CN103424133B - 用于测量无线传感器中的可变阻抗元件的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于测量无线传感器中的可变阻抗元件的系统和方法。一种由电感性发射器供电的无线远程传感器，其被配置为产生基于一个或多个感测的参数而变化的振荡波。该振荡波通过反射阻抗传送到电感性发射器，在此其被检测以确定感测的值。在另一方面中，本发明提供一种无线远程传感器，其具有惠斯通电桥装置，该惠斯通电桥装置具有内部谐振电路以产生表示感测的值的电磁场。在第三方面中，本发明提供一种具有来自于基准电路和传感器电路的光反馈的无线远程传感器。在第四方面中，本发明提供一种无线远程温度传感器，其具有印刷在具有高热膨胀系数的材料上的线圈，使得当温度升高或减小时线圈的尺寸和/或形状变化。

Description

用于测量无线传感器中的可变阻抗元件的系统和方法
技术领域
本发明涉及无线传感器，并且更具体地涉及用于在无线远程传感器中远程供电和远程确定传感器的值的系统和方法。
背景技术
无线远程传感器的发展受到越来越多的关注。无线远程传感器可用于多种应用中。例如，无线远程传感器可包括皮肤和体内医用传感器、电感性供电加热和烹饪容器以及位于产品包装内的传感器。某些示例性的无线远程传感器在由Baarman等人于2011年4月8日提交的题为“Point of Sale Inductive Systems and Methods'’的美国专利申请号No.13/082,503以及由Baarman等人于2011年4月8日提交的题为“Point of SaleInductive Systems and Methods”的美国专利申请号No.13/082,513中被示出，这两篇专利申请的全部内容通过引用被并入这里。
无线远程传感器方便之处在于其提供了测量相关信息以及将测量结果传送给接收器而无需导线的机制。例如，可通过插入传感器来进行测量。进一步，在进行测量之后，无需拔下传感器。利用体内医用传感器，与传感器进行无线通信的重要性甚至更大。
无线远程传感器通常与电感性收发器通信且通过其来供电。这意味着无需导线或其它直接电接触就能够将用于操作传感器的功率提供给无线远程传感器。例如，许多传统的远程传感器从电感性无线电源以无线方式接收功率。利用电感性供电的无线远程传感器，通过反射阻抗将传感器值(例如，远程传感器所测量的值)传送到电感性发射器是少见的。许多传统的无线远程传感器引入了具有电容或电阻的传感器，所述电容或电阻作为待测量的参数的函数而变化。例如，当测量温度时，传感器可能包括具有随温度变化的阻抗的热敏电阻器。作为另一个例子，传感器可能包括具有随温度改变其介电常数的电介质的电容器。远程传感器通常配置有可变电容器或者电阻器，其被布置作为简单的RLC电路的一部分，使得传感器中的变化导致RLC电路的谐振频率的变化。RLC电路电感性耦合到电感性发射器使得通过反射阻抗RLC电路影响电感性发射器中的功率特性。例如，RLC电路的反射阻抗可能影响电感性发射器储能电路中的电流幅度。相应地，在使用时，传感器的值传送回电感性发射器，在电感性发射器中该值能够被监测电感性发射器中的功率特性的传感器检测到，例如，在电感性发射器储能电路中的电流幅度和/或功率的谐振频率方面。
经验表明，在电感性发射器中难于检测到无线远程传感器的阻抗的相对小的变化。进一步，这些变化可能被电感性发射器和远程传感器之间的耦合变化或者制造公差的变化所掩盖。
发明内容
一方面，本发明提供了一种无线远程传感器，该无线远程传感器配置为产生基于一个或多个感测参数而变化的振荡波。该振荡波通过反射阻抗传送到电感性发射器，其在电感性发射器中被检测以确定(多个)感测参数的值。在一个实施例中，振荡波大致是由充电/放电电路产生的方波，方波的低部分与充电时间相对应，且高部分与放电时间相对应。可替代地，振荡波可产生为正弦波。
在一个实施例中，该充电/放电电路包括充电子电路和放电子电路。该充电子电路可包括RC电路，其具有在充电周期中充电的充电电容器。在一个实施例中，RC电路包括充电电阻器，并且需要对充电电容器充电的时间根据充电电阻器的值而变化。
在一个实施例中，该放电子电路包括电流锁存器，其在放电周期期间将电容器放电。该电流锁存器可配置为通过调制电阻器来对充电电容器进行放电，以产生方波的高部分。可选择该调制电阻器以控制该方波的高部分的幅度。
在一个实施例中，该充电/放电电路进一步包括触发器，其促使该充电/放电电路在充电状态和放电状态之间转换。该触发器可以是一个或多个二极管，所述二极管被布置为使得一旦充电电容器充足电时它们的反向击穿电压就被超过。一旦被超过，功率可以通过调制电阻器自由地从充电电容器泄放。
在一个实施例中，远程传感器包括两个传感器，以及方波的高部分的持续时间随着一个传感器的值而变化，而方波的低部分的持续时间随另一个传感器的值而变化。第一传感器可设置在充电子电路的内部以改变给充电电容器充电所需的时间。在一个实施例中，充电电容器是RC电路，并且第一传感器是RC电路中的可变阻抗元件，比如可变电阻器和/或可变电容器。第二传感器可设置在充电电容器和放电子电路之间。在一个实施例中，第二传感器是可变电阻器。
在一个实施例中，无线远程传感器配置为标准化到恒定电压以便该电路的充电/放电时间不依赖于电感性发射器和无线远程传感器之间的耦合。在一个实施例中，齐纳二极管，或可替代地其它类型的恒压基准，被添加到无线远程传感器。
在另一个实施例中，无线远程传感器包括自适应触发器，其配置为将充电时间标准化，而不管耦合的变化或接收电压的变化。在该实施例中，触发器可以包括分压器和比较器。分压器的输出可以被提供作为随着接收功率而变化的比较器的基准输入。使用时，自适应触发器可以配置为使得充电电容器的充电速率的任何变化都符合触发器阈值的相应变化，从而不论接收电压的变化，充电时间都保持基本恒定。
在另一个实施例中，无线远程传感器包括电压控制振荡器(“VCO“)，其采用可变阻抗元件作为传感器。可变阻抗元件的阻抗的变化改变VCO的振荡频率。VCO的输出可以直接施加到接收线圈或其可施加到配置为调制负载的调制子电路。例如，如果VCO的内阻足以产生在发射器内可被识别的信号，那么可以不使用单独的调制子电路。如果内阻不足，VCO的输出可以被缓冲并用于触发开关以调制负载。
