混凝土的钻孔，其中，用户事先知道，在要钻透的墙壁的背向侧上，钻头在何处出来。基于所应用的频率范围，本发明方法以高精度实现了投影位置的定位。
图3示出了本发明方法的可替换的实施形式。在根据图3的方法中使用了既是高频发射器120又是高频接收器124的测量设备100。在此，该设备100生成了如上所述穿透墙壁10的高频信号122。在相对应的布线中能将单个天线振子134用作发射天线和接收天线。可是，在本发明方法的其它的实施形式中，针对所述一个测量设备100也可以设置发射天线和接收天线的分开的装置。在按照图3的本发明方法中，反射器装置126(例如无源的或者但是也可是有源的反射器)位于墙壁10的背离发射器和接收器的侧16上，该反射器反射所接收到的发射器信号并且因此将该发射器信号转交到高频接收器上。这种反射器装置可被构造为SAW元件(表面声波(Surface acoustic wave))。由反射器装置126所导回的测量信号122在此可被布置在相同的频率范围中或者但是也可以被布置在偏移的频率范围中。
除此之外，也可以将所谓的转发器用作反射器装置126，这些转发器检测和处理穿透墙壁的测量信号122，并且在内部的延迟时间之后，将该测量信号122与所检测到的最初的测量信号122相关的应答信号123一起重新穿过墙壁10返回发射。在此，既可应用无源转发器，又可应用有源转发器，即这种转发器没有或具有独立的能源供应。
图4示出了用于本发明方法的这种转发器的可能的实施形式。由测量设备100所产生的高频交变场穿透材料，例如穿透要检查的墙壁。转发器128位于该墙壁的与测量设备100相对的侧上，该转发器128定位和检测由测量设备所产生的信号，并且以还要说明的方式返回发射给测量设备。
这种转发器在已知的某个内部持续时间之后产生新的信号，该新的信号通过例如在2.45GHz的频率处的ISM频带中的自己的天线来辐射该信号。该新生成的信号又穿透墙壁，并且可以由测量设备100的高频接收器124来检测。
以此方式可以借助构成脉冲反射仪的测量设备100找到转发器的新发射信号的持续时间最小值，并且在墙壁上标记了相对应的位置。标记单元既可以位于测量设备100上，又可以位于转发器128上。在评估反射仪(即测量设备100)与转发器128之间的持续时间的情况下，此外也可以有利的方式执行墙壁厚度确定。
以下应论述这种转发器的原理结构。各种类型的高频接收器(诸如功率检测器)或者但是也可是脉冲检测器适于作为转发器中的接收器，这些高频接收器评估了测量设备100的表征性测量信号的功率电平，这些脉冲检测器可以检测测量设备100的典型的场变化。
图4借助方框电路图示出了这种转发器128的可能的结构。通过转发器128的天线设备140所接收到的信号通过耦合器142或者循环器被导向接收放大器144。在接收放大器144的放大之后，该信号通过在静止状态下接通的HF开关146到达脉冲检测器148。该脉冲检测器148提供与输入功率成比例的输出电压。在NF放大器150中放大了脉冲检测器148的电压。在随后的比较器中，由模拟的电压信号又生成了数字信号。在单稳态触发电路(Monoflop)154中，使相对短的比较器信号达到规定的长度。借助延迟器件156和158，将该信号用于消隐(Austastung)接收级和用于产生发射脉冲。通过耦合器142或循环器，使由发射脉冲发生器160所生成的信号又达到天线设备140，并且穿过所检查的墙壁返回发射到测量设备100上。
图5示出了转发器128的可替换的实现可能性。在这种情况下应用了扫描器。通过微控制器164这样来调节以其驱动扫描器的时钟，使得在扫描器的输出端上出现了最大电压。如果达到了输出信号的最大值，则微控制器的时钟和测量设备100的时钟相互同步运行，可是偏移了测量信号的持续时间。以此方式能定位测量信号的穿透地点的位置，并且此外，如果希望的话，也可以进行墙壁厚度测量。由于也直接发射了控制扫描器的信号，所以用最小的延迟实现了转发器的应答。
在图6中以简化的方式示出了用于本发明方法的转发器的原理结构的其它替换方案。在图6中所示出的方案中，由放大器170放大了转发器128中的所接收到的测量信号，并且在通过延迟节(Laufzeitglied)142所实现的某个时间延迟之后，又通过耦合器142和天线设备140以环形放大器的方式来发射出。
