DE102007058088A1

DE102007058088A1 - Sensor zur tiefenselektiven Ortung dielektrischer Werkstoffe und Verfahren zum Betrieb eines derartigen Sensor

Info

Publication number: DE102007058088A1
Application number: DE102007058088A
Authority: DE
Inventors: Kai Renz; Bjoern Haase
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-12-03
Filing date: 2007-12-03
Publication date: 2009-06-04
Also published as: WO2009071375A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Ortung dielektrischer Objekte (104), insbesondere einen Balkendetektor zur Suche dielektrischer Objekte (104) hinter der Oberfläche (103) von Bauwerkstoffen, mit einer Mehrzahl von Elektroden (401, 402, 403, 404; 601, 602, 603, 604), die ein Sendeelektroden-System (401, 402, 403; 602, 603, 604, 605) und ein Empfangselektroden-System (404, 601) bilden. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Relativabstand der Elektroden (401, 402, 403, 404; 601, 602, 603, 604, 605) in Richtung orthogonal zur Messrichtung des Sensors so bemessen ist, dass die kapazitive Verkopplung der Koppelpfade zwischen Sendeelektroden-System und Empfangselektroden-System unterschiedliche Abhängigkeiten von der Distanz eines zu detektierenden Objekts (104) zum Sensor aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung Verfahren zum Betreiben eines solchen Sensors.

Description

Stand der Technik
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Ortung dielektrischer Objekte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Sensors, insbesondere ein Verfahren zur Auswertung der Messsignale eines solchen Sensors.
Sensoren beziehungsweise Detektoren zur Ortung von beispielsweise hinter Bauwerkstoffen verborgenen, dielektrischen Objekten arbeiten derzeit in der Regel mit kapazitiven Verfahren. Ein derartiger kapazitiver Sensor besteht typischerweise aus mehreren leitfähigen Elektrodenflächen und einer Auswerteschaltung, die es gestattet, eine Veränderung der zwischen den Elektroden wirksamen Kapazität zu erkennen. Hierbei wird ausgenutzt, dass die sich zwischen zwei metallischen Elektroden ausbildende Kapazität verändert wird, sofern ein Dielektrikum in den Bereich verbracht wird, in den das elektrische Feld zwischen den Elektroden eingreift.
Derartige kapazitive Sensoren finden ihren Einsatz zum Beispiel als kapazitive Näherungsschalter oder auch als sogenannte „Balkensucher" (engl. Studfinder), welche zu dem Zweck genutzt werden, eine Unterkonstruktion hinter einem Bauwerkstoff aufzufinden. Ein typischer Anwendungsfall für einen solchen „Balkensucher" ist beispielsweise die Aufgabe, einen massiven Holzbalken hinter einer Spanplatte oder einer Rigipsplatte aufzufinden. Dies ist eine häufig benötigte Anforderung, insbesondere auch im amerikanischen Wirtschaftsraum. Wenn z. B. an einer in Leichtbautechnik errichteten Wand ein schwerer Gegenstand aufgehängt werden soll, ist es wichtig, diesen in einem der massiven Stützbalken zu verankern.
Zur Lokalisierung dieser Stützbalken werden kapazitive Sensoren genutzt, deren Elektroden derart angeordnet sind, dass das sich in der Umgebung der Elektroden ausbreitende elektrische Feld in die Stützbalken eingreift.
Beispiele für aus dem Stand der Technik bekannte kapazitive Sensoren finden sich in der US 3896425 A , der US 6937951 A , der US 4853617 A , der US 5917314 A oder auch in der EP 0428502 A1 .
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Ansteuerung der Elektroden bekannt, bzw. zur Auswertung der an Elektroden abgegriffenen Signale. So beschreibt beispielsweise die US 6198271 A ein Verfahren in dem die Veränderung der Kapazität einer Elektrode relativ zu einer allgemeinen Massefläche durch eine Zeitverschiebung einer digitalen Flanke detektiert wird, wobei diese Messkapazität Teil eines passiven RC Netzwerks ist.
Alternativ schlägt die US 3896425 A vor, die Verstimmung eines kapazitiven Spannungsteilers auszuwerten.
Ebenfalls bekannt, aus der US 4853617 oder aus der US5917314 , sind Sensoren, die eine Mehrzahl von Sensorelektroden einsetzen, mit dem Ziel eine Information über die laterale Position eines Holzbalkens zu erhalten. So schlägt beispielsweise die US 5917314 A vor, drei lateral versetzte Elektroden mit dem Ziel einzusetzen, herauszufinden, ob sich der massive Holzbalken auf der rechten, auf der linken oder im Zentrum eines handgehaltenen Messgeräts befindet.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von den Detektoren bzw. Sensoren des Stands der Technik, einen kapazitiven Sensor der eingangs genannten Art anzugeben, dessen Sensorcharakteristik derart ausgestaltet ist, dass der Sensor vorwiegend auf Dielektrika in einem begrenzten Intervall von Abständen relativ zum Sensor anspricht. D. h. dass die Sensorcharakteristik derart ausgestaltet werden soll, dass Signale, die von Dielektrika vermittelt werden, die sich außerhalb des begrenzten Ortsintervalls, das heißt bei deutlich kleineren oder deutlich größeren Abständen zu den Elektroden, befinden, zu einem merklich geringerem Signalausschlag führen, als Signale, die von innerhalb des Abstandsintervalls befindlichen Dielektrika vermittelt werden.
Insbesondere besteht die Aufgabe darin, den Sensor so zu konstruieren, das die Verteilung der Dielektrika in der nahen Umgebung der Sensorelektroden möglichst nur eine geringfügige Auswirkung auf die elektrischen Eigenschaften des Sensors hat, mit dem Ziel, dass dieser erst ab einem gewissen Mindestabstand merklich auf Objekte anspricht.
Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, einen derartigen Sensor insbesondere kostengünstig und mit möglichst geringen Anforderungen an Fertigungstoleranzen und kleinem Montageaufwand zu realisieren.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch einen Sensor zur Ortung metallischer Objekte mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteile der Erfindung
Die Aufgabe, einen Holzbalken aufzufinden, welcher hinter einer durchgehenden verdeckenden Fläche verborgen ist, erweist sich aus den folgenden Gründen als schwierig.
In der Regel befinden sich die Elektroden des kapazitiven Sensors im Innern eines handgehaltenen, insbesondere batteriebetriebenen Ortungsgerätes, welches über die Wandoberfläche bewegt werden kann.
Die Rückwirkung durch ein dielektrisches Objekt, d. h. im konkreten Anwendungsfall durch den Holzbalken, auf die Kapazität einer Elektrode ist im allgemeinen um so schwächer, je größer der Abstand des Objekts zu den Leiterflächen der Elektroden wird. Die Elektroden sind daher im typischerweise unmittelbar nahe der Unterseite des handgehaltenen Ortungsgerätes angebracht. Beispielsweise können diese als Kupferstruktur auf einer Leiterplatte ausgebildet sein, die in dem, der Wand zugewandten Teil des Gehäuses des Ortungsgeräts montiert ist.
Das sich um die Elektroden des Sensors ausbildende elektrische Feld greift zur Messung durch das verdeckende Baumaterial, z. B. eine Spanplatte oder Rigipsplatte, hindurch und auch in den Bereich hinein, indem sich möglicherweise ein Holzbalken befindet.
Wird der Balkendetektor in gleich bleibendem Abstand zum flächigen Oberflächenmaterial bewegt, so ergibt sich eine Veränderung der Eigenschaften des dielektrischen Sensors, sobald sich der zu findende Holzbalken in der Umgebung der Elektroden befindet.
Man nutzt dabei aus, dass das verdeckende flächige Baumaterial bezüglich seiner Dicke und seiner dielektrischen Eigenschaften näherungsweise homogen ist. D. h., bei Abwesenheit eines Holzbalkens ist bezüglich der elektrischen Eigenschaften des Sensors nur eine geringfügige Änderung beobachtbar, wenn der Sensor in gleich bleibendem Abstand über die Fläche bewegt wird. Erst wenn sich der kapazitive Sensor einem Bereich nähert, in dem sich ein Holzbalken befindet, wird eine merkliche Modifizierung der elektrischen Eigenschaften des Sensors beobachtet.
