用于校准感应式定位传感器的方法以及定位传感器与流程

本发明涉及一种用于校准具有至少一个发射线圈和至少一个接收绕组系统的感应式定位传感器的方法。此外，本发明涉及相应的定位传感器。

背景技术：

用于定位隐藏在建筑材料中的、金属的物体的定位传感器目前通常使用感应的方法进行工作。在此利用了可导电的和铁磁性的材料影响安置在周围环境中的电磁线圈的特性的事实。由金属的物体所引起的感应特性的变化由这种定位传感器的接收电路记录。以这种方式，例如封闭在墙壁中的金属的物体可以借助于一个或多个在墙壁上引导的线圈来进行定位。

检测金属的物体的技术难点在于待定位的物体作用到定位传感器的一个线圈或多个线圈组上的数值上很小的反作用、尤其定位信号。对于非铁磁物体的影响尤其如此，例如技术上重要的铜。这导致了线圈彼此之间的感应效应可能明显大于由封闭的物体在接收线圈中所产生的感应。基于感应的方法的检测器通常具有高的可被检测器的接收线圈捕捉到的信号，该信号在没有外部的、金属的物体的影响的情况下就已经由定位传感器的接收电路测量到。这种高的“背景信号”（或也称为“偏置”）使得难以检测由被安置在定位传感器附近的金属的物体所引起的非常小的感应变化。

由现有技术已知以下方案：降低在不存在金属的物体的情况下呈背景信号的形式存在的传感器信号并且由此将相对的信号变化相对于背景信号进行放大。例如在文献de102004047188al中存在用于感应式定位传感器的传感器组件，其实现了对由线圈自身感应的背景信号的补偿。在此，所提出的用于定位金属的物体的装置具有至少一个发射线圈和至少一个接收绕组系统，所述发射线圈和接收绕组系统以感应的方式相互耦联，其中该装置的校准、尤其对由线圈自身所感应的背景信号的补偿借助于开关器件来实现，所述开关器件实现了改变接收绕组系统的有效的匝数。

技术实现要素：

提出了一种用于校准具有至少一个发射线圈和至少一个接收绕组系统的感应式定位传感器的方法，所述发射线圈和接收绕组系统呈印制导线的形式被设计在定位传感器的电路板上，其中通过断开所述接收绕组系统的至少一个校准绕组系统来实现平衡在所述接收绕组系统的接收线圈中所感应的电压u。根据本发明，至少一个校准绕组系统在方法步骤中借助于所述至少一个校准绕组系统的印制导线的机械的铣削来断开。

在此，所提出的用于校准感应式定位检测器的方法原理上基于已公开的构思，即该接收绕组系统、例如接收线圈的几何形状被修改为使得如果在该定位传感器的周围没有定位到待定位的物体，则通过接收绕组所产生的总磁通量消失或者至少几乎消失。该构思由de102004047188a1中已知。

在此，初始在制造的范围内的接收绕组系统的接收绕组减少了一个或多个导线环和/或所使用的导线环的层、即接收绕组系统的几何形状会发生变化。为了执行所述接收绕组的匝数的和/或所述接收绕组系统的几何形状的变化，根据本发明提出了一种方法，在该方法中校准绕组系统、即尤其定位传感器的一个和/或多个接收绕组在方法步骤中借助于所述至少一个校准绕组系统的形成相应的绕组的印制导线的机械的铣削来断开。在接收绕组的导线环、即例如一个或多个接收线圈的合适的设计的情况下，在导线环部分中如此感应电压和/或如此修改接收绕组系统的几何形状，使得例如由于未遵守的制造公差而可能产生的定位传感器中的误差电压刚好能够得到补偿。

应该注意的是，表述“印制导线的铣削”包括对印制导线的类似的加工，其中印制导线通过材料去除而被中断、例如借助于钻孔。

根据本发明的方法实现对定位传感器的校准，其中通过断开接收绕组系统的校准绕组系统来实现平衡在接收绕组中感应的电压u。在此，校准绕组系统可以由一个或多个预先给定的绕组长度的补偿模块和/或补偿绕组组成。在此，补偿绕组相应地应该被理解为平衡或补偿绕组的电流穿流的弧长度，其被设置用于根据本发明所述的方法被铣削并且由于铣削而实现至少两个、优选m个不同的替代性配置方案之间的切换或变化。通过这种方法可实现的是，通过由对相应的印制导线的铣削而可以改变接线的不同的组合，从而补偿例如由于错误安装或未遵守的制造公差而产生的定位传感器的背景信号，使得得到最佳的平衡。