除了用于本发明方法的转发器的迄今所说明的结构和运行方式之外，还能例如通过AC传感器(50Hz传感器)和/或感应式传感器来扩展转发器。转发器的这种附加的功能使用户实现了，也在例如墙壁的背离测量设备100的侧上排除了例如电流传导的损害。
以有利的方式通过高频定位设备100来实现信息的评估，可以借助合适的软件布线或硬件布线，将该高频定位设备100连接到接收运行中，并且因此例如可以显示钻孔的位置以及墙壁厚度。
能以有利的方式将基于高频的定位设备用作本发明方法的接收设备，如例如在本申请人的申请DE 102 07 424 A1中所说明的那样。用于执行该方法的本发明方法以及本发明装置不限于在实施例中所指出的实施形式。
尤其是，本发明方法不限于预测墙壁中的钻孔通道。
本发明方法可以以有利的方式已经被集成到诸如钻孔工具的相对应的设备中。
除此之外，还能通过相对应的附加的软件或硬件，借助已经存在的高频接收器和/或高频发射器来执行所说明的本发明方法。

Claims (16)

1.用于穿透材料地定位测量信号的方法，尤其是在墙壁、天花板和地板上穿透材料的定位方法，其特征在于，高频发射器(20，120)发射出在千兆赫频率范围中的测量信号(22，122)，该测量信号(22，122)至少一次穿透所述材料(10)，并且为了定位穿透位置(18)而由高频接收器(24，124)来检测该测量信号(22，122)。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量信号(22，122)具有多于一个测量频率。
3.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量信号(22，122)是定向的。
4.按权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，应用了在1000MHz至5000MHz的区间中的一个或多个测量频率。
5.按权利要求4所述的方法，其特征在于，应用了在1500MHz至3500MHz的区间中的一个或多个测量频率。
6.按权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，借助FMCW方法在千兆赫频率范围中产生所述测量信号(22，122)。
7.按权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，借助脉冲雷达方法产生在千兆赫频率范围中的所述测量信号，并且将所述测量信号输入耦合到所述材料中。
8.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高频发射器(20)和所述高频接收器(24)运行在所述材料(10)的两个不同的互相对应的表面(14，16)上。
9.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高频发射器(120)和所述高频接收器(124)运行在所述材料(10)的共同的第一表面(14)上，其中，所述高频发射器(120)的测量信号(122，123)借助在工件(10)的第二表面(16)上可移动的反射器装置(126)被转向所述高频接收器(124)。
10.按权利要求9所述的方法，其特征在于，所述反射器装置(126)具有表面声波元件。
11.按权利要求9所述的方法，其特征在于，所述反射器装置(126)包括转发器(128)。
12.按权利要求9所述的方法，其特征在于，所述高频发射器(120)和所述高频接收器(124)运行在共同的设备(100)中，尤其是运行在手持的设备中。
13.按权利要求1、8或9之一所述的方法，其特征在于，借助所述高频接收器(24，124)的和/或反射器装置(126)的信号强度显示，可以进行穿透所述工件(10)的测量信号(22，122，123)的定位。
14.用于执行按权利要求1至13之一所述的方法的装置，其特征在于，所述装置包括至少一个可放置到材料(10)的表面(14)上的高频发射器(20，120)和高频接收器(24，124)。
15.按权利要求14所述的装置，其特征在于，所述高频发射器(120)和所述高频接收器(124)被布置在共同的设备(100)中。
16.按权利要求15所述的装置，其特征在于，至少所述高频接收器(124)拥有用于在表面(14，16)上产生标记的标记设备。
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