Im praktischen Einsatz besteht daher die Bedienung eines Balkensuchers aus dem Stand der Technik aus zwei separaten Schritten. In einem ersten Schritt wird dabei der Sensor auf einen Bereich der, Wand aufgesetzt, hinter dem kein Holzbalken vermutet wird. Dort wird ein sogenannter „Kalibrierungsvorgang" gestartet, in welchem die elektrischen Eigenschaften des Sensors bestimmt werden. In einem zweiten Schritt wird dann der Sensor über die Wandoberfläche bewegt, und währenddessen kontinuierlich die elektrischen Eigenschaften des Sensors ermittelt. Die Anwesenheit eines Holzbalkens wird dabei durch eine Veränderung der Messsignale erkannt, d. h. eine Veränderung der Signale, die sich im Vergleich zur Kalibrierungsmessung und der Messung nach Bewegung des Sensors ergibt.
Diese Aufteilung in „Kalibrierung" und „Messung" ist deswegen erforderlich, da die elektrischen Eigenschaften des Sensors durch das Wandmaterial weit stärker beeinflusst werden, als durch einen in größerem Abstand befindlichen Holzbalken.
So werden je nach Dielektrizitätskonstante (bzw. je nach flächigem Wandmaterial bzw. dessen Feuchtigkeit) und je nach Dicke des Wandmaterials stark unterschiedliche elektrische Eigenschaften beobachtet. Solange das Sensorsignal dominant von der Wandoberfläche beeinflusst wird und die Signalveränderungen, welche durch das zu suchende Objekt vermittelt werden, weit kleiner sind, kann auf den Kalibrierungsprozess nicht verzichtet werden.
Die Aufteilung in „Kalibrierung" und „Messung" ist insofern aber problematisch, als die Gefahr von Fehlbedienungen besteht. D. h. der Nutzer könnte das Gerät irrtümlich oberhalb eines der nicht sichtbaren Holzbalken kalibrieren und bekäme damit irreführende Messergebnisse oder müsste alternativ die Messung abbrechen und mit Kalibrierung an einem Ort wiederholen, einem Ort an dem sich kein Holzbalken hinter der Verkleidung befindet.
Der Kalibrierprozess selbst ist insofern ebenfalls problematisch, als er nur bei näherungsweise homogenen Wandoberflächen funktioniert. Zeichnet sich die Wandoberfläche, hinter der ein Holzbalken gesucht wird, dadurch aus, dass Dicke und/oder Dielektrizitätskonstante je nach Ort stark variieren, so kann eine dadurch hervorgerufene Änderung der elektrischen Eigenschaften des Sensors irrtümlich als Anwesenheit oder Abwesenheit eines Holzbalkens interpretiert werden.
Bei der Bedienung eines Balkensucher-Sensors nach dem Stand der Technik ist weiterhin zu beachten, dass die genaue Position des Sensors oberhalb des Wandmaterials einen großen Einfluss auf die Messsignale hat. Wird das Messgerät beispielsweise mit einem relativ großen Luftspalt oberhalb der zu untersuchenden Wandfläche verfahren, so ergeben sich durch den größeren Abstand zum flächigen Baumaterial andere Messsignale, als man bei einer analogen Messung bei kleinerem Luftspalt beobachten würde.
Um den Luftspalt möglichst genau konstant zu halten, ist es eine gängige Maßnahme, die Unterseite des Ortungsgeräts mit Filzgleitern zu versehen. Diese Filzgleiter stellen einen definierten, kleinen Abstand des Gehäuses des Ortungsgeräts zur Wandoberfläche sicher.
Zur Lösung des Problems mit variablem Luftspalt schlägt die US 2005/0200368 vor, den Sensorkopf, in dem sich die Elektroden des Ortungsgeräts befinden, mittels einer Feder definiert auf die Wandoberfläche aufzudrücken. Eine Fehlbedienung durch den Benutzer, welche z. B. daraus resultiert, dass der Balkensucher oberhalb der Wandoberfläche verkippt oder abgehoben wird, kann so entgegengesteuert werden.
Auf einen Balkendetektor bezogen, besteht die erfindungsgemäße Aufgabe somit darin, den Sensor möglichst wenig empfindlich auf eine Vergrößerung eines möglichen Luftspalts unterhalb des Messgerätes reagieren zu lassen und den Einfluss zu unterdrücken, den die Anwesenheit eines flächigen Wandmaterials unterhalb des Sensors hervorruft. Vielmehr sollen der Einfluss des flächigen Wandmaterials zugunsten des Einflusses eines in z. B. 2–3 cm Tiefe befindlichen Holzobjektes bewusst unterdrückt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist es für einen kapazitiven Balkensucher möglich, bewusst den Einfluss der Wandoberfläche oder des sich unterhalb des Gerätes befindlichen Luftspalts auf das Messsignal weitgehend zu unterdrücken. Dies gestattet insbesondere, auf aufwändige mechanische Vorrichtungen, wie beispielsweise die bekannte Anpressvorrichtung, zu verzichten.
Ein unmittelbarer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass auf diesem Weg eine tiefenselektive Detektionscharakteristik realisiert werden kann.
Dies wird dadurch erreicht, dass bei einem Sensor zur Ortung dielektrischer Objekte, insbesondere einem Balkendetektor zur Suche dielektrischer Objekte) hinter der Oberfläche von Bauwerkstoffen, der eine Mehrzahl von Elektroden aufweist, die ein Sendeelektroden-System sowie ein Empfangselektroden-System bilden, der Relativabstand der Elektroden, in Richtung orthogonal zur Messrichtung des Sensors so bemessen ist, dass die kapazitive Verkopplung der Koppelpfade zwischen Sendeelektroden-System und Empfangselektorden-System unterschiedliche Abhängigkeiten von der Distanz eines zu detektierenden Objekts zum Sensor aufweist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors sind eine Mehrzahl von Sendeelektroden sowie eine einzelne Empfangselektrode vorhanden.
Dabei kann der Abstand der Sendeelektroden, insbesondere der laterale Abstand, zu der Empfangselektrode unterschiedlich groß ausgestaltet ist. Der laterale Abstand bezeichnet dabei einen Abstand der Elektroden zueinander in einer Ebene, die im Wesentlichen senkrecht auf der Messrichtung des Sensors steht.
Darüber hinaus kann auch die jeweilige laterale Ausdehnung der Sendeelektroden unterschiedlich groß ausgebildet sein. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die laterale Ausdehnung der Sendeelektroden eine Funktion des Abstands der jeweiligen Sendeelektrode zu der Empfangselektrode ist und beispielsweise mit diesem Abstand zunimmt.
In einer vorteilhafter Ausführungsform kann die laterale Ausdehnung zumindest einer Sendelektrode und/oder ihr Abstand zur Empfangselektrode, im Wesentlichen gleich dem minimalen Abstand zwischen den Elektroden und der Oberfläche des zu vermessenden Mediums sein.
Um gezielt besonders empfindlich auf die Größe des Luftspalts zu sein, der sich zwischen dem Messgerät und der Wandoberfläche ausbildet, wird sowohl die Breite der Elektrode als auch der Abstand zur Empfangselektrode etwa gleich groß gewählt, wie der Abstand zwischen Elektroden und flächigem Wandmedium. Beide könnten beispielsweise typisch 1–4 mm betragen, wenn der Luftspalt rund 2 mm groß ist und die Elektroden rund 2 mm von der Wandoberfläche entfernt angeordnet sind.
Eine in einem großen lateralen Abstand von der Empfangselektrode befindliche Elektrode zeichnet sich dadurch aus, dass ihre kapazitive Kopplung an die Empfangselektrode sowohl vom Wandmaterial, vom Luftspalt zwischen der wand und dem Sensor als auch von einem tief liegenden Objekt beeinflusst wird. Zu diesem Zweck ist Ihr Abstand von der Empfangselektrode in der gleichen Größenordnung wie ihr Abstand zum aufzufindenden Objekt.
