帶有二維線圈陣列的基于阻抗的測(cè)量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于探測(cè)材料電阻抗的裝置，其具有至少一個(gè)線圈、用于在所述線圈中產(chǎn)生電流脈沖的脈沖發(fā)生器和用于確定表示所述線圈的阻抗的參數(shù)的測(cè)量單元。
【背景技術(shù)】
[0002]通過(guò)電阻抗測(cè)量裝置來(lái)探測(cè)材料例如鋼筋混凝土是已知的。這樣的裝置包括線圈和用于向線圈饋送電流脈沖的脈沖發(fā)生器。在每個(gè)電流脈沖后，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)衰減并引起線圈上的感應(yīng)電壓衰減。該電壓的衰減是線圈阻抗的函數(shù)，其依賴于場(chǎng)范圍內(nèi)的材料的磁導(dǎo)率μ和電導(dǎo)率σ。例如，如果線圈接近埋入混凝土內(nèi)的金屬鋼筋條時(shí)，場(chǎng)范圍內(nèi)的平均磁導(dǎo)率μ和電導(dǎo)率σ，和由此得到的線圈的阻抗會(huì)變化，這導(dǎo)致感應(yīng)電壓的衰減變緩。
[0003]因此，通過(guò)測(cè)量表示線圈的電感的參數(shù)，能夠洞察線圈附近的材料的組成。這對(duì)于混凝土內(nèi)的鋼筋條或其他金屬部分的定位、深度和/或直徑的確定是非常有用的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的問(wèn)題是進(jìn)一步改進(jìn)此類裝置。所述問(wèn)題是通過(guò)權(quán)利要求1的裝置解決的。相應(yīng)地，所述裝置包括二維線圈陣列。進(jìn)一步的，測(cè)量單元適于確定表示所述線圈中的單個(gè)線圈的阻抗的參數(shù)。這樣的設(shè)計(jì)使得提供了材料的空間分辨測(cè)量方法，例如對(duì)混凝土內(nèi)的鋼筋條或其他金屬部分的位置和/或取向進(jìn)行定位。
[0005]在有利的實(shí)施例中，所述脈沖發(fā)生器適于向每個(gè)所述線圈分別饋送單獨(dú)的電流脈沖，也就是說(shuō)，它能夠向每個(gè)選定的線圈饋送電流脈沖，同時(shí)不向其他線圈饋送脈沖。這使得能夠在陣列內(nèi)的任意位置產(chǎn)生定位明確的磁場(chǎng)。
[0006]另外，所述測(cè)量單元可以適于測(cè)量例如所述線圈中的單個(gè)線圈的所述參數(shù)。
[0007]所述線圈可以有利地由印刷電路板上的導(dǎo)電軌形成，其使得它們的制造成本低廉。
[0008]所述裝置有利地用于探測(cè)混凝土，特別是探測(cè)鋼筋混凝土，以定位其中的鋼筋條或其他金屬部分。
【附圖說(shuō)明】
[0009]當(dāng)考慮做出以下詳細(xì)的說(shuō)明時(shí)，本發(fā)明將被更好的理解，并且不同于上述那些內(nèi)容的對(duì)象將變得明顯。這樣的說(shuō)明參考所附的附圖，其中:
[0010]圖1顯示了裝置的部件的框圖，
[0011]圖2顯示了線圈電路的實(shí)施例，
[0012]圖3顯示了測(cè)量單元的最重要部件的實(shí)施例，
[0013]圖4顯示了印刷電路板上的線圈，和
[0014]圖5是在多層印刷電路板上實(shí)現(xiàn)的線圈的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]定義:
[0016]術(shù)語(yǔ)“二維線圈陣列”應(yīng)理解為線圈被排列成平面或曲面上的矩陣，在行方向上并排排列第一數(shù)量NI > I的線圈，并且在列方向上并排排列第二數(shù)量N2 > I的線圈，行和列方向彼此橫切地延伸。
[0017]術(shù)語(yǔ)“基于阻抗探測(cè)材料的裝置”應(yīng)理解為通過(guò)使線圈靠近材料來(lái)確定樣品材料(例如混凝土)的特性的裝置。向線圈饋送電流脈沖，并且線圈的磁場(chǎng)的建立或衰減是所述場(chǎng)所受到的磁導(dǎo)率μ和電導(dǎo)率σ的函數(shù)，其取決于材料的組成。因此，所述裝置適于測(cè)定取決于材料的磁導(dǎo)率μ和/或電導(dǎo)率σ的特性。
[0018]概述:
[0019]圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的裝置的部件的概況?？梢钥吹?，所述裝置包括多個(gè)線圈1，其以行和列排列成二維陣列，標(biāo)示為行方向X和列方向y。雖然每行的線圈數(shù)目NI和每列的線圈數(shù)目N2可以低至2，有利地這兩個(gè)數(shù)目都大于2，這樣可以獲得待測(cè)材料的空間良好分辨信息。在圖1的實(shí)施例中，NI = N2 = 6，但是其他數(shù)字例如8或16也可以使用。
[0020]每個(gè)線圈I都有線圈電路2。另外，所述裝置包括脈沖發(fā)生器3、測(cè)量單元4和控制單元5。脈沖發(fā)生器3適于向每個(gè)線圈I分別饋送電流脈沖，同時(shí)測(cè)量單元4能夠確定每個(gè)線圈的表示其阻抗的參數(shù)?？刂茊卧?協(xié)調(diào)脈沖發(fā)生器3和測(cè)量單元4的操作。這些部件的設(shè)計(jì)將在下一部分進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
[0021]脈沖發(fā)生器:
