专利名称：定位金属物体的装置以及调整这样一种装置的方法
技术领域：
本发明涉及一种按照权利要求1前序部分所述的用于定位金属物体的装置以及一种用于调整这样一种装置的方法。
背景技术：
目前用于定位在建筑物材料中藏匿的金属物体的探测器通常是以感应方法工作的。在这种情况中是利用无论是导电的还是铁磁的材料都影响在周围设置的电磁线圈的特性。由金属物体所引起的感应特性的变化被这样一种探测器的接收线路记录下来。这样，例如包围在墙壁中的金属物体可以借助一个或者多个在墙壁上移过的线圈进行定位。
探测金属物体的技术困难在于待定位物体对探测装置的线圈的反作用的量很小。这点尤其是对非铁磁物体，例如技术上很重要的铜的影响就是如此。这导致线圈彼此间的感应作用明显地大于通过所包围的物体在接收线圈中所产生的感应。
因此以感应方法为基础的探测器通常具有很高的偏差(Offset)，也就是在探测器的接收线圈上可截取的高的信号。这个信号没有外部金属物体影响地被探测器的接收线路测量到。这么高的偏差使得探测通过在探测器附近的金属物体所引起的小的感应变化困难起来。由现有技术已公开用于感应传感器或者探测器的传感器装置。这些装置使得平衡通过线圈本身感应的信号成为可能。
此外必须在一个很大的偏差信号上探测出感应的非常微小的变化是以使用小公差和因此昂贵的结构元件为前提的。此外还要求使用噪音非常低的模拟电子设备。这明显提高这种定位器的成本。不遵守安装公差或者制造公差以及单个组件彼此间的偏差必然导致这样一种装置的测量结果的失真。
为了对付这个偏差问题，在现有技术中公开了不同的方案。它们的共同目的是减小在没有金属物体时的传感器信号，并且因此扩大相对的信号变化。
在这种情况中人们常常选择一种多级方案，其中，例如在第一步骤中使用一种传感器线圈装置，这种装置能够在理想状态下完全消除或者补偿信号偏差。然而在实践中可达到的补偿质量却常常与例如制造公差有关，这样，完全消除信号偏差常常要求采用另一种方法，以便在某种程度上进行精确的补偿。
已公开的用于为在补偿装置中的感应传感器补偿制造或者安装公差的方法主要建立在此基础上，即在探测器系统中感应的误差电压通过下述措施予以补偿，即或者励磁场的几何形状通过一种调整过程纠正，或者产生一个纠正电压信号。在这方面EP 1092989提供了上述第一补偿方法的一种实例。US 5,729,143提供了第二补偿方法的一种实例。
US 5,729,143公开了一种探测器，它的目的是尽可能完全抑制测量信号的前述偏差。为此目的US 5,729,143的探测器具有一个带有发射器的发射线圈，以及一个带有接收器的接收线圈。探测器的发射线圈和接收线圈以下述方式彼此感应耦合，即它们部分地彼此重叠。发射线圈由发射器提供交流电。这个电流流过的发射线圈通过它们和接收线圈的感应耦合在其中在两个线圈的重叠表面中激励起一个第一部分通量，并且在接收线圈的剩余的表面中激励起一个第二部分通量。可以如此地选择发射线圈和接收线圈的中心之间的距离，使得具有相反符号的这两个部分通量彼此平衡。若情况是这样，并且若在线圈装置的附近没有外部的金属物体时，则电流通过的发射线圈在接收线圈中不感应出电流，这样，在这种理想情况中接收器也测量不到偏差信号。只有当线圈装置移动到金属物体的附近时该线圈装置才受到发射线圈产生的场力线的干扰，这样在此时在接收线圈中激励起一种不消失的通量，该通量在接收线圈中产生测量信号，该测量信号不受偏差信号的影响，并且可由接收器分析。
在这种情况中发射线圈和接收线圈的中心的相对距离是一个极为关键的参数，这样，理想状态设想的在接收线圈中没有感应电压的情况在实践中只能以很大的花费才能实现。事实表明在批量生产的实际中不能实现对通量分量的足够平衡。
由于这个原因US 5,729,143提出了一种电子电路。它事后通过电子途径实现补偿，因此实际上也是使用传感器。在US 5,729,143中描述的方法是单频率工作的。在激励侧生成一定频率f的交变磁场，并且用合适的模拟的和数字的滤波器在频率选择方面也是以这种频率f对在探测器线圈中感应的电压分量进行分析。通过磁误差补偿由探测器和激励器系统在探测器线圈中感应的频率为f的电压U(f)具有与温度有关的振幅和相位。此外，该振幅和相位还要经受附加的同型元件的参数差异。现在US 5,729,143的方法是以此为依据的，即类似于在探测器线圈中感应的电压加进一种纠正电压。在工作频率f时它的振幅和相位正好补偿误差电压U(f)。为此，在该频率f时微处理机生成在相位和振幅上受到控制的数字纠正信号。在这种情况中用于补偿所要求的振幅和相位与相移有关，这些相移是由在激励器分支和探测器分支中的线路的结构元件引起的。因此其中所要求的纠正信号也要经受温度偏差。为了在工作温度发生变化时也能对误差电压U(f)进行补偿，微处理机必须对纠正信号的相位和振幅在温度方面进行跟踪。为此通常要求由用户进行再校准。