Weiterhin ist mit dem erfindungsgemäßen Sensor ein Nutzerbetrieb möglich, der ohne einen Kalibrierprozess auskommt, da das Messsignal nicht mehr dominant vom Wandmaterial beeinflusst wird, sondern der Sensor in erster Linie nur auf einen in größerer Tiefe d. h. hinter der Oberfläche befindlichen Gegenstand anspricht.
Bezogen auf einen kapazitiven Näherungsschalter besteht der Vorteil darin, selektiv Objekte nur in einem gegebenen Abstand zum Sensor zu detektieren und Objekte in anderer Entfernung auszublenden.
In vorteilhafter Weise ist zumindest eine aus einem Paar von Elektrodenelementen gebildet. Die die zwei Elektrodenelementen der Sendeelektrode können dabei insbesondere symmetrisch, und dabei bevorzugt symmetrisch zur Empfangselektrode angeordnet sein. Dies ermöglicht, eine achssymmetrische Empfangscharakteristik. Die achssymmetrische Anordnung weist den Vorteil auf, dass die sich ergebende Richtcharakteristik des Sensors symmetrisch zur Achse ist. Vorteilhafterweise wirken sich dann Verkippungen des Sensors um die Symmetrieachse weniger auf die Anzeigesignale aus, als wenn ein asymmetrisches System genutzt würde.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors ist zusätzlich zu dem Empfangselektrodensystem und dem Sendeelektrodensystem zumindest eine Abschirmelektrode vorhanden.
Werden das Sendeelektroden-System und Empfangselektorden-System flächig ausgebildet und beispielsweise in einer Ebene, insbesondere in einer Ebene einer Leiterplatte angeordnet, so kann vorteilhafter Weise die zumindest eine Abschirmelektrode in einer zweiten Ebene der Leiterplatte angeordnet werden.
Zweckmäßiger Weise wird die flächige Elektrodengeometrie zusammen mit der Abschirmfläche auf zwei unterschiedlichen Lagen einer konventionellen Leiterplatte angeordnet. In einem weiteren Teil der Leiterplatte können dann in vorteilhafter Weise beispielsweise die Bauelemente einer Ansteuer- und Auswerteschaltung untergebracht werden.
Weiterhin ist denkbar, auch noch beispielsweise eine zusätzliche, passive Elektrode vorzusehen, mit der beispielsweise nach extern eingekoppelten Wechselspannungspotentialen, z. B. 50 Hz oder 60 Hz, gesucht werden kann. So kann der Balkensucher als Zusatzfunktion auch spannungsführende Netzleitungen hinter der Wand erkennen.
Darüber hinaus ist es in vorteilhafter Weise zudem möglich, den erfindungsgemäßen Sensor in oder an einer Werkzeugmaschine zu integrieren, um ein gefahrloses und sicheres Arbeiten mit einer solchen Maschine zu ermöglichen. So kann der Sensor beispielsweise in einem Bohr- oder Meißelwerkzeug integriert werden oder als ein mit einem solchen Werkzeug verbindbares Modul ausgebildet sein. Als ein möglicher Einbauort für den erfindungsgemäßen Sensor bietet sich in vorteilhafter Weise auch eine Absaugevorrichtung für Staub an, die mit der Werkzeugmaschine verbunden ist, oder mit dieser verbindbar ist, und funktionsbedingt in der Nähe einer zu bearbeitenden Wand zum Einsatz kommt.
Der erfindungsgemäße Sensor wird in vorteilhafter Weise derart betrieben, dass einzelne Verkopplungspfade zwischen den Elektroden des Sendeelektroden-Systems und des Empfangselektrodensystem sequentiell jeweils mit einem Ansteuersignal IN_n beaufschlagt werden. Die sich aus den Ansteuersignalen IN_n ergebenden Ausgangssignale U_xyz erden dann mit Gewichtungsfaktoren F_xyz, insbesondere konstanten Gewichtungsfaktoren, versehen und durch Addition oder Subtraktion zu einem Gesamtsignal zusammengefasst werden.
Vorteilhaft ist es, wenn zumindest zwei Gewichtungsfaktoren F_xyz unterschiedliche Vorzeichen aufweisen.
Mit geringem Aufwand lässt sich ein Verfahren realisieren, bei dem eine lineare Gewichtung der Ausgangssignale U_xyz vorgenommen wird.
In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens für den Sensor werden einzelne Verkopplungspfade zwischen den Elektroden des Sendeelektrodensystem und Empfangselektrodensystem gleichzeitig, jedoch mit Ansteuersignalen IN_n unterschiedlicher Amplitude und Phase beaufschlagt werden.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. ein es nach diesem Verfahren arbeitenden Messgerätes ergeben sich aus der Nachfolgenden Zeichnung sowie der zugehörigen Beschreibung.
Zeichnung
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Sensors dargestellt, die in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden sollen. Die Figuren der Zeichnung, deren Beschreibung sowie die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln betrachten und zu weiteren, sinnvollen Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
1a den prinzipiellen Aufbau einer Sensorgeometrie eines Sensors zur Ortung dielektrischer Objekte nach dem Stand der Technik in einer stark vereinfachten, schematisierten Schnittansicht,
1b ein elektronisches Ersatzschaltbild für den Aufbau nach 1a,
2a ein Schnittbild durch ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Elektrodenanordnung aus dem Stand der Technik mit einem Messelektrodenpaar und einer Abschirmelektrode in einer vereinfachten, schematischen Darstellung,
2b ein elektronisches Ersatzschaltbild für den Aufbau nach 2a,
3 ein bekanntes Beispiel zur schaltungs-technischen Realisierung eines kapazitiven Sensors, mit einer Elektrodengeometrie analog zu 2,
4a ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung in einer schematischen Schnittbild-Darstellung,
4b ein elektronisches Ersatzschaltbild für den Aufbau nach 4a,
5 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ansteuer- und Auswerteschaltung für einen kapazitiven Sensor mit einer Elektrodenkonfiguration analog zu 4,
6 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ansteuer- und Auswerteschaltung für einen kapazitiven Sensor mit einer Elektrodenkonfiguration analog zu 4,
7 ein alternatives Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung in einer schematischen Aufsicht-Darstellung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Zur Illustration der Erfindung werden im Folgenden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Sensors beschrieben. Die Erfindung und insbesondere die Verwendung von mehreren Erreger-Elektroden ist dabei jedoch in keiner Weise auf die Verwendung bei Balkensuchern beschränkt, sondern kann ebenfalls bei anderen Anwendungsfällen für kapazitive Sensoren zum Einsatz kommen.
Im Folgenden wird zunächst anhand eines Beispiels der Stand der Technik beschrieben (1 bis 3), um dann im nächsten Schritt detailliert zu erläutern, wie die oben beschriebene technische Aufgabe mit Hilfe der Erfindung gelöst wird. 1 und 2 zeigen in einer schematisierten Schnittbild-Darstellung das Funktionsprinzip eines kapazitiven Balkensensors. Zwei Messelektroden (101, 102, 201, 203) sind oberhalb eines flächigen Baumaterials (103) platziert. In 1a und 2a befindet sich unterhalb der Sensorelektroden (101, 102, 201, 203) ein eingeschlossener Gegenstand, beispielsweise ein Holzblock (104).
Praktisch wichtige Materialien für das flächige Baumaterial (103) sind beispielsweise u. a. Rigips, Spanplatte sowie Hartfaserplatten, deren Dicke beim praktischen Einsatz auf Baustellen zwischen rund 1 cm bis rund 3 cm variiert. Typische relative Dielektrizitätskonstanten dieser Materialien liegen bei Werten zwischen 1,5 und 6. Die typische relative Dielektrizitätskonstante massiver Holzblöcke liegt zwischen 2 und 4, je nach Feuchtigkeit und Holztyp.
