CN210155345U - 用于沿着墙壁结构的表面移动以定位立柱的立柱探测设备 - Google Patents

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CN210155345U CN201790000988.9U CN201790000988U CN210155345U CN 210155345 U CN210155345 U CN 210155345U CN 201790000988 U CN201790000988 U CN 201790000988U CN 210155345 U CN210155345 U CN 210155345U
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布鲁斯·埃丁格
勇·库欣
迈克尔·默里
比安卡·利奈
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Abstract

本公开描述一种用于沿着墙壁结构的表面移动以定位立柱的立柱探测设备。立柱探测设备包括：外壳；由所述外壳承载的一个或多个处理器，所述一个或多个处理器与所述传感器通信耦接以测量相对于所述墙壁结构的固定电容的电容变化来计算立柱位置以及生成一个或多个信号以报告有关立柱的位置的结果以定位立柱；和由外壳承载的传感器。传感器包括两个或更多个电极。两个或更多个电极被配置成形成圆形或椭圆形的配置。即使墙体探测仪相对于墙壁设置成一定角度，立柱探测设备也能够进行立柱的精确检测。

Description

用于沿着墙壁结构的表面移动以定位立柱的立柱探测设备
相关申请交叉引用
本申请要求于2016年6月24日提交的题为“墙体探测仪(STUD FINDER)”的美国临时申请No.62/354,176的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本申请涉及用于定位在墙壁结构或其他结构的表面后面的物体 (如，立柱)的***和方法。
背景技术
存在各种现有的用于感测并定位在墙壁和其他建筑物表面后面的物体的感测装置。一种类型的感测装置使用电容性传感器，其用于定位在墙壁结构或其他结构的表面后面的立柱。本申请的一个方面提供对立柱传感器的改进，并且特别地，提供对用于立柱探测设备的电容性传感器的改进。
实用新型内容
因此，本公开的一个或多个方面涉及一种立柱探测设备，其被配置成定位立柱。立柱探测设备包括：外壳；由外壳承载的传感器。传感器包括两个或更多个电极。两个或更多个电极被配置成形成实质上圆形配置。立柱探测设备还包括由外壳承载的一个或多个处理器。一个或多个处理器与传感器通信耦接。一个或多个处理器由机器可读指令配置为：通过在立柱探测设备沿着墙壁结构的表面移动时测量相对于墙壁结构的固定电容的电容变化来计算立柱位置；以及生成一个或多个信号以报告有关立柱的位置的结果。
本公开的另一方面涉及一种立柱探测设备，其被配置成定位立柱。立柱探测设备包括：外壳和由外壳承载的传感器。传感器包括两个或更多个叉指的电极。立柱传感器还包括由外壳承载的一个或多个处理器。一个或多个处理器与传感器通信耦接。一个或多个处理器由机器可读指令配置为：通过在立柱探测设备沿着墙壁结构的表面移动时测量相对于墙壁结构的固定电容的电容变化来计算立柱位置；以及生成一个或多个信号以报告有关立柱的位置的结果。
本公开的又一方面涉及一种用于利用立柱探测设备定位立柱的方法，立柱探测设备被配置成定位立柱。立柱探测设备包括外壳和由外壳承载的传感器。立柱探测设备包括两个或更多个电极，两个或更多个电极被配置成形成实质上圆形配置。立柱探测设备包括由外壳承载的音频指示器和/或视觉指示器；和一个或多个处理器，所述一个或多个处理器与所述两个或更多个电极和音频指示器和/或视觉指示器通信耦接。一个或多个处理器被配置成在确定有关立柱的位置的结果时生成到音频指示器和/或视觉指示器的输出信号。设置通过外壳并且在传感器之间实质上居中的孔。方法包括：通过在立柱探测设备外壳的后表面沿着墙壁结构的表面移动时测量相对于墙壁结构的固定电容的电容变化来计算立柱位置；基于电容变化报告有关立柱的位置的结果；经由音频指示器和/或视觉指示器指示有关立柱的位置的结果；以及其中，当音频指示器和/或指示器提供指示时，不论外壳的与墙壁接合的后表面相对于墙壁的角度，孔与立柱的位置对齐。
在参考附图考虑到均构成本说明书的一部分的以下说明和随附权利要求时，本公开的这些和其他目的、特征和特性以及结构的相关元件的操作方法和功能以及零件的组合以及制造成本将变得明显的，其中，在各种附图中，相同的附图标记指代对应的部件。然而，将清楚理解的是，附图只用于例示和说明而不旨在作为对本公开的限制而定义。
附图说明
图1A描绘立柱探测设备/立柱检测设备的示例性正视图。
图1B是根据本公开的一个或多个实施例的能够定位立柱的立柱感测设备中包括的立柱感测电路的示意图。
图2示出根据一个或多个实施例的屏蔽(shield)电极。
图3示出根据一个或多个实施例的两个叉指的 (interdigitating)电极。
图4是描绘了根据一个或多个实施例的与两个电极对应的信号的示例性图表。
图5是根据一个或多个实施例的墙壁深度表。
图6示出根据一个或多个实施例的形成实质上圆形配置的两个电极。
图7示出根据一个或多个实施例的形成实质上圆形配置的两个电极。
图8示出根据一个或多个实施例的形成实质上圆形配置的两个电极。
图9示出根据一个或多个实施例的形成实质上圆形配置的两个电极。
图10示出根据一个或多个实施例的形成各种结构的实质上正方形的电极的阵列。
图11是根据一个或多个实施例的墙壁深度表。