EP 1092989 A1公开了用于补偿磁误差补偿的一种替代方法。在这种方法中，为了探测在线圈中感应的电压不是加进纠正电压，而是以纠正磁场工作。为此磁场激励系统不仅由初级激励线圈构成，而且还附加地添加平衡线圈(Trimm-Windung)和所谓的纠正线圈。在这种情况中平衡线圈和纠正线圈之间的区别是纠正线圈和初级激励线圈串联，因此总是用相同的电流流过，而提供给所谓的平衡线圈的电流只能是在纠正和激励线圈中流过的电流的一个可调节的一小部分。按照这种方式实现在传感器周围没有金属物体时在探测器线圈中不产生感应电压。在这种情况中EP 1092989 A1的方法很少与发射和接收线路中的结构元件公差和偏差有关。此外，测量并不限制在所选择的工作频率上，因为补偿在很大程度上与所使用的频率无关。然而与之相比EP1092989 A1的传感器的结构要复杂得多。US 5,729,143的传感器为发射和接收回路仅分别用一个线圈就足够了，而EP 1022989 A1的结构在激励线路中需要十个线圈以及四个用于探测器线路的线圈。
DE 101 22 741 A1公开一种用于定位金属物体的探测器。该探测器具有一个接收线圈和一个第一发射线圈，它们彼此感应耦合。为了在探测器中产生尽可能小的偏差信号设置了一个第二发射线圈，该第二发射线圈也和接收线圈感应耦合。接收线圈和这两个发射线圈同心地设置在一个共同的轴线上，其中，这两个发射线圈在它们的匝数和/或它们的尺寸方面是如此设计的，即由这两个发射线圈在接收线圈中激励的通量彼此平衡。
然而通常在按现有技术的探测器中在每次开始进行定位测量之前要求对传感器进行校准。在这种校准中测量在没有外部金属物体时的偏差，然后将与基准值的不同用作存在金属物体时的指示器。此外，这种耗时的校准过程还包含使用者操作不当时很大的故障和损坏可能性。
本发明的任务是以现有技术的探测器为基础提供一种本文开头所述类型的探测器，它产生尽可能小的偏差信号，并且线圈的错误设置对偏差的影响尽可能的小。
此外，本发明还有一个任务是为这样一种探测器实现一种方法，这种方法可对制造公差和安装公差提供价格有利的且尽可能精确的补偿。
本发明的任务通过具有权利要求1所述特征的用于定位金属物体的探测器和按照权利要求15所述的用于这样的探测器运行的方法得以实现。
发明内容
根据本发明的用于定位金属物体位置的装置具有至少一个发射线圈和至少一个接收线圈系统，它们彼此感应耦合。此外根据本发明的装置还具有开关器具，它们能够改变接收线圈系统的有效匝数。
与现有技术的方法相反，在根据本发明的探测器装置中，接收线圈系统例如接收线圈的几何形状如此地被修改，即若确定在该装置的附近没有待定位的物体，则合成的穿过接收线圈的总通量消失。
其原理是以此为基础，即给原来的接收线圈补充一个或者多个附加的导体线环，或者减少这些导体线环。为了执行接收线圈的匝数的这种变化设置合适的开关器具。这些开关器具在相应的调整过程中可接通或者断开导体线环形式的，或者这种导体线环的一小部分形式的感应补偿模块。在对接收线圈，也就是例如一个或者多个接收线圈的导体线环进行合适的设计时在这些导体线环部分中感应出电压，这些电压正好补偿在探测器中例如由于不遵守制造公差产生的误差电压。
要求保护的在接收侧实现的开关技术和在探测器的激励侧工作的调整方法相比要简单得多和成本有利得多，因为例如可以使用较高欧姆的开关器具，因为和激励线圈相比只有很小量的电流在接收线圈中流动。
根据本发明的装置可以有利的方式使用于感应测量仪的调整方法、特别是用于定位器的运行方法成为可能。在该方法中，调整在接收线圈中感应的电压U是通过将调整线圈系统接到接收线圈系统的线圈完成的。在这种情况中有利的是调整线圈系统是由一个或者多个具有规定线圈长度的补偿模块组成的。
这样例如在厂家可在安装后用根据本发明的装置对测量仪进行调整，这样就可实现最佳运行。