Bei Anliegen einer Potentialdifferenz zwischen den Messelektroden kommt es zu einer kapazitiven Kopplung bzw. Verkopplung dieser Elektroden, so dass sich zwischen ihnen ein elektrisches Feld ausbildet, welches einen Kopplungspfad darstellt. Die Größe der Messelektrodenpaare (101, 102) bzw. (201, 203) ist so bemessen, dass sich das zwischen ihnen bei Potentialdifferenzen ausbildende elektrische Feld in das Wandmaterial und ebenfalls in einen gegebenenfalls vorhandenen Holzblock eingreift. Es entsteht somit ein Koppelpfad für elektrische Signale, ausgehend von der Sendeelektrode in den vor der Elektrode liegenden Halbraum und damit gegebenenfalls auch in ein zu untersuchendes Medium, hin zu einer Empfangselektrode. In den 1a, 2a und 4a ist der Verlauf der elektrischen Feldlinien, der im Wesentlichen diesen Koppelpfad markiert, mittels der Kreisbogensegmente stark schematisiert eingezeichnet. Der genaue Verlauf der Feldlinien und damit der jeweilige Kopplungspfad hängt stark von der Dielektrizitätskonstante der verschiedenen, vom Feld durchlaufenen dielektrischen Medien ab. Insbesondere verlaufen die Feldlinien in der Praxis nicht exakt entlang von Kreisbogensegmenten, die hier nur zur Illustration verwendet wurden. Trotz der stark vereinfachenden Darstellung kann jedoch eine wesentliche Eigenschaft kapazitiver Sensoren von der schematischen Darstellung auf die sich real ausbildende Feldverteilung übertragen werden:
Die Eindringtiefe der Feldlinien in ein unterhalb der Elektroden befindliches Dielektrikum hängt direkt mit dem Relativabstand zwischen den beiden Elektroden (101, 102), (201, 203) zusammen. Weit auseinander liegende Elektroden vermitteln Verschiebeströme entlang von Feldlinien, die auch in größerem Abstand zur Elektrodenebene verlaufen, als nahe beieinander liegende Elektroden.
Die beiden Elektroden aus 1a können in einem elektrischen Ersatzschaltbild, wie dies in 1b gezeigt ist, als Kondensator aufgefasst werden, bei dem die Kondensatorplatten durch die beiden flächigen Elektroden gebildet werden.
Das Vorhandensein oder nicht Vorhandensein eines dielektrisch wirkenden Holzblocks (104) wirkt sich dabei durch eine Veränderung der Kapazitiät aus und kann daher elektrisch gemessen werden.
Ein Sensor mit nur zwei wirksamen Elektroden (Beispiel der 1) hat im Vergleich mit einem Sensor mit einer dritten Elektrode (202) (Beispiel der 2) den Nachteil, dass das elektrisch wirksame Feld sich sowohl oberhalb als auch unterhalb der Elektrode ausbildet. Dies ist beim Einsatz in einem handgehaltenen Ortungsgerät von Nachteil, da z. B. der Handgriff oberhalb der Elektroden befindlich sein kann und die Stellung der Hand Auswirkungen auf das Messergebnis haben kann. Durch Einführen einer Abschirmelektrode (202), wie dies in 2 dargestellt ist, kann dem entgegengewirkt werden und die Ausbreitung des elektrischen Feldes auf die Unterseite des Ortungsgeräts begrenzt werden. Im Ersatzschaltbild 2b ist dann die zusätzliche Kopplung des Messelektrodenpaars (201, 203) an diese Schirmelektrode (202) zu berücksichtigen, wie dies ebenfalls in dem symbolischen Schaltplan der 2b angedeutet sein soll..
Wie eine Ansteuer- und Auswerteschaltung für einen Sensor analog zu 2 in der Praxis aussehen kann, ist in 3 skizziert.
Um eine Veränderung der zwischen den Messelektroden (201) und (203) wirksamen Kapazität messen zu können, wird mittels einer Spannungsquelle ein Wechselspannungssignal (302) auf eine der beiden Elektroden aufgeschaltet. Wird beispielsweise ein rechteckförmiges Anregungssignal (302) verwendet, so ist es ggf. vorteilhaft, mittels eines passiven Netzwerks (303) Oberwellen tendenziell wegzuglätten, bevor sie auf die Elektroden aufgeschaltet werden.
Die Verwendung eines rechteckigen Quellsignals (302) kann dabei deswegen vorteilhaft sein, weil es schaltungstechnisch mit Hilfe von preisgünstigen Digital-Baugruppen sehr frequenzstabil realisiert werden kann.
Das kapazitive Netzwerk (306) entspricht den drei in 2a skizzierten Elektroden, bzw. dem elektronischen Ersatzschaltbild in 2b, wobei die Schirmelektrode auf Massepotential gelegt wird. Über den Kopplungspfad zwischen den beiden Messelektroden (201) und (203) fließt bei Anlegen einer Wechselspannung ein Verschiebestrom, welcher an einem hochohmigen Lastwiderstand (305) einen Spannungsabfall hervorruft, der in einem Messverstärker (301) mit hoher Eingangsimpedanz abgegriffen und verstärkt wird.
Eine Veränderung der zwischen den beiden Messelektroden wirksamen Kapazität kann dann durch eine Veränderung der Spannung am Ausgang des Messverstärkers erkannt werden. D. h. das Vorhandensein oder nicht Vorhandensein eines massiven Objekts (104) unterhalb des Sensors äußert sich in variierenden Spannungen am Ausgang des Messverstärkers (301) und kann so erkannt und angezeigt werden.
Aus den in den 1a und 2a stark schematisierten Verläufen der Feldlinien zwischen den beiden Messelektroden kann abgelesen werden, dass der Großteil des Verschiebestroms durch Feldlinien vermittelt wird, welche nicht durch das zu suchende Objekt (104) verlaufen, sondern vielmehr durch das flächige Wandmaterial (103), welches sich in geringerem Abstand zu den Elektroden befindet. Eine Veränderung der Dicke oder der Dielektrizitätskonstante dieses Wandmaterials (103) hat aus diesem Grund einen weit größeren Einfluss auf die Spannung am Ausgang des Messverstärkers (301) als die Anwesenheit eines entfernteren und ggf. auch kleineren Objekts (104).
Wenn vorhanden, bewirkt in der Praxis auch eine Vergrößerung oder Verkleinerung des Luftspalts unterhalb der Elektroden eine bedeutsame Spannungsänderung am Ausgang des Messverstärkers (301). Dies ist praktisch deswegen bedeutsam, weil während der Suche nach einem Holzbalken, d. h. während der Sensor über die Wandoberfläche (103) verschoben wird, es leicht vorkommen kann, dass der Sensor verkippt, oder leicht abgehoben wird. Die Signalveränderung, welche sich durch Anwesenheit des gesuchten Objekts (104) ergibt, wird dann durch die Signalveränderung durch variierenden Luftspalt überdeckt.
Diesen beiden wesentlichen Störeffekten kann mit der in 4 skizzierten vorteilhaften Elektrodenkonfiguration der Erfindung entgegengesteuert werden. Das ursprüngliche Paar von Sensorelektroden wird hier ersetzt durch eine Mehrzahl von Messelektroden. Unterschieden werden können dabei zwei separate Elektrodensysteme:
Einerseits ein Sendesystem, welches im Ausführungsbeispiel von 4 durch die drei Elektroden (401), (402) und (403) gebildet wird, und ein Empfangselektrodensystem, welches im Beispiel der 4 durch eine einzelne Elektrode (404) gebildet wird. Es ergeben sich somit ausgehend von einer jeden Sendeelektrode verschiedene Koppelpfade hin zu der Empfangselektrode.
Betrachtet man die Elektroden (401), (402) und (403), so unterscheiden sie sich durch ihren Relativabstand zur Empfangselektrode (404) und ihre Größe. Die Sendeelektrode (403) befindet sich nahe bei der Empfangselektrode (404). Für die sich zwischen diesen beiden Elektroden ausbildende Kapazität ist insbesondere der Feldverlauf innerhalb des Luftspalts zwischen der Elektrodenoberfläche und der Oberfläche der Wand bzw. innerhalb der oberen Schichten des Wandmaterials (103) wichtig. Die kapazitive Kopplung zwischen diesen beiden direkt benachbarten Elektroden wird praktisch nicht durch das Vorhandensein des Objekts (104) beeinflusst, da der Relativabstand zwischen dem Objekt (104) und diesen Elektroden zu groß ist. Aus dem gleichen Grund ist für die kapazitive Kopplung dieses Elektrodenpaars die Dicke des flächigen Wandmaterials (103) nicht bedeutsam.
