通过电容传感器或电感传感器检测距离的方法和装置的制作方法

专利名称：通过电容传感器或电感传感器检测距离的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1和12的前述部分所述的用于 斗全测在电容场或感应场中的场变化的影响或者渡越时间的方法和装置。
背景技术：
在许多应用领略中需要确定参照物相对于另一物体的距离。这 种类型的应用领域可以是4企测土i裏中的金属颗粒，或者可以在汽车 领域中检测物体的接近。检测距离的一个可能性是测量在发射光辐射的发射器、反射该 光辐射的物体和接收器之间的光渡越时间。例如，从DE 100 22 054 Al中公开了这种类型的光程传感器的形式的解决方案，其中，为 了测量距离而利用发送和接收光线之间的相移。因此，具有最小振 幅的接收信号与振荡器的电压一起被提供给同步整流器。因此，来自光路的检测信号与纯电生成的信号 一 起被提供给同步整流器的 输入端。通过出现在同步整流器的输入端处的输出信号来调整输入 信号，直至在通过控制延迟元件使前缀符号改变时，在输出端的两 个信号的平均值大约为零。同时，同步整流器的任务是非常精确地 测定信号的相位。以组件为前4是条件的延迟、老化影响和温度影响 :故单独地;波此联系起来并进4亍补偿。甚至在^f吏用参考光^各时，通过影响延迟元件来电地实现控制。因此，相移90度或者270度的光 电二极管信号和纯电传输的信号被提供给传统的同步整流器，用以 进行相位测量。为此，到达同步整流器之前的这些信号不等于零是 出于这样的目的，即保持接收信号的各个信号段等长。此外，在WO 01/90778 Al中/>开了 一种通过测量渡越时间来测量距离的方法，其中，以相同的时钟脉沖来控制发射的信号和在接收器上存在的接收信号。这样测定的控制信号通过移相器来这样地移相，即在通过测量渡越时间确定的到目标物体的距离和实际距离之间的距离偏差被最小化。目的是在高频时利用渡越时间来优化 耳又样点。由EP 706 648 Bl中已知，在补偿诸如像杂散光的影响、温度 的影响或者老化影响的情况下，在光发射器和光接收器之间检测光 信号。光发射器由时钟脉沖发生器时间间隔地或者交替地驱动。在 至少 一个光路的振幅中调整的光线也许与诸如像补偿光源的光线 一同这样地作用于光4妄收器，即接收信号不产生时钟同步信号分 量。光接收器的接收信号被传输给同步解调器，该同步解调器将接 收信号再次拆分成对应于两个光源的信号分量。这两个信号分量在 比较器中彼此进行比较，其中，对应于零态的信号不产生杂散光部 分。如果在比较器的输出端没有对应于零态的信号，那么输送到光 源的辐射功率纟皮调节直至达到该状态。作为光渡越时间的测量(该测量尤其在对于光辐射来说不透明 的介质时是不可能的)的可选方案，当可以4企测到电场和/或电容场 的变化，该变化由影响场的物体的靠近、存在和/或远离得出。由实 -验获知，导致这些场变化的脉沖(在这些场中产生电荷或者电感的 变化)以光速传播，而诸如像电荷上升的变化本身在时间上较慢地 实现。发明内容基于现有技术状态，本发明的目的在于提供一种用于测量电容 路径和/或电感路径上的电容场和/或电感场的影响或者渡越时间的 可选方法。该目的通过具有权利要求1的特征的方法和具有权利要求12 的特征的装置来实现。根据电容的或者电感的检测而定，选择电极或者线圈作为发射 元件和接收器，电极或者线圈由在其周边区域中的电容和电感影响或者由物体影响，该物体电容或者电感地影响场进而影响测量电 ^各。当然，也可以应用其4也的用于产生和测量电场和/或》兹场的装置。 因此，由EP 706 648 Bl中7>开的光学天平的原理也可以:故应用来 测量在电容或者电感场的情况时场变化的影响或者场变化的渡越 时间。来自至少两个以产生或者发射场变化的电极或者线圏形式的 元件的时钟信号被馈送给接收器。然后，在图l中示出的电容器对 应于具有定义的间距的两个电极。在电容的解决方案的情况中，通 过施力。到电极上的电荷构建的电场例如通过待4企测的物体改变。这 导致在电才及上电荷的变化，其^C再次测量，从而确定物体的距离/ 影响。电容场的场变化由接收器测定，该接收器被耦合至发射电极。通过电容器实现补偿，与发射电极和就此而言也构成一种类型的电 容器的物体不同，该电容器在其面之间具有已知的间3巨。场变化也 从电容器到达接收器。接收信号以及来自两个测量路径的变化值被彼此比4交并且通过振幅调节器和相位调节器来调节到;f皮此最小可 能的差异。然后，振幅调节器或者相位调节器的调节值对应于电容 或者渡越时间的值，该调节值对于构成电场线是必要的。为此，来自发射电极和补偿电极的时钟周期的接收信号以优选 的方式大约分成四个相同的片段。