因此，可以根据本发明得到一种尤其简单的、成本有利的并且然而尤其有效的用于精确校准根据本发明的定位传感器的方法。此外，可以得到根据本发明的方法校准过的定位传感器，该定位传感器产生尽可能小的背景信号，其中线圈、尤其发射和接收线圈的错误放置对背景信号具有尽可能小的影响。

特别地，可以以这种方式得到一种定位传感器，该定位传感器在安装之后使用根据本发明的方法在工厂进行校准，使得可实现优化的运行。

在根据本发明的方法的一种实施方式中，在校准绕组系统的印制导线的机械的铣削的方法步骤之前的方法步骤中通过被设置在电路板上的测试结构的机械的铣削获取所需的铣削深度。

由于在所述类型的定位传感器的制造中通常存在配备有电子构件的电路板，所以通常铣削工具的工作深度限制器的使用对于铣削的方法步骤而言不是或仅为受限地可行的。因此，尤其在多层地配备有构件和/或印制导线的电路板的情况下，必须尤其注意，借助铣削仅加工、即分离所期望的配有待铣削的印制导线的层。为此，这需要在尽可能精确定义的铣削深度下进行铣削。

然而，由于铣削深度在由现有技术已知的铣削工具中从待铣削的电路板被放置在其上的支撑处开始被获取，电路板的厚度的公差也被包括在铣削深度的可能的精度之内。现有技术的电路板通常具有关于其厚度的处于高达±10％的范围内的公差。在示例性的2.5mm厚的电路板中，这对应于±250µm的绝对公差。因此，也仅能将铣削深度刚好设定为±250µm。

印制导线的多层的层在电路板上通常由其厚度小于500μm的数量级的衬底层分开。因此，在例如±250μm的电路板的公差的情况下不能确保铣削工具伸入到位于待铣削的印制导线下方的印制导线中并损坏其结构（在这种情况下，电路板的厚度位于其公差的上部的范围内，例如2.75mm）和/或待铣削的印制导线未被完全切断（在这种情况下，电路板的厚度处于其公差的下部的范围内，例如2.25mm），从而不会进行定位传感器的校准。

通过前述方法步骤，根据本发明，所需的铣削深度通过设置在电路板上的测试结构的机械的铣削来获取并且由此将待铣削的电路板的可能的公差考虑在对铣削深度的确定中。尤其可以由此得到不依赖于在制造-尤其基于电路板的制造-中的公差的用于校准感应式定位传感器的方法。

在定位传感器的印制导线的制造中，测试结构同样布置在电路板上、优选在接收绕组系统的印制导线紧邻处。在此，“紧邻处”尤其应该理解为测试结构和接收绕组系统的距离小于10cm、优选小于5cm、尤其优选小于1cm。此外，根据本发明的多个测试结构也可以设置在电路板上。在一种实施方式中，在校准绕组系统的紧邻处相应地设置有测试结构。

在根据本发明的方法的一种实施方式中，测试结构被实现为电路，其中测试结构在执行用于获取所需的铣削深度的方法步骤期间借助于评估电路而被运行。通过这种方式，尤其可容易操作的测试结构可以利用尤其简单的器件进行制造和运行。优选地，测试结构被设计为包括至少一个印制导线的电路。此外，测试结构可以包括例如用于简单测量尤其特定的电势的电阻。由于测试结构的印制导线的铣削，电路的闭合回路被断开，并且在电阻上的下降的电压（替代性地：施加在电阻上的电流）改变。借助于评估电路，可以在执行用于获取所需的铣削深度的方法步骤期间有利地观察测试结构，并且可以检测所述电压变化和/或电流变化。特别地，在根据本发明的方法的一种实施方式中，当执行用于获取所需的铣削深度的方法步骤时，当借助于评估电路在测试结构上检测到电压变化和/或电流变化时，实现所需的铣削深度。

在根据本发明的方法的一种实施方式中，在用于获取所需的铣削深度的方法步骤之前的方法步骤中将铣削工具定位到测试结构的位置上。

在根据本发明的方法的一种实施方式中，在用于获取所需的铣削深度的方法步骤期间首先设定最小的铣削深度，并且然后迭代地增加铣削深度直到达到所需的铣削深度。通过这种方式，可以在确定所需的铣削深度时实现尤其精细的分度。

在根据本发明的方法的一种实施方式中，在校准绕组系统的印制导线的机械的铣削的方法步骤中，首先将铣削刀具定位在校准绕组系统的待铣削的印制导线的位置上，并且然后将印制导线铣削至所需的铣削深度。