附加地或者代替厂方进行调整也可在一个校准过程中实施这种调整方法，这种校准过程是定期自动进行的，或者由相应测量仪的用户手工启动。为此测量仪优选具有一种程序代码。该程序代码存储在测量仪的相应的存储介质中，并且该代码控制着根据本发明的方法。
在权利要求1中所说明的探测器或者说根据本发明的调整方法的有利的改进方案借助于从属权利要求的特征获得。
有利地补偿模块，也就是分别在开关桥之间出现的调整或者补偿线圈的电流流过的弧长是如此设计的，即在根据本发明的调整中可在电接触的m种不同的替代布局中转换。这样就可以对探测系统的例如通过误差安装或者不遵守制造公差产生的偏差进行补偿。其中可连接成不同的线路组合，直到获得最佳调整。
在这种情况中在一些有利的实施方式中，调整线圈系统至少由n个独立的、且分别具有m(n)种不同布局的补偿模块KMn组成。在这些布局中在补偿模块KMn的单个布局m之间的有选择的、例如分步骤的转换在补偿传感器的接收分支中感应出用于调整传感器的电压变化ΔUn，m。在这种情况中，通过补偿模块KMn在接收分支中产生的电压变化ΔUn，m和具有减小1的顺序号n的补偿模块KMn-1的电压差ΔUn-1，m分别相差一个固定的系数。在这种情况中具有系数2，也就是为调整线圈系统的补偿模块KMn使用一种二进制编码的系统是特别有利的，这样就得出关系是ΔU＝(U(n，1)-U(n，2))＝2*(U(n-1，1)-U(n-1，2))。单个补偿模块的线圈长度的这样一种特殊设计导致所需的开关器具的数量最佳，也就是数量最少。
用于调整线圈系统的开关器具，也就是用于改变接收线圈系统的有效匝数的开关器具有利地设置在一个第一接收线圈的线圈和至少另一接收线圈的线圈之间。
在根据本发明探测器的一种专门的实施方式中开关器具设计成接收线圈系统的线圈之间的钎焊桥。
在作为替代方案的实施方式中，开关器具也可如此地设置，即在接收线圈的具有不同半径Ra或者Rb的线圈之间产生开关桥。
在根据本发明的探测器的一种特别有利的实施方式中，开关器具是通过半导体结构元件例如晶体管、特别是通过场效应晶体管实现的。
在根据本发明的探测器的一种有利的实施方式中在一个平面中设置接收线圈系统的两个接收线圈。在这种情况中这些线圈特别是可在一个平面的且为单层的绕组几何形状中形成，从而以有利的方式且以简单的方式减少两个接收线圈的电容量。
当接收线圈系统采用平面的几何形状时特别是能够将接收线圈系统也就是例如两个接收线圈以有利方式作为印刷线圈在印刷电路的印刷电路板上实现，这样，在这种情况中在制造接收线圈时就不会产生附加成本。
此外，在这种有利的设计方案中，特别是例如设计为半导体结构元件的开关器具可以相应方式直接作为印刷电路板的相应结构实现。这样例如可在印刷电路板上设置多个晶体管，特别是场效应晶体管，这些晶体管实施两个接收线圈的线圈的接触。因此，通过单个半导体开关的转换可以接通或断开补偿模块，这样就可改变接收线圈系统的有效匝数。半导体开关元件通过相应的控制信号导通或者闭锁。
在一种有利的实施方式中多个接收线圈彼此同轴设置，并且电流以不同方向流过。在这种情况中至少一个发射线圈设置在一个至少和一个接收线圈平行的、但是在高度上错位的平面中。
所述至少一个发射线圈以一种有利的方式设置在绕组体上，该绕组体固定在在其上形成有接收线圈的印刷电路板上。在这种情况中发射线圈的绕组体在这种有利的设计方案中用作接收线圈平面上方的发射线圈的调整垫片。
用于定位金属物体的探测器装置的根据本发明的设计方案能为感应传感器的制造和安装公差进行补偿，这种设计方案具有与频率无关地工作的优点。在接收线路中通过合适的开关器具增添的导体线环可以成本很有利地制造，特别是为此利用电路板上的导体结构时。和在激励侧工作的调整方法相比，在接收侧的开关技术的实现要简单得多，并且成本有利得多，因为可以使用例如较高欧姆的开关器具，因为与激励线圈相比在接收线圈系统中只有很少电流流过。
此外，所述通过接收线圈系统也就是例如接收线圈的有效匝数的变化的调整实际上没有温度漂移，因为它的功能仅与磁场的几何形状有关。因此这种调整可以在一个与结构元件公差和漂移效应很少关联的大的温度范围上实现。
根据本发明的探测器可以有利地在补偿装置中为感应传感器的制造和安装公差进行补偿。这种补偿在制造中基本无需手工调整措施就足够了，因此可以成本有利地实现。
这样一种探测器装置可以有利地用在感应测量仪中，例如用于探测在墙壁、天花板和地板中的金属物体的定位器中。
