JP5631186B2 - 媒体に封入されたオブジェクトの検出方法、ならびに該検出方法を実施するための測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、媒体に封入されたオブジェクトを検出するための、請求項１の上位概念に記載の方法に関する。

たとえば壁、蓋または底部等の媒体に封入されたオブジェクトを検出するために、たとえば電気的線路、水道管、管、金属スタンドまたは木材バルク等を検出するために、位置測定装置が長い間使用されている。ここではとりわけ誘導式装置、すなわち、磁場を生成して、媒体に封入された金属性の被測定物によって該磁場が妨害される装置が使用される。このような誘導式装置の他に、容量式装置、電源網電圧検出器および高周波検出器も使用される。

誘導式位置測定装置および容量式位置測定装置で特別に発生する問題は、測定装置の較正が行われるにもかかわらず、使用されるセンサの甚大なダイナミクスが生じることと、このことに伴って、検出された測定信号の信号強度が変動することである。金属位置測定装置によって、異なる大きさおよび異なる収容深さの金属性のオブジェクトを可能な限り多く検出できるようにするためには、大きなダイナミクス領域をカバーしなければならない。この収容深さはすなわち、封入されたオブジェクトから測定装置までの距離である。封入媒体内の被測定オブジェクトの深さの他に、この種のセンサの測定信号のダイナミクス領域は、その時点で検出すべき材料の特徴的な特性によっても大きくなる。たとえば、壁内の深くに存在する銅ケーブルが発生するセンサ信号ないしは測定信号は、たとえば２ｃｍの深さに敷設された鉄管より数オーダも小さい。

したがって、公知の位置測定装置、とりわけ金属位置測定装置ではしばしば、センサの感度を手動で、すなわち使用者によって再調整できる手段が存在する。こうするためにはたとえば、位置測定装置のハウジングに形成された相応の回転ホイールを有する回転ポテンショメータが使用される。

別の位置測定装置では、そのつど再較正することにより、存在するオブジェクトにセンサの感度ひいては検出される測定信号の強度を適合調整することができる。

しかしこのような測定装置では、異なる大きさのオブジェクト、たとえば銅ケーブルおよび鋼担体を、該測定装置の調整によって検出するか、ないしは精確に位置検出するのは困難である。検出される測定信号の信号強度が過度に大きいと、たとえば、この種のセンサの受信アンプのオーバーライド制御が引き起こされ、このことは非常にクリティカルである。その理由は、この場合には幅広い領域にわたって、封入されたオブジェクトを精確に位置検出するためには絶対に必要な信号上昇ないしは信号下降を識別できなくなるからである。封入されたオブジェクトはこのような場合、幅広い横方向の領域にわたって測定装置の最大の振れを示すので、オブジェクトの精確な位置を使用者はなお把握できないままになる。さらに、たとえば相互に密接するオブジェクトを、２つの別個のオブジェクトとして識別できなくなる。

従来技術から、大きなダイナミクス特性を有する信号を検出するために複数の解決アプローチが公知である。たとえば、以下のような手法を使用することが公知である。

比較的高い分解能を有するＡＤコンバータを使用すること。しかし、このようなＡＤコンバータによって構成要素コストが高くなってしまう。

可変の増幅率を有する増幅器（いわゆるＶＧＡ）を使用すること。このような増幅器は典型的には、温度ドリフトに対して脆弱であり、固定的な増幅率を有する増幅器より高価である。

付加的な増幅段を使用し、信号振幅に応じて異なる増幅段で測定信号を取り出すこと。

これら上記の解決アプローチで共通することは、金属検出器において転用することにより、回路上の手間が大きくなるか、ないしは付加的コストが部分的に著しく大きくなることである。さらに、上記の択一的解決手段で（とりわけＶＧＡで）生じる温度ドリフトは基本的に高くなることに繋がる技術上の欠点も存在する。また、このような公知の解決手段は大量生産において、素子のばらつきに関して、ひいては金属検出器の製造ロット内でのばらつきに関しても不利である。

本発明の基礎となる課題は、媒体に封入されたオブジェクトを可能な限り精確に位置検出できることを保証できる、該オブジェクトの検出方法を提供することである。

上記課題は、
受信導体ループシステムによって検出された測定信号の信号強度に依存して、該検出された測定信号の信号強度が第１の閾値を超えた場合、該受信導体ループシステムによって検出される測定信号の強度が低減されるように、送信コイルに供給される該測定信号の周波数を変化させ、
パルス幅変調を行うデジタル周波数発生器から、前記送信コイルを駆動制御する信号を間接的または直接的に取り出し、
該周波数発生器のデューティ比を、検出された前記測定信号の信号強度に依存して適切に変化させる
ことを特徴とする方法によって解決される。

媒体内に封入されたオブジェクトの位置測定に典型的な測定シチュエーションを概略的に示す図である。 図２ｂは本発明による方法を使用した場合に検出された測定信号の経過を、位置の関数として概略的に示す図であり、図２ａは図２ｂに示された測定信号の経過の基礎となる測定シチュエーションを概略的に示す。 本発明による方法にしたがって測定信号を生成および評価するための電気回路を示す詳細図である。 本発明による測定装置の可能な実施例の斜視図である。

