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    摘要
    申请专利号:

    CN201380051600.4

    申请日:

    2013.10.02

    公开号:

    CN104685379A

    公开日:

    2015.06.03

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01V 3/10申请日:20131002|||公开
    IPC分类号: G01V3/10 主分类号: G01V3/10
    申请人: 格尔德·赖梅
    发明人: 格尔德·赖梅
    地址: 德国比尔
    优先权: 102012019329.7 2012.10.02 DE
    专利代理机构: 北京康信知识产权代理有限责任公司11240 代理人: 梁丽超; 陈鹏
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201380051600.4

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2016.08.24|||2015.09.02|||2015.06.03

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    该方法和传感器单元允许定位和检测金属或含金属的物体和材料。线圈设置(1.2)包括彼此层叠设置的传输线圈和接收线圈,其中,所述接收线圈生成接收线圈输出信号。封闭的补偿控制调节在接收线圈内的接收线圈输出信号,以用于补偿在接收线圈的检测范围内发生的并且影响接收线圈的变化。为此,将补偿电流馈送到接收线圈的接收分支内,并且相对于彼此进行控制,使得甚至在金属影响的情况下,解调之后的接收线圈输出信号或从接收线圈输出信号检测的平均值相对于彼此被持续地调节为0。结果,可以使用具有未调节的传输电流的线圈,其中,持续生成零输出信号。同时,建立具有单侧检测范围的传感器设置的紧凑结构的结构要求。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种用于定位和/或识别金属或含金属物体和材料的方法,包括传输 线圈(2.6)和接收线圈(2.7、5.2)彼此层叠设置的线圈设置体(1.2), 其中,所述接收线圈生成接收线圈输出信号(2.25),
    包括在所述接收线圈内的所述接收线圈输出信号的闭环补偿 调节,以用于补偿在所述接收线圈的检测区域内发生的并且影响所 述接收线圈的变化,
    其中,将补偿电流(I2、I3)馈送到所述接收线圈(2.7、5.2) 的接收分支内并且相对于彼此进行调节,使得甚至在金属的影响下, 解调之后的所述接收线圈输出信号(2.25)或从所述接收线圈输出 信号(2.25)中获得的平均值(2.29、2.30)相对于彼此持续地被调 节为0。

    2.  根据权利要求1所述的方法,其特征在于,将所述补偿电流(I2、I3) 直接馈送到所述接收线圈(2.7、5.2)内。

    3.  根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述传输线圈(2.6) 和所述接收线圈(2.7)被安装在印刷电路内。

    4.  根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,扁平的所述 传输线圈(2.6)被安装在具有横向于所述线圈的面延伸的扁平的所 述接收线圈(2.7)的金属外壳(1.1)内,其中,电场形成为横向远 离所述线圈的所述面延伸的在源自所述外壳(1.1)的一侧上延伸的 所述检测区域(1.3)。

    5.  根据权利要求4所述的方法,其特征在于,扁平的所述传输线圈(2.6) 和扁平的所述接收线圈(2.7)具有蜿蜒的形式。

    6.  根据权利要求4或5所述的方法,其特征在于,所述金属外壳(1.1) 由所述印刷电路的电路板的至少一个金属涂层来代替,所述涂层被 设置在所述线圈的一侧上。

    7.  根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,提供所述线 圈设置体,而没有铁氧体磁芯。

    8.  根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,在稳定状态 下处于第一解调相位的解调信号的平均值与所述解调信号的第二解 调相位的平均值具有大致相同的大小,并且调节在这两个解调相位 之间的所述解调信号彼此可能存在的差异,其中,由此确定的调节 值被用作用于定位和/或识别金属类型的检测值。

    9.  根据权利要求8所述的方法,其特征在于,所述补偿调节包括第一 补偿调节和第二补偿调节,并且所述第一补偿调节在0°和180°的相 位位置处执行补偿,而第二补偿调节在90°和270°处执行补偿,其 中,所述补偿调节导致将在所述接收线圈(2.7)内的接收信号调节 为0。

    10.  根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,在传感器单 元存在金属外壳(1.1)或至少金属涂层时,执行对用于补偿调节的 控制值的第一确定,并且存储在没有另外的金属接近时产生变为零 信号的所述接收线圈(2.7)内的接收信号的在其内确定的所述控制 值,以用于屏蔽所述金属外壳(1.1)或所述金属涂层,并且在进一 步定位和/或识别金属或含金属物体和材料时,使用所述控制值,使 得在采用相同的调节算法使用进一步的补偿调节时,能够定位和/或 识别金属或含金属物体和材料。

    11.  一种用于定位和/或识别金属或含金属物体和材料的传感器单元,包 括传输线圈(2.6)和接收线圈(2.7)彼此层叠设置的线圈设置体 (1.2),其中,所述接收线圈生成接收线圈输出信号(2.25),
    包括在所述接收线圈(2.7)内的所述接收线圈输出信号(2.25) 的闭环补偿调节,以用于补偿在所述接收线圈的检测区域内发生的 并且影响所述接收线圈的变化,
    其中,将补偿电流(I2、I3)馈送到所述接收线圈(2.7、5.2) 的接收分支内并且相对于彼此进行调节,使得甚至在金属的影响下, 解调之后的所述接收线圈输出信号(2.25)或从所述接收线圈输出 信号(2.25)中检测到的平均值(2.29、2.30)相对于彼此持续地被 调节为0。

