電容式定位儀的制作方法
【專利摘要】一種用于電容式探測被封閉在介質（105）中的對象（110）的定位儀（100），包括測量電極（140）、參考電極（145）和接收電極（150），其中測量電極與接收電極一起構成可通過對象影響的測量電容（C1），并且參考電極與接收電極一起構成不能被對象影響的參考電容（C2），此外還包括用于給測量電容和參考電容供應移相的交變電壓的振蕩器（125）以及用于控制所述交變電壓至少之一的幅度的控制裝置，以便使測量電極或參考電極的電場對接收電極的影響彼此相均衡。在此，所述電極平面地成形，并且所述測量電極具有比參考電極大的面積。
【專利說明】電容式定位儀
【技術領域】
[0001]本發明涉及定位儀。尤其是，本發明涉及用于電容式探測封閉在介質中的對象的定位儀。
【背景技術】
[0002]為了檢測埋藏在墻壁中的物體、例如在輕型結構墻壁中的梁，已知電容式探測器。這樣的探測器使用電極，所述電極的充電行為或放電行為被確定，以便推斷出介電對象。帶有多個電極的探測器也是已知的，其中電極對的電容的變化被確定。通常需要在墻壁上手動地校準這樣的探測器，因為這些儀器甚至不能識別墻壁接觸并且電極或電極對的電容取決于環境條件、如溫度、空氣濕氣、背離傳感器的對象、通過使用者的接地、墻壁材料的電或介電特性。為了考慮這些可變的影響因素，必須在墻壁處校準已知的儀器，為此或者需要通過使用者的相應控制或者需要昂貴的傳感器系統。
[0003]DE 10 2007 058 088 Al示出用于定位介質中的介電對象的傳感器。所示的傳感器確定在參考電容和測量電容之間的比例，所述測量電容與該對象關于這兩個電容的電極的位置相關。
[0004]DE 10 2008 005 783 B4示出作為防夾保護的電容式探測器，其借助推挽測量電橋將兩個電容的電容相互比較。電容之一通過兩個可彼此相對安置的電極構成，使得其相對間距的變化可以被用于生成信號，該信號發出夾緊警告。
[0005]本發明所基于的任務是說明一種用于電容式探測的定位儀，該定位儀為了實現高的測量精度不需要校準。
【發明內容】
[0006]本發明借助于具有獨立權利要求的特征的定位儀來解決該任務。從屬權利要求再現優選的實施方式。
[0007]基本上有兩個需要校準定位儀的理由。一方面不可控制的影響如環境溫度、環境濕氣、背離傳感器的對象或定位儀通過使用者的接地可能影響輸出信號。另一方面，輸出信號與介質處的對象無關地與空氣中(in Luft)的輸出信號不同，其中介質的材料和材料厚度以及墻壁電特性如介電常數或傳導性可以引入到輸出信號中。
[0008]本發明的用于電容式探測被封閉在介質中的對象的定位儀包括測量電極、參考電極和接收電極，其中測量電極與接收電極一起構成可通過對象影響的測量電容，并且參考電極與接收電極一起構成不能被對象影響的參考電容，此外包括用于給測量電容和參考電容供應移相的交變電壓的振蕩器和用于控制所述交變電壓至少之一的幅度的控制裝置，以便使測量電極或參考電極的電場對接收電極的影響彼此相均衡。在此，所述電極平面地實施，其方式是所述電極與其表面相比僅具有小的厚度。在優選的實施方式中，所述表面此外是平坦的。此外，測量電極具有比參考電極大的面積。
[0009]通過在推挽測量電橋處使用所描述的電極裝置，可以補償影響在電極之間的電容的干擾因素。這種影響可以是與對象和介質無關的，例如環境溫度、空氣濕氣、與電極背離的對象或定位儀經由在其手中持有所述儀器的使用者的接地。
[0010]在優選的實施方式中，測量電極與接收電極的間距大于參考電極與接收電極的間距。
[0011]所描述的推挽測量電橋根據對象的存在確定商的改變，該商通過測量電容和參考電容之差與這兩個電容之和構成。以相同形式影響這兩個電容的影響因此不改變測量參量。通過各個電極的所說明的幾何構型(Auspdgung)可以使通過對象對參考電容的可影響性降低。
[0012]測量電極可以至少部分地并且尤其是在測量電極與接收電極之間的區域中由防護電極包圍，該防護電極與恒定電勢連接。在該以及另外的實施方式中適合于將測量電極、接收電極和參考電極布置在相同的平面中。防護電極在這種情況下可以同樣在該平面中伸展。恒定電勢可以尤其是與儀器地(Gedtemasse)相應。防護電極在該平面中提供屏蔽，該屏蔽被調整到預先確定的、尤其是在時間上恒定的電勢。因此無需附加的耗費來實現該屏蔽，如果由于調節條件而在接收電極處出現電勢，使得與上面描述的交變電壓同步的交變電壓分量消失，則這種無源屏蔽尤其是有效的。防護電極因此可以與所描述的推挽測量電橋相結合地改善定位儀的確定質量。
[0013]測量電極、參考電極和接收電極可以處于一個平面中，其中在背離對象的側上布置有與恒定電勢連接的屏蔽電極，該屏蔽電極至少部分地或優選完全地遮蓋處于該平面中的電極。由此可以減少不要被探測的對象、尤其是定位儀的使用者的影響。在一種變型方案中，該遮蓋也可以僅僅提供部分遮蓋，例如接收電極或參考電極可以從該遮蓋中取出。