在第二方面，本发明提供一种无线远程传感器系统，该系统采用具有内部谐振电路的惠斯通电桥装置，该内部谐振电路产生表示感测值的电磁场。可以使用单独的感测线圈以无线接收电磁场并确定感测值。惠斯通电桥组件将传感器元件内的相对小的变化进行放大，从而使得更容易识别感测参数的值的变化。
在替代实施例中，可变阻抗元件可以并入惠斯通电桥的一个或多个腿中和/或并入内部谐振电路中，以允许利用多个传感器元件和/或进一步放大传感器元件内的变化。
在第三方面，本发明提供了一种无线远程传感器，其具有多个线圈，这些线圈允许系统对随时间的耦合系数的变化、传感器漂移、发射器漂移或者许多其它电势电路变化进行补偿。在该实施例中，无线远程传感器可以包括基准电路和传感器电路。基准电路可以具有固定部件，并且基本上仅仅随着电感性发射器和基准电路之间的耦合的变化以及随时间的电路漂移而变化。传感器电路可以包括随所测量的特性而变化的可变阻抗元件。在使用时，传感器电路可随着阻抗元件的变化而变化，也随着电感性发射器和传感器电路之间的耦合的变化以及随时间的电路漂移而变化。相应地，基准电路的变化可从传感器电路的变化中被有效地减去以便隔离由传感器阻抗元件的变化所引起的变化量。
在一个实施例中，基准电路和传感器电路包括用于与电感性发射器通信的LED，以及电感性发射器包括用于确定两个LED的亮度的光学传感器。基准电路可包括固定部件，以便基准LED的亮度的变化主要基于电感性发射器和基准电路之间的耦合系数、LED发射率随时间的变化或者其它形式的随时间的电路漂移。传感器电路可包括可变阻抗元件，该可变阻抗元件的阻抗随感测参数的值而变化。传感器电路内的传感器LED的亮度可以基于传感器阻抗元件的值而变化，还基于耦合系数、LED的发射率随时间的变化和其它形式的随时间的电路漂移而变化。传感器阻抗元件的影响可以通常通过从传感器LED的值的任何变化中减去基准LED的值的任何变化而被隔离。
在第四方面，本发明提供一种无线远程温度传感器，其具有印刷在具有高热膨胀系数的材料上的线圈，以便线圈的尺寸和/或形状随着温度升高或减小而变化。线圈尺寸和/或形状的改变导致无线远程温度传感器的反射阻抗的改变。结果，可通过在电感性发射器中测量受反射阻抗影响的功率特性来确定温度。在一个实施例中，通过测量电感性发射器内的电流幅度来确定感测值。在一个实施例中，接收线圈由印刷在下面基板上的“墨水”形成。在一个实施例中，接收线圈由具有比基板更低的热膨胀系数的材料形成。在该实施例中，接收线圈可形成有多个波状起伏，当下面的基板膨胀和收缩时这些波状起伏为线圈提供改变形状的能力。这些波状起伏布置为允许线圈折曲以便基板的尺寸的变化导致线圈的整体形状的改变。线圈的整体形状的改变影响无线远程传感器的反射阻抗，并且可以在电感性发射器中被感测到。
在第五方面，VCO可与可变阻抗元件一起使用以将信号施加到天线，其中通过天线发射的频率由基本单元传感器所接收。在该实施例中，天线可以是鞭状天线，偶极天线，倒置F形天线，环形天线，或者任何其它类型的天线。该信号产生与磁场相反的电场，其不会同样多地与功率传递的磁场相互作用。另外，如果需要，VCO的一个或多个频率可以处于比功率传递信号的频率更高或更低的频率以进一步减小相互作用或者干扰。
在第六方面，VCO可与可变阻抗元件一起使用以将信号施加到与功率接收线圈分离的线圈。该分离的线圈使用磁场信号将该信号发射回基本单元传感器。在该实施例中，可以通过一段距离或者通过以“8字形”取向缠绕线圈来将该线圈与功率传递线圈隔离。另外，如果需要，VCO的频率可以比功率传递信号高得多或低得多以进一步减小相互作用或者干扰。
本发明提供多种简单且有效的无线远程传感器系统，其配置为允许采用简单的和便宜的远程设备以无线方式确定感测值。在包括可变频率振荡器的那些实施例中，可基于在远程设备中容易地测量的振荡波的变化来容易地确定(多个)感测值的变化。具有可变频率振荡器的无线远程传感器还可以配置为针对耦合变化以及可能影响接收功率的其它因素而标准化。在包括惠斯通电桥装置的那些实施例中，甚至感测值的小变化可以被放大并采用单独的通信信道，例如单独线圈组，被传送到远程设备。在惠斯通电桥系统中，可以布置功率线圈和反馈线圈以最小化两个线圈组之间的干扰。在一个实施例中，反向缠绕的反馈线圈可用于有效抵消来自功率线圈的干扰。在包括光通信方案的那些实施例中，基准电路和传感器电路可被组合以允许(多个)感测值的变化从耦合变化和影响接收功率的其它因素中隔离。可以关于相同的轴且通过相同的平面一起缠绕基准电路和传感器电路的接收线圈，以便它们具有与电感性发射器基本相同的耦合系数。在另一个方面，本发明提供无线温度传感器，其中温度变化可基于具有相对高热膨胀系数的接收线圈基板的尺寸和/或形状的改变，以无线方式简单地并且准确地传送给远程设备。在该实施例中，基板用作温度传感器，从而消除了对单独的传感器元件的需要。
通过参考实施例和附图的详细描述将更全面地理解和认识到本发明的这些及其它特征。
附图说明
图1是具有电感性发射器和无线远程传感器的系统的示意图。
图2是示出两个不同的无线远程传感器和它们的相关联的电感性发射器内的经过调制电阻器的电流的图。
图3是具有电感性发射器和无线远程传感器的另一替代系统的示意图。
图4是具有电感性发射器和无线远程传感器的第二替代系统的示意图。
图5是根据本发明第二方面的包括具有惠斯通电桥装置的无线远程传感器的无线远程传感器系统的示意图。
图6示出比较远程温度感测的传统方法与根据本发明的实施例的惠斯通电桥装置的电路图和仿真。
图7是具有电感性发射器和具有惠斯通电桥装置的无线远程传感器的第四替代系统的示意图。
图8是示出不同环境下发射线圈和基本感测线圈内的电流的图。
图9是根据本发明的实施例的发射线圈和基本感测线圈的示意图。
图10是接收线圈和内部线圈的示意图。
图11是根据本发明第三方面的无线远程传感器的示意图。
图12是图11的无线远程传感器的两个接收线圈的示意图。
图13是连接到基准电路和传感器电路的图12的两个接收线圈的示意图。
图14是示出LEDS的类似于图13的示意图。
图15是配置为从图18的电路接收光反馈的电感性发射器的示意图。
图16是根据本发明第四方面的无线远程传感器的示意图。
图17是根据本发明第四方面的另一替代无线远程传感器的示意图。
图18与图3类似，并且示出采用锁存器型振荡的电压控制振荡器的实例。
图19是采用调制接收器上的负载的缓冲输出的普通电压控制振荡器(VCO)的示意图。
图20是由VCO产生的波形的实例。