    12.  根据权利要求11所述的传感器单元,其特征在于,将所述补偿电流 (I2、I3)直接馈送到所述接收线圈(2.7、5.2)内。

    13.  根据权利要求11或12所述的传感器单元,其特征在于,所述传输 线圈(2.6)和所述接收线圈(2.7)被安装在印刷电路内。

    14.  根据权利要求11至13中任一项所述的传感器单元,其特征在于, 扁平的所述传输线圈(2.6)被安装在具有横向于所述线圈的面延伸 的扁平的所述接收线圈(2.7)的金属外壳(1.1)内,其中,电场形 成为横向远离所述线圈的所述面延伸的在源自所述外壳(1.1)的一 侧上延伸的所述检测区域(1.3)。

    15.  根据权利要求14所述的传感器单元,其特征在于,所述金属外壳 (1.1)由所述印刷电路的电路板的至少一个金属涂层来代替,所述 涂层被设置在所述线圈的一侧上。

    16.  根据权利要求11至15中任一项所述的传感器单元,其特征在于, 所述线圈设置体(1.2)没有铁氧体,并且仅在一侧上具有检测区域 (1.3)。

    17.  根据权利要求11至16中任一项所述的传感器单元,其特征在于, 所述传输线圈(2.6)和所述接收线圈(2.7)包括横向于线圈绕组的 外围方向来回延伸的蜿蜒的导体绕组以及基本相同的构造,其中, 所述传输线圈(2.6)和所述接收线圈(2.7)位于彼此的顶部上,以 便形成多个对称设置的重叠区域。

    18.  根据权利要求17所述的传感器单元,其特征在于,n个弯曲沿着所 述传输线圈(2.6)和所述接收线圈(2.7)的外围设置在相等的中心 角间隔内,并且所述线圈被设置为以彼此约360°/(n*2)的角度旋转。

    19.  根据权利要求11至18中任一项所述的传感器单元,其特征在于, 所述传感器单元包括同时传输和接收的检测线圈(5.2)和参考线圈 (5.3),其中,所述线圈优选被依次设置在杆状传感器元件(5.1) 内,优选在杆方向上。