[0014]在另一實施方式中，其可以與上述實施方式組合，載體材料在測量電極和接收電極之間具有凹部。
[0015]在又另一實施方式中，其可以與上述實施方式組合，參考電極和接收電極布置在平坦的載體材料的表面上，其中載體材料在參考電極和接收電極之間具有凹部。
[0016]兩種措施的目的在于，電場力線的數量通過載體材料在測量電極和接收電極之間或在參考電極和接收電極之間被最小化。通過載體材料的特性對測量電容或對參考電容的影響可以由此被減少并且電容與溫度和濕度的相關性被簡化。
[0017]防護電極可以與屏蔽電極電連接。兩種不同類型的屏蔽因此可以以簡單的方式相互連接。這可以有助于簡單地構建定位儀，由此可以節省制造和開發成本。
[0018]在測量電極和接收電極之間可以有大量用于將屏蔽電極與防護電極電連接的導體段。
[0019]在另一實施方式中，其可以與上述實施方式組合，測量電極和接收電極布置在平坦的載體材料的表面上，其中該載體材料在測量電極和接收電極之間具有凹部，所述凹部的邊界至少部分地配備有導電層，該導電層與屏蔽電極和防護電極電連接。
[0020]垂直接觸的兩種變型方案的目的在于:把在防護電極和屏蔽電極之間的電連接在測量電極和接收電極之間的區域中實施為，使得電場力線、尤其是通過載體材料引起的這樣的電場力線在測量電極和接收電極之間被屏蔽。在測量電極和接收電極之間的基本電容可以由此被減小。由此可以在對象的影響方面提高測量電路的靈敏度。通過載體材料的特性對基本電容的影響由此可以被減少并且基本電容與溫度和濕度的相關性被簡化。
[0021]測量電極、參考電極和屏蔽電極可以分別用絕緣層覆蓋。由此可以減少例如介質對參考電容或測量電容的電影響。尤其是，絕緣層可以用作濕氣屏障，使得空氣濕氣不能侵入到載體材料中并且不能影響電容。
[0022]測量電極或參考電極可以包括多個相互間隔的區段，所述區段低歐姆性地相互電連接。由此，電極可以布置為使得能夠實現對象的二維可確定性。
[0023]測量電極或參考電極可以包括多個相互電絕緣的區段，所述區段被施加不相同的、但是相互成比例的信號。該電極裝置的靈敏度因此可以在不同方向上有不同大小。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]現在參照附圖更確切地描述本發明，其中:
圖1示出定位儀；
圖2示出圖1的定位儀的電極的裝置；
圖3示出圖2的裝置處的電極之間的電連接；以及圖4示出圖2的裝置處的電極之間的可替換的電連接。
【具體實施方式】
[0025]圖1示出用于電容式探測封閉在介質105中的對象110的定位儀100。
[0026]該定位儀100包括推挽測量電橋115和電極的裝置120。
[0027]在測量電橋115處，振蕩器125提供兩個移相的、優選反相的相同頻率的交變電壓。這兩個交變電壓被引導給兩個放大器130和135，它們中的至少一個可以借助信號在其放大系數方面被控制。第一放大器130的輸出端與測量電極140連接，并且第二放大器135的輸出端與參考電極145連接。
[0028]裝置120至少包括電極140和145以及不接地的接收電極150。電極140、145和150彼此被布置為，使得在測量電極140和接收電極150之間出現測量電容Cl，并且在參考電極145和接收電極150之間出現參考電容C2。在此，電極140、145和150被構造為，使得測量電容Cl可以被對象110影響，而參考電容C2不能或者可以在可忽略地小的程度上被影響。
[0029]接收電極150與測量放大器155連接，所述測量放大器的輸出端與同步解調器160連接。根據由振蕩器125所提供的時鐘信號(其頻率相應于提供給放大器130和135的交變電壓的頻率)，測量電極140和參考電極145對接收電極150的影響時間上交替地被確定并且被提供給積分器165，其例如可以被構造為求積分的比較器。積分器165的輸出端與接口 170連接，在該接口 170處提供測量信號。測量信號此外被用于控制放大器130和135中的至少一個的放大系數。如果兩個放大器130、135是可控制的，則設置有反相器175，以便反向地控制所述放大系數。
[0030]推挽測量電橋115被設立用于對該裝置120的測量電極140和參考電極如此施加交變電壓，使得對象110的介電影響對在接收電極150處的電容Cl和C2的作用一樣大。在此，參考電容C2物理上被構建為使得所述參考電容不能被對象110或者實際上不能被對象110影響。如果例如對象110非對稱地處于電極140、145的區域中，使得電容Cl和C2介電地不同強烈地由對象110影響，則交變電壓具有不相同高度的幅度，使得測量電極140和參考電極145對接收電極150的影響在時間平均上是相同的。在接口 170處提供的測量信號反映放大器130、135的調制(Aussteuerung)。如果測量信號高于或低于預先確定的值,該值對應于不存在的對象110，則可以由測量信號推斷出對象110。