如果反射电极的接通时间以片段 A和B表示，并且补偿电极的接通时间以C和D表示，那么片段A 和C进行比较并且利用相移过程将彼此调节到尽可能小的差异。同 样，片段B和D利用振幅调节过程将彼此调节到尽可能小的差异。 在片4史A和C中包含渡越时间的信息，而在片卓殳B和D中包含场 的静态电容或者静态影响的信息。然后，由移相器的延迟可以测量 出在电容场中的场变化的渡越时间以及在电才及和物体或者4妄收器 之间的距离。在电感的解决方案的情况中，基本上^U又通过线圏和 补偿线圈来代替发射电极和补偿电极，其中，接收器也可以;陂设计 成接收线圈。4卜偿过程可以完全消除时钟同步的信号分量，也就是说仅仅保 留实际的》文大器噪音。因此，；改大器可以具有较高的》丈大系^t或者 可以甚至设计成高放大系数的限幅放大器。由此，在时钟脉冲交变时出现的时钟脉冲交变信号被检测并且 由该信号确定出通过移相器最小化的差值。由通过移相器导致的信 号延迟中可以确定在电容场和/或电感场中的场变^f匕的影响或者渡 越时间并进而确定在发射器和物体或者接收器之间的距离。场的渡 越时间通过接收信号的高放大系数清晰地呈现为时钟脉沖交变时 的电压峰值。该峰值在反射的元件也就是发射电极和补偿电极(视 比较器处的最近的电路而定)的各自的时钟脉沖中以相对于噪音的不同的极性出现并且到达比较器的两个输入端，这两个输入端在相 应的时间周期中以同步的时4中频率来适当；也切:换。该时4中月永沖交变 信号的振幅取决于场渡越时间，然而，这^U又是因为关系到差值的 最小化，信号的差值可以在从时钟脉冲到时钟脉沖的振幅中时钟脉 沖同步地解调并且存在的差异可以时钟月永冲同步地在4展幅中解调 并且存在的差异用于控制移相器以及用于将该差异补偿为零。由于 时钟力永沖，时4中"永沖交变的时间点为已知，乂人而在该时间点<又4全测 峰值。同时，可以利用任意的时钟脉沖来工作。一方面通过振幅调节器的两个闭合的调整电路，另一方面通过渡越时间调节达到以下伊C点 -非常高的灵敏度-甚至在近距离(直至"0"距离)上的良好的渡越时间测量 -在渡越时间的检测上没有温度影响 -在放大器参数的改变上不严格 _物体的属性不影响距离测量其他优点由接下来的描述和其他的权利要求中得出。


接下来，参考附图中的实施例进一步描述本发明。图中示出图1是用于测量在电容场中场变化的影响或者渡越时间的根据 本发明的电^各的电^各图，图2是图1的接收器上的所属分割到不同区域中的接收的信图3是在使用移相器之后的根据图2的上部部分的信号，图4理想化地示出了来自具有和不具有探测路径的测量路径的 接收器处信号波形，图6示例性地示出了图5的脉沖图7是通过接收器和放大器的图6的脉沖，图8是用于测量在感应场中的场变化的影响或者渡越时间的根 据本发明的电路的示意性电^各图。
具体实施方式
现在参考附图示例性地进一步i兌明本发明。然而，实施例<又<又 为实例，其并不用于将发明理念限定于特定的方案。在详细i也描述本发明之前，应该指出，这里并不局限于电路的 各个组件或者各个方法步骤，这是因为，这些组件和方法可以改变。 在这里应用的概念仅用于描述特定的实施例，但并不局限于此。此 外，当在说明书和权利要求中使用单数或者不定冠词时，只要不使 整体关系明确地指代其他的元件，它们也涉及到这些元件的复数。本发明可以实现距离测量，其允许利用具有窄带宽的放大器对 电容场和/或电感场中的场变化的精确的渡越时间的测量，并且该测量不受周围环境影响并且不依赖于物体的材料特性。此外，可以在 不切换测量范围的情况下实现在/人电才及表面或者线圈表面开始的 近距离只至较大距离的渡越时间的测量。本发明基于以下考虑当可以检测到电容场的变化或者电感的变化(其可得出影响场 的物体的靠近、存在和/或远离的结i仑)时，由于在电容的和/或电 感的场中的电容的或者电感的场变化可以实现距离测量。这将以电容的解决方案的情况来描述与物体O —同构成电容 器的电极12时钟控制地获得作为发射或者产生第一场变化的元素 的带电粒子，该带电粒子的效应在周围环境中产生影响。该时钟控 制地以电压脉沖的形式施加的电荷由物体O的靠近、存在或者远离 来影响。该影响并不是立刻实现，而是以光渡越时间延迟地实现。 场变化可以净皮获得并且在放大器23中结合并由电极来收集。如果 物体O现在处于传感器作用区域14中，也就是说，如果物体达到 在发射元件和物体之间的检测路径(例如在15 cm的距离)，动态 地由装置检测到的场变化由作为与发射元件作用连接的元件的接 收器接收。从理论的角度看，由物体返回的场变化信息相对于发射 4言息呈现出一个光渡越时间，也就是i兌，在15 cm时呈J见出大约1 ns 的时间延迟。时间差异首先与实际的脉沖信息分开。