图21是利用可变阻抗元件改变振荡频率的电压控制振荡器的实例。
图22是驱动天线以将输出信号通过电场发射回拾取传感器的VCO输出的示意性实例。
图23在时域(左图)和频域(右图)两方面示出了维恩电桥振荡器的输出。
图24示出了连接到通过磁场发射输出信号的线圈的VCO的输出。
图25示出了前面所述的作为使两个磁场避免相互干扰的方式的‘8字形’线圈。
图26示出了VCO的替代实例。
图27示出了VCO的替代实例。
在详细说明本发明的实施例之前，应当理解的是本发明并不局限于下面的描述所阐述的或者附图中所示的操作细节或者部件的结构和布置的细节。本发明可以多种其它实施例来实施以及以这里未明确披露的替换方式来实践或实施。而且，应当理解的是，这里所用的措辞和术语是为了描述的目的而不应被视为限制性的。“包括”和“包含”及它们的变型的使用意在包括其后所列出的项目和它们的等价物以及额外的项目及其等价物。进一步，在不同实施例的描述中可使用列举。除非另外明确说明，列举的使用不应被解释为将本发明局限于部件的任何具体次序或数目。列举的使用也不应被解释为从本发明的范围排除任何可能与列举的步骤或部件组合或被并入列举的步骤或部件中的额外步骤或部件。
具体实施方式
根据本发明的实施例的无线远程传感器系统在图1中示出。在该实施例中，系统10通常包括电感性发射器12和无线远程传感器14。在该实施例中，电感性发射器12能够利用磁感应向无线远程传感器14发射无线功率。电感性发射器12以无线方式向无线远程传感器14供给功率以及从无线远程传感器14接收传感器信息。更具体地说，在使用时，电感性发射器12向无线远程传感器14供给功率。无线远程传感器14包括通过从电感性发射器12接收的无线功率来被启动的谐振电路，并且根据无线远程传感器14内的一个或多个可变阻抗元件的(多个)值作出反应。
在该实施例中，无线远程传感器14包括一个或多个可变阻抗元件，其随着由无线远程传感器14所感测的参数而变化。例如，该无线远程传感器14可包括随温度变化的可变电阻器。该无线远程传感器14配置为产生具有随由无线远程传感器14所感测的(多个)参数而变化的特性的振荡波。例如，该无线远程传感器14可产生振荡波，其中该波的高部分和低部分的持续时间可以根据感测参数而变化。在图1的实施例中，无线远程传感器14包括两个传感器和产生通常方波的充电/放电电路，该方波的高部分和低部分在持续时间上根据传感器而变化。第一传感器可具有随待测量的参数变化的可变阻抗元件。第一传感器的可变阻抗元件可配置为改变电路的充电时间。第二传感器可具有随待测量的第二参数变化的可变阻抗元件。第二传感器的可变阻抗元件可配置为改变电路的放电时间。
为了公开的目的，本发明结合多种无线远程传感器而被描述，这些无线远程传感器包括具有随温度变化而变化的可变电阻器的温度传感器。本发明可被并入用于监测基本上任何参数的无线远程传感器中，所述参数是能够利用具有可变阻抗元件，例如可变电阻器或者可变电容器的传感器来测量的。例如，根据本发明的无线远程传感器可以测量温度、溶解的O2、盐度或者其它的生物电信号。本发明很适合于现在和将来的应用领域，其中可以使用这些类型的传感器，包括经皮的和体内医用传感器，电感性供电的加热和冷却容器以及位于产品包装内的传感器。
如上所述，无线远程传感器系统10通常包括电感性发射器12和无线远程传感器14。电感性发射器12可以是通常传统的电感性功率发射器，其具有用于产生电磁场的发射线圈16、为发射线圈16供给功率的驱动器18和用于感测电感性发射器12内的功率特性的发射器传感器20。发射线圈16可能随应用不同而变化，但在该实施例中是能够响应于穿过线圈16的功率流产生合适电磁场的线卷。虽然本实施例中发射线圈16是线卷，然而该发射线圈16可以是能够产生合适电磁场的基本上任何的电感器。发射线圈16可被并入到储能电路中，以及更具体地，被并入到串联谐振储能电路中。串联谐振储能电路可具有固有谐振频率或可以是能够调整为具有不同频率的可调电路。例如，储能电路可具有选择性可变的电容器和/或选择性可变的电感器。驱动器18可设置为以期望的工作频率向发射线圈16提供交流功率。当为储能电路供给功率时，驱动器18可设置为在储能电路的谐振频率处或其附近为储能电路供给功率。在该实施例中，发射器传感器20是设置为测量发射线圈16内的电流的电流传感器。然而，发射器传感器20可随应用不同而变化。在替换实施例中，电流传感器可由能够测量电感性发射器12的功率的特性(或多个特性)的任何其它传感器(或多个传感器)来替代，电感性传感器12受无线远程传感器14的反射阻抗影响。例如，发射器传感器20可设置为感测谐振频率、电流、功率或相位。
无线远程传感器14通常包括接收线圈26、整流器28和充电/放电电路30。接收线圈26可以是线卷或者其它电感器，其中电流是由发射线圈16产生的电磁场感应的。接收线圈26可被并入储能电路中，以及更具体地，被并入串联谐振储能电路中。串联谐振储能电路可具有固有谐振频率或可以是能够调整为具有不同频率的可调电路。根据需要，整流器28可以是基本上任何的全桥整流器或半桥整流器。该充电/放电电路30以这样的方式耦合到接收线圈26以致其代表根据由无线远程传感器14所测量的一个或多个参数值而随时间变化的可变负载。在工作中，该可变负载通过反射阻抗被传回发射线圈16，在此其可被发射器传感器20所识别。在该实施例中，充电/放电电路30改变以产生具有高部分和低部分的振荡波，所述高部分和低部分在持续时间上基于两个所感测的参数的值而变化。虽然本实施例的无线远程传感器14包括两个传感器元件32、34，然而如果需要无线远程传感器14可包括单一的传感器元件32或者34。