Eine Vergrößerung des Luftspalts zwischen Elektroden und Wandmaterial hat demgegenüber eine große Auswirkung auf die kapazitive Kopplung, genauso wie eine Veränderung der Dielektrizitätskonstante des Wandmaterials.
Um gezielt besonders empfindlich auf die Größe des Luftspalts zu sein, der sich zwischen dem Messgerät und der Wandoberfläche ausbildet, wird sowohl die Breite der Elektrode (403) als auch der Abstand zur Empfangselektrode (404) etwa gleich groß gewählt, wie der Abstand zwischen Elektroden und flächigem Wandmedium (103). Beide könnten beispielsweise typisch 1–4 mm betragen, wenn der Luftspalt rund 2 mm groß ist und die Elektroden rund 2 mm von der Wandoberfläche entfernt angeordnet sind.
Die in einem großen Abstand von der Empfangselektrode (404) befindliche Elektrode (401) zeichnet sich demgegenüber dadurch aus, dass ihre kapazitive Kopplung an die Empfangselektrode (404) sowohl vom Wandmaterial (103), vom Luftspalt als auch von einem tief liegenden Objekt (104) beeinflusst wird. Zu diesem Zweck ist Ihr Abstand von der Empfangselektrode (404) in der gleichen Größenordnung wie ihr Abstand zum aufzufindenden Objekt (104). Zum Beispiel könnte der Abstand der Elektrodenmittelpunkte von Elektrode (401) und (404) rund 2–6 cm betragen, wenn Objekte in rund 1–4 cm Tiefe aufgefunden werden sollen. Für die Kopplung an die Elektrode (404) ist der Einfluss des Luftspalts deutlich geringer als für die Elektrode (403), da das Feld zu wesentlichen Teilen im dielektrischen Medium der Wand oder ggf. auch in der Luft unterhalb der Wand geführt wird.
Die Elektrode (402), welche sich in einem mittleren Abstand zur Empfangselektrode (404) befindet, zeichnet sich dadurch aus, dass ihre kapazitive Kopplung an die Elektrode (404) praktisch nur vom flächigen Wandmaterial (103) und der Größe des Luftspalts abhängt und nicht von der Existenz eines tiefliegenden Objekts (104) modifiziert wird. Bezüglich der relativen Stärke des Ansprechens auf eine Vergrößerung oder Verkleinerung des Luftspalts zwischen Elektrode und Wandoberfläche liegt diese Elektrode zwischen der inneren (403) und der äußeren (401) Elektrode. Der typische Abstand dieser Elektrode (402) kann mit dem Ziel gewählt werden, dass sie möglichst nur auf die Eigenschaften des Wandmaterials (103) ansprechen soll. Ein zu kleiner Abstand von der Empfangselektrode (404) ist somit zu vermeiden, da sonst der Einfluss einer Vergrößerung des Luftspalts besonders stark werden würde. Andererseits sollte der Abstand zur Empfangselektrode (404) hinreichend klein sein, dass das sich zwischen ihnen ausbildende elektrische Feld nur in vernachlässigbarer Weise in ein tiefer liegendes Holzobjekt (104) eingreift. Bei einer typischen Dicke des Wandmediums (103) von 1–3 cm wird die Größe der Elektrode (402) und ihr Abstand von der Empfangselektrode (404) ebenfalls etwa 1–4 cm betragen.
Das Elektrodenensemble aus 4 wird komplettiert durch eine Schirmelektrode (405), welche oberhalb des Sende- und Empfangselektrodensystems angeordnet ist. Vernachlässigt man die kapazitiven Verkopplungen innerhalb des Sende- und innerhalb des Empfangs-Elektrodensystems, so ergibt sich das in 4b skizzierte elektrische Ersatzschaltbild, wobei die vier unteren Kondensatoren die Kopplung der Empfangs- und Sendeelektroden an die Abschirmfläche (405) beschreiben und die oberen drei Kondensatoren die kapazitiven Verkopplungen der einzelnen Sendeelektroden an die Empfangselektrode (404) beschreiben.
Für die Erfindung ist dabei wesentlich, dass aufgrund der geometrischen Auslegung des Sende- und Empfangselektrodensystems sich die Störsignale und Messsignale unterschiedlich auf die kapazitiven Kopplungen der einzelnen Elektroden auswirken. Dies bereitet die Basis für eine Unterscheidung zwischen Kapazitätsänderungen, wie sie z. B. durch eine Vergrößerung des Luftspalts verursacht werden und Kapazitätsänderungen, wie sie durch die Anwesenheit eines zu suchenden Objekts (104) verursacht werden können. Dies ermöglicht es dann in vorteilhafter Weise, den Sensor gezielt auf Objekte in größerer Tiefe ansprechen zu lassen.
5 zeigt schematisch, wie eine Ansteuerschaltung für die Elektrodengeometrie aus 4 in der Praxis aussehen kann. Das aus 3 bekannte eine Ansteuersignal (302) ist hier durch drei unabhängige Ansteuersignale (503, 504, 505) ersetzt, die im Folgenden mit IN₁, IN₂ und IN₃ bezeichnet werden sollen.
Für die praktische Realisierung ist es oft günstig, als Ansteuersignale Rechteck-Signalformen zu verwenden, da diese mit preisgünstigen Digital-Baugruppen erzeugt werden können. Diese werden mittels eines passiven Netzwerkes anschließend geglättet und auf die drei Erregerelektroden aufgeschaltet. Die Elektrodenanordnung (506) entspricht dem Aufbau nach 4a und somit im Wesentlichen dem Ersatzschaltbild der 4b, Das elektrische Feld greift dementsprechend über verschiedene Koppelpfade in ein zu untersuchendes Medium ein. Der sich in Summe am hochohmigen Lastwiderstand (502) ergebende Verschiebestrom, welcher durch die kapazitive Kopplung zwischen Empfangs- und Erreger-Elektrodensystem vermittelt wird, verursacht eine Signalspannung am Eingang eines hochohmigen Messverstärkers (501), welche anschließend digital oder analog ausgewertet werden kann.
Die technische Idee der Erfindung liegt in der Existenz von mehreren, unabhängigen Verkopplungspfaden, welche sich jeweils durch eine unterschiedliche Tiefencharakteristik auszeichnen. Führt man diese Informationen geeignet zusammen, so ist es möglich, ein tiefenselektives Gesamtsignal zu erzeugen.
Eine Möglichkeit für dieses Zusammenführen besteht darin, in einem sequentiellen Verfahren jeweils eines der Ansteuersignale IN₁, IN₂ und IN₃ aus 5 aktiv zu schalten und die Verkopplung der zugehörigen Erregerelektrode (401, 402, 403) mit der Empfängerelektrode (404) separat zu vermessen, beispielsweise indem das Ausgangssignal des Verstärkers (501) digitalisiert und gespeichert wird. Die sich für die drei nacheinander aktivierten Eingangssignale (503, 504, 505) ergebenden, sequentiell gemessenen Ausgangssignale können dann mit passend gewählten, vorzugsweise konstanten, Gewichtsfaktoren bewertet und durch Addition bzw. Subtraktion zu einem Gesamtsignal zusammengefasst werden. Das zusammengefasste Ergebnissignal ergibt sich dann aus einer, beispielsweise linearen Überlagerung der drei Einzelsignale.