    说明书

    说明书用于定位和/或检测金属或含金属物体和材料的方法及传感器单元
    相关专利申请的引用
    本申请要求于2012年10月2日提交的德国专利申请10 2012 019  329.7的优先权,该申请的公开内容据此明确地包含在本申请的主题内, 以作参考。
    技术领域
    本发明涉及一种根据权利要求1或11的前序部分的用于定位和/或识 别金属或含金属物体和材料的方法和传感器单元。
    背景技术
    根据形成权利要求1的前序部分的基础的WO 2012/104086 A1,已知 一种用于定位金属或含金属物体和材料的方法,其中,相对于彼此控制在 至少两个传输线圈内的电流,使得甚至在金属影响之下,由至少一个接收 线圈接收的接收线圈输出信号或从该接收线圈输出信号中生成的解调相 位的平均值相对于彼此连续地被控制为“0”。与此相关,通过至少0°的解 调以及通过90°偏移的解调,检测和调整控制值以作为值,使得甚至在其 他金属物体位于检测区域内时,待检测的物体也能够进行可靠检测。
    先前的后公布的德国专利申请DE 10 2012 001 202 A1描述了一种具 有线圈设置的传感器,其中,线圈的正圆形绕组以蜿蜒形式被配置,使得 两个传输线圈和一个接收线圈彼此配合,以便抵消所接收的信号。传输线 圈优选地设置在其内,分别设置在接收线圈之上和之下。这两个传输线圈 相对于接收线圈具有略微不同的旋转角,使得利用传输电流的分布,在接 收线圈内的信号可以被调节为0。因此,该线圈系统由至少两个(优选地, 三个)独立的线圈部分组成。通常,出于最佳可接触性的原因,线圈的绕 组在外边缘处开始,并且向内铺设成蜿蜒的形式。从此处开始,电流必须 再次到达外面,并且这可以利用具有蜿蜒的线圈的第二层来实现,在该蜿 蜒的线圈中,线圈电流再次从内部朝外穿过。这增大了结构高度。
    根据WO 2010/133501 A1,已知一种用于检测金属物体的电感式传感 器,该传感器具有传输线圈设置,该设置具有至少两个传输线圈和至少一 个接收线圈。利用评估和控制单元,传输线圈可利用传输电流激发,其中, 选择传输线圈的绕组感测和传输电流振幅的符号,使得这两个传输线圈在 接收线圈的位置处生成相同方向的磁场。在几何学上设置传输线圈和接收 线圈,使得这些线圈彼此重叠并且在接收线圈设置中感应出0或者几乎为 0的电势,即,磁场基本上彼此补偿。从这组平衡状态开始,然后,所感 应的电压受到物体的影响,产生检测信号。在传输侧上发生调节。
    根据DE 10 2004 047 189 A1,已知一种用于建筑材料的金属传感器, 包括彼此电感耦合的传输线圈和接收导体回路系统。导体回路系统由导体 结构形成在电路板上。由于未发生完全补偿,所以测量信号被数字化,并 且执行窄带数字过滤,以减小噪声带宽。
    根据DE 10 2010 043 078 A1,已知一种用作金属传感器的传感器装 置,该装置具有至少两个线圈以及一磁场传感器,其中,选择线圈和磁传 感器相对于彼此的设置,并且分别选择线圈绕组的数量或线圈的绕组感测 或者线圈电流,使得由线圈生成的磁场在磁场传感器的位置处几乎消失。
    根据DE 10 2005 002 238 A1,已知一种用于定位金属物体的传感器, 该传感器具有传输线圈以及与其电感耦合的接收导体回路系统。传输线圈 与中和(neutralising)变压器的初级侧串联连接。通过这种方式,生成可 能最小的偏置信号。
    为了检测铁磁性物质,根据DE 44 42 441 A1,已知一种使用平面技 术进行的小型化设置以用于检测磁导率。该设置包括生成磁通量的线圈、 通量传导结构以及通量检测元件。磁导率的变化由通量检测元件检测。通 过使用平面技术生产,可实现高度小型化,并且从而实现高级空间分辨率。
    根据DE 103 18 350 B3,已知一种电感式接近开关,该开关具有传输 线圈以及设置在其交变磁场内的接收线圈,其中,通过交变磁场施加于接 收线圈内的磁通量在接近开关的开关位置或剩余位置内接近0。线圈被设 置为彼此相邻并且偏置,使得场线相互渗透该线圈。一个线圈为环形,另 一个为圆形,其中,圆形线圈与环形线圈重叠。利用该实施方式,在最大 可能的程度上,感测间距相对于线圈支撑主体的温度变化和机械影响并不 重要。
    根据DE 39 12 840 A1,已知一种用于电感式检测装置的检测器线圈 设置。通过使用检测器线圈的印刷电路并且通过在共同的支撑层上安装具 有彼此相邻的导体轨迹的导体带的形式的绕组的方式,确保制造并且容易 生产检测器线圈设置。
    根据DE 34 39 369 C2,已知一种用于在金属熔体流内检测伴随性熔 渣的方法,其中,传输线圈和接收线圈被嵌入陶瓷材料内。将包含多个频 率的电流施加于传输线圈中,该电流在接收线圈内感应出通过频率选择的 方式估计的电势。利用导电性分布的图案来确定熔渣的含量,其中,进行 熔体以及测量传感器的变化温度的连续或部分连续测量。
    众所周知并且广泛地使用电感式接近传感器。典型的设计与一段管相 似,这段管与根据图5的传感器部件5.1相似。这些传感器通常使用铁氧 体磁芯来聚集传感器线圈的场线。通常,在通常由金属制成的壁部内,通 过孔进行这种类型的传感器的安装。为此,相应的空间也必须可以使用。 虽然没有铁氧体磁芯的传感器可以实现很大范围,但是(例如,源自周围 外壳)的贴近存在的金属使这些传感器盲目地进行进一步检测。
    可以在表面上拧入用于检测金属接近的长方体形传感器。通常,与此 同时,铁氧体磁芯用于聚集场线并且限定检测方向。因此,这些传感器相 对较厚。
    发明内容