媒体に封入されたオブジェクトを検出するための本発明の方法では、相互に誘導結合された少なくとも１つの送信コイルと少なくとも１つの受信導体ループシステムとを介して測定信号を生成し、該測定信号によって、封入された該オブジェクトの位置の情報を得る。この信号はたとえば、受信導体ループシステムに誘導された電圧である。ここで有利には、検出された測定信号の信号強度に依存して、該測定信号の周波数を変化させる。本発明は、検出器側でダイナミクスを補償するのとは逆に、ダイナミクス適合を励起側で格段に低コストで行うことができるという認識を基礎としている。このような方法で使用される送信コイルは、測定信号を生成して被検査媒体内に放射する励磁振動回路の一部である。送信コイルの他に容量も有するこのような振動回路の周波数は最適化することができる。ここで測定信号の周波数を変化させると、送信コイルの構成ならびに所属の容量は、その時点で使用される測定信号に対しては最適でなくなり、送信される測定信号の信号強度も、検出される測定信号の信号強度も低減される。このことは本発明による方法では、検出される測定信号の信号強度を所望のように調整するのに利用される。

このようにして、本発明による方法のダイナミクス領域を、その時点で位置検出すべきオブジェクトないしは該オブジェクトによって生成される信号強度に適合することができる。

従属請求項に記載された構成によって、本発明による位置測定方法を有利に発展することができる。

有利には、装置の送信コイルを駆動制御する信号は、パルス幅変調を行うデジタル周波数発生器から間接的または直接的に取り出される。この周波数発生器のデューティ比は、検出された測定信号の信号強度（Ｕ_Ｍ）に依存して適切に変更される。

また、測定信号の周波数（ｆ_Ｍ）、すなわち送信コイルを駆動制御する信号をデジタル信号によって、とりわけ方形波信号によって設定し、デジタル制御ユニットの再構築、とりわけマイクロプロセッサの再構築によって周波数を変化させることも可能である。こうするために有利には、適切な制御プログラムを使用する。

本発明による方法では、検出される測定信号に対して少なくとも１つの第１の閾値を設け、該第１の閾値を越えると測定信号の周波数を変化させる。たとえば、検出される測定信号の小さい信号強度のみを発生する小さいオブジェクトの場合、励振コイルの振動回路および／または受信分岐に測定周波数を最適化することによって、可能な限り高い感度で動作させ、相応に大きな信号強度を発生する大きなオブジェクトでは、より低い感度で動作させる。こうするためには、検出される信号強度の閾値を超えた場合、測定信号の周波数を変化させる。この変化された測定周波数に起因して、送信コイルの振動回路ないしは受信分岐は離調され、測定信号の強度はこの作用だけでも低減される。

したがって本発明による方法により、測定感度の変化を測定周波数の変化によってのみ引き起こすことができる。このことによって受信信号は低減され、受信分岐のオーバーライド制御を引き起こす可能性のあるオブジェクト、すなわち、たとえば受信アンプの増幅飽和を引き起こす可能性のあるオブジェクトは、高信頼性の位置分解能を可能にする測定信号を供給するようになる。このような位置測定方法におけるたとえば受信アンプのオーバーライド制御はクリティカルである。その理由はこの場合、信号上昇ないしは信号下降をもはや検出できなくなるので、測定装置は幅広い領域にわたって、たとえば最大信号強度を検出できなくなり、オブジェクトを精確に位置検出することはできなくなるからである。

本発明による方法において有利には、検出された測定信号が閾値を超えた場合に、測定信号の周波数を上昇する。このような上昇を行うための典型的な上昇値は、測定信号の周波数の１０〜１００％の領域内にある。本発明による方法の特に有利な実施形態では、検出された測定信号の強度が第１の閾値を超えた場合、測定信号の周波数を約４０％上昇する。

別の実施形態ではもちろん、測定信号の信号強度が第１の閾値を超えた場合に、測定信号の周波数を低減することもできる。

本発明による方法では、検出された測定信号の強度が第２の閾値を下回った場合にも、測定信号の周波数を変化させる。とりわけ、検出された測定信号の信号強度が第２の閾値に達した場合に直ちに、測定信号の周波数を、本来使用された値に低減し戻すことができる。

上記の第１の閾値および第２の閾値の他に、場合によっては別の閾値も、本発明による方法において設けることもできる。

また、場合によっては本発明による方法では、信号強度が過度に大きくなるかないしは過度に小さくなるのを回避するために、閾値に達した場合、すでに１回変更された測定周波数、すなわち上昇または低減された測定周波数を再度上昇または低減することも有利である。

本発明による方法の有利な実施形態では、測定信号の周波数の周波数変化Δｆ_Ｍを離散的な周波数幅で行う。その際にはたとえば、２つまたは３つまたはそれ以上の数の離散的な周波数に測定信号を切り換えることができる。