Mit dem Ziel, beispielsweise den Einfluss des Luftspalts herauszurechnen, kann die Gewichtung derart durchgeführt werden, dass die äußere (401) und innere (403) Erregerelektrode mit einem Gewichtungsfaktor gleichen Vorzeichens bewertet werden, und die mittlere Erregerelektrode (402) mit einem Gewichtungsfaktor des anderen Vorzeichens. Die mittlere Elektrode weist prinzipbedingt eine schwächere Abhängigkeit von der Größe des Luftspalts auf als die innere Elektrode (403), jedoch eine größere als die äußere Elektrode (401). Linearisiert man den Zusammenhang, der die Größe des Luftspalts mit der am Messverstärker abgegriffenen Ausgangsspannung verknüpft, bzw. approximiert man diesen durch eine Gerade, so ergeben sich für die unterschiedlichen Erregerelektroden unterschiedliche Steigungen.
Wählt man die Gewichtungsfaktoren für die Elektroden passend, so kann eine Situation hergestellt werden, dass sich für die mit gleichem Vorzeichen bewerteten Elektroden (401) und (403) in Summe ein betraglich gleicher Einfluss einer Vergrößerung des Luftspalts ergibt, wie für die mittlere Erregerelektrode (402).
Konkret bedeutet dies, dass sich beispielsweise bei Vergrößerung des Luftspalts der Betrag der Verkopplung und somit das am Messverstärker (501) abgegriffene Ausgangssignal für die Erregerelektrode (402) um einen gegebenen Spannungspegel dU₄₀₂ verringert.
Ebenfalls verringert sich die zu den Elektroden (401) und (403) zugehörige Ausgangsspannung am Messverstärker dU₄₀₁ und dU₄₀₃. Die drei Spannungen können nun derart mit Gewichtungsfaktoren F_xyz (F₄₀₁, F₄₀₂, F₄₀₃) beaufschlagt werden, dass die Summengröße ΔS mit ΔS = F401·dU401 + F402·dU402 + F403·dU403 sich bei Veränderung der Größe des Luftspalts nicht, oder nicht merklich verändert. Dies gelingt insbesondere, wenn die Gewichtsfaktoren unterschiedliche Vorzeichen aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es z. B., wenn F₄₀₂ einerseits und F₄₀₁ und F₄₀₃ andererseits unterschiedliches Vorzeichen aufweisen.
Bei gegebener Elektrodengeometrie sind die drei vorzeichenbehafteten Wichtungsfaktoren F₄₀₁, F₄₀₂ und F₄₀₃ im Prinzip frei wählbar. Sieht man von einer Absolutskalierung aller drei Faktoren ab, so verbleiben somit zwei Freiheitsgrade bei der Auswahl von F₄₀₁, F₄₀₂ und F₄₀₃. Diese Freiheitsgrade können so genutzt werden, dass bis zu zwei Stör-Effekte kompensiert werden. Beispielsweise können die Faktoren zunächst so gewählt werden, dass, wie oben beschrieben, die Abhängigkeit des Summensignals S von der Größe des Luftspalts zwischen den Elektroden und der Oberfläche eines zu vermessenden Mediums minimiert wird. Es verbleibt jedoch weiterhin ein Freiheitsgrad bei der Wahl der Wichtungsfaktoren. Dieser kann dazu genutzt werden, beispielsweise den Einfluss einer Veränderung der Dielektrizitätskonstante des flächigen Wandmaterials (103) auf das Summensignal S zu unterdrücken.
Ein derart generiertes Summensignal ΔS ist hervorragend als Indikator für die Anwesenheit von Holz (104) in größerer Tiefe hinter der Wandoberfläche (103) geeignet: Es weist nur eine geringe Abhängigkeit von der Größe des Luftspalts zwischen Elektroden und Oberfläche auf und reagiert nur wenig auf eine Veränderung der Dielektrizitätskonstanten des flächigen Wandmaterials. Das Summensignal reagiert somit selektiver auf die Anwesenheit von Objekten in größerer Tiefe, d. h. hinter dem Oberflächenmaterial (103), als es beispielsweise die isolierte Betrachtung des Signals der äußeren Erregerelektrode (401) ergeben würde.
Bisher wurde die Bewertung der einzelnen Elektrodensignale innerhalb eines sequentiellen Verfahrens beschrieben, bei dem nacheinander bei mehreren Erregerelektroden jeweils einzelne Spannungspegel eingekoppelt wurden und an einer gemeinsamen Empfängerelektrode ein Messsignal abgegriffen wurde. Es ist naturgemäß ebenso möglich, Empfängerseite und Erregerseite zu vertauschen und z. B. die bisherige Empfängerelektrode (404) zur Erregerelektrode umzufunktionieren und mit einem Wechselspannungssignal zu beaufschlagen. Messgrößen wären dann die sich durch die kapazitive Verkopplung an den bisherigen Erregerelektroden (401), (402) und (403) ergebenden Spannungen. Nachteil von der Umkehr von Sende und Empfangsseite wäre dabei ggf. die Notwendigkeit einer Mehrzahl von Messverstärkern.
Da die Umkehr des Signalpfades auf die Vorteile der Erfindung keinen Einfluss hat, soll im Folgenden, wenn Bezug auf Empfänger und Erreger-Elektroden genommen wird, die Umkehrung des Signalpfades, als implizit mit beschrieben aufgefasst werden.
Die Existenz von verschiedenen kapazitiven Verkopplungspfaden im erfindungsgemäßen Sensor, insbesondere solchen Verkopplungspfaden mit jeweils unterschiedlicher Tiefencharakteristik, ist in Kombination mit der Zusammenführung der jeweiligen Einzelsignale dieser Verkopplungspfade zu einem Gesamtsignal ΔS daher von großem Vorteil. Diese Zusammenführung kann wie oben skizziert durch sequenzielle Messung und digitale, rechnerische Verknüpfung erfolgen. Besonders vorteilhaft ist dabei eine lineare Verknüpfung der sich sequentiell ergebenden Einzelmesswerte. (Eine exaktere Kompensation wird im Allgemeinen nur eine nichtlineare rechnerische Verknüpfung der Einzelmesswerte ergeben, in der Praxis lassen sich jedoch auch mit weniger aufwändigen linearen Approximationen gute Resultate erzielen.)
Bei einer solchen linearen Verknüpfung der Messgrößen der jeweiligen Einzelelektroden ist es ggf. vorteilhaft, die sequenzielle Messung, Speicherung und anschließend rechnerische Zusammenfassung durch eine zeitgleich erfolgende Messung und Verknüpfung zu realisieren. Dies kann dadurch realisiert werden, dass die rechnerische Summation der oben eingeführten Gleichung ΔS = F401·dU401 + F402·dU402 + F403·dU403 durch eine analoge Spannungssummation realisiert wird. 6 zeigt eine Modifikation von 5, in der dies erfindungsgemäß realisiert ist.
Zu diesem Zweck werden die drei Erregersignale (503) IN₁, IN₂ und IN₃ gemäß 5 bei der Ausführungsform gemäß 6 durch ein einzelnes, beispielsweise digitales Erregersignal (703) mit der Frequenz f ersetzt.
In der Schaltung wird ein zu diesem Erregersignal um 180° phasenverschobenes synchrones zweites Erregersignal (704) erzeugt. Das Netzwerk (710) entspricht analog zum Netzwerk (506) dem erfindungsgemäßen Elektrodensystem (401, 402, 403, 404, 405) aus 4.
Die Amplitude der an den Elektroden (401) bis (403) wirksamen Spannung kann durch geeignete Wahl von kapazitiven oder resistiven Spannungsteilern (708, 707) vorgewählt werden. Die an der Empfängerelektrode (404) abgegriffene Spannung wird bei Ansteuerung von mehr als einer Erreger-Elektrode durch die Summe der einzelnen überkoppelnden Spannungen gebildet. Dies entspricht der Summenbildung der drei Einzelterme in der oben stehenden Gleichung.
Die Ansteuerung der verschiedenen Erreger-Elektroden mit Spannungen unterschiedlich hohen Betrags kommt dann einer Wichtung mit einem frei wählbaren Wichtungsfaktor gleich, analog zu den Faktoren F₄₀₁, F₄₀₂ und F₄₀₃ aus der oben stehenden Gleichung. Eine Subtraktion von Elektrodensignalen kann dadurch realisiert werden, dass einzelne Erregerelektroden mit Signalen gleicher Frequenz aber um 180° verschobener Phasenlage (704) angesteuert werden.