    由此继续,本发明的一个目标在于,提供一种用于定位和/或识别金 属或含金属物体和材料的方法和传感器单元,其中,使用具有未调节的传 输电流的线圈,其中,在接收侧上连续获得零输出信号。
    利用包括权利要求1的特征的方法以及利用包括权利要求11的特征 的传感器单元来实现这个目标。
    该方法和传感器单元可以通过传输线圈和接收线圈进行操作,其中, 将补偿电流馈送到接收分支内,优选直接馈送到接收线圈内,并且相对于 彼此调节,使得甚至在金属的影响下,从接收线圈中接收的接收线圈输出 信号连续地被调节为0。所述一个传输线圈和所述一个接收线圈彼此层叠 设置,优选设置在印刷电路内。利用该过程并且通过使用仅两个线圈,实 现电感式传感器部件,该部件非常紧凑并且尤其可以配置为具有非常扁平 的构造,因此,为在一侧上具有检测区域的传感器设置的紧凑构造提供结 构条件。因此,连续调节接收线圈的检测区域的所有变化,使得虽然连续 并且动态地检测变化和差异,但是原则上,立即补偿在接收线圈内发生的 变化。操作所述一个传输线圈和所述一个接收线圈,使得仍然能够进行差 分补偿调节。
    因此,例如,此外但不排他地,可以提供无铁氧体电感式传感器,这 种传感器具有非常小的结构高度并且仅在一侧上形成检测区域,这也可以 用于与金属环境直接接触。而且,该方法允许对待检测金属的精确分析。 这不仅涉及该金属是铁还是非铁的,而且(例如)涉及铝的类型的分类。 通过这种方法以及这种类型的传感器单元,还能够控制焊缝。
    优选地,传输线圈和接收线圈可以安装在印刷电路板上,其中,电路 板具有设置在线圈的一侧上的至少一个金属涂层,代替金属外壳。为了在 传感器外壳内容纳该传感器设置所需的电子设备,可以利用略微更大厚度 的传感器,虽然该厚度依然远远小于在现有技术中生产的传感器的厚度。 由于优选地,在所描述的本发明内不使用任何铁氧体,并且因此,例如接 近焊接机器人所发生的电场对检测性能不施加任何影响,所以进一步的优 点是“焊接试验性”。通过这种方式,可以构造一种具有平板形式的电感 式无铁氧体传感器,该平板具有例如仅1.3mm的厚度以及很大范围。在 本文中,仅在一个方向上形成检测器场。这表示该传感器可以安装在非金 属支撑材料上以及由金属制成的支撑材料上,而该支撑材料对传感器的结 果没有影响。
    优选地,并行执行两个补偿调节处理,其中,第一补偿调节在0°和 180°的相位位置处执行补偿,而第二补偿调节在90°和270°处执行补偿, 其中,所述补偿调节处理导致将在接收线圈内的接收信号调节为0。同时 在评估单元内评估为此所需要的控制值。虽然这些控制值然后可以用于定 位物体和/或分析它们的金属类型,但是这些控制值首先可以用于抵消传感 器单元的金属环境的影响。
    尤其地,如果传输线圈和接收线圈包括横向(transversely,垂直)于 线圈绕组的外围方向来回延伸的蜿蜒的导体绕组以及基本上相同的构造, 那么产生扁平构造的传感器单元,其中,传输线圈和接收线圈彼此相邻或 者位于彼此的顶部上,使得形成多个对称设置的重叠区域。在这种情况下, 沿着传输线圈和接收线圈的外围,以相等的中心角间隔,优选具有n个弯 曲,并且所述线圈被设置为以彼此接近360°/(n*2)的角度旋转。
    传感器单元可以具有杆的形式,例如,以用于检查焊缝。该传感器单 元包括同时传输和接收的检测线圈和参考线圈,这些线圈依次位于传感器 元件内。
    在进一步的子权利要求以及示例性实施方式的以下描述中,公开了进 一步优点。
    附图说明
    现将参照在附图中示出的示例性实施方式,更加详细地描述本发明, 其中:
    图1a以三维表示示出了在金属外壳中的传感器;
    图1b示出了根据图1的传感器的传感器线圈的示意性平面图;
    图2示出了根据图1a、图1b的传感器的电路设置;
    图3示出了在进一步的示例性实施方式中的根据图1a、图1b的传感 器的电路设置;
    图4以剖视图示出了根据图1a的传感器;
    图5示出了杆状传感器系统;
    图6示出了到接收线圈的线圈终端内的电流馈电的符号表示;
    图7示出了传输电流和电流馈电以及根据图6的输出信号的电流特 征。
    具体实施方式
    现将参照附图,更详细地描述本发明。然而,示例性实施方式仅表示 并非旨在将发明概念限于特定的设置的实例。在详细描述本发明之前,应 注意的是,本发明不限于该装置的各种元件和各种方法步骤,因为所述元 件和方法可以变化。在此处使用的表达式仅旨在描述特定的实施方式,而 非限制性地使用。而且,如果在权利要求的描述中使用单数或不定冠词, 那么如果总体环境没有另外明确表示,则这还涉及多个这种部件。
    示图示出了用于具有上述优点的扁平传感器的线圈设置以及相关电 路的示例性实施方式。图1a以透视图示出了具有金属外壳1.1的这种类型 的传感器。在具有边缘长度50×50mm的(例如)由铝制成的金属板中, 安装特殊的线圈设置1.2,使得例如0.3mm的金属厚度依然保持在线圈设 置的底面上,如在图4的截面中所示。通过下面将考虑的这个线圈设置, 沿着中心轴1.4,尤其仅在一个方向上,因此在图1a中向上形成用符号表 示的检测区域1.3。向下并且向侧边,传感器对金属的存在完全不灵敏。
    金属外壳1.1具有凹槽,线圈设置1.2被设置在凹槽内。该线圈设置 由双层到n层印刷线圈构成,通过使用双层构造的传统生产技术,该线圈 可以(例如)具有0.3mm的厚度。有利地,(例如)具有厚度0.6mm的 非金属间隔部件4.4设置在线圈设置1.2与金属外壳1.1之间。如果将0.1 mm加入传感器表面以用于?;げ?,那么产生总厚度D为1.3mm的传感 器。