もちろん原則的に、このような周波数変化を連続的に行うこともできる。

本発明による方法によって、媒体に封入されたオブジェクトを幅広いダイナミクス領域にわたって高い位置精度で検出できる測定装置とりわけハンドヘルド式の位置測定装置を実現することができる。有利にはこのような測定装置では、該測定装置の測定感度は測定周波数の変化に基づいて、該測定装置自体による自動制御によって、該測定装置の使用者に不可視に変化させるように構成することができる。測定装置が、予め決定された閾値を上回る信号強度を検出した場合、該測定装置の制御ルーティンを、変化した測定周波数に自動的に切り換え、たとえば上昇された測定周波数に切り換えることができる。

また、本発明による方法を実施するための測定装置の択一的な実施形態では切換手段を設け、検出された測定信号が閾値を超えた場合に、該切換手段によって使用者が測定信号の周波数を自身で変化させることにより、該測定装置の測定感度が変化させるように構成することもできる。

本発明による方法によって、媒体に封入されたオブジェクトの位置測定を高い位置精度で行うことができる。というのも、この測定システムのダイナミクス特性をその時点の測定信号の強度に容易に適合できるからである。このことは、測定装置において回路技術上の付加的な大きな手間を伴わずに、容易に実現することができる。とりわけ、周波数変化によるダイナミクス領域の変化が可能である。というのも周波数が高くなると、大部分の磁性材料の磁化率は急速に低減し、動作周波数の引き上げによって、受信された測定信号の低減が引き起こされるからである。

また、たとえば銅等の非強磁性のオブジェクトでは、このような非強磁性のオブジェクトでは動作周波数の上昇によって検出品質が上昇するが、センサシステムのコイルへの戻り作用はいずれにせよ絶対値的に比較的小さいので、実用的には、測定信号の過上昇が起こることは滅多になく、ひいては場合によっては、増幅器飽和が起こることもない。

以下の実施例の説明および関連図に、本発明による方法ないしは該方法を実施するための装置の別の利点が記載されている。

図１は、たとえば壁、底部または蓋部等である媒体１０に封入されたオブジェクトを位置測定するのに典型的な測定シチュエーションを示す。位置測定装置２４を被検査媒体１０の表面２６上で移動することにより、該媒体１０に封入されたオブジェクト１２の位置を検出する。このようなオブジェクト１２はたとえば、電気的線路、たとえば水道管等である管、金属スタンドまたは別の被測定物とすることができる。このような位置測定装置２４はとりわけ、少なくとも１つの送信コイルと、受信ユニットとして使用される受信導体ループシステムとを有する誘導式センサを有する。適切な駆動制御電子回路、所属のエネルギー供給部、および検出された測定信号を評価するための評価ユニットの他に、この種の位置測定装置２４はたとえばグラフィック表示部２８も有する。このグラフィック表示部２８は、検出された測定信号の強度に関連づけされた出力量を表す。この出力量はたとえばバーグラフ３０の形態で表示され、最小値と最大値との間で点灯されたバーの数が、測定信号の強度の尺度を表す。図１に示されたバーグラフ３０による出力量の表示の他に別の出力形態も可能であり、とりわけ別の光学的表現も可能である。

このような位置測定装置２４はたとえば補償センサを有する。この種のセンサはたとえば３つのコイルを有し、第１の送信コイルは第１の送信器に接続されており、場合によって設けられる第２の送信コイルは第２の送信器に接続されており、受信コイルとして使用される受信導体ループシステムは受信器に接続されている。前記２つの送信コイルには送信器から、周波数ｆ_Ｍかつ逆位相の交流電流が供給される。その際には、第１の送信コイルが受信コイルに磁束を誘導し、この磁束は第２の送信コイルによって受信コイルに誘導される磁束とは逆方向である。それゆえ、受信コイルに誘導される２つの磁束は相互に補償されるので、このようなコイルシステムの近傍に外部の金属性物が存在しない場合、受信器は受信コイルにおいていかなる受信信号も検出しない。個々の送信コイルによって受信コイルに引き起こされる磁束Φは種々のパラメータに依存し、たとえばコイルの巻数および幾何学的形状、両送信コイルに供給された電流の振幅および相互の位相位置に依存する。このような検出器において最終的には、金属性物が存在しない場合に受信コイルに引き起こされる磁束Φが可能な限り小さくなるように、前記パラメータを最適化すべきである。

択一的に、１つの送信コイルのみを使用し、金属性物が存在しない場合に受信導体ループシステムに電圧が誘導されないように、受信巻線システムを空間内に位置決定することもできる。

ここで、このような受信ジオメトリの近傍で金属性物が存在する場合、この金属性物は、前記の送信ジオメトリによって生成されたフィールドを変化させ、その結果として受信コイルに磁束が誘導されると、受信コイルないしは受信導体ループシステムに誘導された磁束は測定電圧として、たとえばコイルまたは後置接続された測定アンプで取り出すことができる。検出される測定信号、たとえば取り出される測定電圧Ｕ_Ｍは、封入されたオブジェクトに誘導式センサが接近するほど大きくなる。

このような位置測定装置２４が、たとえば図１に示された矢印３２の方向の推移のように、封入されたオブジェクト１２に接近すると、検出される測定信号は上昇する。

その際、とりわけ従来技術の装置の場合、封入された被測定物１２の近傍では次のような測定シチュエーションが生じる。すなわち、位置検出装置２４の移動距離が大きくなると、該検出すべきオブジェクト１２の領域において、領域全体にわたって出力量の最大ぶれ、たとえば取り出される測定電圧Ｕ_Ｍの最大ぶれが現れる程度に測定信号が強くなる測定シチュエーションが生じる。この場合、封入されたオブジェクト１２の位置を精確に位置測定することはできない。