此外，这样一种探测器装置可以集成在机床中或者机床上，例如钻孔工具中或者钻孔工具上，以使得该机床的操作人员能安全的钻孔。这样，传感器例如可以集成在钻孔工具或者刀具中，或者将它设计成一个可与这样的工具连接的模块。有利地也可将吸尘器作为根据本发明的传感器的一种可能的安装位置，该吸尘器与机床连接，或者可与该机床连接。由于功能所决定的它在待处理的墙壁的附近使用。
根据本发明的探测器的其它优点从下述对实施例的说明中获得。
在附图中示出根据本发明的探测器的一种实施例。在下述说明中将对该实施例进行更加详细的叙述。附图
以及针对主题的权利要求包含许多特征组合。本领域的技术人员可单独地探讨这些特征，并且也可综合成其它有意义的特征组合，因此这些特征组合也应视为在说明书中所公开的特征组合。
这些附图是图1按照现有技术的用于定位金属物体的探测器的传感器几何形状的基本结构简图，图2根据本发明的探测器的线圈装置的第一实施例的简化透视图，
图3具有所属开关器具的探测仪的接收线圈的简化示意俯视图，图4具有所属开关器具的接收线圈的一种作为替代方案的实施例的简化示意俯视图。
具体实施例方式
图1示出按现有技术的用于定位金属物体的感应补偿传感器的原理性结构。这样一种探测器在它的传感器几何形状10中具有三个线圈。一个第一发射线圈12，它和一个第一发射器S1连接。一个第二发射线圈14，它和一个第二发射器S2连接。一个接收线圈16，它和一个接收器E连接。每个线圈在此作为圆形的线表示。这三个线圈12、14、16的布置特点是它们相对于一个共同的轴线18同心设置。在这种情况中这些单个的线圈12、14、16具有不同的外部尺寸，这样，线圈12可以相对于轴线18同轴地插入到线圈14中。
这两个发射线圈12和14由它们的发射器S1和S2提供相反相位的交流电。因此第一发射线圈12在接收线圈16中感应出一种通量，该通量和由第二发射线圈14在接收线圈16中感应出的通量的方向相反。这两个在接收线圈16中感应出的通量彼此平衡，这样，假若在线圈装置10的附近没有外部金属物体，则接收器E在接收线圈16中探测不到接收信号。由单个发射线圈12或者说14在接收线圈16中激发的通量φ和不同的参数有关，例如和线圈12或者说14的匝数和几何形状以及提供给这两个发射线圈12或者说14的电流的振幅以及这些电流的彼此间的相位有关。
在按现有技术的探测器中这些参数最后是如此优化的，即当在接收线圈16中没有金属物体时在电流流过发射线圈12或者说14的情况下没有激发通量或者说激发尽可能小的通量φ。在根据图1的线圈装置10中，和第一发射器S1连接的第一发射线圈12以及和第二发射器S2连接的第二发射线圈14彼此同轴地设置在一个共同的平面中。接收线圈16设置在一个相对于这两个发射线圈12和14偏置的平面中。
图2示出传感器的几何形状110的设置情况，以及它是如何用在根据本发明的用于定位金属物体的装置中的。根据图2的探测器的传感器几何形状110具有两个接收器线圈112和114。它们彼此同轴地设置在一个共同的平面126中，并且形成一个接收线圈系统。在接收线圈系统的这个共同的接收器平面116上方一定距离z处有一个传感器线圈116。这个传感器线圈也和接收线圈112或者说接收线圈114同轴设置。因此这种设置也是一种感应补偿传感器。
接收线圈系统的接收线圈112或者说114具有一种平面的单层的绕组几何形状。接收线圈112、114的这种设计开辟了可以简单的方式降低两个接收线圈的分布电容量的可能性。在这种情况中，线圈和线圈之间可以保持大的距离，并且因此可以使线圈绕组的寄生分布电容量保持小。为了对单个的铜线圈进行绝缘，例如可以不像通常那样使用漆，而是使用另一种合适的、主要是更厚的绝缘物质。主要是纸、棉花和如在电缆中使用的绝缘塑料适用于此。用于减少寄生电容的一种替代方案是为线圈112或者说114使用多腔室绕组(Mehrkammer-Wicklung)。
在接收线圈系统使用平面的几何形状时特别是也可以将这两个接收线圈112或者说114作为印刷电路的印刷电路板上的印刷线圈实现。在这种情况中在制造这两个接收线圈时不会发生显著的额外费用。此外，将这两个接收线圈112或者说114设计成印刷电路板上的导体电路结构除了不需要费用外还有下述优点，即在这种情况中线圈的尺寸公差很小。在印刷电路板上制造精确到25微米的铜结构在技术上毫无问题。
图2示出了这样一种结构的简图。其中，为了改进其可视性，将Z轴线120相对于X轴线122或者说Y轴线124进行了拉长。为了表示该图在各轴线上设置有相应的尺寸数，然而这些数值并不表示其绝对值，而是仅表示在该实施例中以任意单位标度单个轴线的相对参数。此外，为了改进横截面的可视性从这些线圈中相应截取了一段。