Der Vorteil bei Ansteuerung der einzelnen Erreger-Elektroden mit Spannungen jeweils unterschiedlicher Amplitude und Phase besteht darin, dass nur ein einzelner Messverstärker (701) erforderlich ist, und am Ausgangssignal des Messverstärkers (701) unmittelbar das summierte Messsignal ΔS verfügbar ist.
Zum Zweck einer internen Kalibrierung kann es hilfreich sein, den Verstärkungsfaktor und eine ggf. auftretende Phasenverschiebung des Messverstärkers (701) bestimmen zu können. Zu diesem Zweck ist es möglich, zusätzlich zum Haupt-Erregersignal (703) ein weiteres unabhängiges Erregersignal (713) über ein Referenzpfad-Netzwerk (712) auf den Eingang des Messverstärkers aufzuschalten. Die kapazitive Kopplung vom Referenzsignal (713) auf den Eingang des Messverstärkers erfolgt in diesem Fall nicht über Elektroden, sondern über übliche passive Bauelemente (712).
Bei der Fertigung des kapazitiven Detektors im Werk wird die kapazitive Kopplung vom Referenz-Signal (713) auf den Eingang des Messverstärkers (701) über den Referenzpfad vermessen und der Messwert in einem nichtflüchtigen Speicher abgelegt. Während dieser Messung wird das Erregersignal (703) abgeschaltet.
Unmittelbar vor der Nutzung des kapazitiven Sensors wird diese Messung erneut wiederholt. Über einen Vergleich der originalen Messung bei Fertigung des Sensors im Werk mit der kurz vor dem Messbetrieb wiederholten Vermessung des Referenzsignals ist es möglich, Drift und Alterung des Messverstärkers zuverlässig zu erkennen und ggf. die Ausgangssignale des Messverstärkers rechnerisch zu kompensieren. Dies ist insbesondere deswegen interessant, weil dann innerhalb des Messverstärkers driftanfälligere und kostengünstigere Schaltkreise verwendet werden können, ohne die Messleistung des kapazitiven Sensors negativ zu beeinträchtigen.
Weiterhin zeigt 6 auch ein weiteres Anpassnetzwerk (711), welches mittels eines Koppelkondensators C_COMP, welcher beispielsweise als gewöhnliches passives Bauteil realisiert werden kann, ebenfalls ein Signal auf den Eingang des Messverstärkers einkoppelt. Amplitude und Phase dieses Kompensationssignals sind so bemessen, dass sich unter Berücksichtigung der über die Elektrodenflächen einkoppelnden Signale beim Einsatz des kapazitiven Sensors ein möglichst kleines Spannungssignal am Eingang des Messverstärkers ausbildet. Dieses Kompensationsnetzwerk ist gewissermaßen zur Kompensation des Offsets des Sensors vorgesehen und dient dazu, Übersteuerungen im Messverstärker (701) zu vermeiden.
Die 1, 2 und 4 zeigen mögliche Anordnungen der Elektroden in einer schematischen Schnittdarstellung. 7 zeigt demgegenüber, ein konkretisiertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektrodengeometrie in einer Aufsicht. Die Empfängerelektrode (601) entspricht dabei der Elektrode (404) gemäß der Darstellung der 4. Die Erregerelektroden (602), (603), (604) sind hier halbkreisförmig in unterschiedlichem Abstand zur Empfängerelektrode (601) derart angeordnet, dass sie jeweils einen unterschiedlichen lateralen Abstand zur Empfängerdiode besitzen. Die Elektroden (602) bis (604) bestehen dabei jeweils aus einem paarweise rechts und links von einer Symmetrieachse (606) angeordneten Elektrodenpaar, welches elektrisch über Leitungen verbunden ist. Die Sender- oder Erregerelektroden (602), (603), (604) bilden damit ein zur Achse (606) spiegelsymmetrisches System.
In vorteilhafter Weise ist die Elektrodengeometrie des erfindungsgemäßen Sensors spiegelsymmetrisch zu einer Mittenachse (606) ausgebildet. Dies ermöglicht, eine achssymmetrische Empfangscharakteristik. Die achssymmetrische Anordnung gemäß 7 weist den Vorteil auf, dass die sich ergebende Richtcharakteristik des Sensors symmetrisch zur Achse ist. Vorteilhafterweise wirken sich dann Verkippungen des Sensors um die Symmetrieachse (606) weniger auf die Anzeigesignale aus, als wenn ein asymmetrisches System genutzt würde.
Im Ausführungsbeispiel der 7 sind das Sendeelektroden-System (602, 603, 604, 605) und Empfangselektorden-System (601) flächig ausgebildet und liegen in einer Ebene (607). Die Ebene wird dabei gebildet durch eine Oberfläche einer Leiterplatte.
In Ergänzung zur Ausführungsform gemäß 4 zeigt 7 eine vierte Erregerelektrode (605), welche mit dem Ziel genutzt werden kann, bewusst Objekte in noch größerem Abstand, beispielsweise bei einer Tiefe von ca. 10 cm auszublenden. Zu diesem Zweck ist diese Elektrode beispielsweise ca. 7–15 cm von der Empfängerelektrode (601) entfernt und wird zweckmäßiger Weise mit der gleichen Phasenlage betrieben, mit der die mittlere Elektrode (402) aus 4 angesteuert wird.
Auf der der Seite (607) des Detektionsbereichs und damit der zu untersuchenden Wand abgewandten Seite der Elektroden, d. h. beispielsweise auf der Unterseite einer entsprechenden Platine, befindet sich eine, in 7 nicht eingezeichnete, flächige Abschirmlage, welche bezüglich der Elektroden des kapazitiven Sensors auf Massepotential liegt und analog zu Elektrode (405) zu betrachten ist. Auf diese Elektrode kann gegebenenfalls auch verzichtet werden, mit dem Nachteil, dass dann die Empfindlichkeit des kapazitiven Sensors sich nicht auf den Bereich unterhalb des Sensors beschränkt.
Zweckmäßiger Weise wird die flächige Elektrodengeometrie zusammen mit der nicht gezeigten Abschirmfläche auf zwei unterschiedlichen Lagen einer konventionellen Leiterplatte angeordnet. Im unteren Teil der Leiterplatte aus 7 könnten beispielsweise die Bauelemente einer Ansteuer- und Auswerteschaltung untergebracht werden.
Weiterhin ist denkbar, im Inneren des von den Elektroden gebildeten Halbkreises nach 7 noch eine zusätzliche, passive Elektrode (608) vorzusehen, mit der beispielsweise nach extern eingekoppelten Wechselspannungspotentialen, z. B. 50 Hz oder 60 Hz, gesucht werden kann. So kann der Balkensucher als Zusatzfunktion auch spannungsführende Netzleitungen hinter der Wand erkennen.
Es kann bezüglich der Funktion des kapazitiven Sensors hilfreich sein, diese ggf. hinzugefügten Zusatzelektroden auf Massepotential zu legen. Beispielsweise ist dies dadurch möglich, dass die Messung der kapazitiven Verkopplungen des erfindungsgemäßen Sensors bei einer Messfrequenz f erfolgt, und die Zusatzelektroden oder auch die Abschirmelektroden für diese Frequenz f auf Massepotential gelegt werden. Dies kann dadurch realisiert werden, dass ein passiver LC-Serienschwingkreis mit Resonanzfrequenz f verwendet wird, um Massepotential und Zusatzelektrode elektrisch zu verbinden. Bezüglich der Messfrequenz f ergibt sich somit eine niederimpedante Verbindung der Zusatzelektrode zur Masse, während sich bei der Wechselspannungs-Suchfrequenz (z. B. 50 oder 60 Hz) weiterhin eine hochohmige Verbindung ergibt. Alternativ zu schmalbandigen LC-Filtern können auch einfachere RC-Filter zum Einsatz kommen, mit dem Nachteil, dass diese Filter auch die bei Wechselspannungs-Suchfrequenzen auf der Zusatzelektrode eingekoppelten Signale in gewissem Maße dämpfen werden.