图1示出了本发明的一个实施例，其中无线远程传感器14包括充电/放电电路30，其使用滞后控制可变计时电路来提供到电感性发射器12的反馈。在该实施例中，充电/放电电路30通常包括充电子电路36、放电子电路38和触发器40。该实施例的充电子电路36包括具有充电电容器Ct和充电电阻器R1t的RC电路。在该实施例中，充电电阻器R1t是传感器元件32并且其电阻随着所感测的参数变化。例如，充电电阻器R1t可以是具有随温度而变化的电阻的热敏电阻器。在使用中，RC电路确定整流器的电压输出增长的速率。该实施例的放电子电路38通常包括调制电阻器Rm、可变电阻器R2t、电流锁存器42和调制腿44。调制电阻器Rm可以是具有被选择来提供具有期望幅度的振荡波的固定电阻的电阻器。可变电阻器R2t可以是传感器元件34并且其电阻可以随着第二感测的参数而变化。例如，传感器元件34可以是具有随着第二温度测量而变化的电阻的热敏电阻器。电流锁存器42包括设置为允许电流从充电电容器Ct泄放的晶体管Q1和Q2。在该实施例中，触发器40控制放电子电路38的计时，并且包括确定电流锁存器42“导通”和“关断”所处的电压的一对二极管D1和D2。在所示实施例中，二极管D1可以是确定电流锁存器42“导通”所处的电压的齐纳二极管，二极管D2可以是确定电流锁存器42“关断”所处的电压的齐纳二极管。一旦RC电路内存储了足够的电压，则达到二极管D1的反向击穿电压，允许电流流过二极管D1。该电流使晶体管Q1的基极处的电压升高，将其导通。一旦导通，流进晶体管Q1的集电极的电流被从晶体管Q2和晶体管Q3的基极拉出，也将这两个晶体管导通。因为晶体管Q2被导通，电流流过放电电阻器R2t和二极管D2，流入晶体管Q1的基极，保持晶体管Q1导通直到达到二极管D2的击穿电压为止。该反向击穿电压比二极管D1的反向击穿电压低以保证在比其导通时更低的电压下关断电流锁存器42。当需要时，放电子电路38可包括具有调制电阻器Rm的调制腿44。调制腿44包括晶体管Q3，其在导通时，允许电流流过调制电阻器Rm。在该实施例中，晶体管Q3耦合到电流锁存器42以便当电流锁存器42导通时晶体管Q3导通，当电流锁存器42关断时晶体管Q3关断。在该实施例中，调制电阻器Rm的电阻足够小以使发射基极内的电流升高。
因此，充电子电路充电的时间由耦合系数、二极管D1的反向击穿电压和充电电阻器R1t的电阻确定。当充电电阻器R1t的电阻增加时，给充电子电路充电所花费的时间减少。充电子电路放电的时间主要取决于调制电阻器Rm和放电电阻器R2t的电阻以及二极管D1和D2的反向击穿电压。当放电电阻器R2t的电阻减少，充电子电路放电的时间将减少。如果无线远程传感器14内的可变电阻器被制造为相同的并且以相同速率变化，那么占空比(充电时间对比放电时间)将以平方函数变化，为电感性发射器12提供更大的测量分辨率。电感性发射器12还能够通过测量线圈电流中的变化来确定耦合。
例如，图2示出了代表由充电/放电电路产生的振荡波的波形W1-W4以及两种不同情形下发射线圈内的电流。上面的一组波形W1、W2示出了具有大约50％的占空比的振荡波，下面的一组波形W3、W4示出了具有明显更低占空比的振荡波。更具体地，最上面的波形W1表示了充电/放电电路在一种情形下产生的振荡波。第二波形W2表示通过反射阻抗受振荡波W1影响的发射线圈16内的电流。下面的一组波形示出了在不同情形下的振荡波W3和发射线圈电流W4。在这种情形下，占空比明显较低，并且振荡波W3和发射线圈电流W4相应地变化。正如可以看到的，充电持续时间P1、P1′(也就是，振荡波的低部分)和放电持续时间P2、P2′(也就是振荡波的高部分)根据情况不同而变化，并且这种变化在电感性发射器12中通过观测发射线圈电流W2、W4(或者受无线远程传感器的反射阻抗所影响的电感性发射器12中的某些其它功率特性)可容易地检测。在充电电阻器R1t是传感器元件32的应用中，传感器元件32所感测的参数的值可对充电时间的持续时间产生影响。相似地，在放电电阻器R2t是传感器元件34的应用中，传感器元件34所感测的参数的值可对放电时间的持续时间产生影响。因此，当所有其它因素保持不变时，电感性发射器12内的传感器元件32的值可由发射线圈电流中减小的幅度部分S1、S1′的持续时间确定，以及电感性发射器12内的传感器元件34的值可由发射线圈电流中增加的幅度部分S2、S2′的持续时间确定。举例来说，可从顶部波形W1、W2中所表示的情形到底部波形W3、W4中所表示的情形确定，传感器元件32的值增加而传感器元件34的值减小。感测值的变化量可由减小的和增加的幅度部分S1、S1′、S2、S2′的具体持续时间来精确确定。
如上所述，放电子电路38可包括具有调制电阻器Rm的调制腿44。调制腿44可设置为使得晶体管Q3根据调制电阻器Rm的值来用作放大器或用作开关。当晶体管Q3用作放大器时，放电电阻器R2t的相对小的变化将导致充电/放电电路30的调制幅度和放电时间方面的较大的变化。因为Rm是更大的阻抗，整体幅度偏移可以更小。因此，当晶体管Q3工作为放大器时，电感性发射器12更容易检测第二传感器元件R2t的值。
当晶体管Q3设置为电流放大器时，流过调制电阻器Rm的电流通过下式限定：
Im＝β3＊I2
其中β3是晶体管Q3的增益。
然而，一旦电流达到阈值，晶体管Q3将处于饱和并不再放大电流。更确切地说，其将用作恒定电压降。相应地，在某些应用中，可能期望设置调制电阻器Rm的值以便电流不达到晶体管Q3达到饱和所处的阈值。
在图1的电路中，调制电阻器Rm的值定义为：
其中，VD2是二极管D2两端的电压降，VCEx是跨越每个晶体管的电压降。
为了使晶体管Q3工作为电流放大器，Rm的值定义为：
如上所述，当Vin处于其最大值时，晶体管Q3仍然需要处于其放大器模式。在该电路中，当它等于VD1时，Vin处于其最大值。因而，可以看出调制电阻器Rm需要大于阈值以防止电流达到其最大值。
如上所述，如果晶体管Q3用作放大器，传感器元件34(R2t)的感测值的小变化将导致调制幅度的更大增加，以及改变充电子电路36的放电时间。因为调制电阻器Rm是更大的阻抗，整体幅度偏移将更小。
为了可替换地使晶体管Q3工作为开关，调制电阻器Rm的值定义为：
当Vin处于其最小值时，其等于VD2。在这点上，晶体管Q3仍然需要处于饱和模式以继续用作开关。为了保证这点，调制电阻器Rm需要小于阈值以防止电流达到其饱和阈值。如果晶体管Q3用作开关，放电电阻器R2t的变化将不会导致调制幅度的大增加，尽管这可能仍然会引起放电时间的稍微变化。因为调制电阻器Rm是更低的阻抗，整体幅度偏移将更大。