平面126表示一个未进一步示出的印刷电路板。在图2中该平面由X轴线122和Y轴线124展开而成。在平面126中有两个探测器线圈112和124。在这种情况中，这个平面126相当于印刷电路板的上侧面或下侧面。在这种情况中接收线圈114的线圈115例如按顺时针方向缠绕，而位于更外围的接收线圈112的线圈113则是按逆时针方向定向。因此，在这些线圈113、115中感应的电压具有相反的符号，并且当没有外部金属物体时它们以合适的大小完全相互平衡。
在印刷电路板的平面126的上方，也就是在Z-方向120上偏置地设置有激励或者说发射线圈116。若发射线圈是在一个绕组体上制成，该绕组体又紧接着焊接在印刷电路板126上是特别有利的。这样，发射线圈116的绕组117以预先规定的一定的高度z设置在印刷电路板平面126的上部。由于所要求的稳定性，制造壁厚低于1毫米的绕组体是危险的(kritisch)。因此应力争印刷电路板和发射线圈116之间的距离为1毫米以及多于1毫米。
当合适地确定了匝数和线圈半径的尺寸时，若在探测器的附近没有金属物体则可以使在探测器系统的两个部分线圈112或者说114中感应的电压正好相互抵消。然而这种平衡只能当发射线圈116位于规定的很好定义的位置时才能成功。若发射线圈116的位置例如由于在线圈制造时或者在传感器机械安装时的公差而相对于预算的位置发生变化，则在接收线圈112或者说114中感应出合成的误差电压UF。
根据本发明，在要求保护的探测器装置中设置例如半导体开关形式的开关器具，这些开关器具实现了不同接收线圈的线圈的单个段之间的一个或者多个电连接。这样就能在事后、也就是在线圈设计和安装之后改变接收线圈的有效匝数，并且由此能和发射线圈的当前位置相适配。
图3的作了很大简化的视图用于说明根据本发明的探测器的功能原理。图3以简图方式表示接收线圈和所属开关器具的原理性部置的与图2相应的X-Y平面的俯视图。因此在图3中未示出设置在X-Y平面上方一定距离z0的发射线圈116。
这两个接收线圈112和114设置在X-Y平面126中。在两个接收线圈112和114的两个外部接头A和B之间截取探测电压。这个探测电压在一个配属于探测器的测量仪的分析电路中继续被处理。在图3中所示的接收线圈114的内部线圈115可在不同位置(1至8)与接收线圈112的外线圈113电连接。
若将接收线圈112和114的平面线圈113和115在印刷电路板上例如设计成铜结构，则这种接触可通过合适钎焊桥实现。钎焊桥的位置可以自由选择。例如可以如此确定接收线圈112或者说接收线圈114的导体线环系统的半径和匝数，即在规定的理想的发射线圈几何形状的情况下，当钎焊桥设置在图3所示的线圈配置的位置5上时，若没有金属物体，则在点A和B之间截取不到任何电压。
然而若例如在位置1进行接触，则在点A和B之间一共产生三个具有小半径且为顺时针方向的完整的线圈(接收线圈115)和四个具有大半径且为逆时针方向的完整的线圈(接收线圈113)。若在位置5通过导电连接进行接触，则人们得到2.5个顺时针方向的有效线圈，以及3.5个逆时针方向的有效线圈。
因为在接收线圈112的线圈113中感应出的电压具有和在接收线圈114的导体线环中感应的电压不同的振幅和相反的符号，所以按照导体桥的位置，可以在点A和B之间截取的电压是变化的。因此可通过钎焊桥位置的变化对由三个线圈组成的探测器装置的补偿装置进行精确的调整。
特别是用于接收装置的两个方向相反地定向或者说电流流过的线圈的有效匝数是变化的，且和各种要求相适配，因此通过事后的调整处理可对发射线圈116的误差定位-由于已说明的原因在图3中未示出-和由于制造公差的原因随之出现的感应传感器的误差电压UF被消除了或者说得到补偿。
例如人们可以想像，在制造感应探测器时首先将发射线圈以比较小的位置和尺寸公差安装到具有接收线圈的印刷电路板上。其结果是当人们将钎焊桥或者所使用的其它开关器具安装或者连接在为它预定的理想位置(例如位置5)时，会出现微小的误差电压UF。现在钎焊桥的位置例如可以一直移动，直到在没有金属物体的情况下在接收线圈的点A和B之间不再能测量出电压。这样可以有利的方式消除在绕组体、缠线自动机和类似装置的制造公差所造成的不可避免的误差补偿。