图12示出根据一个或多个实施例的实质上三角形图案和其他图案的电极的各种示例。
图13是示出根据一个或多个实施例的实质上三角形的电容板的重叠区域的逐步变化(progression)的图表。
图14是示出根据一个或多个实施例的非矩形的电容板的重叠区域的逐步变化的图表。
图15-24示出根据一个或多个实施例的立柱探测设备的外壳的各种视图。
图25示出根据一个或多个实施例的电子硬件框图。
图26示出根据一个或多个实施例的电极连接示意图。
图27示出根据一个或多个实施例的电极连接示意图。
图28示出根据一个或多个实施例的固件或软件流程图。
图29示出根据一个或多个实施例的利用立柱探测设备定位立柱的方法。
具体实施方式
如本文使用的，单数形式的“a、an、the”包括复数的参考，除非上下文以其他方式明确说明。如本文使用的，两个或更多个部件或组件被“耦接”的说明应当指只要发生链接(link)，部件直接或间接地(即，通过一个或多个中间部件或组件)连接在一起或一起操作。如本文使用的，“直接耦接”指两个元件彼此直接接触。如本文使用的，“固定耦接的”或“固定的”指两个组件被耦接以在相对于彼此保持恒定取向的同时作为整体移动。
如本文使用的，词语“单一的”指组件被创造为单一工件或单元。即，包括单独创建然后耦接在一起作为单元的工件的组件不是“单一”组件或主体。如本文所应用的，两个或更多个部件或组件彼此“接合”的说明应当指部件直接或通过一个或多个中间部件或组件相对于彼此施加力。如本文所应用的，术语“数量”应当指一个或大于一的整数(即，多个)。
本文使用的方向性词语(如，例如，但不限于，顶部、底部、左、右、上、下、前、后)及其衍生词涉及在附图中示出的元件的方向而不对权利要求进行限制，除非其中明确限定。
如本文使用的，术语“立柱(stud)”的使用可以指在墙壁结构的表面后面的任何隐藏的物体，包括但不限于，立柱、交流电(AC) 线等。如本文使用的，术语“墙壁结构”或“墙壁”的使用可以指任何表面，如，墙壁、地板、天花板、屋顶等。如本文使用的，术语“实质上圆形”的使用不限于圆。该术语指圆、椭圆或其他圆润的形状。此外，该术语指近似为圆的多边形。例如，该术语指八边形或具有甚至比八个更多的边的其他多边形。如本文使用的，术语“正方形”的使用可以指正方形、实质上正方形、矩形或实质上矩形。如本文使用的，术语“菱形”的使用可以指菱形或实质上菱形。如本文使用的，术语“棱锥”的使用可以指棱锥形或实质上棱锥形。
市场现有的立柱感测装置常常利用单个正方形或矩形电极(本文还称为立柱探测设备)。这种立柱感测装置可以在用户沿着墙壁结构的表面以直线和水平方式移动立柱探测设备的情况下工作。然而，人的手臂不总是精确地沿着直线移动。相反，人的手臂通常是以弧形或以其他非直线的方式移动，尤其在手臂完全伸展的情况下。例如，如果人伸长手臂到墙壁结构上，从而尝试定位立柱来挂一幅画，人的手臂会以弧形方式移动。人常常不会将立柱传感器保持在完全垂直的方向上，此外，也不会以直线和水平方式移动立柱传感器。
根据本公开的各种实施例利用形成实质上圆形配置的电极(如本文限定的)。使用电极的实质上圆形配置允许用户利用立柱探测设备以某一角度、弧或以非直线方式接近立柱。外壳上的立柱定位标记将使用户能够在(与一个或多个处理器和音频指示器和/或视觉指示器协作的)传感器识别出已经达到立柱上的预定位置(如，立柱的边缘、立柱的中心或二者)时，识别立柱上的预定位置的位置。例如，在一个实施例中，外壳上的标记只是外壳中的标记孔。在另一个实施例中，标记可以包括外壳上的视觉显示，其指示与立柱的特征(如，边缘或中心)对应的位置。
在将孔用作标记的实施例中，所述孔在电极的实质上圆形配置内实质上居中。在该实施例中，由于标记孔与电极的边缘或周边上的所有位置等距离地间隔开，标记孔将总是位于相对于立柱的预定位置处，而不管从何方向或角度到达立柱。这将在下面更详细的描述。仅举例来说，在一个实施例中，实质上圆形和/或叉指的传感器配置可以具有约2.0”的直径，或在一个实施例中，可以具有在1.5”至2.5”范围内的直径，且在又一实施例中，可以具有在1.0”至3.0”范围内的直径。1.5”的直径对应于通常与干燥墙壁(dry wall)接合(或紧挨着干燥墙壁背后)的某些立柱类型(沿着其边缘)的宽度。因此，在一个示例中，针对直径为1.5”的圆形传感器，如果通过外壳的孔在传感器之间居中，则孔的中心将在所有方向上离(一个或多个)传感器的周边实质上为.75”。因此，如果感测设备(本文还称为墙体探测装置或简称为墙体探测仪)的外壳的后表面以任一方向滑过墙壁表面，则当传感器的实质上圆形配置的周边先到达墙壁表面之下的立柱的边缘时，孔的中心将被定位成距离立柱边缘实质上为.75”(或者，对于特定的立柱类型，实质上居中)。必须理解的是，不管墙体探测仪的外壳是沿着墙壁表面完全水平地(如，垂直于立柱)移动、相对于立柱以45度角或更小角度移动、还是可选地以接近立柱的任意角度移动，都是如此。
图1A描绘了根据本公开的一个实施例的立柱感测设备100(还称为立柱检测设备)的示例性正视图。立柱感测设备100被配置成使用如图1B中所示的电路***10定位立柱。立柱感测装置100(还称为墙体探测仪)被配置成帮助用户定位立柱，而不用必须在完全垂直方向上对准装置100或以完全直线和水平方式移动装置100。在一些实施例中，且如图1B中所示，墙体探测仪包括处理器12、电子存储装置14和电容传感器22(本文还称为立柱传感器)中的一个或多个。通过一个实施例。处理器12、电容传感器22和电子存储装置14中的每个可耦接到用户界面20。例如，用户界面20提供诸如调整电容传感器的参数等的功能。关于此的详细内容稍后参考图25描述。在一些实施例中，处理器12、电子存储装置14和电容传感器22可以存在于相同的外壳内。在一些实施例中，微控制器可包括在电容传感器22所在的相同的外壳中且可以与处理器12、电子存储装置14和电容传感器22通信地耦接。在一些实施例中，电容传感器22可以存在于手持式外壳中。