[0031]圖2示出圖1的定位儀100的電極的裝置120。在此，圖2A示出在朝向對象110的第一平面中的電極，并且圖2B示出在關于第一平面背離對象110的第二平面中的電極的裝置。實際上，所示的裝置例如可以構造為在由絕緣材料制成的電路板的不同層上的印制電路。
[0032]在圖2A中，分別相應于圖2中的測量電極140的第一測量電極205和第二測量電極210、分別相應于圖1的參考電極145的第一參考電極215和第二參考電極220、以及相應于圖1的接收電極115的接收電極225和防護電極242位于第一平面中。彼此對應的電極205和210、215和220可以低歐姆性地相互電連接。在另外的實施方式中，彼此對應的電極205-220被施加相同的或者不相同但是彼此成比例的信號，這些信號可以來自不同的源。為此目的，例如可以在圖1的測量電橋115中為每個所述測量電極205和210設置自己的放大器130。雙重地實施的電極205和210、215和220中的每一個也可以單獨地實施。
[0033]參考電極215、220小于測量電極205和210，更確切地說，優選明顯小于測量電極205和210，使得測量電極205、210的面積是參考電極215、220的面積的多倍。優選地，測量電極205和210是相同大小的。同樣優選地，參考電極215、220是相同大小的。
[0034]優選地，測量電極205和210與參考電極215和220相比離接收電極225更遠，更確切地說明顯更遠，使得測量電極205和210至接收電極225的距離分別是參考電極215和220與接收電極225的距離的多倍。優選地，第一測量電極205與接收電極225的間距相應于第二測量電極與接收電極225的間距。同樣優選地，第一參考電極215與接收電極225的間距相應于第二參考電極220與接收電極225的間距。
[0035]可選地，在裝置120中還設置有第一對應電極235并且必要時也設置有第二對應電極240。測量電極205、210和對應電極235、240優選是相同大小的并且水平和垂直地以彼此相同大小的間距來布置。測量電極205和210以及對應電極235和240分別可以由防護電極242包圍。
[0036]防護電極232在水平方向上大致在圖2A的中心伸展，該防護電極232將布置在上部的測量電極205和210、分別所分配的防護電極242、參考電極215和220以及第一接收電極225與布置在下部的對應電極235和240連同分配給其的防護電極242和另外的防護電極230分開，并且減小在對應電極235、240和接收電極225之間的電容耦合。該裝置120的在圖2A中處于水平防護電極232之下的部分在另外的實施方式中也可以取消。
[0037]全部的防護電極230、232、242是可選的。防護電極242用于中斷在處于第一平面中的電極205-225、235、240之間的電容耦合。防護電極230對應于接收電極225并且提高電極裝置的對稱性并且由此提高了場力線分布的對稱性。防護電極230、232、242與預先確定的、尤其是時間上恒定的電勢連接，例如與圖1中的定位儀100的儀器地連接。該策略與已知的有源屏蔽(“active shielding”)的不同之處在于:防護電極的電勢在時間上是恒定的并且不跟蹤另一電勢(nachfilhren)。防護電極242尤其是在使用在圖1中所示的推挽測量電橋115情況下出現，因為測量電橋115被設立用于調整在接收電極150處的電勢，使得與測量電極140或參考電極145處的交變電壓的時鐘同步的交變電壓分量消失。
[0038]在第一平面的相鄰電極之間的絕緣也可以借助空氣來實現，其方式是在電極之間引入凹部244，如示例性地在第一參考電極215和接收電極225之間以及在第二參考電極220和接收電極225之間所示出的。
[0039]在所示的、優選的實施方式中，裝置120的全部電極205-242由絕緣層246覆蓋，以便使與環境空氣的介質105或其他對象的電阻性耦合變得困難。絕緣層也用作濕氣屏障，使得例如來自空氣中的濕氣不能侵入到載體材料中并且不能影響電容。
[0040]圖2B示出四個屏蔽電極250，所述屏蔽電極分別被測定并且被安置為使得它們將測量電極205、210之一或者對應電極235、240之一連同必要時所分配的防護電極242遮蓋。屏蔽電極250在定位儀100處與時間上恒定的電勢連接，該電勢可以相應于定位儀100的儀器地。附加地或可替換地，屏蔽電極250可以與防護電極242連接。屏蔽電極250也可以借助未示出的絕緣層246被保護免受外部影響。