図２は、位置測定装置が本発明による方法にしたがって動作する場合に、封入されたオブジェクトに接近するかないしは離れた場合の、該位置測定装置の検出された測定信号Ｕ_Ｍの特性経過を概略的に示す。

図２ａには、測定シチュエーションが再度示されている。位置測定装置２４は矢印３２の方向に、たとえば壁３４の表面２６上を移動される。この壁３４の後ろに、封入されたオブジェクト１２が位置Ｓ_１に隠れて存在する。オブジェクト１２はたとえば水道管である。図２ｂには、測定信号Ｕ_Ｍの検出された信号特性経過が、位置検出装置２４が壁３４を移動した移動距離ｓの関数として示されている。

測定信号Ｕ_Ｍはたとえば、センサの受信巻線システムで取り出された測定電圧である。

位置測定装置が、図２ａに示されたシチュエーションのように、封入された被測定物からまだ遠くに離れている場合、相応の測定信号は小さい。このような測定シチュエーションでは、本発明による方法は第１の周波数ｆ_Ｍ１を使用する。この第１の周波数ｆ_Ｍ１に対して、位置検出装置の振動回路およびフィルタが整合および最適化されている。この周波数は典型的には１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚの領域内にあり、とりわけ５ｋＨｚの周波数が有利であると考えられる。したがって、このような周波数ｆ_Ｍ１の測定信号を使用する場合に、測定装置は可能な限り高い感度で動作する。位置検出装置が被封入オブジェクトに接近すると、すなわち位置測定装置が、図２ａでは矢印３２の方向に移動されると、周波数ｆ_Ｍ１を有する測定信号は、図２ｂに示されたように相応に大きく上昇する。変化しないで同じ測定周波数ｆ_Ｍ１でさらに測定すると、図２に示された例では、封入された被測定物の本来の位置Ｓ_０から未だ大きく離れている場合がある位置Ｓ_１で、受信センサの評価電子回路に信号飽和が生じてしまう。たとえば、受信コイルに後置接続された増幅器が増幅飽和に陥ってしまう。このような構成の場合に位置測定装置２４が、封入された被測定物１２の方向にさらに移動されると、増幅飽和に起因して測定信号Ｕ_Ｍはもはや上昇しなくなってしまい、測定信号の信号強度は、図２ｂに示されているようにレベルＵ_ｓに一定にとどまってしまう。このようなシチュエーションでは、被封入オブジェクトの位置Ｓ_０が測定信号Ｕ_Ｍの有意な信号変化によって識別されることなく、該位置Ｓ_０を越えて位置測定装置を移動してしまう可能性がある。被封入オブジェクトの位置Ｓ_０で最大値を有する破線の曲線４２は、たとえば使用される測定アンプのダイナミクス領域が制限されない場合に生じるような、検出された信号強度の飽和が生じない場合の曲線経過を示す。

しかし、検出された測定信号の増幅のダイナミクス領域は有限であるから、上記のような飽和特性が引き起こされる。このことは図２ｂでは、ポイントＳ_１とＳ_３との間の測定信号が一定である領域によって示されている。位置測定装置２４が矢印３２の方向に被封入オブジェクト１２から再び十分に離れた場合、すなわち、図２では位置Ｓ_３に達して越えた場合に初めて、検出された測定信号Ｕ_Ｍは再び小さくなってもはや増幅飽和を引き起こさなくなり、可変の測定信号Ｕ_Ｍが得られ、図２ｂに示されたように被封入オブジェクト１２の位置Ｓ_０からの距離が増大するにつれて該測定信号Ｕ_Ｍは再び低減するようになる。

封入されたオブジェクト１２の特性に応じて最大で数デシメートルにもなるポイントＳ_１とＳ_３との間の有限の領域では、従来の位置測定装置で測定される信号レベルＵ_ｓは一定になり、被封入オブジェクト１２の場所Ｓ_１を精確に位置検出するのが阻止されてしまう。

本発明による方法では、測定信号Ｕ_Ｍは第１の閾値Ｕ_{Ｍ（Ｓｃｈｗｅｌｌ１）}に達すると周波数ｆ_Ｍ１から周波数ｆ_Ｍ２に切り替えられる。この閾値Ｕ_{Ｍ（Ｓｃｈｗｅｌｌ１）}は、増幅飽和を引き起こす信号強度Ｕ_ｓを下回る。このようにして、たとえば使用される位置測定装置の測定アンプがオーバーライド制御されるのが阻止される。

励起側ないしは送信側も受信側も周波数ｆ_Ｍ１に対して最適化されているので、周波数ｆ_Ｍ１が量Δｆだけ離調して周波数ｆ_Ｍ２（ｆ_Ｍ２＝ｆ_Ｍ１＋Δｆ）になることにより、検出される測定信号Ｕ_Ｍの信号強度は低減される。それゆえ測定周波数が切り替えられると、図２ｂにおいて矢印３８によって示されているように、検出される信号強度は低減する。ここでは周波数変化分Δｆは、測定信号Ｕ_Ｍによって周波数ｆ_Ｍ２で生成される電圧レベルが低くなり、とりわけ増幅系の飽和限界Ｕ_ｓを格段に下回るように選択される。こうするためには、動作周波数をたとえば４０〜５０％引き上げることができる。