    在进一步的示例性实施方式中,没有金属外壳,也可以构造线圈设置, 然而,该线圈设置可以被配置为仅用于单侧场形成。为此,在印刷电路板 上应用一个或两个进一步的铜层,而非金属间隔部件4.4。这表示排他地 在一侧上形成的具有敏感性区域的整个传感器部件可以由(例如)厚度为 1mm的印刷电路板构成。
    为了在传感器外壳内容纳这个传感器设置所需的电子设备,可以利用 略微更大厚度的传感器,虽然该厚度依然远远小于在现有技术中产生的传 感器的厚度。由于优选地,在所描述的本发明内没有使用任何铁氧体,并 且因此,(例如)接近焊接机器人的所发生的磁场在检测性能上不施加任 何影响,所以进一步的优点是“焊接试验(weld-proofness)”。
    在示例性实施方式中,使用来自先前的后公布的德国专利申请DE 10  2012 001 202 A1中已知的线圈设置。通过该线圈设置,线圈的正圆形的绕 组被配置成蜿蜒的形式,使得两个传输线圈和一个接收线圈彼此配合,以 便抵消所接收的信号。传输线圈优选地分别设置在接收线圈之上和之下。 传输线圈相对于接收线圈具有略微不同的旋转角,使得通过传输电流的分 布且将该电流的振幅调节为相反,可以使在接收线圈内的信号达到0,并 且在接收器内生成零信号。从在金属影响下改变的控制值中获得测量值。
    因此,这个线圈系统由至少三个独立的线圈部分构成。通常,由于最 佳可接触性的原因,线圈的绕组在外边缘处开始,并且向内铺设成蜿蜒的 形式。从此处开始,电流再次朝外流过具有蜿蜒的线圈的第二层。假设电 缆从内部铺设到线圈的外面不可取,则仅维持为了这种连接而在印刷线圈 内具有其他平面的可能性。因此,每个线圈具有两个平面,即,总共6个 平面。使用一般生产技术,这与约1.5mm的板厚对应。如果在其中增加 厚度为0.6mm的间隔部件,那么这仅为线圈设置造成2.1mm或更大的总 厚度。在本文中还未包括与线圈系统具有必要的间距的金属外壳的材料厚 度。
    根据本发明,使用仅两个蜿蜒的线圈。使用仅一个蜿蜒的传输线圈, 未调节该传输线圈的电流。相对于所述一个传输线圈具有相应的旋转角的 单个蜿蜒的接收线圈本身将不会生成零输出信号。在没有任何金属影响的 情况下,给定两个线圈相对于彼此的最佳旋转角,接收线圈的输出信号实 际上是零,但是不在金属的影响之下。
    在先前的后公布的德国专利申请DE 10 2012 001 202 A1中,发现对 此的确切解释,也使该申请的内容成为本申请的主题。下面参照图1a、图 1b描述必要内容。
    图1b示出了用于这种类型的线圈设置的传输线圈2.6和接收线圈 2.7。在每种情况下,用虚线示出传输线圈2.6,以便与接收线圈2.7区分 开?;旧?,横向于导体的纵向(即,来回地)延伸的导体部分被弯曲到 传输线圈2.6和接收线圈2.7的绕组内。弯曲的数量n为任意数,并且由 所使用的线圈配置决定。该数量越大,线圈就越表现为旋转地对称。实际 上,通过实例,如图1b中所示,在印刷线圈的环形外围上的从6到10个 弯曲的数量被证明总体上足够。以下描述基于具有6个回路部分的线圈。
    接收线圈2.7可以被配置为与传输线圈2.6基本上相同。接收线圈通 过“约”30度的偏移,精确地一致安装在传输线圈上(或下)。通过这种 方式,接收线圈“接收”不同方向的相同数量的场线,使得传输线圈在接 收线圈上不施加任何电感效应。在这个线圈系统前面的金属物体由传输线 圈2.6激发,同时大量一致的中心接收线圈区域接收未受到金属物体的干 扰的传输场。在接收线圈2.7的朝内开口的弯曲内,出现由在传输线圈2.6 内流动的电流造成的反向场的场线,然而在接收线圈的内部,形成具有与 传输线圈的场线相同的感测的场,所述场支持传输线圈的功能,且从而支 持传输线圈的范围。
    如果传输线圈2.6相对于接收线圈2.7旋转,并且如果为在传输线圈 5.1内的传输电流计时,那么在接收线圈内引起的电势被改变。在0度开 始,仅检测在传输线圈2.6的内部区域内出现的场线。通过30度旋转,另 外检测反向外场线,同时在内部区域内的场线的检测相应地减少。在到达 在传输和接收线圈之间的30°移动之前,精确通过30°或者甚至通过小角 度区域,在接收线圈2.7内抵消传输信号(即,“0”值结果)时,发生线 圈的最佳设置。小角度区域可以位于(例如)0.2度的区域内。因此,在 这个位置中,在接收线圈中完全抵消传输线圈2.6的磁场。
    由于传输线圈2.6和接收线圈2.7相互作用,所以在接收线圈内出现 由传输线圈传输的场的最佳消除的局部点。在这种情况下,设置线圈以便 通过应用相同的电流,传输线圈部分对至少一个接收线圈产生影响,其中, 在接收线圈内出现发射场的最佳消除的局部点。最佳消除的这个局部点受 到根据后公布的专利申请DE 10 2012 001 202 A1的金属接近的影响。
    在如上所述的金属外壳内的非常扁平的传感器设置的设置中(或者通 过印刷电路板的铜表面),存在金属影响。在这种情况下,通过这两个线 圈的旋转角的变化,甚至不能到达任何零信号。因此,部分使用在WO  2012/104086 A1中描述的方法,也使该申请的内容成为本发明的主题?;?本上,两个传输线圈的线圈电流相对于彼此被调节,使得在接收线圈内不 出现任何输出信号。为此,传输信号的相位被分成两个部分区域,这两个 部分区域的振幅彼此单独被调节。
    在本文描述的本发明中,与在WO 2012/104086 A1中一样,使用用 于产生零信号的基本上相同的调节算法,但是与WO 2012/104086 A1的不 同之处在于,调节传输线圈的电流,在本文中,通过不同的方式实现接收 线圈的零输出信号。