为此，用于补 偿电才及21的发射月永冲在冲间歇(Pulspause )中祐j敫活，该#卜偿 电才及直接4妄收其场变化，而不需要迂回物体。当然，补偿电才及也可 以与物体相互影响，但重要的仅仅是可通过物体影响至少 一个检测 路径。如果具有相同的振幅(该振幅当然可以通过电极12、 21的 振幅调节器来保持相同的大小)的根据图4的两个信号功率Sl、 S2 到达导线40,那么在》文大器23的车lr入端23a基本上出^见直流电压， 该直流电压由交替地来自两个电荷载体的电压信号和一个可能的 错置构成。在更细致的观察时，1 ns的渡越时间差异被外加给两个电极的 发射脉沖的过渡上的放大器23处的直流电压信号。在一个阶段， 在补偿电极21已经被关闭的点上，在交替的信号波形的直流电压信号中产生间隙，但是发射电极12的电荷的变化脉沖必须经过15 cm的距离到达物体并返回。在第二阶段中，补偿电极21已经传输 电荷，而来自尽管在正确的时间点关闭的发射电极12的电荷脉冲 还在半路上。这在图5中示意性示出。在接收信号中，这导致在实 施例中的相位同步的交替极性的非常短的峰值。该时间差异对于接 收器来说非常小，从而使该时间差异在例如200 KHz的低通特性时 仅仅作为非常小的电流变化值出现。因此，应用能量守恒定律假设，仅仅向外朝向物体O指向的 电极12以时钟频率接收或者收集电荷并且用于比较的电极21被关 闭，然后一个交流信号到达放大器23，该交流信号作为电压示出， 例如在任意的交流电压放大器的输出端23b上获得的10 mV的交流 电压。如果我们以理想的接收器和具有理想的上升时间特性的理想 的放大器为出发点，那么我们将继续假设在发射电极的情况下以具 有50%占空因数的10 mV的输出信号为出发点。如果4妄通第二电 才及，那么因为4言号的渡越时间，在正方向和负方向上时钟月永冲同步 地交替地得出1 ns的脉沖(图5)。然后，在所述情况中，这些脉冲 是在方文大的信号中的唯一 的信息并且代表渡越时间的信息。然而， 在实践中，接收器和放大器的"低通特性，，将"吞噬"该特别短的 脉沖。在此，根据本发明的以振幅来调节的系统的优点开始起作用 因为仅仅作为变化信息的短脉冲存在于放大器23处(该放大器23 例如由具有200 KHz的带宽的三级》文大器构成)，所以接收信号可 以一皮差不多4壬意地二改大，例如以一万4咅的i文大系翁:方文大。在第一方欠 大器输出端上的1 ns长并且在理想情况下10mV的理论上的变化脉 沖尽管在实践中仅仅引起例如10 的强烈的电压摆动(图6示 出)，但是该电压摆动现在在另外的放大级(图7)中经过一万倍的 放大之后得到具有例如长度tl为5 jis的100 mV的信号。在此，对放大器没有特殊的要求，对于相应的》文大来说200 KHz的带宽是足 够的。尽管可以应用任意的放大器，但优选的是应用交流电压放大 器。在从一个电极切换到另一个之后，在切换时间点之后以交替的 方向(正负)呈现信号。通过以时钟频率同步地接通的整流器来相 对于该时间点检测接收的信号的同步的信号分量。由于渡越时间差 异导致的信号分量也可以通过简单地整合同步地解调的信号分量 而在强烈的噪音信号中毫无问题地检测到。需提及的是，同步整流 器或者同步解调器Dl, D2不是必须要精确地检测出相位的电路， 而是时钟控制地检测振幅的电路。相位的精确性对测量精确性没有 影响，从而例如20。的相移也是无关紧要的。因为该时钟同步的信号分量的出现指出了在两个电才及12、 21 之间的渡越时间差异并且此外也允许相对于电极的清晰的关系，所 以根据图1 (见下文)的调整电路这样地利用该信息闭合，即如由 物体影响的电荷一样，补偿电才及21利用已知的手段(例如通过可 调节的全通网络或者可凄t字调节的相移来调整的渡越时间)以相同 的值相移。然后，用于电才及21的移相器17 (图1)处的电控制脉 沖的必要的推移是对在电容场上的场变化的影响或者渡越时间的 直接测量并且也是对物体O的作用或者距离的直接测量。当然，在同步地解调依赖于渡越时间的信号分量之后，为了相 互;t也调节成"0"，两个4言号分量可以通过电一及21的相移例如在其 他的高放大系数的运算放大器中彼此比较，而对带宽没有特殊的要 求。然后，如果两个时钟同步的信号分量之间存在非常小的差异， 那么该差异通过相位调节调整为"0"。在实施例中，在图1的下方同时使用两个不同的调整电路。一 方面，来自两个电荷路径的接收到的振幅在放大器23的输入端处 通过在EP 706 648 Bl中已知的两个电才及中的至少一个上的冲展幅控 制过程来调节到相同的值。因为在从至少 一个电极切换到至少另一个电才及之后，作为振幅信息的相差的长度强烈地延长，所以当渡越 时间信息衰减时，应该首先在一个时间点4企测信号的时钟同步的渡越时间差异。