在某些应用中，可能存在电感性发射器12和无线远程传感器14之间的耦合系数的变化。例如，当电感性发射器和无线远程传感器之间的距离或方向变化时，或者当金属物质位于电磁场中时，可能发生耦合的变化。耦合系数的变化可能影响传送到无线远程传感器的功率的量，并且因而影响充电/放电电路的充电时间。例如，如果无线远程传感器14被不良地耦合并且接收较少功率，则充电子电路36可能会耗费更长的时间被充分充电以启动触发器40并开始放电。因此，不良的耦合可能导致振荡波的变化。在耦合可能改变的应用中，可能希望实施通过使接收到的电压标准化为恒定电压基准来补偿耦合的变化的充电/放电电路。图3是替换的无线远程传感器系统110的示意图，其中无线远程传感器114包括标准化子电路145。在该替换的实施例中，除了所示的或所述的之外，系统110基本上与系统10相同。有利地，除了在参考数字之前加了个“1”之外，图3包括的参考字母和数字与图1的参考字母和数字对应。如可以看到的，该实施例的标准化子电路145包括用作电压钳的附加电阻器R3和附加齐纳二极管D3。电阻器R3和二极管D3可以替换地被基本上任何其它类型的恒压基准来代替。假如接收到的电压高于D3的反向击穿电压，通过采用基准电压来对充电子电路132充电，充电子电路132充电所处的速率不再取决于耦合。
图4示出了另一替换的无线远程传感器系统210，其配置为防止耦合的变化产生充电时间的变化。在该实施例中，系统210大体包括电感性发射器212和具有接收线圈226、整流器228和充电/放电电路230的无线远程传感器214。该实施例的充电/放电电路230包括充电子电路236、放电子电路238和触发器240。在该实施例中，触发器240设置为对所接收的功率的变化进行补偿。更具体地说，触发器240设置为通过分压器260和比较器262去除或最小化变化，分压器260和比较器262设置为使得从充电转换到放电的触发点随着接收的电压而变化。如所示，该实施例的分压器260连接在整流器228和充电子电路236之间，并且其包括电阻器R1和R2。比较器262包括连接到充电子电路232的相对侧的节点的两个输入端。例如，在该实施例中，一个输入端连接到分压器260的输出，而另一输入端连接到充电子电路236和放电子电路238之间的节点。在该实施例中，充电电容器Ct充电所处的速率随接收的电压而变化，但输入到比较器262中的基准电压也随接收的电压而变化。选择这些部件的值以便通过比较器262的基准电压的相应变化来基本上抵消充电速率的变化。因此，充电周期的持续时间保持基本上相同，而与接收的电压无关。因此，充电周期的持续时间的变化将基本上只随传感器元件232(Rt1)中的变化而变化，并且在电感性发射器212中所感测的参数的值可由振荡波的低部分的持续时间来确定，如上所述。在使用中，触发器240基于充电子电路236中的电压(大部分是充电电容器Ct中的电压)和分压器260的输出的电压的比较来工作。更具体地说，一旦充电子电路236中的电压达到与分压器260的输出相同的电压，比较器262就通过经由二极管D1导通电流锁存器(晶体管Q1和Q2)来使能放电子电路238。该电流锁存器采用调制电阻器Rm，并通过传感器元件234Rt2来消耗充电电容器Ct。一采用了调制电阻器Rm，充电子电路236中的电压就下降到比较器阈值以下，再一次迫使比较器262的输出为低。二极管D1与偏压电阻器Rbias一起防止晶体管Q1的栅极变低，允许电流锁存器继续对充电电容器Ct放电直到达到晶体管Q1的正向偏置电压为止。一旦达到，锁存器就关断停用放电子电路238，并且充电子电路236再一次开始它的充电阶段。在该实施例中，电阻器Rt2的值将影响充电电容器Ct放电所需要的时间，并从而将直接影响放电周期的持续时间。相应地，由第二传感器元件234(Rt2)所感测的参数的值可在电感性发射器212内由振荡波的高部分的持续时间来确定，如上所述。
在本发明的替换实施例中，无线远程传感器系统可使用电压控制振荡器(“VCO”)来产生振荡波。该VCO可耦合到可变阻抗元件以便可变阻抗元件的值的变化导致VCO的振荡频率的变化。VCO类型无线远程传感器系统10′的一个实施例在图18中示出。如可以看到的，图18的无线远程传感器系统10′与图3的系统基本上相同，除了图3的选择电路元件被并入了图18的VCO170′中之外。无线远程传感器系统10′通常包括接收线圈126′、整流器128′、标准化子电路145′和VCO170′。VCO170包括在节点N的右面的所有电路部件。在该实施例中，传感器元件132′和134′可以是可变阻抗元件(比如所示的可变电阻器)，其影响VCO170′的振荡特性，并从而通过反射阻抗影响在发射线圈中接收的信号。如可以看到的，图18展示了图3的电路如何能被表征为提供VCO类型无线远程传感器系统。图20是可以由VCO类型无线远程传感器系统提供的该类型的输出波形的实例。如可以看到的，图20与图2相同，并展示了VCO类型无线远程传感器系统可以(如果被设置为这样做的话)能够提供与上述基本上相同类型的波形。
VCO类型无线远程传感器系统10″的替换实施例在图19中示出。在该实施例中，无线远程传感器系统10"使用耦合到可变阻抗元件132"的VCO170"。可变阻抗元件132"改变VCO170"的输出频率，并且可以是可变电阻、电容和电感。另外，可变阻抗元件170"可以是例如二极管或者晶体管的半导体，其中P-N结的变化特性被感测为阻抗或电压的变化。然后该信号被缓冲以将其从正弦波转换为方波。在该实施例中，VCO170"的输出被施加到MOSFET172"的栅极，其用于将由VCO170"输出的正弦波转换为方波，并且还将调制负载174"施加到整流器128"。电压偏移量也可以用于改变MOSFET172"导通所处的阈值。例如，可变阻抗元件(未示出)可用来控制基准。如果通过可变阻抗元件控制该偏移量，该元件于是将改变该调制的占空比。这是由于以下事实：当偏移电压升高时，正弦波的在阈值以上的部分减少，尽管频率保持相同。这减少了信号的占空比，提供另外的信息回到基础传感器。更具体地说，利用这个替换实施例，可变阻抗元件132"的值可由该信号的频率确定，控制电压偏置的可变阻抗元件的值可由该信号的占空比确定。作为图19的实施例的替换，VCO170"的输出可直接驱动负载，可被滤波、放大、缓冲或使用任何其它形式的典型信号调节来提供合适的信号。
本发明可利用基本上任何类型的VCO来实现。可使用的VCO的例子在图21、26和27中示出。在图21中，使用具有可变阻抗元件R3的文氏桥型(Wienbridge)振荡器来产生基于R3的阻抗的变化来改变其频率的正弦波。在图26中示出双T振荡器，其中改变电阻器R3和R4与电容器C1来改变振荡器的输出频率。在图27中示出相移振荡器，其中电阻器R2、R3或R4可以与C1、C2、C3一起用来改变振荡器的输出频率。除VCO以外，本发明还可采用基本上任何类型的振荡器来实现，振荡的特性(例如频率或幅度)可由表示电阻、阻抗、电容和/或电感的变化的传感器来控制。可参考"Practical Solid-State Circuit Design"(JeromeE.Oleksy，1974)来更充分地理解这些以及其它的振荡器，这里通过引用将其整体并入。