本発明による方法を使用して位置測定装置を、ポイントＳ_１を越えて被封入オブジェクト１２に近づけると、該位置測定装置は、図２ｂにおいて測定曲線ＦＲＱ２によって表されているような測定信号Ｕ_Ｍの経過を示す。この測定信号はポイントＳ_１から、被封入オブジェクトの探索されるポイントＳ_０に近づくとさらに上昇し、ポイントＳ_０において最大値に達し、ポイントＳ_３の方向に該位置測定装置を移動させると再び低減する。このようにして、検出された測定信号Ｕ_Ｍの最大値Ｕ_ｍａｘで被封入オブジェクト１２の位置Ｓ_０を識別することができる。

本発明による方法にしたがって動作する位置測定装置が被封入オブジェクト１２の位置Ｓ_０を越えて図２ａの矢印３２の方向に移動されると、その時点で検出された測定信号Ｕ_Ｍが第２の閾値Ｕ_{Ｍ（Ｓｃｈｗｅｌｌ２）}を下回った場合、ｆ_Ｍ２の測定周波数は本来の測定周波数ｆ_Ｍ１に戻される。励起側ないしは送信側でも、受信側でも、周波数ｆ_Ｍ１に対して最適化されているので、このことによって、図２ｂにおいて矢印４０によって示されているように信号上昇が再び引き起こされる。位置測定装置２４がポイントＳ_３から矢印３２の方向に離れ、被封入オブジェクト１２からさらに離れると、信号強度は図２ｂに示されているように連続的に下降する。

本発明による方法ではこのようにして、位置測定すべき封入された被測定物の周辺の領域で測定信号の周波数を離調することにより、測定システムの感度を低下し、たとえば増幅飽和を回避する。測定信号の周波数のこのような離調Δｆの典型的な値は１０〜１００％の間の領域内である。測定信号の周波数の離調に有利な値は、約４０〜５０％である。測定信号のこの変化分Δｆは正とすることも負とすることもできる。しかし有利な実施形態では、測定周波数の上昇（ｆ_Ｍ２＞ｆ_Ｍ１）が使用される。周波数が高くなると、大部分の磁性材料の磁化率は急速に低減するので、動作周波数の引き上げが、受信される測定信号の低減を引き起こす。たとえば銅等である非強磁性のオブジェクトでは、確かに動作周波数の上昇により検出品質が上昇されるが、このような材料ではセンサシステムのコイルへの戻り作用はいずれにせよ絶対値的に小さいので、実用的には測定信号の過上昇が引き起こされるのは稀であり、それゆえ所望の増幅飽和が引き起こされる。

測定信号の周波数を変化させるためには、基本的に公知である種々の手法を使用することができる。たとえば２つの別個の周波数に切り替えることができ、ないしは、動作周波数を連続的に離調することもできる。本発明における測定周波数は個々の離散的な周波数のみを指すのではなく、たとえば有限幅の周波数帯の最大強度も含む。したがってたとえば、有限幅の周波数スペクトルの帯域幅にわたってシフトされる周波数フィルタを使用して動作周波数を連続的または離散的に変化させることができる。たとえばアクティブフィルタ等であるフィルタを使用して、励起部ないしは送信部に配置され励磁コイルに所属する振動回路、または受信分岐を周波数変化によって離調することができる。こうすることにより、上記のように受信信号は低減され、測定信号の信号強度がたとえば上記の欠点を伴う増幅飽和を引き起こしてしまうオブジェクトを、検出された測定信号の局所最大値によってなお高精度で位置検出することができる。

周波数ｆ_Ｍ２をすでに変化した場合に、検出された測定信号Ｕ_Ｍが再び飽和のクリティカルな限界Ｕ_ｓに近づくほど、被封入オブジェクトが再び高い信号レベルを引き起こす場合、たとえば同様に閾値Ｕ_{Ｍ（Ｓｃｈｗｅｌｌ１）}とすることができる閾値で、別の周波数に切り替えることができる。この別の周波数もまた、比較的高い周波数とすることができる。検出される測定信号に使用される周波数の数と該周波数相互間の相対的なパラメータは基本的に限定されず、測定目的に応じて最適化することができる。

図３は、本発明によるセンサの個々の受信巻線全体で誘導される信号電圧を生成、評価および調製するための本発明の回路を詳細に示す図である。

図３に示されたインダクタンス２６２はたとえば、本発明による方法にしたがって動作する位置測定装置用のセンサの、従来のようにワイヤの捲回によって形成された励磁コイルを示す。容量２６４とともに振動回路を構成するインダクタンス２６２は、抵抗２６６を介して切替手段２６０を介して電圧源２６８に接続されている。この電圧源２６８はたとえば方形波発生器を使用して、異なる周波数ｆ_Ｍの測定電圧の生成を可能にする。