一个或多个电容传感器22可包括两个或更多个电极，所述电极可以是叉指的或可以不是叉指的。此外，墙体探测仪100可还包括一个或多个处理器。一个或多个处理器可与电容传感器(22)通信地耦接。
处理器12可被配置成在墙体探测仪100中提供信息处理能力。这样，处理器12可包括数字处理器、模拟处理器、被设计成处理信息的数字电路、被设计成处理信息的模拟电路、状态机和/或用于电子地处理信息的其他机制中的一个或多个。虽然处理器12在图1B中被示为单个实体，但这仅用于说明的目的。在一些实施例中，处理器12可包括多个处理单元。这些处理单元可物理地位于相同装置(如，服务器或电容传感器22所在的外壳)中，或处理器12可表示协同操作的多个装置(如，服务器、计算装置和/或其他装置)的处理功能。
处理器12可以经由机器可读指令24被配置成执行一个或多个计算机程序组件。一个或多个计算机程序组件可包括计算立柱位置组件26、结果报告组件28和/或其他组件中的一个或多个。处理器12 可被配置成通过用于配置处理器12的处理能力的软件,硬件,固件, 软件、硬件和/或固件的一些组合,和/或其他机制来执行组件26和/ 或组件28。
应当理解，尽管组件26和组件28在图1B中被示出为共同位于单个处理单元内，但在处理器12包括多个处理单元的实施例中，组件26或组件28中的一个或多个可远离另一组件定位。不同组件26 和组件28提供的功能的下述说明仅用于说明，且不旨在是限制性的，因为组件26和组件28中的任一个可提供比描述的更多或更少的功能。例如，可省略组件26和组件28中的一个或多个，且可通过其他组件提供其功能中的一些功能或所有功能。作为另一示例，处理器12可被配置成执行一个或多个附加组件，所述附加组件可执行在下面归属于组件26和/或组件28中的一个的功能中的一些功能或所有功能。
在一些实施例中，如本领域已知的，计算立柱位置组件26可被配置成通过以下方式计算立柱位置：当立柱传感器沿墙壁结构的表面移动时，测量相对于墙壁结构的固定电容的电容变化。结果报告组件 28可被配置成报告关于立柱的位置的结果。
在一个实施例中，立柱传感器22使用电容感测电子器件定位通过干式墙壁或其他常见的建筑材料的立柱和托梁的中心，且一旦检测到了就可视地和/或可听地向用户提供指示。如本领域已知的，立柱位于其中的建筑材料的厚度可为0.5”、0.75”、1”以及达到1.5”或更大(或小于0.5”)。可预期使用任何其他适当厚度。通过一个实施例，本公开的立柱检测装置还可检测干式墙壁或其他常见的建筑材料的表面后面的AC线路。这些AC线路将电力输送到家庭和企业。 AC电压可以在100-240V的范围，且AC频率可以在50-60Hz的范围。可预期使用较低和较高频率。
当立柱存在于墙壁结构的表面后面时，立柱传感器22检测到传感器的电容变化。在一些实施例中，“自模式下的电荷传递(charge transfer in self mode)”技术是用来测量基于墙壁结构的固定电容的电容变化的电容测量技术。有几家公司生产用于用户应用的“电荷传递”集成电路(IC)芯片，包括德州仪器的CapTIvate技术。
“自模式”指相对于地面(earth ground)的外部电容变化。硬件上存在三种不同的电容器用来实施电荷传递技术：Vreg电容器(未示出)、采样电容器(未示出)和(一个或多个)外部未知电容器(如图1B中所示，电容传感器22的第一电极和第二电极)。在充电阶段，存储在Vreg电容器上的电容电荷用于对外部未知电容充电。然后，传递阶段开始，并且来自外部电容的电荷被传递到采样电容器。同时，DC线性电压调节器对Vreg电容器再充电。这些充电和传递阶段重复进行直到采样电容器被充电到预设量。
在根据本技术的一些实施例中，当存在立柱或类似结构时，外部电容是电极的电容改变。用来实施此电容测量的硬件是微控制器的外部设备的一部分。在软件上，微控制器的电荷传递引擎设置被配置成提供高的***灵敏度。
在一个实施例中，在外壳101(图1A)上设置有标记，以告知用户所定位的立柱的识别属性(边缘或中心)相对于壳***于何处。例如，标记可以是外壳上的指针、外壳上的LED显示器或仅是通过外壳的孔(如在所述实施例中)。关于墙体探测仪100的外壳和相关组件的进一步的详细说明至少参考图15稍后描述。
通过非限制示例的方式，图2示出了根据一个或多个实施例的可选的第一屏蔽电极202(固体屏蔽平面)。在一个实施例中，屏蔽电极202是实质上圆形的(与电容传感器电极类似)，且在一个实施例中，屏蔽电极202的外径大于电容传感器22的实质上圆形的传感器电极的外径。在另一个实施例中，屏蔽电极202具有并非实质上圆形的外部配置。孔204(或中心标记通道)设置成通过第一屏蔽电极 202的中心。在一些实施例中，通过第一屏蔽电极202的中心的孔204 (或中心标记通道)可以对准或至少部分对准设置在墙体探测仪的外壳的后侧上(如，通过翻盖式(clam shell)外壳的后半部)的后孔 1514(见图15)。在一些实施例中，孔204还可延伸通过外壳的前面(如，通过翻盖式外壳的前半部)。在一个实施例中，外壳前面的孔可大于(或小于)外壳后面的孔。在一个实施例中，孔204延伸通过外壳并通过屏蔽电极(以及如将描述的形成电容传感器的实质上圆形的和/或叉指的电极)。因此，孔关于这些电极的***实质上居中。孔被配置成当音频和/或视觉指示器报告有关立柱的位置的结果时，与立柱的边缘对齐，或在一些实施例中与立柱的中心对齐。