在实践中，例如大约100KHz-200KHz的时钟频率4皮 证明是合适的，其中，在时钟周期的第一部分中，在调节相位之前 检测信号的渡越时间差异，该渡越时间差异作为在信号中的振幅出 现，并且在时钟周期的第二部分中冲企测纯振幅差异。然后，利用时 钟周期的第二半周期的信息，在实施例中的两个电才及中的至少一个 电招J又仅通过振幅调节器18来影响振幅，/人而获得来自两个i 各径 的大致相同大小的信号并由此将差值调节成零。两个路径的相同大 小的信号导致不具有时钟同步的交变分量的零信号。当然，直4妾作用的电才及21的相^立不一定必须相应于由〉度越时 间的影响约束的电极12来进行匹配。在相应的电路中，由渡越时 间的影响约束的电极也可以被影响。由于振幅调节、渡越时间调节而调节成的"0时钟同步的"分 量，通过这两个闭合的调整电路实现了开头所述的优点。参考图1，在根据本发明的装置中，电荷通过第二路径20和导 线40从电极21输送给;改大器23。方法用于测量在电容场(图1) 和/或电感场(图8)中的场变4匕的渡越时间。首先，在例如200 KHz 时由时钟脉沖控制器11调制的电荷从输出端11E通过导线30、 31 并且经过电极12引入到传感器作用区域14中。电荷影响电极，即 在电极和物体O之间的周围的电场。该影响以光速实现。然而，在 相同的时钟频率时，通过反相器22的反相，在作为补偿电才及的电 极21上也产生电荷，其电荷也时钟控制地影响在放大器23上的接 收信号。为此，电荷以时钟力永冲控制器11的时钟3永沖频率通过导 线30、33到达移相器17的l俞入端17a并且通过移相器的llr出端17b 和导线34到达反相器22的输入端22a，电荷从该反相器的输出端22b通过导线35到达振幅调节器的输入端18a。电荷从振幅调节器 18通过输出端18b通向电极21。由此，来自两个电极的信号S13交替地以时钟脉冲控制器11 的时钟频率在一种情况下通过导线32、 40在另一种情况下通过导 线20, 40出现在》文大器23的输入端23a处，该信号由于第一或者 另外的场变化的缘故作为第一变化值或者第二变化值。信号S13通 过导线40通向放大器23并且在》文大器中》文大并且然后通过导线41 输送给具有在图1的下方示出的比4交器15和16的两个结构相似的 同步解调器D1、 D2。同步解调器D1、 D2的任务并不是精确地测 定相位，而是时钟控制地测定振幅。相位精确性对测量精确性没有 影响，从而例如20。的相移也是无关紧要的。在进一步探讨该电^各之前，在图2的上部示出了如在》文大器23 之后的信号。所示出的信号示出了一个信号波形，就像该信号波形 出现在例如从电极12和21到物体的15 cm的距离上的渡越时间时 而没有在两个场路径的一个场路径中调节信号相位一样。时钟同步 的信号分量的出现可以利用相应的门电3各来4企测并分配给相应的 电极。在此，直接在时钟频率的切换之后在整个时钟范围上的振幅 差异之间和信号振幅之间进行区分。为此，时钟周期被分割成在图 2中的A/B/C/D四个片段。片段B、 D代表振幅值，该振幅值在已 调节的状态中不具有时钟脉沖同步的振幅差异，也就是说，时钟脉 冲是相同的。片段B、 D的已调节状态涉及到两个电极中的至少一 个电极的振幅调节。在时钟控制的片段B和D中将振幅调节到相同钟同步的信号分量的信号。仅仅在另外的电极21的信号和来自检 测路径的信号之间的渡越时间差异时呈现时钟同步的信号分量，但 是该信号分量落入到片段A和C中。利用泵在管道中循环。该经加热的管可以是内管本身，其中经由内管泵出热 流体，以将全部管中管组件加热至足够的温度和足够长的时间，以导致容器 的破坏。可以利用超声波加热来实现容器的加热。可以将超声波加热设备引入环 状空间中，并用于加热至少部分容器，以影响其破坏。当外管和/或内管包含 金属时，金属管的感应加热可用于加热容器，并影响其破坏。可以用连接至容器外表面或内表面或结合在构成容器的材料中的电阻 元件来生产容器。电阻元件可以包括线、板或类似构型。当电流通过电阻元 件时，元件将产生导致容器破坏的热量。当电阻元件是线材时，可以在容器 的表面上配置该线材，以预定的图样对容器进行破坏。例如，可以螺旋方式 在容器周围缠绕该线材，以确保在其外表面周围以均匀方式破坏容器。除了局部加热容器以外，可以通过提高环状空间内的温度，并在适当长的时间内保持高温来实现容器的破坏，以确保令人满意地破坏容器。例如， 热气流可以通过环状空间，以软化、熔融、或降解该容器。使用机械法可以实现容器的破坏。例如，可以在管中管组件的环状空间 内设置并任选地移动包含至少一个锐缘的切割组件，以使得至少一个锐缘撕 裂或切割该容器，以实现破坏。