[0022]脈沖發(fā)生器3包括行脈沖線rpL..rpNl和列脈沖線cpL..cpN2，所有這些都連接到計(jì)時(shí)電路6。在二維陣列的每個(gè)單元i，j中，一個(gè)列脈沖線cpi與一個(gè)行脈沖線rpj相交。在操作中，一個(gè)行脈沖線例如被設(shè)置為高壓(如10伏特)，同時(shí)其他行脈沖線被保持在低壓(如O伏特)。另外，列脈沖線保持在高壓(如10伏特)，有一條列脈沖線例外，對(duì)該條列脈沖線施加至少一個(gè)低壓脈沖(例如到O伏特)。
[0023]線圈電路:
[0024]圖2顯示了單個(gè)線圈電路2和它從屬的線圈I的實(shí)施例?？梢钥吹剑€圈電路2包括連接到列脈沖線cpi的第一輸入端10，連接到行脈沖線rpj的第二輸入端11，和連接到列信號(hào)線csi的輸出端，假設(shè)i和j是二維線圈陣列中的線圈電路的坐標(biāo)。
[0025]另外，每個(gè)線圈電路2包括第一半導(dǎo)體開關(guān)Tl和第二半導(dǎo)體開關(guān)T2，也就是說(shuō)每個(gè)線圈I具有一個(gè)第一半導(dǎo)體開關(guān)Tl和一個(gè)第二半導(dǎo)體開關(guān)T2。這兩個(gè)開關(guān)可以例如為場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)或雙極晶體管。它們中的每一個(gè)具有兩個(gè)電流端子(例如FET的源極和漏極或雙極晶體管的集電極和發(fā)射極)和控制端子(例如FET的柵極或雙極晶體管的基極)ο如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，第一和第二電流端子之間的電導(dǎo)率通過(guò)控制端子處的電壓來(lái)控制，這使得可以通過(guò)改變控制端子處的電壓來(lái)接通或切斷電流端子之間的電流。
[0026]可以看到，線圈I的一個(gè)端子接地(或連接到另一固定的參考電勢(shì))，同時(shí)線圈I的另一端子(在點(diǎn)P處)連接到半導(dǎo)體開關(guān)Tl的一個(gè)電流端子。半導(dǎo)體開關(guān)Tl的第二電流端子連接到行脈沖線rpj。半導(dǎo)體開關(guān)Tl的控制端子連接到列脈沖線cpi。
[0027]另外，如提到的，線圈電路2包括第二半導(dǎo)體開關(guān)T2，它的控制端子連接到行脈沖線rpj，它的一個(gè)電流端子通過(guò)電阻Rl連接到線圈1，并且它的第二電流端子被連接到列信號(hào)線csi。電阻Rl具有至少10-1000 Ω的電阻。
[0028]測(cè)量單元:
[0029]測(cè)量單元4的設(shè)計(jì)如圖3所示。它包括模擬多路分配器20，其具有連接到列信號(hào)線cs1...csN2的Ν2個(gè)輸入端以及一個(gè)輸出端21。半導(dǎo)體開關(guān)Τ3使得能夠選擇性地將每個(gè)輸入端連接到輸出端21。半導(dǎo)體開關(guān)Τ3的控制端子由控制單元5和脈沖發(fā)生器3控制。
[0030]從輸出端21來(lái)的信號(hào)被饋送到運(yùn)算放大器22的反相輸入端，也就是說(shuō)多路分配器被設(shè)置在列信號(hào)線cs1...csN2和放大器22之間。放大器22在其反饋回路內(nèi)具有電阻R2。放大器22的正相輸入端連接到恒定參考電勢(shì)Vref。
[0031]另外，如可以看到的，電壓限制器23，例如包括兩個(gè)相反極性(reversely-poled)的并聯(lián)的肖特基二極管，被設(shè)置在放大器22的輸入端處。它限制放大器22的輸入端處的電壓，使其相對(duì)于大地不超過(guò)100V，特別是相對(duì)于大地小于IV，例如幾個(gè)100mV。
[0032]操作過(guò)程
[0033]裝置的上述實(shí)施例的操作過(guò)程將在下面描述。
[0034]在正常操作過(guò)程中，控制單元5操作脈沖發(fā)生器3以在行和列脈沖線rpl...rpNl和cp1...cpN2上分別產(chǎn)生一系列的脈沖，通過(guò)此激活線圈矩陣中的各線圈I。
[0035]為了激活例如位于行j和列i處的線圈，脈沖發(fā)生器6將除了行脈沖線rpj之外的所有行脈沖線設(shè)置到低電壓，同時(shí)行脈沖線rpj被設(shè)置到高電壓。所有的列脈沖線cp1...cpN2被設(shè)置到高電壓。進(jìn)一步地，多路分配器20被設(shè)置成僅將第二行脈沖線csj連接到輸出端21。這種情況下，所有半導(dǎo)體開關(guān)Tl都是非導(dǎo)通的，即沒(méi)有電流通過(guò)任何線圈1此外，只有位于行j的半導(dǎo)體開關(guān)T2是導(dǎo)通的，且多路分配器20僅將列j的行i處的線圈連接到放大器22的輸入端。
[0036]現(xiàn)在，脈沖發(fā)生器3向列脈沖線cpi施加低電勢(shì)脈沖，通過(guò)此將半導(dǎo)體開關(guān)Tl轉(zhuǎn)變到其導(dǎo)通狀態(tài)，這樣電流開始流過(guò)行j和列i處的線圈I。一旦足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)建立，列脈沖線cpi就被設(shè)置回到其高壓，通過(guò)此截?cái)喟雽?dǎo)體開關(guān)Tl。這導(dǎo)致點(diǎn)P處的負(fù)感