本发明的替换方面在图5-10中示出。在该实施例中，无线远程传感器系统310包括并入了具有内部谐振电路372的惠斯通电桥装置370的无线远程传感器314，该内部谐振电路372产生代表一个或多个所感测参数的值的电磁场。在该实施例中，由内部谐振电路372产生的电磁场可在电感性发射器312中通过单独的感测线圈374接收并分析以确定所感测参数的值。在使用中，惠斯通电桥装置370设置为使电流基于被并入惠斯通电桥装置370中的传感器元件332的值而流入内部谐振电路372。因此，无线远程传感器314产生具有代表所感测的一个或多个值的特性的电磁场。
图5示出一个实施例，其中无线远程传感器314使用第一接收线圈326来给惠斯通电桥装置370通电，该惠斯通电桥装置370利用了两对相匹配的电阻器(R1和Rt，R2和R3)，其中电阻器Rt是具有随所感测参数的值而变化的可变电阻的传感器元件332。例如，当无线远程传感器314设置为测量温度时电阻器Rt可以是热敏电阻器。通过在惠斯通电桥装置中使用可变电阻，由电容器CR2和内部线圈373(RX线圈)产生的内部谐振电路372两端的电压将随可变电阻器Rt的值而变化。当电阻器Rt的电阻增加时，内部谐振电路372两端感应的电压将使电流流入内部线圈373。该电流产生可被感测线圈374所接收的磁场，并且通过耦合到感测线圈374的传感器378测量其特性。感测线圈374可以位于电感性发射器312中或位于所感测参数的无线检测被期望的另一位置中。虽然未示出，感测线圈374可与电容器耦合以提供谐振储能电路。另外，如果电阻器Rt的电阻减小，那么内部谐振电路372两端感应的电压将使电流流入内部线圈373，但处于与接收线圈326相反的相位。这种相位差可通过比较发射线圈316和感测线圈374中的电流的相位来检测。如果电阻器Rt的电阻与电阻器R1的电阻相匹配，那么在内部谐振电路372两端将不感应电压，也没有电流流过内部线圈373。
应注意到，内部线圈和感测线圈可能非常不良地耦合到发射线圈316和接收线圈326，以便于能够感测低水平的电流而不受用于将功率从电感性发射器312无线发送至无线远程传感器314产生的磁场的干扰。例如，内部线圈373和感测线圈374可位于远离发射线圈316和接收线圈326的地方。作为另一个例子，内部线圈373和感测线圈374可设置为垂直于发射线圈316和接收线圈326。
为在典型应用中提供改进的性能，内部线圈373和内部电容器CR2可被调谐到与接收线圈326和接收电容器CR1相同的频率，或可以被调谐到不同的频率，比如谐波。通过这样做，电感性发射器312可应用具有多个频率的信号-比如方波、锯齿波或在其顶部具有调制信号的载波-并且读取与内部谐振电路372的谐振频率相关的感测线圈374内的频率分量。
图6示出了将传统的无线远程温度传感器(如上部的图和仿真所示)与根据图5的系统的无线远程温度传感器314(如下部的图和仿真所示)进行比较的电路图和仿真。上部的仿真表示了以传感器元件的电阻值的0.5％变化获得的三个电流测量值M1、M2、M3。如可以看出的，电阻的0.5％变化导致了大约0.2安培的电流变化，其相当于大约2％的电流幅度变化。下部的仿真表示了以传感器元件的电阻值的0.1％变化获得的五个电流测量值N1、N2、N3、N4和N5。在该仿真中，电流变化的百分比明显更大。例如，N1的峰值之间的变化百分比比N5的峰值大超过了600％。因此，可以看出在上部的仿真中更难以检测到电阻的小变化，而在下部的仿真中检测要更容易得多。
在图7中示出了无线远程传感器系统410的替换实施例，该系统具有无线远程传感器414，其具有惠斯通电桥装置470。在该实施例中，AC惠斯通电桥装置470包括额外的可变阻抗元件，其可用于进步影响由内部谐振电路472产生的电磁场。该实施例的无线远程传感器系统410与无线远程传感器系统310基本相同，除了如所示的或所述的以外。有利地，除了在参考数字之前用“4”代替“3”之外，图7包括的参考字母和数字与图5的参考字母和数字通常对应。在该实施例中，内部电容器CR2是可变电容器，其能改变内部谐振电路472的谐振频率。在一个实施例中，内部电容器CR2可以是传感器元件，其具有随待感测的参数变化的可变电容。例如，内部电容器CR2可以是具有介电常数随温度变化的介电材料的电容器。进一步，在该实施例中，在惠斯通电桥装置470中存在额外的可变电阻。例如，每个电阻器可以是具有随待测量的参数(例如温度)变化的电阻的传感器元件。在所示实施例中，电阻器R1t和R4t是同样的材料，意味着它们以几乎与彼此相同的速率和沿与彼此相同的方向变化。另外，在该实施例中，电阻器R2t和R3t也采用彼此相同的材料制成，但是沿与电阻器R1t和R4t相反的方向变化。同样地，这两个电阻器对合作来增大所感测的参数的变化的影响。这增加了系统的分辨率，因为对于任何单一电阻值的每1％变化，内部谐振电路472两端的总电压差增大了4倍。进一步，可变电阻器(R5t)可添加到内部谐振电路472以改变内部谐振电路472的Q，其也能被感测线圈476所感测到。
图8示出了发射线圈416和感测线圈476内的电流，其中在无线远程传感器414中存在多种变化。在该图示中，曲线T1表示发射线圈416内的电流，曲线SC1表示当内部电阻器R5t具有第一值时感测线圈476内的电流，以及SC2表示当内部电阻器R5t具有第二值时感测线圈476内的电流。在该实施例中，从T1与SC1和SC2的比较可以看出谐振频率已经偏移。在该实施例中，因内部电容器(CR2)中的变化，谐振频率已经偏移。另外，由于内部电阻器R5t的电阻的改变，Q已经从SC1变化到SC2。虽然未示出，所感测的电流的幅度可能被偏移以表明由电阻器(R1t、R2t、R3t、和R4t)构成的可变电阻桥内的变化。如可以看到的，包含在无线远程传感器414内的一个或多个可变阻抗元件中的变化在感测线圈476中所感测的电流中有所反映。虽然是结合电流传感器来描述的，然而这些变化可以替代地通过测量感测线圈476内的其它功率特性(例如频率、电压、功率和/或相位)来被确定。