例如，音频指示器可采取扬声器、振动器或其他噪声标记的形式，在达到或定位到立柱的边缘(和/或中心)时，其发出声音。此外，或替代地，在达到或定位到立柱的边缘(和/或中心)时，视觉指示器(如，LED, LCD或其他视觉指示器)可提供视觉指示。铅笔或钢笔可***通过孔 204以在其后方已检测到立柱的墙壁位置处标记墙壁表面。在另一实施例(未进行说明)中，外壳的中心区域(孔204所在的位置)可以替代地设置有弹簧偏置按钮，而非设置孔(并且代替用户使用钢笔或铅笔标记墙壁表面)。按钮在外壳的前侧处具有手指接合表面和伸缩针或尖头突出部，其通常收回在外壳内部，并且可以在用户按压按钮时抵抗按钮的弹簧偏置而被向后推出超过外壳的后表面，以接合墙壁表面从而在墙壁表面上创建小孔或标记。当已经检测到立柱时，由针或尖头突出部创建的小孔或标记将对应于立柱的中心。
通过本公开的一个方面，第一屏蔽电极202设置在印刷电路板 (PCB)206的后侧(与墙壁结构并列或实质上并列放置)上。此外，以与图3的两个叉指的电极302和304相同的电势驱动第一屏蔽电极 202。接下来参考图3描述屏蔽电极的实用性以及其相对于PCB和叉指的电极的相对定位。
在孔204用作标记的实施例中，该孔实质上位于电极的实质上圆形配置内的中心。这能够从图6至图9中示出的配置中理解到。在这些实施例中，由于标记孔204与电极的边缘和周边上的所有位置相等距离的间隔开，标记孔将总是位于相对于立柱的预定位置处，而不管从何方向或角度到达立柱。例如，不必完全以垂直方式保持墙体探测仪来检测立柱。即使墙体探测仪相对于墙壁设置成一定角度，由于本文描述的电容传感器的配置，本公开的墙体探测仪也能够进行立柱的精确检测。仅作为示例，在一个实施例中，实质上圆形的传感器配置可以具有1.5”的直径，1.5”的直径对应于通常与干燥墙壁接合 (或紧挨着干燥墙壁)的某些立柱类型沿着其边缘的宽度。如果通过外壳的且在传感器之间居中的孔204是居中的，则孔的中心将在所有方向上距离传感器的周边实质上约.75”。因此，如果立柱传感器外壳后表面以任一方向滑过墙壁表面，则在传感器的实质上圆形配置的周边先达到墙壁表面的之下的立柱的边缘时，孔的中心将被定位在距离立柱边缘为.75”(或者，对于特定的立柱类型，实质上居中)。无论墙体探测仪外壳是沿着墙壁表面完全水平地(如，垂直于立柱)移动、相对于立柱以45度角或更小角度移动，还是可选地以接近立柱的任意角度移动，都是如此。
图3示出了根据一个或多个实施例的两个叉指的电极。本文使用的术语“叉指”被限定为指合拢(folded)或锁定(locked)在一起。例如，这可以指一个电极至少一个轴线上可以不相对于另一电极移动。两个叉指的电极包括第一电极302和第二电极304。在一些实施例中，电极可以不是叉指的。在一个实施例中，存在形成在第一电极302 和第二电极304之间的间隙306以及外部周边312。在一些实施例中，间隙306可近似为0.2mm，然而，可以考虑任何其他适当的值。例如，间隙306可在0.05mm至0.3mm的范围内，且在另一示例中，在0.15 mm至0.25mm的范围内。注意，间隙306在第一电极302和第二电极 306之间提供绝缘。
通过本公开的一个实施例，设想立柱传感器中可包括实质上环形的第二屏蔽电极308。因此，第一电极302、第二电极304、第一屏蔽电极202和第二屏蔽电极308形成电容传感器。传感器设计选择提供足够的灵敏度并使来自寄生电容的噪声最小化。通过一个实施例，叉指的电极设置在PCB 206的顶层上且在其***由第二屏蔽电极308 包围。通过一个实施例，第一屏蔽电极202可以设置在PCB的底层上。第一屏蔽电极202和第二屏蔽电极308彼此电耦接和/或通信耦接且与第一电极302和第二电极304电耦接和/或通信耦接。在电极(第一电极302和第二电极304)和第二屏蔽电极308之间存在间隙310。在一些实施例中，间隙310可近似为0.8mm，然而，可以考虑任何其他适当的值。例如，间隙310可在0.5mm至0.8mm的范围内，且在一个实施例中，在0.6mm至0.7mm的范围内。自模式下的电荷传递技术与叉指电极传感器的组合相比于市场上的其他墙体探测仪能够在更厚墙壁上对立柱中心进行精确检测。加速计、湿度检测器和温度检测器可增加可靠性。
本文公开的屏蔽电极是可选的且可以从所述实施例省去。当提供屏蔽电极时，它们为墙体探测仪提供各种功能。例如，在一些实施例中，它们能够降低噪声，因为它们是PCB的接地层。其次，以与第一电极302和第二电极304相同的电势驱动屏蔽电极。该驱动的屏蔽电极使寄生电容最小化并增加传感器的灵敏度。
在一些实施例中，第一电极302和第二电极304的组合生成总共两个信号，该两个信号指示在墙壁结构的表面后面存在立柱并且立柱接近电容传感器时的电容变化。当电极302和304(即，电容传感器一起)经过立柱时，信号值将逐渐下降，并且在电容传感器经过立柱后逐渐增加，如图4中所示。微控制器中的软件和/或固件能够被配置成连续监控信号值。值的变化通过软件和/或固件识别并且用于确定立柱的存在和/或位置。
作为非限制示例，图4示出了根据一个或多个实施例的两个电极的信号图400。横轴402表示电容传感器22穿过墙壁结构的表面 (在此情况下为从左到右)时所采取的电容的样本的数量。纵轴404 没有单位，表示当电容传感器22穿过表面时电容的相对变化。波形406表示从第一电极302读取的信号。波形408表示从第二电极304 读取的信号。信号在立柱中心线410处处于其最低点。在波形达到该低点时，电容传感器22在立柱上方居中。例如，参考图1B，例如，当从左向右扫过电容传感器22时,传感器右侧的电极(即，标记为第二电极的电极)将在遇到立柱时被激活。随后，在传感器右侧的电极停用时,传感器左侧的电极(即，标记为第一电极的电极)将被激活。