図３ではこれらの切替手段２６０は、それぞれ異なる周波数の測定電圧を示す２つの位置２５６，２５８に切り替える離散的なスイッチとして示されている。しかし、これらの切替手段はたとえば、比較的広い周波数スペクトルから相応の動作周波数を分離するアクティブなフィルタエレメントまたはパッシブなフィルタエレメントとすることができる。その点では、この切替手段という概念はスイッチに限定されず、また個々の周波数間で離散的に行われる切り替えにも限定されない。

実用的には、励磁信号を生成するためにはたとえば方形波発生器を使用することが考えられる。この方形波発生器の周波数スペクトルから、励磁振動回路を使用して比較的高い周波数をフィルタリングによって効率的に取り出し、生成される信号振幅にはもっぱら、基本周波数における方形波発生器の振幅が残される。このような方形波発生器に対しては、たとえばマイクロコントローラが製造済みのハードウェアブロック、いわゆるタイマを提供する。

このような方形波発生器の動作周波数は、前記タイマブロックの簡単な再プログラミングによって変化させることができるので、この生成のために構成要素コストは発生しない。

マイクロコントローラに設けられた通常のタイマブロックによって択一的に、方形波出力のいわゆる「デューティ比」を変化させること、すなわちスイッチオン時間とスイッチオフ時間との比を変化させることもできる。たとえば、対称的な方形波（スイッチオン時間とスイッチオフ時間とがそれぞれ等しい長さである）から漸次的にパルス波形である信号（たとえば短時間のスイッチオンとより長時間のスイッチオフ時間）にスライド的に移行することができる。その際には、オンオフサイクルの周期持続時間を一定に維持し、いわゆるＰＷＭモード（パルス幅変調）が可能である。パルス幅変調されたこのような信号を一定の周波数で、整合された振動回路に与えると、デューティ比によって励磁コイルにおける励磁電流の振幅を変化させることもできる。というのも、パルスが漸減的に短くなるとともに、基本周波数のフーリエ成分が低減するからである。しかしこのことだけでも、基本周波数に整合された励磁振動回路の場合には、コイルを流れる電流の決定要因となる。

しかし、周波数変化による振幅変化とは対照的にディーティ比の変化では、励磁周波数の基本モードと高調波との比がシフトすることを甘受しなければならない。このことは受信器信号のデジタルの後続処理において、関連のナイキストミラー周波数に起因して、ダウンサンプリング時に問題を引き起こす。この問題は、周波数のこのような形態の変化では生じない。

択一的に、適切なハードウェア切替手段によって周波数切り替えを実施することも考えられる。このことも低コストで実現することができる。デジタルで生成された方形波信号を使用する場合にはさらに、周波数変化は非常に定義されるということも考慮される。というのも、これは離散的な段階でのみ可能であるからだ。この周波数変化はとりわけ温度ドリフトを受けないか、ないしは周波数は、マイクロコントローラの周波数がドリフトする程度にのみドリフトする。しかしこの周波数は、セラミック共振器または水晶を使用することによって非常に温度安定性に維持することができる。デジタル信号を使用する代わりに択一的に、デジタルアナログ変換器を使用して別の波形の信号を発生することもできる。

励磁回路において有効な電流に関しては、励磁周波数の変化によって、共振周波数からずれると直ちに、励磁コイル内を流れる電流が著しく低減し、受信回路で取り出される測定信号の振幅が劇的に低減する。受信回路を、特徴的な周波数特性で（たとえばバンドパスとして）構成する場合、受信器の増幅器出力における振幅はこの周波数特性によってさらに低減することができる。

切替手段２６０はたとえば、適切な電気的接続線路２５２によって制御手段２５４に接続され、この制御手段２５４も、検出された信号レベルに相応して切替手段２６０をセットする。制御手段２５４の入力信号としてたとえば、図３にシンボル表示されたような、測定アンプから出力された信号レベルが使用される。

図３においてインダクタンス２７０は、測定信号を検出するのに使用される受信導体ループシステムを表す。この受信導体ループシステムでは、検出される測定信号は誘導電圧として取り出される。評価回路は、図３の実施例ではとりわけ、２つのオペアンプ２７２ないしは２７４を有する２段の増幅器から成り、この出力側にはたとえば、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）２７６を接続することができる。とりわけ低雑音に構成された第１の増幅段２７２は最初に測定信号を増幅し、この測定信号はその後、バンドパス特性を有する第２の増幅段２７４で処理される。たとえば第２の増幅段によって、励磁場の比較的高次の高調波が測定信号からフィルタリングによって取り出されるのを保証することができる。

第１の増幅段２７２の前には、スイッチ２４８１〜２４８４の列が設けられており、これらのスイッチ２４８１〜２４８４は、異なる入力信号２７８を増幅段２７２の入力側２８０に供給する。たとえば本発明によるセンサの測定動作中に、スイッチ２４８２の閉成によって、検出器コイル２７０に誘導された電圧を増幅段２７２の入力側に供給する。その他のスイッチングエレメントによって、基準信号およびコントロール信号を供給することにより、測定システムの較正を行うことができる。