当然除了固定的钎焊桥外还有其它的连接方式，特别是另一些开关器具可供选用。钎焊桥是一种在技术上缺少吸引力的方案，因为它在机械上需要比较费事的调整过程。为了能在无附加的制造步骤的情况下实现传感器补偿的调整，可以在设置有接收线圈的印刷电路板上也设置多个半导体结构元件，例如场效应晶体管。这些场效应晶体管使内线圈系统114和外线圈系统112接触。在这种情况中钎焊桥的移动被单个半导体开关之间的转换所代替。
因此，用手工焊接的接触桥可用例如晶体管环代替，这些晶体管可通过控制信号接通或者闭锁。这样一种调整可由厂方一次性地在将探测器安装在相应的测量仪、例如用于探测金属物体的手持定位器之后进行，这样，用户就不必在进行本来的测量过程之前进行麻烦的校准测量。
按照图3的传感器的补偿的精确调整能准确到什么程度主要是通过所规定的开关器具的数量或者说通过连接桥(1......8)的数量决定，或者说通过所属的角度网栅(Winkelraster)确定。这种角度网栅是通过感应线圈的线圈的弧长的分度来确定连接桥的。这些连接1至8在图3的实施例中在这个实施例的圆形的线圈的圆周上形成一种均匀的45°的网栅。调整电压或者补偿电压和有电流流过的线圈的在其上外线圈112和内线圈114进行接触的角度或者说弧长成线性关系。若例如人们将角度网栅从图3的45°减小到22.5°，方法是将开关桥的可能的位置数量翻一倍增到16个，这样做的结果是补偿电压可以精确度增加一倍地进行调节。在原理上在这样一种装置中可以使用任意多的连接桥，它们的数量仅受到实践考虑的限制。然而，用于产生补偿电压或者调整电压的这样一种分辨率的提高在使用钎焊桥时除了在机械实现时费用比较高外不存在原理性的问题。
若使用半导体开关例如晶体管用作开关器具，则通过提高所使用的开关的数量也给可能的补偿电压的调节网栅的精细化设置了实际的限制。在这种情况中必须为每个附加设置的接触角度设置一个自己的结构元件和单独的控制线路。
图4示出在用于定位金属物体的探测器的补偿装置中的根据本发明的传感器几何形状的一种作为替代方案的实施例210。在图4中所示的补偿装置或者说调整几何形状具有如下优点，即和在图3中所示装置相比可以显著减少开关器具的数量。
在根据图4的感应补偿传感器的实施例中，接收线圈212和214的匝数也是通过接通所设置的线圈或者线圈分支改变的，这样就为接收线圈产生了有效匝数。这两个线圈212和214彼此同轴设置，并且优选也是作为印刷线圈在印刷电路板上构成。此外，关于线圈212和214的设计和布置与图3中的线圈112和114的设计和布置相同。
与图3的实施方式不同，在图4的感应补偿传感器的实施方式中在逆时针绕线的外线圈212的内部区域中增加了一个附加的线圈213’。该线圈为顺时针定向。这就是说在线圈212的内部区域增加了一个附加线圈。它具有和内置的接收线圈214相同的方向定向。这个附加线圈213’的半径用Ra表示。很显然，这个半径比下面用Rb表示的内线圈系统214的最外面的线圈215’的半径要大。在具有半径Rb的线圈中所感应的电压要比在具有半径Ra的线圈中感应的电压要大，因为内置的线圈(Rb)和在图4中未示出的在高度上偏置的发射线圈116的距离更小。
具有半径Ra和Rb的线圈213’和215’共同形成感应探测器的调整线圈系统。这个系统确定探测器的接收线圈的相对匝数。线圈213’和215’又可通过开关桥1’、2’、3’或者说通过配属给开关桥的开关元件1’a、1’b或者说2’a、2’b或者说3’a、3’b划分成不同弧长的导体元件，即所谓的补偿模块(220、222、224)，这样就在调整线圈系统中产生匝数的精确的分辨率，并且因此产生在这个调整线圈系统中感应的补偿电压的精确的分辨率。按照这种方式可很精确地调节调整电压，这样，调整电压几乎理想地和所需的补偿电压相一致。
详细讲图4的感应补偿传感器的实施方式的调整原理是建立在此基础之上，即感应探测器的调整线圈系统通过一个将线圈212和线圈214彼此接触在一起的连接导线200形成。在这种情况中该连接导线200是导体环线，该导体环线一部分在具有半径Ra的圆弧段上导向，在余下的线段上通过具有半径Rb的圆弧段形成。这样，连接导线200是由不同的导体模块构成的，这些导体模块由一个或者多个开关桥1’、2’、3’和通过这些开关桥产生的补偿模块、也就是由线圈213’和215’的在这些开关桥之间相应流过电流的弧长组成。