选择电极的数量和面积以提供足够的信号强度，从而基于电容公式通过最大指定厚度的墙壁检测立柱：
C＝ExA/d 公式1
其中，E是介电常数,A是传感器22与墙壁结构的接触面积(即，电容传感器22的圆形区域)，以及d是电容传感器与立柱之间的距离(或在一些实施例中，为墙壁厚度)。
在一些实施例中，传感器被设计成实质上圆形形状以对称。如上所述，实质上圆形形状的一个方面是信号(见图4)容许电容传感器22移动的角度。一个实施例，电容传感器22将在用户以小于45°的角度接近立柱(通过用户的移动)时最佳的工作。这是因为以较大的角度时，两个电极可同时接近立柱(如，立柱传感器以90°接近立柱，外壳的顶部移动进入立柱/朝向立柱移动的情况)。当然，可以根据需要建造和设计该角度。
图5是根据一个或多个实施例的墙壁深度表。在上述电容公式1 中，两个电极的组合的面积与电容直接相关。在一些实施例中，该表限定两个电极相对于墙壁深度的最小圆形面积，其将生成良好且可靠的检测电容变化结果。该墙壁深度表中的数本质上仅是示例性的且不旨在作为限制。可以考虑其他值。
图6说明根据一个或多个实施例的形成实质上圆形配置的两个叉指的电极。第一电极602和第二电极604被交界面606分开。孔 204(或1514，见图15)被设置为通过电极(或在电极之间的交界面处)，如本文说明和描述的。可在图6的实施例中形成阴阳(yin-yang)或 S形图案。第一电极602和第二电极604可在各种不同曲线和/或(一个或多个)线段处交汇。图6至图9的两个电极形成的实质上圆形配置所具有的直径范围在约1”至3”之间。然而，可以考虑其他值。此外，在一个实施例中，屏蔽电极202的直径大于第一电极602和第二电极604形成的圆形配置的直径。例如，在一个实施例中，屏蔽电极的直径在1.5”至3.5”的范围内。在另一个实施例中，屏蔽电极所具有的直径小于第一电极。
图7示出根据一个或多个实施例的形成实质上圆形配置的两个电极。第一电极702和第二电极704在间隙706和孔204处交汇，如本文所述。第一电极702和第二电极704均是半圆形或实质上半圆形形状。交界面706是线段的形式，孔204穿过交界面706。图7中说示出的电极配置不是叉指的。
图8示出根据一个或多个实施例的形成实质上圆形配置的两个叉指电极。第一电极802和第二电极804在交界面或间隙806处交汇，并且包括穿过其中的孔204，如本文所述。图8的实施例的交界面形成锯齿形或z字形图案。交界面806具有三个线段，其中中央线段具有通过其中的孔204。
图9示出根据一个或多个实施例的形成实质上圆形配置的两个叉指电极。第一电极902和第二电极904在交界面或间隙906处交汇，并且包括通过其中的孔204，如上所述。如图9中所示，第一电极902 和第二电极904之间的交界面包括多个曲线。可以设想所有其他适当图案，但为了简便不在此示出。
叉指的电极比非叉指的电极提供更高的灵敏度。如果存在N个电极，则在一些实施例中，每个电极的面积与实质上圆形电容配置的整个面积的比为1:N。在一些实施例中，给定电极的形状是圆形区域内的另一电极的镜像；在一些实施例中，那些电极是互锁的(interlocking)(叉指的)。然而，必须理解的是，叉指的N个电极形成实质上圆形配置。
图10示出根据一个或多个实施例的形成各种结构的实质上正方形的二维电极的阵列。菱形图案包括多个正方形电极，其以N×N阵列排列并且形成为实质上菱形形状。棱锥图案包括多个正方形电极，其以N x M阵列排列并且形成为实质上棱锥形状。所述电极的配置使电容传感器22能够是全方向的。立柱传感器22可以任何角度移动且仍检测立柱的预定或期望位置(如，边缘或中心)，而不管电容传感器22的外壳的与墙壁接合的后表面相对于墙壁所取的角度。
此外，基于电极的位置和电极的电势变化，立柱感测装置100 可指示立柱的取向。这些属性还可应用于其他实施例，如图6至图9 的实施例。例如，如在美国临时申请No.62/354,176中所述，在墙体探测仪移动穿过墙壁时，与立柱区域重叠的电极由于电极的形状而不断变化。因此，随着(图10的棱锥或菱形风格配置内的)某些电极的电容变化，墙体探测仪可被配置成估计立柱的取向。
通过一个实施例，电极的实质上圆形配置使电容传感器22为全方向的。相反，随着矩形电极越过立柱，如果矩形电极未垂直对齐，则关于电极和立柱的重叠面积将不会以预定速率增加。例如，如果电极未相对于墙壁结构垂直对齐，则电极的角可首先与立柱重叠。提供实质上圆形配置克服该问题并允许传感器不垂直对齐且以非直线方式移动。
图11是根据一个或多个实施例的墙壁深度表。在一些实施例中，该表限定正方形电极相对于墙壁深度的最小正方形电极面积，其将生成干净且可靠的检测电容变化结果。该墙壁深度表中的数本质上仅是示例性的且不旨在作为限制。可以设想其他值。
图12示出根据一个或多个实施例的实质上三角形图案和其他图案的电极的各种示例。这些图案在2016年6月24日提交的题为“墙体探测仪(STUD FINDER)”的美国临时申请No.62/354,176中讨论，其全部内容通过引用并入本文。图案包括一个或多个修改形式的实质上三角形或实质上矩形电极。在操作期间，电极与立柱区域重叠的部分由于电极的形状而改变。变化的区域生成正比电容变化。此外，形状和重叠区域之间的关系在‘176临时专利申请中进行了解释。
图13是示出根据一个或多个实施例的实质上三角形电容板的重叠区域的逐步变化的图。
图14是示出根据一个或多个实施例的非矩形电容板的重叠区域的逐步变化的图。