[0041]圖3示出圖2的裝置120的不同平面之間的電連接。
[0042]凹部244被引入到電路板305中，該電路板在其上側承載圖2A的第一平面，并且在其下側承載圖2B的第二平面。凹部244在參考電極145和接收電極150之間被引入到電路板305中。凹部244可選地在至少一側上配備有導電層310，該導電層在上部與第一平面的電極之一(這里示例性地為防護電極242)電連接，并且在下部與第二平面的電極之一(這里示例性地為屏蔽電極250)電連接。在另一例子中，凹部244可以在測量電極140和接收電極150之間被引入到電路板305中。導電層210在此情況下優選建立在上側上的防護電極242和在下側上的屏蔽電極250之間的電接觸。
[0043]在圖4中示出了該電連接的對此可替換的機械構型。代替凹部244，將多個垂直孔安放到電路板305中，導體段315穿過所述孔。導體段315優選作為貫通接觸部(“通孔”)例如通過電鍍途徑或借助鉚釘來制造。
[0044]在圖3和圖4中所示的兩個變型方案用于構造空氣填充區域和可選地構造在垂直方向上的導體段，以便屏蔽電極之間的電場，所述電極在平面內關于導體段彼此相對。兩個實施方式可以附加于或替換于為相同目可使用的防護電極242而被設置。
【權利要求】
1.用于電容式探測被封閉在介質(105)中的對象(110)的定位儀(100)，包括: -測量電極(140)、參考電極(145)和接收電極(150)， -其中測量電極(140)與接收電極(150) —起構成可通過對象(110)影響的測量電容(Cl)，并且參考電極(145)與接收電極(150) —起構成不能被對象(110)影響的參考電容(C2)； -用于給測量電容(Cl)和參考電容(C2)供應移相的交變電壓的振蕩器(125); -用于控制所述交變電壓至少之一的幅度的控制裝置(130，135，155，160，165，175)，以便使測量電極(140)或參考電極(145)的電場對接收電極(150)的影響彼此相均衡，其特征在于， -所述電極(140,145,150)平面地成形，并且所述測量電極(140)具有比參考電極(145)大的面積。
2.根據權利要求1所述的定位儀(100)，其中所述測量電極(140)與接收電極(150)的間距大于所述參考電極(145)與接收電極(150)的間距。
3.根據權利要求1或2所述的定位儀(100)，其中所述測量電極(140)至少部分地由防護電極(242)環繞，其中該防護電極(242)與恒定電勢連接。
4.根據上述權利要求之一所述的定位儀(100)，其中所述測量電極(140)、參考電極(145)和接收電極(150)處于一個平面中，并且在背離對象(110)的側上布置有與恒定電勢連接的屏蔽電極(250)，該屏蔽電極至少部分地遮蓋處于該平面中的電極(140，145，150)。
5.根據權利要求3和4所述的定位儀(100)，其中所述防護電極(242)與屏蔽電極(250)電連接。
6.根據權利要求5所述的定位儀(100)，其中在測量電極(140)和接收電極(150)之間有大量用于將屏蔽電極(250)與防護電極(242)電連接的導體段(315)。
7.根據權利要求5或6所述的定位儀(100)，其中所述測量電極(140)和接收電極(150)布置在平坦的載體材料(305 )的表面上，并且該載體材料(305 )在測量電極(140 )和接收電極(150)之間具有凹部(244)。
8.根據權利要求7所述的定位儀，其中所述凹部(244)的邊界至少部分地配備有導電層(310)，該導電層與屏蔽電極(250)和防護電極(242)電連接。
9.根據上述權利要求之一所述的定位儀(100)，其中所述測量電極(140)、參考電極(145)和屏蔽電極(250)分別用絕緣層(246)覆蓋。
10.根據上述權利要求之一所述的定位儀(100)，其中測量電極(140)或參考電極(145)包括多個相互間隔的區段(205，210)，所述相互間隔的區段低歐姆性地相互電連接。
11.根據上述權利要求之一所述的定位儀(100)，其中所述測量電極(140)或參考電極(145)包括多個相互電絕緣的區段(205-220)，所述相互電絕緣的區段被施加不相同的、但是相互成比例的信號。
【文檔編號】G01V3/08GK104169742SQ201380016785
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年2月14日 優先權日:2012年3月29日
【發明者】T.齊博爾德, A.阿爾布雷希特 申請人:羅伯特·博世有限公司
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