可设置功率传递线圈(例如发射线圈416和接收线圈426)和反馈线圈(例如内部线圈473和感测线圈474)以最小化两个线圈组之间的干扰。在图9-10的实施例中，功率传递线圈416、426设置在反馈线圈473、474的外部，反馈线圈设置成反向缠绕结构。如图9所示，发射线圈416和感测线圈474设置得很靠近。例如，两个线圈可以合并入电感性发射器412中。在该实施例中，发射线圈416是具有设置为容纳感测线圈474的内部空间的螺旋缠绕线圈。该实施例的感测线圈474包括以相反方向缠绕的两个线圈部分478、480。这两个线圈部分478、480可以在大小、形状和结构上大体相同以便它们大致对称并且从功率传递线圈416和426接收近似相等但相反的影响。现在参考图10，接收线圈426是具有设置为容纳内部线圈473的内部空间的螺旋缠绕线圈。该实施例的内部线圈473包括与感测线圈476类似地以相反方向缠绕的两个线圈部分482、484。这两个线圈部分482、484可以在大小、形状和结构上大体相同以便它们大致对称并且从功率传递线圈接收近似相等但相反的影响。在该实施例中，打算将功率传递线圈和反馈线圈放置成直接彼此相邻，并且相应线圈彼此延伸大致同等的范围。结果，相应线圈具有基本上相同的大小、形状和结构。更具体地说，在该实施例中，发射线圈416和接收线圈426通常是具有基本上相同的大小与形状的长方形线圈。相似地，感测线圈474和内部线圈473都是具有基本上相同大小和形状的线圈部分的反向缠绕的线圈。由于反馈线圈的反向缠绕性质，由功率传递线圈感应的电流将基本上抵消，如由耦合到感测线圈474的电流传感器478所测量的。然而因为感测线圈474和内部线圈373的反向缠绕部分之间的物理邻近，来自内部线圈473的磁场将有效地传递给感测线圈474。所示实施例中示出的线圈布置仅仅是示例性的。根据应用不同，线圈可以在尺寸、形状和结构方面变化。例如，反馈线圈473、474不必位于功率传递线圈416、426的内部。代替地，线圈组可分离以进一步最小化来自功率传递线圈的干就。
虽然是结合无线远程传感器414进行描述的，这种线圈结构也能用于其他应用中，其中希望将两组线圈以最小化的干扰放置得很靠近。例如，这种线圈布置可用于其它的应用中，其中希望具有的第一组线圈用于传送功率且第二组线圈用于传送信号、数据或其它类型信息。
在另一个方面中，本发明提供了一种无线远程传感器系统510，其并入了具有基准LED和一个或多个传感器LED的光反馈网络。在图11的实施例中，无线远程传感器系统510通常包括电感性发射器512、无线远程传感器514和光学传感器网络598。光学传感器网络598可位于电感性发射器512内或者可以被远离地定位，如果需要的话。总之，无线远程传感器514从电感性发射器512接收功率并提供代表一个或多个参数的(多个)值的光反馈。为了允许系统对耦合变化及应该被分解出(factored out)的其它变化(例如电路漂移)进行补偿，无线远程传感器514包括基准电路580和传感器电路582。基准电路580包括固定部件，以便其基准LED588在强度上仅仅随着所接收的功率的变化(例如，耦合的变化)以及在确定所感测的参数值时应当被分解出的其它变化(例如随时间的电路漂移)而变化。传感器电路582包括至少一个可变阻抗元件，其设置为使得传感器LED530在强度上基于可变阻抗元件的值以及所接收的功率而变化。光学传感器网络598单独地感测基准LED588和传感器LED530的强度，并且所感测的值用于确定被感测参数的值。因为基准LED588仅仅随着耦合的变化和应该从传感器LED530强度中分解出的其它变化(例如电路漂移)而变化，所以基准LED588可用于将由可变阻抗元件引起的传感器LED530的强度差异与由耦合变化以及与可变阻抗元件中的变化不相关的其它因素(例如电路漂移)引起的那些差异隔离。例如，在某些应用中，LED可能会随着时间而自然衰退，并因此具有随着时间的固有亮度降低。考虑到基准LED588和传感器LED530应当经历随时间大致相同的自然衰退，基准LED588可用于从传感器LED530的强度中将LED衰退分解出。LED衰退仅仅是可能导致随时间的电路漂移的因素的一个例子。随时间的电路漂移可能起因于其它因素，例如电源电压的变化、检测光学器件的灵敏度以及电路元件的衰退/退化。
如上所述，无线远程传感器514包括基准电路580和传感器电路582。然而，根据需要，传感器电路的数量可能根据应用的不同而变化。例如，当希望无线远程传感器514对两个不同参数的值进行感测时，其可被提供有第二传感器电路(未示出)，该第二传感器电路具有在强度上随被感测参数的值变化的传感器LED。例如，第二传感器电路可包括具有随待感测参数变化的阻抗的可变阻抗元件。再次参考图11，该实施例的基准电路580并入了用于从电感性发射器512接收功率的串联谐振储能电路。该储能电路可包括接收线圈584和接收电容器586。该实施例的基准电路580也包括基准LED588和基准电阻器590。在使用时，基准LED588的强度随从电感性发射器510接收到的功率的量的变化而变化。当电感性发射器510和基准电路580之间的耦合变化时，基准LED588将在强度上变化。这种强度上的变化可通过光学传感器，例如传感器592，来远程测量(例如，从电感性发射器510)。
传感器电路582与基准电路580类似之处在于，其也包括具有接收线圈526和接收电容器528的串联谐振储能电路、传感器LED530和电阻器532。然而，在传感器电路582中，接收线圈526，接收电容器528和电阻器532中的一个或多个可以是设置为随着被感测参数的值的变化而变化的可变阻抗元件。例如，电阻器532可以是具有随温度变化的电阻的热敏电阻器。进一步，接收线圈526可以是可变电感器和/或接收电容器528可以是可变电容器。结果，传感器LED530的强度不仅随着所接收的功率的变化而变化，而且随着(多个)可变阻抗元件的变化而变化。传感器LED530的强度可通过光学传感器，例如传感器594，来远程测量(例如，从电感性发射器510)。
在该实施例中，可通过利用基准LED588将由(多个)可变阻抗元件的变化导致的传感器LED530的强度变化与由耦合的变化和随时间的电路漂移引起的变化隔离。更具体地说，可从检测到的传感器LED530的强度变化中将检测到的基准LED588的强度变化去除，以有效地消除由于耦合和随时间的电路漂移导致的变化，从而将由(多个)可变阻抗元件的变化导致的变化隔离。例如，可将光学传感器592所测量的基准LED588的强度变化从光学传感器594所测量的传感器LED530的强度变化中减去。