该至少一个锐缘可以是其上附着有锐利材料(例如碎玻璃)的刀、针或钉(spike)、锯条、绳或线材、或上述物质的任意组合。该切割组件可以滑动连接到导向杆或引导线上，其中导向杆或线材设置在环状空间内，随后通过沿着导向杆或线材移动该切割组件，以破坏其中的 容器。该切割组件还可附着至导向杆上，可以通过将切割组件和导向杆移动过环状空间来实现^c坏。容器可以包含用于引导加热组件、或在整个环状空间上的靠近容器表面 的切割组件，以确保容器的破坏。例如，容器可以具有连接到其表面上的导管或套图(ferrule),其中可以插入导向杆。然后，加热或切割组件可以沿着 导向杆滑动，以影响容器的破坏。当采用加热组件进行破坏时，导管可以包 含导热材料(例如金属)，以促进从加热组件传递热量到容器的表面。当对该装配的管中管组件进行弯曲时，可以通过压缩来使容器机械破 坏。此处描述的管中管组件可以端对端地结合形成管线。实际上，装配的管 线通常缠绕在线轴上，以允许在铺管船上运输长管线。该缠绕方法要求管线 和其各段的弯曲。该弯曲可以导致在外管和内管之间压缩容器，以破坏该容样作用到电极12或者两个上或者在多个发射元件的情况中作用的多个上。换句话说，用于节拍式的振幅检测的同步解调器Dl被应用， 在其输入端，也就是在对应于片段B和D的开关上优选地已经存在 来自两个路径的无时钟同步分量的信号。从保留的零信号中，在同 步解调器D2形式的振幅检测器的输出端上检测在噪音中的时钟脉 沖交变信号TW。在时钟导线50A、 50B、 50C、 50D上的取样周期的相变在较宽 的范围中乂于3巨离测量没有影响。相只于于DE 100 22 054 Al中所需要 的同步解调器的相位的高精确性，根据本发明的距离测量并不需 要。只是在时钟频率的大约的时间点对振幅的取样还是必需的。因 此，同步解调过程根据本发明仅仅是准同步解调过程。相位本身对 于识别时钟脉沖交变信号的振幅的差异以及使在同步解调器Dl类 型的振幅4佥测器的输入端的时钟同步分量为零来说毫无意义。然 后，该时钟脉沖交变信号通过在电极12和21之间的装置中存在的 信号的相移来彼此最小化并且优选地成为零。由此获得的移相器17 的延迟是场变化的渡越时间和物体O的待确定的距离。在图1中部，同步解调器D2的两个上部开关通过相应于才艮据 图2的上部部分的区域A和C的门电路来控制。在同步解调器D2 中，接收到的信号S13以及变化值同样对应于两个电极12和21的 振幅信号，当然也对应于相应于片段A和C的信号分量。为此，信 号通过导线41、 41A、 41C到达对应于片4殳A和C的开关，这些开 关通过时钟导线50A和50C由时钟脉沖控制器11以片革殳A和C的 时钟脉冲转换率来操纵。因此，相应于开关位置，在相应于片段A 和C的导线60A和60C上的信号出现在开关的输出端。这些信号 通过积分器R3、 R4和/或C3、 C4丰lT送到比4交器16的丰lr入端16a、 16b。因此，以时钟脉冲转换率出现的、相应于传感器作用区i或14 内的才企测3各径中的渡越时间的第 一场变4b和4壬4可另外的场变化净皮以时钟控制的方式检测。信号的振幅的大小尽管取决于物体o，但 是，因为这里涉及该两个信号之间的时钟同步的差值，因此这是不重要的。这两个信号在另外的比较器16中进行比较。在比较器的 输出端16c上的差值对应于第 一和另外的场变化之间的相差并且由 于在4妄收器中的整合而转化成振幅值。可以在任意的时间点对该值 进行取样，在该任意的时间点不再存在相位信息。非相位精确地协相器17的输入端17c并且在移相器17中这样地变化，直到该值最 'J、并JM尤选为零，乂人而由此确定在电容场和/或电感场中的场变4b的 渡越时间。从移相器17的在此设置的延迟中可以确定渡越时间并 且由此确定距离，该距离作为用于渡越时间93的信号出现在移相 器17的输出端17d。根据图3,通过移相器17的变化，时钟脉沖 交变信号TW的4展幅在噪音中消失。移相器17可以是模拟工作的电路，但也可以是数字信号延迟 器。在此，例如高频时钟频率可以^皮这才羊地凄t出，即例如时钟频率 可以一皮以1 ns的步幅4晉置。为此，利用A/D转换器对信号S16进 行取样并且在相应的相移中转换结果。如果具有测量面的传感器作用区域14以高欧姆的形式这样地 通过阻抗Zl和Z2耦合到导线31和32或者通过阻抗Z3和Z4耦 合到导线36和20并进而耦合到驱动器和》丈大器23上，即甚至可 以察觉到在环境中在测量面上的振幅和/或相位变化的形式的最小 变化。同时，放大器电路被这样地高欧姆地耦合到测量面上，即借 此完全或者很少地影响测量信号的振幅和/或相位。