图15至图24示出根据一个或多个实施例的电容传感器22的外壳的设计的各种图。在一些图中，后孔1514被描绘为小于孔204。然而，在一些实施例中，后孔1514大于孔204且可位于外壳1500 前面，其中，孔204较小且位于外壳1500后面。如图所示，图15- 图19从审美角度与图20-图24不同。在一些实施例中，传感器和电子控制电路布置在一个PCB中且PCB顶侧被塑料外壳1500封闭。外壳被设计成是方便用户使用的且符合人体工程学的。PCB的背面覆盖有由粘合剂背衬膜制成的覆盖材料，厚度约为0.005”。然而，可以设想其他值。覆盖材料可以包括标签或可以不包括标签。这种材料优于市场上最新墙体探测仪上使用的毡垫(felt pad)，因为它提供了非常平滑的移动并减少了装配部件。此外，覆盖材料的使用还消除通过使用多个较小衬垫产生的空气隙，因此，增加介电耦合。由于产品在墙壁上平滑滑动，因此，它能够快速开始和停止以便用户获得立柱中心的精确位置。
在一些实施例中，外壳1500包括电源按钮、电池隔室1504、LED 1506、1508以及1510、AC检测器LED 1512、孔204和后孔1514。在一些实施例中，孔204的直径可大于后孔1514；然而，不一定如此。在一些实施例中，孔204的直径可小于后孔1514。在一些实施例中，孔204的直径可等于后孔1514。在一些实施例中，孔204可以是通过从第一电极302和第二电极304构成的电容板的中心的孔，并且可以位于外壳1500后面。外壳1500的后面是外壳的与墙壁结构的表面并列放置的面。孔204可以通过第一电极302、第二电极304，并在外壳1500后面形成开口，该开口可以通向墙壁结构的表面。在一些实施例中，孔1514可以是通过从第一电极302和第二电极304 构成的电容板的中心的孔。在一些实施例中，孔204可以是后孔，且所谓的后孔1514可以是在外壳1500前面的孔。外壳1500前面是外壳1500的与外壳1500后面相对的部分。外壳1500前面不与墙壁结构的表面并列放置。用户可以在将外壳1500的后面扫过墙壁结构的表面的同时观察外壳1500前面。在一些实施例中，外壳1500前面可包括诸如LED和电源按钮的元件。电池隔室1504可被水平(如在图15中)或垂直(如在图20中)配置。通过外壳1500形成的孔(1514)可相对于在电容板(即，第一电极302和第二电极304)之间形成的孔 (204)居中或实质上居中。
外壳1500的另一特征是电源按钮的位置和设计，其帮助用户将外壳1500平衡的保持在墙壁结构上，由此生成干净的信号。从现有墙体探测仪产品中脱颖而出的另一特征是主体的薄轮廓，其能够容易地放到用户的口袋里。
如前面提到的，传感器22的中心中的开口(孔204)以及相应的位于墙体探测仪的外壳上的开口1514旨在使用户在检测到立柱时通过开口在墙壁上绘制标记。如此，替代传统的线性偏移(offset) 标记通道，鼓励用户标记检测电极的中心，从而消除一些潜在错误。
在一些实施例中，当外壳1500扫过墙壁结构的表面时，当立柱接近电容传感器22并接近电容传感器22的传感器(电极)的中心的左侧时，LED 1506点亮(即，激活)。当外壳1500扫过墙壁结构的表面时，当立柱近似位于电容传感器22的传感器的中心并接近电容传感器22的传感器的中心的右侧时，LED 1510点亮。在该点处，用户能够使用铅笔或钢笔通过孔204标记墙壁表面，其应当在该点处与立柱的中心对齐。当外壳1500扫过墙壁结构的表面时，当立柱近似位于电容传感器22的传感器的中心时，LED 1508点亮。再者，在该点处，用户能够使用铅笔或钢笔通过孔204标记墙壁表面，其应当在该点处与立柱的中心对齐。可以设想报告立柱的位置(或更具体地，在立柱上的位置，如边缘或中心)的其他形式，如，音频信号，数字读出，振动等。当AC线路被定位时，AC检测器LED 1512点亮。音频或图形显示也可用来指示AC线路的检测。可以设想报告AC线路的位置的其他形式。
图16示出外壳1500的后视图，而图17描绘墙体探测仪100的等距视图。此外，图18和图19分别描绘墙体探测仪的侧视图和斜轴图。参考图16，可致动凸出部1600以打开电池隔室1504的电池盖 1602(如图17中所示)。在一些实施例中，后孔可以是孔204。在一些实施例中，后孔可以是后孔1514且可小于孔204。在一些实施例中，这对所有附图都适用。
图20示出外壳1500的另一设计的前视图。在一些实施例中，外壳1500还包括通电LED 2000、电源按钮2002和被垂直而非水平配置的电池隔室的盖2004。
图21示出图20的外壳1500的设计的后视图。示出孔1514和电池隔室的盖2004。图22和图23描绘图20的墙体探测仪的等距视图和斜轴图，而图24示出图20的外壳1500的设计的侧视图。
图25示出根据一个或多个实施例的电子硬件框图2500。在一些实施例中，电子硬件框图2500可包括微控制器2502、电荷传递引擎 2504、电极2506(电容传感器22的传感器)、AC检测模块2508、电池/电压调节器2510、蜂鸣器/LED(其可以是用户界面2514的一部分)、编程连接器2516、串行通信块2518和/或其他元件。微控制器2502 的集成的电荷传递引擎2504可使用电荷传递技术测量电极2506(电容传感器22的传感器)中的电容变化，因为在一些实施例中，每个电极是自电容传感器。在一些实施例中，包括屏蔽节点的每个电极映射(mapped)到电荷传递引擎2504的端脚，如图26和图27中所示。充电阶段和传递阶段和转换速率的控制在电荷传递引擎2504中被配置且由电荷传递引擎2504控制。微控制器2502并行扫描电极。该功能降低扫描时间和功耗。在一些实施例中，电荷传递引擎2504可集成在微控制器2502中。在一些实施例中，电荷传递引擎2504可位于微控制器2502外面。