为此目的将线圈212和线圈214连接在一起的连接导线200在图4的实施例中划分成三个所谓的补偿模块(220、222、224)，也就是线圈的具有不同角度长度或者弧长的三个扇形段。它们单个的角度长度或者弧长具有相差系数2的数值(例如206°+103°+51°＝360°)是合适的。补偿模块的相对长度，也就是具有半径Ra或Rb的线圈的相对角弧采用另一种分段方法也是可以的。
借助开关器具对1’a、1’b或2’a、2’b或3’a、3’b可以选择单个有效的补偿模块(220、222、224)。这样就可以确定，在连接导线200的内部在单个角度扇形段上的电流应选择在内部区域(Rb)还是在外部区域(Ra)中流动。若例如开关1’a至3’a是闭合的，而与此相反开关元件1’b至3’b是断开的，则连接导线200有效地是通过具有半径Rb的单个线圈形成的。通过断开的开关元件，具有半径Ra的导线扇形段在无有中(im Nichts)结束，因此它没有通电，因为没有接触。
对于上述布局来说，在连接导线200中感应出的电压要比开关1’a至3’a断开并且开关元件1’b至3’b闭合时的状态要高。并且仅在外半径Ra上进行线圈的连接。
因此通过选择内和外扇形段215’和213’的合适的组合可以精确分段地改变在连接导线200中总的感应电压。在这种情况中协调的精确性是通过最小的角扇形段(补偿模块)的长度确定的，而角扇形段可通过两个相邻的开关桥1’、2’、3’实现。
从图3和图4的直接比较中人们可以发现为了实现45°的调整角在图3的实施例中需要八个开关元件(1...8)，而在图4的实施例中为了得到51°的类似的调整分辨率仅需要六个开关。若在补偿线圈上的角扇形段的长度分别相差系数2时，则产生开关元件的最小数量。以2为基数的数字系统对补偿模块的长度进行编码相应于该系数2。
作为替代方案，也可设想具有例如3个或者4个不同半径的好方案。在这些方案中每个角扇形段分别要求有3个或者4个开关，并且按以3或4为基数的数字系统对调整状态进行编码。也可设想这种状态编码的组合，其中，在单个的角扇形段中不同地设置许多替代的开关器具。
仅示范地，也就是在一些可行的实施方式中所说明的发明具有与频率无关地工作的优点。在接收线圈中通过合适的开关器具所增补的导体线环或者导体线环扇形段可价格很有利地制造，特别当仅导体结构需要设置在电路板上时。开关器具也可以简单和成本有利的方式作为半导体结构在同一电路板上构成。在该电路板上也形成了接收线圈的线圈。和相应的在激励侧工作的调整方法相比在接收侧的开关技术的实现要简单和造价有利得多，因为例如可以使用高欧姆的开关器具，因为和激励线圈相比只有少量电流在接收线圈中流动。
根据本发明的用于定位金属物体的探测器并不局限于在附图中所示的实施例。
特别是根据本发明的探测器的接收线圈系统不局限于使用两个接收线圈。
此外，该探测器并不局限于在实施例中介绍的用于改变接收线圈的有效匝数的开关器具的类型和数量。也可对补偿模块的长度进行不同的编码。
权利要求
1.用于定位金属物体的装置，其具有至少一个发射线圈(116)和至少一个接收线圈系统(112、114；212、214)，它们彼此感应耦合，其特征在于，设置电开关器具(1，...，8；1’a、2’a、3’a、1’b、2’b、3’b)，它们可以改变至少一个接收线圈系统(112、114；212、214)的有效匝数。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个接收线圈(112、114；212、214)的有效匝数可通过电导体模块的接通和断开改变。
3.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述开关器具(1，...8；1’a、2’a、3’a、1’b、2’b、3’b)设置在第一接收线圈(112、212)的线圈(113、213)和第二接收线圈(114、214)的线圈(115、215)之间。
4.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，具有开关器具(1’a、2’a、3’a、1’b、2’b、3’b)的开关桥(1’、2’、3’)设置在接收线圈的具有不同半径Ra和Rb的线圈(213’、215’)之间。
5.按照权利要求1或3所述的装置，其特征在于，所述开关器具(1，...，8)或开关桥(1’、2’、3’)通过钎焊桥实现。