有利には本発明によるセンサに対して、デジタルノイズ抑圧による評価法を実施する。このようなフィルタリングでは、測定アンプの出力端における測定信号をまずアナログデジタル変換器（図３ではＡＤＣ ２７６）によって同期でデジタル化し、後続接続されたデジタル回路またはマイクロプロセッサによってデジタルでさらに処理する。目的に適っているのは、このデジタル回路部が、励磁コイルないしは送信コイルを駆動制御するドライバ電圧も発生することである。特に目的に適っているのは、測定信号を励磁器磁場（たとえば５ｋＨｚ）の周波数の倍数（たとえば１０ｋＨｚ）によってデジタル化することである。その際には、受信分岐内の増幅段の出力端に現れた電圧を、励磁電圧と位相同期でデジタル化することができる。このようにして、コンピューティングによってデジタルのノイズフィルタリングを実現することができる。このような構成により、付加的な高いコストなしで、かつ大きな手間を伴うこともなく、有効なノイズ帯域幅を数ヘルツのオーダにすることができる。

このように構成された本発明によるセンサは、有利には測定装置に組み込むことができる。このような測定装置は、とりわけハンドヘルド式の金属位置測定装置として構成されるか、または、本発明の方法による金属位置測定機能を付加的機能として有することができる。

図４は、この種の測定装置の実施可能な一実施例を示す。

図４は、本発明による測定装置１２４の実施例を斜視図で概略的に示している。測定装置はハウジング１５０を有し、このハウジング１５０は上側のシェル半部１５２ないし下側のシェル半部１５４から構成される。ハウジングの内部に、金属検出のためのコイルシステムを備えた少なくとも１つのセンサが設けられている。さらに、測定装置１２４の内部は信号生成電子回路、評価電子回路ならびに、例えばバッテリまたは蓄電池を使用してエネルギー供給するエネルギ供給部を有する。図４に示された測定装置はさらに、測定信号と相関する出力信号を出力するための表示部１２８を有する。表示部１２８を介して、例えばセグメント化されたバー表示またはＬＣＤを使用するグラフィック表示により、検出された測定信号の強度を表示することも可能である。

さらに本発明による測定装置は、一連の操作エレメント１６０を備えた操作フィールド１５８を有し、これらの操作エレメント１５８によって、装置をたとえばスイッチオンないしはスイッチオフし、また場合によっては、測定プロセスないし較正プロセスを開始することもできる。操作エレメント１５６を介してたとえば、使用者が測定信号の周波数を変化できるように構成することができる。また、測定周波数のこのような変化を装置によって自動的に行い、とりわけ使用者に対してアクセス不可であるように構成することもできる。

操作フィールド１５８の下側の領域において、図４に示された測定装置は領域１６２を有し、この領域１６２の形状および材料選定は、本発明による測定装置を案内するためのグリップ１６４として構成されている。このグリップ１６４により測定装置は、図４を見る側とは反対側の裏面を用いて、検査すべき対象ないし媒体の表面上、例えば図１に概略的に示されている壁１０の表面２６上を案内する。

測定装置１２４のグリップ１６４の面とは異なる面１７０において、この測定装置はハウジングを貫通する開口部１７２を有する。開口部１７２は少なくともセンサの受信導体ループシステム１３４と同心で配置されている。このようにして、測定装置における開口部１７２の位置は位置測定センサの中心に対応し、その結果、場合によって検出された対象物の正確な位置もこの種の装置の使用者に同時に表示することができる。さらに測定装置は付加的に上側面にマーキング線１７４を有し、この線によりユーザは開口部１７２の正確な中心、したがって封入されている対象物を位置検出することができる。

純粋な誘導式の測定装置の他に、本発明によるセンサを、別の測定方式を使用する測定装置において付加的センサに使用することができる。つまり、本発明による方法ないしはこの種のセンサを、例えばレーダ位置測定装置における補助診断部としても、または赤外線位置測定装置における補助診断部としても使用することができる。

さらに、本発明の方法によるセンサを工作機に、たとえば穿孔工具に直接組み込むかまたは取り付け部分として組み込み、使用者がこのような機器によって安全に作業できるようにすることもでき、またはこのようにすることが有利でもある。

本発明による方法ないしは本発明による方法にしたがって動作する測定装置は、図に示された実施例に限定されない。

殊に本発明による方法は、１つの送信コイルないしは受信導体ループシステムのみを使用することに限定されない。多重的なシステムも実施可能である。

本発明による方法は、その時点で位置検出すべきオブジェクトに位置測定センサのダイナミクス領域を自動的に適合することができる。それによれば、小形のオブジェクト、ないしは、生成する信号強度が小さいオブジェクトは、実現可能な最大の感度で検査される。大形のオブジェクト、ないしは、相応に信号強度が上昇されたオブジェクトは自動的に、低減された感度で測定される。このことにより、異なるオブジェクトないしは異なる取り付け深さの広幅のスペクトルにわたって、精確な位置検出を行うことができる。このことはとりわけ自動的に実施することができる。すなわち、機器内部の制御手段によって実施することができる。また択一的な実施形態では、測定信号の周波数の変化を行うために切替手段に使用者がアクセスできるように構成することもできる。こうするためには、図１において操作エレメント２２によって示されているように、切替手段をたとえば、適切な位置検出装置のハウジング内またはハウジング表面に設けられた適切な操作エレメントによって操作可能であるようにする。