在实施例中，耦 合优选地通过电容器和电阻来实玉见，然而为此目的也可以Y吏用线圏 或者前述部件的组合或者单个部件。在实施例中，由10pF和50KO的、100 KHz的时钟频率和2伏特的驱动电压构成的串联电^各作为 阻抗Z来使用。优选地，高欧姆的耦合相对于驱动器和放大器23 差不多相同大小地设计，这在实施例中通过相同大小的电容器、电 阻、线圈或者上述组件的组合实现。通过电容器的小的电容或者高的电阻或者高的电感(在实施例 中)获得从测量面到电极12、到输出级以及从测量面到放大器23 的预期的高阻抗。因此，当物体O通过空气电容和其他类型的电连 接与根据本发明的电路的参考电势连接。在图1中，这通过以虚线 示出的接地19来表示。即使在测量面的非常近的范围中与电路的 参考电势的金属导电连接也不干扰系统的灵敏度。由于具有比较器 的同步解调器Dl和D2的预;汶大和高调节功率的原因也可以毫无 问题地3全测到最小的变化。图8示出了本发明的可选实施例，该实施例允许用于检测作为 变化的电感的结果的场变化的渡越时间的测量。图8的实施例区基 本上通过使用线圏代替电极来区别于图1中的实施例。就此而言， 当概念电极在那里通过线圏代替时，在图8的下面的三分之二中的 电路及其应用也与图l中的至今的描述一致。传感器作用区域，也 就是i兌在纟展幅调节器18和导线31之后的电i 各(在图8中/人该参考 标识向上)以及在放大器23之前的检测区域发生改变。就此而言， 在可能的情况下也4吏用了相同的参考标识。时钟脉沖控制器11通过输出端11E并且经过具有阻抗Z2的导 线31和32相作为补偿线圏使用的另外的线圈121输送电流。电流 通过移相器17和振幅调节器18 乂人其输出端18b经过具有中间连4妄 的阻抗Z1的导线37和36相应于时钟脉冲控制器11的时钟频率逆 相地到达线圏112。线圈112、 121通过导线38连4妄至接地39。这 样的时钟控制的电流信号由接收线圈113接收、反射并传递给放大 器23的输入端23a、 23a'。然后，从输出端23b开始进行如上所述的冲展幅和相位调整。如果两个线圏112和121具有相同的感应(也 许在通过振幅调节器18调整之后)，在放大器23的输出端23b上 存在相应于零态的信号。当线圈112和121在传感器作用区域14 内的外部》兹场中移动时，也获得该被调整的状态。^f旦是，如果一个 例如埋藏在;也下的金属物体处于传感器作用区i或之中时，该物体改 变线圏112的感应，而作为参考线圏的线圈112在实施例中不被影 响。该变化将作为变化值由接收线圏113时钟控制地检测和评估。 在此也示出了效果，即场的变化以光速传播，从而可以如之前描述 的那样从时钟脉沖交变信号的相位调整中确定作为信号93的物体 O的距离。同时，信号94提供关于物体的质量或者涡电流属性的 信息。当然，尤其是在电感的解决方案的情况下，另外的场变化也 能够以电压信号的形式出现在电子路径上，而不需要使用补偿元 件。有利的是，在本发明中也可以任意地选择时钟频率，该时钟频 率可采用从一个时钟周期到另一个时钟周期的任意值。为了抑制在 并联使用的以及不可同步的系统时的干扰，也可以毫无问题地使用 任意的"调频，，(FDMA)。因此，该系统不4又适合于以简单的方式 实现渡越时间测量路径，也适合于实现多个平行的测量路径。所属装置的元件已经由之前的解释中得出，由其参考图l和图8。当然，该描述可以适用于不同的变体、变化和^f奮改，其落入到 从属^^又利要求的等同范围内。参考标号11 时钟脉冲控制器IIA、 11EIIB、 11C、 11D 输出端12 电极14 传感器作用区域15 比较器 15a、 15b 输入端 15c l命出端515 在比较器之后的信号16 另外的比较器 16a、 16b 输入端16c 输出端516 在比專交器16之后的差值17 移相器 17a、 17c 输入导线 17b、 17d 输出导线18 振幅调节器 18a、 18c 输入端18b 丰命出端19 O的电势20 导线21 另外的电杉L21a输入端22反相器22a输入端22b输出端23放大器23a输入端23b输出端Dl、 D2同步解调器O物体R1画R4、 Cl画C4积分器TW时4t力永沖交变信号Zl、 Z2、 Z3;、Z4阻抗30-38导线39接地40、 41导线41A、 41B、41C、41D 导线50A、 50B、50C、50D 时4中导线60A、 60B、60C、60D 时钟导线70、 80导线93信号渡越时间94信号反射/质量112线圏113其他的线圏121其他的线圈
权利要求