利用根据本发明的方法因此确保了校准绕组系统的经铣削的印制导线被完全铣削，然而位于下方的（其他的）、即沿铣削方向在印制导线后面的印制导线不被铣削。因此，可以实现对具有长时间稳定的印制导线的定位传感器的尤其可靠的校准。

本发明还涉及一种用于定位金属的物体的定位传感器，该定位传感器具有至少一个发射线圈和至少一个接收绕组系统，所述发射线圈和接收绕组系统尤其以感应的方式相互耦联并且呈印制导线的形式被设计在定位传感器的电路板上，其中接收绕组系统的至少一个校准绕组系统被设置用于平衡在接收绕组系统的接收线圈中感应的电压u，其中至少一个校准绕组系统由于所述至少一个校准绕组系统的印制导线的机械的铣削在关于所述接收绕组系统的有效的匝数的方面和/或在关于所述接收绕组系统的所形成的面的方面和/或在关于所述接收绕组系统的几何形状的方面被平衡、尤其被校准。

此外，本发明涉及一种具有呈电路形式的测试结构的定位传感器。测试结构可以附接到评估电路上并用于根据本发明的方法获取所需的铣削深度。

在定位传感器的一种实施方式中，定位传感器的至少一个发射线圈和至少一个接收线圈被作为印刷线圈构造在电路板上、尤其作为布置在彼此平行的、高度偏置的平面中的印刷线圈而被构造在电路板上。在一个替代性的实施方式中，发射线圈不被设计为印刷线圈，而是被设计为卷绕的发射线圈，其中至少一个接收线圈和发射线圈被布置在彼此平行的、高度偏置的平面中。

通过将发射线圈和接收线圈实现为印刷线圈，其有利地被布置在与电路板直接平行的平面中，也就是说，直接邻接其上地被布置在电路板上。在一种实施方式中，线圈被构造在平面的、单层的卷绕几何形状中。因此，可以实现其中不会产生用于制造接收绕组的附加成本的印刷的电路。此外，可以尤其容易地应用根据本发明的方法。

在定位传感器的一种实施方式中，至少一个发射线圈和至少一个接收线圈被彼此同轴地构造。在一种实施方式中，多个接收线圈彼此同轴地布置并且在不同的方向上被通电。在此，至少一个发射线圈可以布置在-至少相对于接收线圈-平行的、但高度偏置的平面中。

所提出的定位传感器可用于感应的测量设备中、例如用于检测墙壁、天花板和地板中的金属的物体的定位设备。替代性地，定位传感器可以集成在机床中或机床上、例如钻孔工具，以便允许该机器的使用者安全地进行钻孔。例如，传感器因此可以集成在钻孔或凿孔工具中，或者被构造为可以与这种工具连接的模块。

附图说明

在下面描述中借助于附图所示出的实施例来详细地解释本发明。附图、说明书和权利要求书以组合的方式包含众多的特征。专业人员也可以适宜地单个地考虑特征并且组成有意义的其它组合。在附图中的相同的附图标记指代相同的元件。

其中：

图1以示意图示出了根据现有技术的用于定位金属的物体的定位传感器的传感器几何形状的原理上的构造；

图2以简化透视图示出了根据本发明的定位传感器的线圈布置的实施例；

图3以简化的示意图示出了定位传感器的接收线圈和测试结构的俯视图；

图4示出了根据本发明的方法的示例性的实施方式。

具体实施方式

图1示出了根据现有技术的用于定位金属的物体的感应式定位传感器的原理上的构造。这种定位传感器在其传感器组件10中具有三个线圈12、14、16。附接到第一发射器s1上的第一发射线圈12、附接到第二发射器s2上的第二发射线圈14以及附接在接收器e上的接收线圈16。每个线圈在此显示为圆形的线。三个线圈12、14、16相对于共同的轴线18同心地布置。在此，各个线圈12、14、16具有不同的外部尺寸，使得发射线圈12可以以与轴线18同轴的方式插入到发射线圈14中。

两个发射线圈12和14由其发射器s1和s2以相反相位的交流电流供电。因此，第一发射线圈12在接收线圈16中感应与由第二发射线圈14在接收线圈16中感应的通量相反指向的通量。如果在传感器组件10附近没有外部的金属的物体（在这里未详细示出），则接收线圈16中的两个感应的通量彼此补偿，使得接收器e在理想情况下没有在接收线圈16中检测到接收信号。由各个发射线圈12或14在接收线圈16中激励的通量取决于各种参量、例如线圈12或14的匝数和几何形状以及馈入到两个发射线圈12或14中的电流的幅值以及所述电流的相互的相位置。