    以下考虑是其起始点:
    传输线圈的交变磁场在金属物体内生成涡流,并且这些涡流反过来生 成由接收线圈接收的磁场。在根据图1a、图1b、图4描述的传感器设置 中,印刷线圈的金属环境(外壳1.1)相应地产生大涡流以及由其引起的 二次磁场。这反过来在接收线圈2.7中生成相对较强的电流,可以相应地 估计这些电流。
    为获得尽可能为正弦的输出信号,根据图2,通过与接收线圈2.7并 联的谐振电容器2.8形成谐振是有用的。在这种情况下,即使这些电流没 有正弦图案,相反的电流也可以容易地补偿通过二次磁场引起的电流。调 节相反电流的振幅,使得接收线圈2.7或下游的前置放大器2.15不提供任 何时钟同步输出信号2.25。
    根据图6,在存在金属时,在接收线圈2.7内出现传输时钟同步电流 信号I1。其目标在于,使这个接收信号完全地并且持续地成为“0”。为此, 将彼此可单独地调节的两个电流I2和I3馈送给接收线圈2.7。图6用符号 示出了这个步骤。为了简化,仅考虑到第一上部线圈终端的电流馈电,并 且发生进入第二线圈连接内的馈电,恰与用于第一线圈连接的馈电一样, 但是具有相反电流。在一个电路变体中,虽然这产生了传感器的减小的动 态范围,但是还可以省略到第二线圈终端内的馈送。
    在金属接近时,接收线圈2.7将电流信号提供给前置放大器2.15,该 前置放大器2.15依赖于该电流信号在这种金属上的振幅和相位。在未调节 的状态下,即,未将补偿电流I2和I3调节成其目标值,因此,在前置放大 器的输出处,存在时钟同步输出信号2.25。利用在图2中所示的同步解调 器2.16和2.17,从输出信号2.25中获得振幅和相位信息(见下文)。采用 这种信息,通过补偿电流I2不断地调节第一时钟电流源6.1,并且通过补 偿电流I3不断地调节第二时钟电流源6.2,使得出现连续的零输出信号 2.25。这表示在输出信号2.25内没有任何时钟同步部分。这两个电流源6.1、 6.2的时钟序列被偏移90°,并且这两个电流源可以为正电流或负电流提供 任何期望值。从I2和I3的这两个调节变量中,提取关于金属类型的信息。
    图7略微更详细地示出了这一处理:为传输线圈2.6提供电流Is。该 电流Is的相位不相关,并且必须相对于补偿电流I2和I3的相位仅具有固定 的相位值。然而,补偿电流I2和I3具有彼此90°的固定相位偏移。确切地 说,关于同步解调器2.16和2.17的相位位置,这同样适用。这些同步解 调器必须仅具有90°的固定相移,并且如果恒定的话,那么相对于传输时 钟信号的绝对相位位置是不重要的。使得用于转换开关2.2、2.3、2.5、2.11、 2.12、2.33、2.34的切换时间的控制信号A、B、C、D的相位位置2.20在 图2和图3中的右下角基本上清晰。
    在没有补偿电流I2和I3的情况下,例如随后在接收线圈2.7处将出现 电流I1。相位和振幅取决于线圈系统2.6和2.7的金属环境。通过采用高 增益比较器2.15的上述同步解调,估计电流I1。因此,可以相应地调节补 偿电流I2和I3的振幅。增加的补偿电流I2+I3再次被加入在接收线圈2.7的 上部线圈终端处的电流中。通过改变补偿电流I2和I3,可以生成共同电流 I2+I3,该共同电流通过以下方式补偿接收线圈2.7的电流:在前置放大器 2.15的输出处,存在没有时钟同步部分的输出信号2.25,即“0”信号。
    由于补偿电流与相对较高的电阻(几千欧姆)耦合到由接收线圈2.7 和谐振电容器2.8构成的振荡器电路内,所以补偿电流的高频率谱部分(在 示例性实施方式中,这些部分是方波电流)不干扰。优选地,在这个振荡 器电路中形成正弦信号。
    在本文中描述的示例性实施方式中,使用方波传输和补偿电流。自然 地,这种方法还可以供正弦电流使用。
    如果通过这种方法,已将接收线圈2.7的接收电流补偿为“0”,那么 补偿电流I2和I3采用特定的正值或负值。在所描述的示例性实施方式中, 这些值表示线圈系统的金属环境,例如,金属外壳1.1。
    如果(例如)通过AD转换器2.22、2.23和微处理器2.27存储这些 值,那么从这些值的进一步变化中,可以推断出金属接近。
    此外,为了分析接近的金属,可以使用其他补偿电流的进一步的基本 上相似的调节2.31。第一先前描述的调节将接收线圈2.7的接收电流调节 为“0”,即,调节金属外壳1.1的影响。在下一步骤中,例如,通过AD 转换器2.22、2.23和微处理器2.27存储补偿电流I2和I3的确定值。然后, 进一步调节可以将金属的接近补偿为“0”,其中,从所获得的控制值中, 可以得出关于金属类型的结论。如果测量系统的动态范围不是很重要,那 么接收电流的单侧补偿是足够的。
    而且,如果仅将调节了振幅以及相位的单电流提供给接收线圈2.7, 那么可以实现“0”信号。在本文中,仅第一和第二补偿电流由剩余的补 偿电流的可变相移代替。由于根据经验,这实际上可以通过略微更大的努 力来实现(由于高分辨率所需要的小相位步骤),所以在此处执行更详细 的描述。
    参照电路,基于以下示例性实施方式,更详细地描述精确的调节过程。
    根据图2的第一示例性实施方式示出了上述非常扁平的传感器配置 的电路设置。在该电路中,提供了4个独立的调节电路。由于基本功能, 所以还可以使用仅2个调节电路,并且在描述结束时,描述了两个其他调 节电路的有利使用。首先通过其两个调节电路描述的调节在图2中被标记 为2.32,并且用于抵消外壳1.1的影响。