1.一种用于测量电容场和/或电感场的影响或者电容场和/或电感场渡越时间的方法，具有以下步骤-通过至少一个在传感器作用区域(14)中产生第一场变化的元件产生由时钟脉冲控制器(11)时钟控制的、定时的第一电容场变化和/或电感场变化，-通过至少一个接收器检测也许由物体(O)影响的所述第一场变化，所述接收器与发射元件作用连接，并测定第一变化值，-通过至少一个产生另外的场变化的元件产生由所述时钟脉冲控制器(11)时钟控制的定时的至少一个另外的电容场变化和/或电感场变化，-通过所述至少一个接收器检测也许由所述物体(O)影响的所述另外的场变化，所述至少一个接收器与所述发射元件作用连接，并且确定另外的变化值，-其中，通过所述接收器检测的所述至少一个场变化，即所述电容场和/或电感场的所述第一和/或所述另外的场变化可以通过所述物体(O)的靠近、存在和/或远离影响，-以时钟控制的方式将所述第一变化值与所述另外的变化值进行比较，从而在比较器(15)的输出端上产生比较值，所述比较器用于这样地调整产生的所述第一场变化和/或所述另外的场变化的振幅值，即由所述第一场变化引起的所述第一变化值的振幅和由所述另外的场变化引起的所述另外的变化值的振幅基本相同，-在所述这些变化值的大小在所述比较器(15)的输入端彼此调整到基本相同大小的情况下，时钟控制地检测在由所述第一和所述另外的场变化导致的所述这些变化值之间的、在时钟脉冲交变时出现的、相应于所述电容场或所述电感场的场变化的影响或者所述电容场或所述电感场的场变化的渡越时间的时钟脉冲交变信号(TW)，-通过在另一个比较器(16)中比较所述这些时钟脉冲交变信号(TW)的振幅来确定差值(S16)，-通过移相器(17)来改变所述时钟脉冲交变信号(TW)的差值(S16)，直到所述差值(S16)最小，优选为零，所述移相器用于改变产生的所述第一和/或所述另外的场变化的相位的相位延迟，其导致在所述接收器上由所述第一和所述另外的场变化引起的变化值，-使用在最小的差值时出现的所述移相器的延迟，用于确定由影响场的所述物体(O)的靠近、存在和/或远离引起的所述电容场和/或电感场的电容或者电感变化的影响或者渡越时间。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当基于所述第一和入端同样大时，在放大器(23)的输出端仅仅存在不具有由所 述场变化引起的时钟同步的交变分量的噪音。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，尽管在所述比 较器(15 )的输入端上将所述变化值的大小调整成基本相同的 值时的噪音，在所述第一场变化和所述另外的场变化或者所述 另外的场变〗匕和所述第 一场变4匕之间实现在时4中力永沖交变时 出现的所述时钟脉冲交变信号(TW )的振幅的时钟控制检测。
4. 艮据前述4又利要求中4壬一项所述的方法，其特4正在于，以前缀符号交替变化的所述时钟脉冲交变信号(TW)通过门电路检测，并且作为调整电路的控制变量的所述时钟脉冲交变信号(TW)之间的所述差^直(S16)用于确定相4立延迟。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，路径被 AC耦合，其中由所述接收器的接收信号测定的所述变化值来自于所述3各径。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了测 量由在所述接收器处的所述第一和所述另外的场变化导致的 渡越时间，在切4奐所述发射元件(12、 21)之后测量纟展幅，并 且利用所述移相器(17)将所述4^幅调节成零。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在此出现的、将所 述时钟脉冲交变信号(TW)的振幅彼此调整到零的相移对应 于所述物体(O)的距离。
8. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，由所述(S13)被分成不同的区域(A、 B、 C、 D)，其中，借助于以 所述时钟脉冲控制器(11 )的时钟频率运行的门电路，应用位 于时钟脉冲交变所落入的所述区域(A、 C)之间的区域(B、 D),从而在所述比较器(15)的输出端上产生比较值。
9. 才艮据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，由所述(S13 )被分成不同的区域(A、 B、 C、 D),其中，借助于以 所述时钟脉冲控制器(11 )的时钟频率运行的门电路，应用在 其中时钟脉沖交变所落入的所述区域(A、 C)，以用于比较所
10.述变化值以在所述比较器(16)的输出端上产生所述差值 (S16)。根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，在所述时钟脉 冲交变的所述区域(A、 C)中测定的信号用于测量距离。