本発明による方法では、測定感度の変化を実現するために、測定周波数を変化させる。このようにして、実施するために付加的な回路技術上の大きな手間は必要とされなくなる。

１０ 媒体
１２ オブジェクト
２２ 操作エレメント
２４ 位置測定装置
２８ 表示部

Claims (11)

1. 媒体（１０）に封入されたオブジェクト（１２）を検出するための方法であって、
   少なくとも１つの送信コイルによって測定信号（Ｕ _Ｍ ）を発生して前記媒体（１０）へ送信し、当該測定信号（Ｕ _Ｍ ）を、前記送信コイルに誘導結合された少なくとも１つの受信導体ループシステムによって検出し、
   検出した前記測定信号の信号強度（Ｕ _Ｍ （ｉｓｔ））を用いて、封入された該オブジェクト（１２）の位置に関する情報を求める形式の方法において、
   前記受信導体ループシステムによって検出した測定信号の信号強度（Ｕ_Ｍ （ｉｓｔ））に依存して、該検出した測定信号の信号強度（Ｕ_Ｍ（ｉｓｔ））が第１の閾値（Ｕ_Ｍ（Ｓｃｈｗｅｌｌ１））を超えた場合、該受信導体ループシステムによって検出される測定信号の強度（Ｕ _Ｍ （ｉｓｔ））が低減されるように、前記送信コイルに供給される、前記媒体（１０）へ送信するための該測定信号（Ｕ _Ｍ ）の周波数（ｆ_Ｍ）を変化させ、
   パルス幅変調を行うデジタル周波数発生器から、前記送信コイルを駆動制御する信号を間接的または直接的に取り出し、
   該周波数発生器のデューティ比を、検出された前記測定信号の信号強度（Ｕ_Ｍ （ｉｓｔ））に依存して変化させることを特徴とする方法。
2. 前記測定信号の周波数（ｆ_Ｍ）をデジタル信号によって設定し、
   該周波数の変化分を、デジタル制御ユニットの再構築によって変化させる、請求項１記載の方法。
3. 前記デジタル信号は方形波信号である、請求項２記載の方法。
4. 前記デジタル制御ユニットはマイクロプロセッサである、請求項２または３記載の方法。
5. 前記受信導体ループシステムによって検出される測定信号の信号強度（Ｕ _Ｍ （ｉｓｔ））に対して少なくとも１つの第２の閾値（Ｕ_Ｍ（Ｓｃｈｗｅｌｌ２））を設け、
   前記受信導体ループシステムによって検出された測定信号の信号強度（Ｕ _Ｍ （ｉｓｔ））が該第２の閾値（Ｕ_Ｍ（Ｓｃｈｗｅｌｌ２））を下回った場合、該測定信号（Ｕ _Ｍ ）の周波数ｆ_Ｍを変化させる、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記測定信号（Ｕ _Ｍ ）の周波数（ｆ_Ｍ）の周波数変化（Δｆ_Ｍ）を離散的な幅で行う、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記受信導体ループシステムによって検出された測定信号の信号強度（Ｕ _Ｍ （ｉｓｔ））が前記第１の閾値（Ｕ_Ｍ（Ｓｃｈｗｅｌｌ１））を超えた場合、前記測定信号の周波数（ｆ_Ｍ１）を上昇する（ｆ_Ｍ２＝ｆ_Ｍ１＋Δｆ_Ｍ）、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記第２の閾値（Ｕ_Ｍ（Ｓｃｈｗｅｌｌ２））を下回った場合、前記測定信号の周波数（ｆ_Ｍ２）を低減する（ｆ_Ｍ１＝ｆ_Ｍ２−Δｆ_Ｍ）、請求項５または７記載の方法。
9. 請求項１から８までのいずれか１項記載の方法を実施するためのハンドヘルド式の位置測定装置（２４，１２４）において、
   検出した前記測定信号の信号強度（Ｕ _Ｍ （ｉｓｔ））が第１の閾値（Ｕ _Ｍ （Ｓｃｈｗｅｌｌ１））を上回った場合、前記送信コイルに供給される、前記媒体（１０）へ送信するための測定信号（Ｕ _Ｍ ）の周波数（ｆ_Ｍ）を変化させるために使用される切替手段（２６０）を有することを特徴とする、ハンドヘルド式の位置測定装置（２４，１２４）。
10. 検出した前記測定信号の信号強度（Ｕ _Ｍ （ｉｓｔ））が第２の閾値（Ｕ _Ｍ（Ｓｃｈｗｅｌｌ２））を下回った場合に、前記切替手段（２６０）は、前記送信コイルへ供給される該測定信号（Ｕ _Ｍ ）の周波数（ｆ_Ｍ）を変化させるように構成されている、請求項９記載のハンドヘルド式の位置測定装置。
11. ユーザが前記測定信号（Ｕ_Ｍ）の周波数（ｆ_Ｍ）を変化させるのに使用するための少なくとも１つの操作エレメント（１５６）が設けられている、請求項９記載のハンドヘルド式の位置測定装置。

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