    传输线圈2.6从转换开关2.3中接收方波电流Is,以用于时钟电流反 转。时钟信号由多个或大量时钟周期构成,根据图2的底部,这些时钟周 期本身分别包括开启时间部分A、D或B、C。自然地,正弦信号还可以 用作传输信号。
    在根据图1b的设置中,在其相对于传输线圈2.6的旋转角中设置接 收线圈2.7,使得在接收线圈2.7中尽可能消除由传输线圈2.6发射的信号。 如上所述,由于金属外壳1.1的影响,所以这不能完全发生。因此,接收 线圈2.7生成时钟同步电流,在作为输出信号2.25的前置放大器2.15的输 出处存在该电流。将该输出信号2.25馈送给同步解调器2.16和2.17。这 两个同步解调器由分别位移90°的时钟信号控制。这表示(例如,如在图 6中用符号所示)(例如)同步解调器2.16将输出信号2.25馈送到进入高 增益比较器2.18的一个输入的时钟周期的部分0-180°内,然而,将在 180-360°部分内的输出信号2.25馈送给另一输入。
    比较器2.18被配置为集成比较器,使得比较来自部分0-180°和 180°-360°的平均值。高增益表示无论平均值的每个偏差多小,都造成输出 电压明显变化。
    比较器2.18的输出电压被一路直接馈送,并且一路通过电压反转器 2.13馈送给转换开关2.11,以用于时钟电流反转。因此,在转换开关2.11 的输出处,存在极性相反并且取决于比较器2.18的输出电压的调节电压 2.29的两个同步时钟信号,所述信号通过电阻器2.9将补偿电流I2或I3馈 送到接收线圈2.7内。紧接着,完成用于时钟部分0°-180°和180°-360°的 补偿电流的调节。在这些时钟部分内的调节的补偿电流具有以下效果:在 时钟部分0-180°内以及在时钟部分180°-360°内的接收线圈2.7的接收信号 的平均值始终具有完全相同的大小。
    自然地,在时钟部分90°-270°和270°-450°(450°=360°+90°)内, 可以存在另外的时钟同步信号部分。为了也构成这个“0”,输出信号2.25 通过进一步的同步解调器2.17被解调成时钟部分90°-270°和270°-450°, 并且在进一步的高增益比较器2.19内,使与该时钟部分相关联的解调信号 彼此比较。与上述电路一样,输出值(调节电压2.30)一路直接馈送,并 且一路通过电压反转器2.14馈送给转换开关2.12,且被转换成另外的时钟 同步补偿电流,并且被馈送给接收线圈2.7。因此,连续地使接收线圈2.7 的全部接收信号成为“0”。
    关于在接收信号的未调节状态中在接收信号的相位和振幅内存在的 金属影响的信息被转换成第一调节电压2.29和第二调节电压2.30。在示例 性实施方式中,通过A/D转换器2.22和2.23将这两个调节电压馈送给微 控制器2.27,以用于进一步评估。
    这两个调节电压2.29和2.30表示金属外壳1.1的值。这两个电压在 效果上表示在这种情况下可以去除的固定偏移值。金属接近改变了这两个 值,并且因此,可以清晰地检测到该金属接近。在最简单的情况下,为了 这个目的,在没有任何进一步的金属接近的状态中,存储这两个潜在的值。 测量值与存储值的变化可以不仅带来关于金属接近的信息,而且从这两个 值2.29和2.30的变化的评估中,可以得出关于金属类型的结论。为此, 使用在WO 2012/104086 A1中更详细描述的方法。
    实际上,因此,可以清晰地并且明白地区分不同的铝类型、钢类型、 金合金的克拉数或者(例如)焊缝的质量。WO 2012/104086 A1从没有金 属外壳的线圈系统开始。在这种情况下,由于不需要任何补偿电流,所以 第一调节电压2.29和第二调节电压2.19会在其调节范围的中间采用近似 相等的值。这个情况与紧邻线圈系统的金属外壳1.1不同。由金属的存在 造成的“偏移”现在可以导致调节电压偏离平均值如此远,以致于该调节 电压极限不再遥远。
    实例:没有任何金属影响(即,没有外壳)的调节电压平均值是例如 2伏特,给定系统的电源电压为4伏特。在这种情况下,2伏特表示不将 任何补偿电流馈送到接收线圈2.7内。然而,采用金属外壳,会产生(例 如)3.5伏特的调节电压,即,将相对“强大的”补偿电流馈送到接收线 圈2.7内,以实现“0”信号。现在,进一步的金属接近可以造成比较器 2.18或2.19的“过驱动(overdriving)”。自然地,在这种情况下,虽然由 于A/D转换器的限制的步长,这可造成分辨率可能降低,但是电阻器2.9 的电阻值的减小可以与此抵消。为了在示例性实施方式中防止此情况,提 供了第二补偿电流调节2.31,该调节基本上与补偿电流调节2.32一样被配 置。
    一旦传感器单元投入运行,补偿电流调节2.31就调节例如金属外壳 1.1的外壳影响。为此,在评估单元2.26内通过A/D转换器2.22和2.23 检测由同步解调器2.16和2.17获得的值,并且在微处理器2.27内比较这 些值与一固定值,例如,电压值“Ref”。不言而喻,在此时,不应存在任 何其他金属。
    通过D/A转换器2.21、2.24,在相位0°-180°和90°-270°中的调节2.31 的补偿电流的振幅被改变,直到调节电压2.29和2.30采用无补偿电流通 过电阻器2.9流动的值。在示例性实施方式中,这与调节电压2.29和2.30 达到电压值“Ref”的状态对应。在完成调节补偿电流值并且从而引起“0” 输出信号2.25之后,在微处理器2.27内记录(即,存储)D/A转换器2.21 和2.24的值,并且从现在开始,通过电阻器2.10将该存储值作为固定的 补偿电流值馈送给接收线圈2.7。而且,在该补偿调节中,为转换开关2.2、 2.5提供电压反转器2.1、2.4。调节2.31因此执行金属外壳的“屏蔽”。一 旦通过这种方式确定,在接近传感器的金属物体的进一步测量或分析期 间,控制值就基本上不再改变。