在现有技术的传感器组件10的情况下，这些参量最终应被如此优化，使得当不存在金属的物体时，在电流穿流的发射线圈12或14的情况下，在接收线圈16中未激励通量或尽可能小的通量（所描述的背景信号）。在根据图1的传感器组件10中，附接到第一发射器s1的第一发射线圈12和附接到第二发射器s1的第二发射线圈14彼此同轴地布置在共同的平面中。接收线圈16布置在相对于两个发射线圈12和14偏置的平面中。

图2示出了传感器组件110的布置，如其在根据本发明的用于定位金属的物体的定位传感器中所使用的那样。根据图2的定位传感器的传感器组件110具有两个接收线圈112或114，所述接收线圈彼此同轴地布置在共同的平面126（在图2中由x轴122和y轴124形成）中并且形成接收绕组系统118。平面126在此表示定位传感器的电路板126a的上侧。接收绕组系统118的接收线圈112或114具有平面的、单层的卷绕几何形状，其中两个接收线圈112、114呈印刷的电路（印刷线圈）形式被实现在电路板126a上。接收线圈112、114尤其呈印制导线128的形式被实现在电路板126a上。发射线圈116位于沿z轴120的方向以一定的距离相对于接收绕组系统118的共同的平面126偏置的位置，该发射线圈同样与接收线圈112或接收线圈114同轴地布置。发射线圈116同样被制造为由尤其印刷到电路板126a的背侧的表面上的由印制导线128组成的电路（印刷线圈）。发射线圈116的绕组117沿z轴方向以确定的、预先定义的距离位于电路板126a的平面126的上方或下方。传感器组件110同样代表感应的补偿传感器。

在图2中的示意图中，为了更好的可见性，示出z轴120相对于x轴122和y轴124延伸。此外，为了在图2中更好地观察横截面，分别截取线圈112、114、116中的一个节段。

接收线圈114的绕组115在所示实施例中沿顺时针方向卷绕，而接收线圈112的更外部的绕组113沿逆时针方向卷绕。通过适当确定绕组113、115的匝数和绕组半径的尺寸，可以实现的是，如果在定位传感器附近不存在金属的物体（这里未详细示出），则在传感器系统的传感器组件110的两个接收线圈112、114中感应的电压由于其相反符号而刚好彼此抵消。然而，这种补偿仅适用于发射线圈116的预先给定的、明确限定的位置。如果例如由于在线圈112、114、116的制造过程中或者在机械的传感器安装过程中的公差，发射线圈116的位置相对于预先计算出的位置发生变化，则在接收线圈112、114中感应所产生的误差电压uf。

根据本发明，在定位传感器中，也就是说，在所示出的传感器组件110中，设置接收绕组系统118的校准绕组系统130以平衡在接收绕组系统118的接收线圈112、114中感应的电压u，其中至少一个校准绕组系统130由于至少一个校准绕组系统130的印制导线128的机械的铣削而平衡，也就是说，尤其接收绕组系统118的有效的匝数被如此改变和/或接收绕组系统118的几何形状被如此修改，使得如果在定位传感器的附近没有定位到待定位的物体，则所产生的通过绕组113、115的总磁通量消失或至少几乎消失。

此外，用于根据本发明的方法（参见图4）获取所需的铣削深度的测试结构132（也参见图3）位于电路板126a的表面上。

图3的再次强烈简化的图示用于说明根据本发明的方法的目的。图3以朝向电路板126a的俯视图，也就是说，对应于图2的x-y平面126通过示意的方式示出了具有相关的绕组113、115的接收线圈112、114的原理上的布置。发射线圈116在图3中未示出。此外，测试结构132在图3中示出。

两个接收线圈112或114布置在x-y平面126中。在两个接收线圈112、114的两个外部端子a和b之间量取检测电压，在配属于定位传感器的测量设备的评估电路中进一步处理该检测电压。图3中示出的、接收线圈114的内部的绕组115-根据定位传感器的制造-在不同的位置（标记为p1至p8）经由校准绕组系统130的印制导线128与接收线圈112的外部的绕组113电连接。在校准定位传感器的范围内，校准绕组系统130的印制导线128在8个位置（p1到p8）中的7个上中断，从而产生定义的接收绕组系统118。例如，接收绕组系统118的半径和匝数可以被如此确定尺寸，使得发射线圈116和接收线圈112、114的理想的、即理论计算的布置仅在位置p5上保持电连接的情况下（即，在点p1至p4和p6至p8的位置上中断印制导线128（电接触））可以实现在不存在金属的物体的情况下在点a和b之间量取的电压的相互的补偿。然而，例如在位置p1上实现保持电连接的情况下，因此在点a和b之间在总数上得到沿顺时针方向具有较小的半径的三个完整的绕组（绕组115）和四个沿逆时针方向具有较大的半径的绕组（绕组113）。在位置p5上保持电连接的情况下，于是有效地得到沿顺时针的2.5个绕组和沿逆时针的3.5个绕组。由于在接收线圈112的绕组113中感应的电压具有与在接收线圈114的导线环中感应的电压不同的幅值和相反的符号，根据已保持的电连接的位置，可以在点a和b之间量取的电压发生变化。通过改变待保持的位置，可以由此实现微调由三个线圈组成的定位传感器装置的补偿组件。