在一些实施例中，如图所示，蜂鸣器和视觉指示器(如，LED) (或其他指示器)可以是用户界面2514的一部分。在检测到立柱的中心时，蜂鸣器可以发出声音且外壳上的颜色视觉指示器(如，红灯) 可发光。在接近或离开立柱区域时，其他颜色视觉指示器(如，例如，黄灯)可发光。当检测到AC线路时，蜂鸣器可以发出声音且产品上的颜色视觉指示器(如，红灯)可发光以指示在离装置的规定距离内存在AC线路。连接到微控制器2502的编程连接器2516可以使PCB 上的程序能够通过使用计算机进行更新。串行通信块2518可使微控制器2502能够通过微控制器2502上的串行端口发送和接收数据。
通过一个实施例，由于快速电极扫描时间和低功耗，电容传感器22能够由低电源(如，例如，2AAA电池)供电。小尺寸的电池允许外壳1500小巧便携。在一些实施例中，硬件设计可使用表面贴装组件。这降低装配时间和成本。在一些实施例中，由于在PCB的后侧上不存在通孔组件，因此覆盖材料可直接施加在PCB后面上而不需要另外的平滑的板。这进一步降低装配时间和成本，还使得外壳1500 小巧便携。
墙体探测仪的固件可在微控制器2502上运行。在一些实施例中，固件可包括三个主要软件段：电荷传递引擎配置代码、立柱传感器应用代码和数据通信代码。
电荷传递引擎配置代码将电容模式设置为自(SELF)模式；为所有传感器元件分配在微控制器2504上的适当端脚；且优化传感器22 的调谐参数，如，转换增益、转换计数和扫描时间，以便为立柱检测创建高灵敏度。其并行扫描传感器，这降低操作时间并节省电池电量。其还自动校正传感器数据，因此，***不需要用户在通电之后等待几秒进行校正。
在一些实施例中，利用算法设计立柱传感器应用代码以检测0.5”和0.75”厚度的墙壁的表面后面的立柱。然而，还可以设想其他值 (如，1”和1.5”)。在各种运行周期期间，固件从电容传感器22读取原始电容数据，消除数据中的噪声，并针对之前的数据检查当前数据以寻找数据趋势方向。在图4中，示出当波形达到其最低点时，立柱中心被定位。当接近立柱时，数据呈向下趋势，且在离开立柱时，数据呈向上趋势。数据一从向下趋势变到向上趋势，固件将利用颜色视觉指示器(或其他指示器)(如，红光和蜂鸣器声音)通知用户以指示检测到立柱。固件针对不同墙壁厚度设置电容数据值变化的阈值。如果电容数据值变化未达到阈值，则其将不被软件识别为有效立柱以防止误检测。该阈值还用来预测墙壁的厚度。
当在给定距离范围内检测到AC线路时，AC检测电路向微控制器 2502发送信号。固件(或软件)将利用颜色视觉指示器(或其他指示器)(如，红光和蜂鸣器声音)通知用户以指示检测到AC线路。
图28示出了根据一个或多个实施例的固件或软件流程图2800。在操作2802，能够初始化墙体探测仪。这可包括调节各种设置，并执行设置操作，包括配置通信端口和微控制器2502。
在操作2804，初始化电容传感器22的传感器(可叉指的两个电极和屏蔽电极)。这可包括设置电极的配置和改变各种设置、参数等。例如，通过一个实施例，电荷传递引擎执行的前述功能在此步骤被执行。
在操作2806，可通过将至少一个电容变量设置为预定值来初始化立柱数据。
在操作2808，执行***刷新，因此，从两个或更多个电极读取立柱数据，数据涉及表面后的电容。该电容变量将随着电容传感器 22接近立柱并且测量电容变化而变化。电容变量表示在墙壁结构的表面后面的位置处的测量电容。更具体地，一个或多个处理器随着传感器相对于墙壁结构的位置处的墙壁结构的测量电容的变化来修改电容变量，电容变量与在传感器的位置处的墙壁结构的测量电容成正比。
在操作2810，通过确定图4的波形何时达到其最低点来计算立柱位置。即，电容和(一个或多个)电容变量何时达到其(一个或多个)最低值。在一些实施例中，检测立柱的位置包括检测立柱的边缘、立柱的中心或二者。在一些实施例中，可示出整个立柱的图。换句话说，可实施LED的阵列，且可仅点亮被确定为在立柱上方的LED。以此方式，用户可看见立柱的中间和/或端部位于何处。替代地，单个 LED可用来指示何时检测到立柱的中心。
在操作2812，在立柱已经被定位时，向用户报告结果。这可以各种方式完成。例如，LED、图形显示、音频等可用来指示立柱的接近度或立柱的确切或实质上确切的位置。该过程然后进行到操作 2808。在一些实施例中，刷新可以是自动的。在一些实施例中，可以手动初始化刷新。
在操作2812，执行AC线路检测，如本领域中已知的。
在操作2816，如果检测到AC线路，则AC检测器LED 1512点亮。音频和图形显示可用来指示AC线路的检测。该过程然后进行到操作 2812。如果未检测到AC线路，则该过程然后进行到操作2808。在一些实施例中，刷新可以是自动的。在一些实施例中，可以手动初始化刷新。
图29说明根据一个或多个实施例的用于利用立柱传感器22定位立柱的方法2900，立柱传感器22被配置成定位立柱。立柱传感器 22包括外壳1500和由外壳1500承载的传感器。传感器包括两个或更多个电极。立柱传感器22还包括与两个或更多个电极通信和/或电耦接的一个或多个处理器。在一些实施例中，两个或更多个电极可以是叉指的。一个或多个处理器通过机器可读指令被配置以执行计算机程序组件。计算机程序组件包括计算立柱位置组件26、结果报告组件28和/或其他组件。
下面呈现的方法2900的操作旨在是说明性的。在一些实施例中，可以利用未说明的一个或多个附加操作和/或不利用所讨论的操作中的一个或多个来完成方法2900。此外，图29中说明并下面描述的方法2900的操作的顺序不旨在是限制性的。