    金属接近传感器单元会引起调节电压2.29和2.30变化。然而,在该 事件中,从调节电压范围的中间开始改变。这表示传感器单元的整个动态 范围可用于金属分析。由于根据金属类型,调节电压可能在任一个方向上 从中间开始移动,所以这是有用的。同时,由于电阻器2.9可以配置有比 电阻2.10更高的电阻值,所以灵敏度可以增大。因此,仅在窄范围内允许 补偿电流,这反过来造成采用相对较远的金属物体的调节电压2.29和2.30 的大幅变化。在金属接近时调节电压的变化通过A/D转换器2.22和2.23 传递给评估单元2.26的微处理器2.27,该评估单元相应地评估该变化,并 且将输出数据2.28馈送给例如显示器。在WO 2012/104086A1中已更详 细地描述了用于分析所检测的金属物体或者去除所选择的物体的评估。
    在图3中示出了上面描述的电路的另一示例性实施方式。在这种情况 下,未使用任何蜿蜒的线圈,而是如图5中所示,使用在杆状传感器系统 中的简单缠绕的或印刷的线圈。然而,这并不表示不能使用不同形状的线 圈。通过例如直径为3mm的这种类型的杆状传感器元件5.1,可以例如 容易地进行对难以到达焊缝的金属结构的分析。通过这种小直径,难以实 现蜿蜒的线圈。因此,在图5的示例性实施方式中,容易生产的简单线圈 被用作在传感器元件5.1的外壳内的检测线圈5.2。一种类似的线圈优选地 作为参考线圈5.3位于相同的外壳5.1内。虽然这并非必不可少,但是线 圈还可以自然地装有铁氧体磁芯或铁氧体罐式磁芯。
    图3示出了线圈5.2和5.3与电子设备的简单连接。用于时钟电流反 转的转换开关2.3将方波输出电压提供给其两个输出中的一个,然而另一 个输出提供相同的时钟信号,但是反转的。线圈连接至这两个输出中的每 个,所述线圈的其他端部连接在一起。谐振电容器3.1作用在这两个线圈 上。在无任何金属接近这两个线圈5.2或5.3中的一个的情况下,在谐振 电容器3.1上不形成任何电压。来自转换开关2.3的电压或电流均被反转, 使得虽然抵消了在线圈的连接端部处(即,在谐振电容器3.1处)的电压, 但是在线圈中的电流方向通过时钟的方式改变。这两个线圈中的一个被配 置为检测线圈5.2,其中,该线圈安装在杆状传感器元件5.1的前面。另一 相同的线圈被设置为与其相距一定的距离的参考线圈5.3。这两个线圈同 时传输和接收,即,采用相同的线圈同时发生传输和接收。
    如果金属接近检测线圈5.2,那么由于磁场,在该金属内形成涡流, 所述涡流反过来影响“传输”检测线圈5.2并且在此处感应出电流。在示 例性实施方式中,转换开关2.3切换具有低电阻的线圈中的电压,其中, 例如开关通过时钟同步的方式将其输出交替地切换到地和电源电压。因 此,此处不能形成任何额外的电压。然而,由于低电阻连接,来自逆动 (retroacting)磁场的电流可以几乎畅通无阻地流动,所以该电流在谐振 电容器3.1处形成时钟同步信号电压。
    通过先前描述的补偿电流调节2.32,该信号电压现在可以被调节为 “0”,并且与为第一示例性实施方式所描述的一样,可以评估调节电压 2.29、2.30的值。
    自然地,如果需要的话,可以相应地调节来自转换开关2.3的电流, 其中,例如补偿电流不作用在共同的谐振电容器3.1上,而是单独地作用 在连接至图3中的转换开关的线圈的侧边上。在WO 2012/104086A1中, 已基本上描述了这种电流调节。
    不言而喻,本描述可以进行属于所附权利要求的等效域内的最广泛的 修改、变化以及改写。
    附图标记
    1.1  外壳
    1.2  线圈设置
    1.3  检测区域
    1.4  中心轴
    2.1、2.4  电压反转器
    2.2、2.3、2.5、2.11、
    2.12、2.33、2.34  时钟同步电流反转的转换开关
    2.6  具有传输电流Is的传输线圈
    2.7  接收线圈
    2.8  谐振电容器
    2.9、2.10   馈送电流的电阻器
    2.13、2.14  电压反转器
    2.15  前置放大器
    2.16、2.17  同步解调器
    2.18、2.19  高增益比较器
    2.20控制信号A、B、C、D 的相位位置
    2.21、2.24  数模转换器
    2.22、2.23  模数转换器
    2.25  前置放大器2.15的输出信号
    2.26  评估单元
    2.27  微处理器(μΡ)
    2.28  μΡ的输出数据
    2.29  第一调节电压
    2.30  第二调节电压
    2.31  第一补偿电流调节
    2.32  第二补偿电流调节
    3.1   第一传输/接收线圈
    3.2   第二传输/接收线圈
    4.4   间隔元件
    4.5   D=传感器元件1.1的厚度
    5.1  杆状传感器元件
    5.2  杆状传感器元件的检测线圈
    5.3  杆状传感器元件的参考线圈
    6.1、6.2  时钟电流源
    I1  接收线圈的电流
    I2  第一补偿电流
    I3  第二补偿电流
    Is  传输电流

    关于本文
    本文标题:用于定位和/或检测金属或含金属物体和材料的方法及传感器单元.pdf
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