尤其在该实施例中，接收绕组系统118的两个相反取向的接收线圈112、114的有效的匝数发生变化并且匹配于相应的要求。因此，在根据本发明的方法（参见图4）的范围内，可以通过后续的平衡过程消除或补偿了图3中未详细示出的发射线圈116的错误定位以及由于制造公差而引起的感应式传感器的随之而来的误差电压uf。

图2和图3所示的测试结构132用于执行根据本发明的方法、即尤其在执行校准绕组系统130的印制导线128的机械的铣削的方法步骤之前获取所需的铣削深度（参见图方法步骤204）。在此，测试结构由包括印制导线128的电路组成。印制导线128在一侧（“gnd”）接地，而其在另一侧经由电阻134以高阻抗的方式附接到“vcc”的电势。在该实施例中，电阻134具有1kω到10kω的值。通过这种方式，由于接触位置136通过待铣削的印制导线128以低阻抗的方式接地（电势gnd），因此在执行用于获取所需的铣削深度的铣削之前印制导线128在接触位置136上具有消失的电势。一旦印制导线128在铣削位置138上被铣穿，电阻占主导地位并且在接触位置136处的电势设定为vcc。因此，通过测量接触位置136上的电势，由于从gnd到vcc的电势升高可以检测印制导线128的完全铣穿。

应该注意的是，根据本发明的用于定位金属的物体的定位传感器不限于图中所示的实施例。特别地，根据本发明的定位传感器的接收绕组系统118不限于使用两个接收线圈112、114和/或使用8个校准绕组系统。

图4借助于方法图示出了根据本发明的方法的示例性实施方式。在方法步骤200中，首先将用于获取所需的铣削深度的测试结构132附接至（此处未详细示出的）评估电路。在测试结构132上施加电压vcc（等同于：电流）的情况下，评估电路用于该测试结构132的电接触。此外，评估电路用于检测施加在测试结构132的接触位置136上的电压（参见图3）。

在方法步骤202中，随后将（在此未详细示出的）铣削工具定位到测试结构132的位置上，也就是说，将铣削工具定位在测试结构132的限定的铣削位置138上、尤其在测试结构132的印制导线128上。随后，在校准绕组系统130的印制导线128的机械的铣削的方法步骤之前的方法步骤204中，通过设置在电路板126a上的测试结构132的机械的铣削来获取所需的铣削深度。为此，尤其在方法步骤206中最初设定最小铣削深度（经验值或由构造决定）。随后，在方法步骤208中迭代地增加铣削深度，并且在方法步骤210中，借助于铣削工具铣削到测试结构132的印制导线128中直到现在设定的铣削深度。如果测试结构132的印制导线128被完全铣穿，也就是说，达到所需的铣削深度，则借助于评估电路，在测试结构132的接触位置136上检测电压变化（参见图3）和/或电流变化（在步骤212中判定“已达到所需的铣削深度：是/否”）。紧接着，退出迭代的方法步骤208、210的循环。随后，存储用于所需的铣削深度的当前设置（方法步骤214）。

利用现在的当前值或现在用于所需的铣削深度的当前设置，在步骤216中，将铣削工具定位到校准绕组系统130的待铣削的印制导线128的位置上，也就是说，p1至p8。最后，在方法步骤218中，将印制导线铣削到所需的铣削深度，必要时加上公差值。

其他印制导线128随后可以利用与所需的铣削深度相同的设置执行、尤其迭代地在8个位置p1至p8中的7个上。替代性地，该方法可以再次在定位传感器的另一测试结构132上被执行。

通过这种方式，根据本发明执行感应式定位传感器的校准，其中通过断开接收绕组系统118的至少一个校准绕组系统130来平衡在接收绕组系统118的接收线圈中感应的电压u，其中至少一个校准绕组系统130在方法步骤中借助于至少一个校准绕组系统130的印制导线128的机械的铣削（方法步骤218）断开。