6.按照权利要求1或3所述的装置，其特征在于，所述开关器具(1、...、8；1’a、2’a、3’a、1’b、2’b、3’b)通过半导体结构元件实现。
7.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，至少两个接收线圈(112、114；212、214)彼此同轴设置。
8.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，至少两个接收线圈(112、114；212、214)设置在一个平面中。
9.按照权利要求5或6所述的装置，其特征在于，至少两个接收线圈(112、114；212、214)是特别在印刷电路板上构成的印刷线圈。
10.按照权利要求6和9所述的装置，其特征在于，所述开关器具(1...、8；1’a、2’a、3’a、1’b、2’b、3’b)通过印刷电路板上的半导体开关实现。
11.按照权利要求8所述的装置，其特征在于，至少一个发射线圈(116)设置在至少和接收线圈平行的在高度上偏置的平面中。
12.按照权利要求9或11所述的装置，其特征在于，至少一个发射线圈(116)设置在固定在印刷电路板上的绕组体上。
13.测量仪，特别是手持定位器，具有按照权利要求1至12中一项或多项所述的装置。
14.工具，特别是钻孔工具或者刀具，具有按照权利要求1至11中一项或多项所述的装置。
15.感应式补偿传感器(110，210)的运行方法，该补偿传感器具有至少一个发射线圈(116)和至少一个接收线圈系统(112、114；212、214)，其中，在接收线圈(112、114；212、214)中感应的电压U的调整是通过将调整线圈系统(113、115；213’、215’)接到接收线圈系统(112、114；212、214)的线圈(113、115；213、215)中完成的，其中，这个调整线圈系统(113、115；213’、215’)具有一个或者多个补偿模块(220、222、224)。
16.按照权利要求15所述的方法，其中可为每个补偿模块(220、222、224)在电接触的m种不同的替代布局(1’a、2’a、3’a、1’b、2’b、3’b)之间转换。
17.按照权利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述调整线圈系统(113、115；213’、215’)至少由分别具有m(n)(m(n)＝1...M(n))种不同布局的n(n＝1...N)个独立的补偿模块KMn(220、222、224)构成，在这些布局中，通过在补偿模块KMn(220、222、224)的单个布局m之间的有选择的转换在补偿传感器(210)的接收分支(212、214)中感应出电压变化ΔUn，m，其中ΔU＝(U(n，m)-U(n，m+1))。
18.按照权利要求17所述的方法，其特征在于，所述补偿模块KMn(220、222、224)是如此构成的，即电压变化ΔUn，m与具有减小1的顺序号n的补偿模块KMn-1的电压差ΔUn-1，m分别相差系数M(n-1)，其中ΔUn-1，m＝(U(n-1，m’)-U(n-1，m’+1))。
19.按照权利要求17或18所述的方法，其特征在于，所述调整线圈系统(113、115；213’、215’)的补偿模块KMn(220、222、224)使用一种二进制编码M(n)＝2，这样，得出关系式ΔU＝(U(n，1)-U(n，2))＝2*(U(n-1，1)-U(n-1，2))。
全文摘要
本发明涉及一种用于定位金属物体的装置，具有至少一个发射线圈(116)和至少一个接收线圈系统(112、114；212、214)，它们彼此感应耦合。根据本发明提出，设置开关器具(1、…、8；1’a、2’a、3’a、1’b、2’b、3’b)，它们能改变所述至少一个接收线圈系统(112、114；212、214)的有效匝数。此外，本发明还涉及一种用于这样一种装置运行的方法，特别是这样一种方法，在此方法中，在接收线圈(112、114；212、214)中感应的电压U通过将调整线圈系统(113、115；213’、215’)接到接收线圈系统(112、114；212、214)的线圈(113、115；213，215)进行调整。
文档编号G01V3/10GK101031822SQ200580032808
公开日2007年9月5日 申请日期2005年7月25日 优先权日2004年9月29日
发明者B·哈泽 申请人:罗伯特·博世有限公司