在一些实施例中，可以在一个或多个处理装置(如，数字处理器、模拟处理器、设计成处理信息的数字电路、设计成处理信息的模拟电路、状态机和/或用于电子处理信息的其他机制)中实施方法 2900。一个或多个处理装置可包括一个或多个装置，其响应于电子存储在电子存储装置介质上的指令而执行方法2900的操作中的一些或所有。一个或多个处理装置可包括通过被专门设计用于执行方法 2900的一个或多个操作的硬件、固件和/或软件配置的一个或多个装置。
在操作2902，计算立柱的位置。在一些实施例中，操作2902 通过处理器组件(与计算立柱位置组件26(如在图1B中示出和本文描述的)相同或类似)执行。
在操作2904，报告涉及立柱位置的结果。在一些实施例中，操作2904通过处理器组件(与结果报告组件28(如在图1B中示出和本文描述的)相同或类似)执行。
在权利要求中，置于括号中的任何附图标记不应理解为限制权利要求。词语“包括”或“包含”不排除除了权利要求中列出的之外的元素或步骤的存在。在枚举若干装置的产品权利要求中，这些装置中的若干个可由硬件中的一个以及相同项目实施。元素之前的词语“一个”不排除多个这种元素的存在。在枚举若干装置的任何产品权利要求中，这些装置中的若干个可由硬件中的一个以及相同项目实施。在互相不同的从属权利要求中限定某些元素的不争事实不指示这些元件不能组合使用。
尽管基于当前被认为是最实际和优选的实施例，上面提供的说明提供了细节以进行说明，但应当理解，这种细节仅用于该目的，且本公开不限于明确公开的实施例，而相反旨在覆盖在随附权利要求的精神和范围内的修改和等效布置。例如，应当理解，本公开预期在可能的范围内任何实施例的一个或多个特征可与任何其他实施例的一个或多个特征组合。

Claims (22)

1.一种用于沿着墙壁结构的表面移动以定位立柱的立柱探测设备，所述立柱探测设备包括：
外壳；
由所述外壳承载的一个或多个处理器，所述一个或多个处理器与所述传感器通信耦接以测量相对于所述墙壁结构的固定电容的电容变化来计算立柱位置以及生成一个或多个信号以报告有关立柱的位置的结果以定位立柱；和
由所述外壳承载的传感器；
其特征在于：所述传感器包括两个或更多个电极，所述两个或更多个电极被配置成形成圆形或椭圆形的配置。
2.根据权利要求1所述的立柱探测设备，其中，形成所述圆形或椭圆形的配置的所述两个或更多个电极形成在印刷电路板的顶层上。
3.根据权利要求1所述的立柱探测设备，其中，形成所述圆形或椭圆形的配置的所述两个或更多个电极布置成叉指的配置。
4.根据权利要求3所述的立柱探测设备，其中，所述两个或更多个叉指的电极以曲线交汇。
5.根据权利要求2所述的立柱探测设备，其中，所述立柱探测设备还包括第一屏蔽电极，其设置在印刷电路板的底层上。
6.根据权利要求5所述的立柱探测设备，其中，所述第一屏蔽电极是圆形的。
7.根据权利要求6所述的立柱探测设备，其中，所述第一屏蔽电极的直径大于所述两个或更多个电极形成的所述圆形的配置的直径。
8.根据权利要求5所述的立柱探测设备，其中，所述立柱探测设备还包括第二屏蔽电极，所述第二屏蔽电极是环形的，并且包围所述两个或更多个电极的***。
9.根据权利要求1所述的立柱探测设备，其中，由所述两个或更多个传感器形成的配置为具有至少八个边的多边图形。
10.根据权利要求1所述的立柱探测设备，还包括与所述一个或多个处理器通信的音频指示器和/或视觉指示器，以接收用于报告有关立柱的位置的结果的信号。
11.根据权利要求10所述的立柱探测设备，还包括通过所述外壳和所述电极之间的孔，所述孔相对于所述电极居中，其中，所述孔被配置成在所述音频指示器和/或视觉指示器报告所述结果时，与所述立柱的边缘对齐。
12.一种用于沿着墙壁结构的表面移动以定位立柱的立柱探测设备，所述立柱探测设备包括：
外壳；
由所述外壳承载的一个或多个处理器，所述一个或多个处理器与所述传感器通信耦接以测量相对于所述墙壁结构的固定电容的电容变化来计算立柱位置以及生成一个或多个信号以报告有关立柱的位置的结果以定位立柱；和
由所述外壳承载的传感器；
其特征在于：所述传感器包括两个或更多个叉指的电极。
13.根据权利要求12所述的立柱探测设备，其中，两个或更多个叉指的电极形成在印刷电路板的顶层上。
14.根据权利要求12所述的立柱探测设备，其中，所述两个或更多个叉指的电极以曲线交汇。
15.根据权利要求13所述的立柱探测设备，其中，所述立柱探测设备还包括第一屏蔽电极，其设置在印刷电路板的底层上。
16.根据权利要求15所述的立柱探测设备，其中，所述第一屏蔽电极是圆形的。
17.根据权利要求16所述的立柱探测设备，其中，所述第一屏蔽电极的直径大于所述两个或更多个电极形成的圆形的配置的直径。
18.根据权利要求15所述的立柱探测设备，其中，所述立柱探测设备还包括第二屏蔽电极，所述第二屏蔽电极是环形的，并且包围所述两个或更多个电极的***。
19.根据权利要求12所述的立柱探测设备，其中，通过所述外壳并位于所述电极之间的孔相对于所述叉指的电极居中。
20.根据权利要求18所述的立柱探测设备，所述第一屏蔽电极和/或所述第二屏蔽电极与所述一个或多个处理器通信耦接。
21.根据权利要求12所述的立柱探测设备，还包括与所述一个或多个处理器通信的音频指示器和/或视觉指示器，以接收报告有关立柱的位置的结果的信号。
22.根据权利要求21所述的立柱探测设备，还包括通过所述外壳和所述电极之间的孔，所述孔相对于所述电极居中，其中，所述孔被配置成在所述音频指示器和/或视觉指示器报告所述结果时，与所述立柱的中心对齐。
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