11. 才艮据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述变 化值是作为所述发射元件和作为所述接收器使用的部件的阻 抗变化，并且所述变化值优选地通过所述电极(12、 21 )和线 圈(113、 112、 121 )形成。
12. —种用于测量电容场和/或电感场的影响或者电容场和/或电 感场渡越时间的装置，具有- 时钟脉沖控制器(11 ),_ 至少一个发射元件，用于在所述传感器作用区域(14)中 产生由所述时钟脉沖控制器(11)时钟控制的、定时的电 容场变化和/或电感场变化，- 用于产生至少一个由所述时钟脉沖控制器(11)时钟控制- 至少一个接收器，与发射元件作用连接，用于检测或许由 物体(O)影响的所述第一和所述另外的场变化，其中， 至少 一个由所述接收器检测的场变化，即所述电容场和/或 电感场的所述第 一和/或另外的场变〗匕可通过所述物体(O ) 的靠近、存在和/或远离影响，- 用于在所述接收器处测定由所述第一和所述另外的场变化 引起的变化值的装置，- 比较器(15 ),用于时钟控制地将所述第一变化值与另外的 变化值进行比较，以在所述比较器的输出端上产生比较值，- 振幅调节器(18),所述振幅调节器为了调整产生的第一和 /或另外的场变化的振幅值这样地使用所述比较值，即由所 述第 一场变化引起的所述变化值的振幅和由所述另外的场 变化引起的所述变化值的振幅基本上彼此相等，- 用于在所述变化值的大小在所述比较器(15)的输入端彼 此调整到基本相同大小的情况下，时钟控制地才企测在由所 述第 一和所述另外的场变化引起的所述变化值之间、在时 钟脉冲交变时出现的、相应于所述电容场或所述电感场的 场变化的影响或者渡越时间的时钟^K沖交变信号(TW)的 装置，- 另外的比较器(16)，用于通过比较所述时钟脉冲交变信号(TW)的才展幅来时钟控制;l也确定差^直(S16),- 移相器(17)，用于改变所述时钟脉沖交变信号(TW)的 差值(S16)，直到所述差值(S16)最小，优选为零，所述 移相器用于改变所述第一和/或所述另外的场变化的相位 的相位延迟，其导致在所述接收器上由所述第一和所述另 外的场变化引起的变化值。
13. 根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述比较器(15 ) 是用于振幅检测的同步解调器(Dl)或者门电路的一部分。
14. 根据权利要求12或13所述的装置，其特征在于，当由所述第的输入端同样大时，在放大器(23)的输出端仅仅存在不具有 时钟同步的交变分量的噪音。
15. 根据权利要求12至14中任一项所述的装置，其特征在于，用 于时钟控制地4企测所迷时钟脉沖交变信号(TW)的装置是门 电路，所述门电路检测以前缀交替变化的所述时钟脉冲交变信号(TW)，并且，在所述时钟脉沖交变信号(TW)之间的所 述差值(S16)作为调节电路的控制变量使用。
16. 根据权利要求12至15中任一项所述的装置，其特征在于，设 置有用于将所述变化值(S13)分成不同的区域(A、 B、 C、 D)的装置，其中，门电鴻"故设置作为用于时钟控制地检测处 于时钟脉冲交变的区域(A、 C)之间的区域(B、 D)的装置。
17. 根据权利要求12至16中任一项所述的装置，其特征在于，设 置有用于将所述变化值(S13)分成不同的区域(A、 B、 C、 D)的装置，其中，借助于以所述时钟脉沖控制器(11)的时 钟频率运行的门电路，应用区域(A、 C)用于比l交所述变化 值以在所述比较器(16)的输出端上产生所述差值(S16)。
18. 根据权利要求12至17中任一项所述的装置，其特征在于，在 传感器作用区域(14)中设置有至少一个用于检测所述电容场 或者所述电感场的电容或者电感变化的才企测路径，所述检测路 径形成在所述发射元件和所述接收器之间。
19. 根据权利要求12至18中任一项所述的装置，其特征在于，所 述发射元件是电极(12)或者线圏(112、 121)。
20. 根据权利要求12至19中任一项所述的装置，其特征在于，所 述接收器是具有连接在下游的接收放大器(23)的发射电极(12)或者接收器线圈(113)。
全文摘要
本发明涉及一种用于测量电容场和感应场的渡越时间方法和装置。
文档编号G01B7/02GK101233385SQ200680027862
公开日2008年7月30日 申请日期2006年7月29日 优先权日2005年7月29日
发明者格尔德·赖梅 申请人:格尔德·赖梅