In vorteilhafter Weise lässt sich auch eine Kombination des kapazitiven Sensors mit einem nahebei angeordneten Metalldetektor realisieren.
Soll der kapazitive Sensor mit einem induktiven Sensor kombiniert werden, so ist es vorteilhaft, die Elektrodenstrukturen nicht flächig, sondern vielmehr aus vielen getrennten und möglichst dünnen Einzelleitern auszubilden, beispielsweise durch kammartige oder mäanderartige Strukturen, die im mathematischen Sinn eine einfach zusammenhängende Fläche ausbilden. Auf diese Weise kann das Ausbilden größerer Stromschleifen innerhalb der kapazitiven Elektroden effektiv unterbunden werden, und somit vermieden werden, dass die Empfindlichkeit eines in der Nähe des kapazitiven Sensors befindlichen induktiven Sensors beeinträchtigt wird. Der Ersatz der zusammenhängenden Flächen durch Mäanderstrukturen beeinträchtigt dabei die Funktion des kapazitiven Sensors in keiner Weise.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Verwendung einer Mehrzahl von Elektroden, die sich dadurch auszeichnen, dass ihr Relativabstand so bemessen ist, dass ihre kapazititive Verkopplung jeweils eines einzelnen Koppelpfades, welcher durch ein Elektrodenpaar gebildet wird, eine unterschiedliche Abhängigkeit von der Distanz eines zu detektierenden Objekts zum Sensor aufweist. Wesentlich ist weiterhin, dass in einem zweiten Schritt die kapazitiven Verkopplungen der Elektroden derart zu einem Gesamtsignal S zusammengefasst werden, dass sich eine selektive Tiefenempfindlichkeit ausbildet.
Der erfindungsgemäße Sensor mit seinen zuvor dargelegten Vorteilen ermöglicht ein zuverlässiges und preiswertes Messgerät, insbesondere einen Detektor zur Ortung dielektrischer Gegenstände und einen Balkendetektor zum Einsatz beispielsweise auf Baustellen, welcher bezüglich seiner Handhabung und Bedienung insbesondere dadurch vereinfacht werden kann, dass er nur die für den Nutzer relevante Information anzeigt (z. B. die Anwesenheit eines Holzbalkens (104)), für den Nutzer irrelevante Einflussgrößen (wie beispielsweise die Größe des Luftspaltes unter dem Sensor oder die Dielektrizitätskonstante eines Wand-Oberflächenmaterials (103)) aber ausblendet.
Der Sensor ist dabei kostengünstig zu fertigen, insbesondere mit geringen Anforderungen an die Drift und Stabilität der verwendeten Messverstärker. Darüber hinaus ist es in vorteilhafter Weise möglich, den erfindungsgemäßen Sensor in oder an einer Werkzeugmaschine zu integrieren, um ein gefahrloses und sicheres Arbeiten mit einer solchen Maschine zu ermöglichen. So kann der Sensor beispielsweise in einem Bohr- oder Meißelwerkzeug integriert werden oder als ein mit einem solchen Werkzeug verbindbares Modul ausgebildet sein. Als ein möglicher Einbauort für den erfindungsgemäßen Sensor bietet sich in vorteilhafter Weise auch eine Absaugevorrichtung für Staub an, die mit der Werkzeugmaschine verbunden ist, oder mit dieser verbindbar ist, und funktionsbedingt in der Nähe einer zu bearbeitenden Wand zum Einsatz kommt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 3896425 A [0005, 0007]
- US 6937951 A [0005]
- US 4853617 A [0005]
- US 5917314 A [0005, 0008]
- EP 0428502 A1 [0005]
- US 6198271 A [0006]
- US 4853617 [0008]
- US 5917314 [0008]
- US 2005/0200368 [0026]

Claims

Sensor zur Ortung dielektrischer Objekte (104), insbesondere ein Balkendetektor zur Suche dielektrischer Objekte (104) hinter der Oberfläche (103) von Bauwerkstoffen, mit einer Mehrzahl von Elektroden (401, 402, 403, 404; 601, 602, 603, 604), die ein Sendeelektroden-System (401, 402, 403; 602, 603, 604, 605) und ein Empfangselektroden-System (404, 601) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Relativabstand der Elektroden (401, 402, 403, 404; 601, 602, 603, 604, 605), in Richtung orthogonal zur Messrichtung des Sensors so bemessen ist, dass die kapazitive Verkopplung der Koppelpfade zwischen Sendeelektroden-System und Empfangselektorden-System unterschiedliche Abhängigkeiten von der Distanz eines zu detektierenden Objekts (104) zum Sensor aufweist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Sendeelektroden (401, 402, 403; 602, 603, 604, 605) sowie eine Empfangselektrode (404; 601) vorhanden sind.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Sendeelektroden (401, 402, 403; 602, 603, 604, 605), insbesondere der laterale Abstand, zu der Empfangselektrode (404, 601) unterschiedlich groß ausgestaltet ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch. gekennzeichnet, dass die jeweilige laterale Ausdehnung der Sendeelektroden (401, 402, 403; 602, 603, 604, 605) unterschiedlich groß ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die laterale Ausdehnung der Sendeelektroden (401, 402, 403; 602, 603, 604, 605) eine Funktion des Abstands der jeweiligen Sendeelektrode (401, 402, 403; 602, 603, 604) zu der Empfangselektrode (404, 601) zunimmt.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die laterale Ausdehnung zumindest einer Sendelektrode (401, 402, 403; 602, 603, 604) und/oder ihr Abstand zur Empfangselektrode (404, 601), im wesentlichen gleich dem minimalen Abstand zwischen den Elektroden und der Oberfläche des zu vermessenden Mediums ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Sendeelektrode (602, 603, 604) aus einem Paar von Elektrodenelementen (602a, 602b; 603a, 603b; 604a, 604b) gebildet ist.
Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Elektrodenelementen (602a, 602b; 603a, 603b; 604a, 604b) der Sendeelektrode symmetrisch, insbesondere symmetrisch zur Empfangselektrode (601) angeordnet sind.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Empfangselektrodensystem (404, 601) und dem Sendeelektrodensystem (401, 402, 403; 602, 603, 604) zumindest eine Abschirmelektrode (405) vorhanden ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendeelektroden-System (401, 402, 403; 602, 603, 604, 605) und Empfangselektorden-System (404, 601) flächig ausgebildet sind.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendeelektroden-System und Empfangselektorden-System in einer Ebene, insbesondere in einer Ebene einer Leiterplatte (607) angeordnet sind.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Abschirmelektrode (405) in einer zweiten Ebene der Leiterplatte (607) angeordnet ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Empfangselektrodensystem und dem Sendeelektrodensystem ein weiterer Sensor (608), insbesondere ein induktiver Metallsensor vorgesehen ist.
Werkzeugmaschine mit einem Sensor nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 13.
Verfahren zum Betreiben eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Verkopplungspfade zwischen den Elektroden des Sendeelektroden-Systems (401, 402, 403; 602, 603, 604, 605) und des Empfangselektrodensystem (404, 601) sequentiell jeweils mit einem Ansteuersignal IN_n beaufschlagt werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die sich aus den Ansteuersignalen IN_n ergebenden Ausgangssignale U_xyz mit Gewichtungsfaktoren F_xyz, insbesondere konstanten Gewichtungsfaktoren, versehen werden und durch Addition oder Subtraktion zu einem Gesamtsignal zusammengefasst werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Gewichtungsfaktoren F_xyz, unterschiedliche Vorzeichen aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine lineare Gewichtung der Ausgangssignale U_xyz vorgenommen wird.
Verfahren zum Betreiben eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Verkopplungspfade zwischen den Elektroden des Sendeelektrodensystem (401, 402, 403; 602, 603, 604, 605) und Empfangselektrodensystem (404, 601) gleichzeitig, jedoch mit Ansteuersignalen IN_n unterschiedlicher Amplitude und Phase beaufschlagt werden.