在该实施例中，可希望将接收线圈526和584设置为使得无线远程传感器514相对于电感性发射器512的位置和/或方向上的变化、和/或线圈周围的环境的变化，对发射线圈516和两个接收线圈526、584之间的耦合具有基本上相同的影响。为此，可希望设置两个接收线圈526、584以便它们从发射线圈516接收大体相同的通量。在图12-14所示的实施例中，接收线圈526、584围绕大致同一个轴且在大致同一个平面内被缠绕在一起。虽然该实施例的线圈526、584一般形状是圆形的，但是根据需要，它们的大小和形状可以根据应用不同而改变。图12示出了与其余电路隔离的两个线圈526、584。如可以看到的，线圈526、584以基本上平行的绕法被盘绕，其关于大致相同的轴且在大致相同的平面内延伸。利用该结构，在几乎所有情况下两个线圈应从电感性发射器512接收基本相同的磁通量。图13示出了将其余电路部件耦合到线圈的一种方式。在该实施例中，其余电路部件简单地连接到相应线圈的相对端。LED的位置可以根据应用不同而变化。然而，在图14所示的实施例中，基准LED588和传感器LED530设置在线圈526、584的中心。
电感性发射器512的设计和结构可根据应用不同而变化。图15示出了配置为与图14所示的无线远程传感器514一起使用的实施例。在该实施例中，电感性发射器512包括与接收线圈526、584在大小和形状上相对应的且为圆形的发射线圈526。发射线圈526可以由线圈驱动器534驱动。如所示，电感性发射器512可包括光学检测器电路536，其具有位于发射线圈526的中心的光学传感器592、594，其处于与基准LED588和传感器LED530大致相同的位置。
在第四方面中，本发明包括无线远程传感器系统，其具有无线远程传感器614，其中接收线圈626设置在具有相对高的热膨胀系数的基板650上。在该方面，基板650的尺寸变化导致接收线圈626的尺寸和/或形状的变化。接收线圈626的变化导致接收线圈626的反射阻抗的相应变化，其可在电感性发射器(未示出)中被感测。例如，可通过在电感性发射器中感测受反射阻抗影响的功率的特性来识别接收线圈626的形状的变化。被感测的特性可以例如是电流、电压、相位或者谐振频率。
无线远程温度传感器614的结构可根据应用不同而变化。在最简单的实施例中，无线远程传感器614可大致包括基板650、接收线圈626和电容器(未示出)。虽然在图16中未示出，电容器可连接在线圈626的相对端的两端以形成谐振储能电路。基板650可以是能够支撑接收线圈626并且具有足够大的热膨胀系数的基本上任何材料，所述热膨胀系数足够大到预期的温度变化将导致反射阻抗的变化，该反射阻抗的变化能够通过感测电感性发射器612中的功率的特性而被识别。在替换实施例中，基板可以是响应于温度的变化而经历更多永久变形的材料。例如，该基板可以是当其被加热到预期温度时收缩的热缩材料。这种热缩材料可以改变支撑在该材料上的线圈的大小和/或形状。这种大小和/或形状的改变可在电感性发射器中被感测。热缩材料可由热塑性材料制造，比如聚烯烃、含氟聚合物(比如FEP、PTFE或聚偏氟乙烯(Kynar))、PVC、氯丁橡胶、有机硅弹性体或者氟橡胶。
可选择接收线圈626和电容器的特性以提供具有在电感性发射器的工作频率处或其附近的谐振频率的谐振储能电路。在所示实施例中，接收线圈626由可印刷墨水制造。例如，接收线圈626可以是印在基板650上的。在该实施例中，接收线圈626被直接印刷在基板上，但无线远程传感器614可以包括中间材料，如果需要的话。
接收线圈626的尺寸、形状和结构可根据应用不同而变化。在图16的实施例中，接收线圈626由不能随基板650膨胀和收缩的材料制造。尽管如此，为了允许接收线圈626随基板650改变形状，接收线圈626由多个波状起伏形成。在使用中，当基板650膨胀和收缩时，所述波状起伏弯曲或折曲。这种弯曲和折曲导致接收线圈626的总尺寸和/或形状内的材料变化。接收线圈626可替代地由能够随着下面的基板膨胀和收缩的材料制造。例如，接收线圈626可由印刷的银墨导体制造。在接收线圈626能够膨胀和收缩的应用中，其可被提供有更多规则的形状，比如简单的螺旋绕法。
电容器(未示出)可以是基本上任何电容性元件，比如印刷墨水电容器或传统电容器。当包括印刷墨水电容器时，其可印刷在基板650上，如果需要的话。在某些应用中，接收线圈626的内部电容可足以形成谐振储能电路。在这样的应用中，可以不包括分离的电容器。
在图17所示的替换的实施例中，无线远程传感器614′包括与接收线圈626′邻近设置的复谐振器(re-resonator)线圈690′。如所示，复谐振器线圈690′可以是围绕接收线圈626′缠绕的，具有两个共用大体共同的轴并延伸通过大致同一平面的线圈。在该实施例中，复谐振器线圈690′从电感性发射器(未示出)接收功率，将接收的功率放大并将其传送到接收线圈626′。复谐振器线圈690′可与电容器692′耦合。电容器692′可以是印刷墨水电容器，如果需要的话。
如同图16的实施例那样，接收线圈626′可以与电容器(未示出)串联连接。电容器(未示出)可以是基本上任何电容性元件，比如印刷墨水电容器或传统电容器。当接收线圈626′的内部电容足以形成合适的谐振储能电路时可以去除分离的电容器。
在第五方面中，无线远程传感器系统710可包括产生取决于可变阻抗元件732的值的信号的VCO770。该信号被施加到天线780，其将信号发送到基础传感器790(见图22)。该信号可直接施加到天线780或者通过缓冲器、放大器、滤波器或信号调节电路的任何组合被施加并且然后被施加到天线780。基础传感器790可包括设置为接收来自天线780的信号的天线792。通过使用分离的天线780，该信号可以具有与主要使用磁场传递功率的功率传递信号较少的相互作用。由于磁场线垂直于电场线，因此天线780产生的电磁波将主要是电场，提供信号之间的矢量域隔离。基础传感器790随后将监测信号的频率并将其与基准频率相比较，或者将使用信号的其它特性来确定关于传感器(或者可变阻抗元件732、)的信息。例如，频率可能在时间上变化，频率的变化率指示内科病人的脉搏率。图23示出了对于图21的文氏桥VCO的可变电阻R3的不同值的频率响应的实例。在图23的左侧的图示出了一个覆盖在另一个的顶部上的一系列的三个不同波形A1、A2和A3。每个波形得自可变阻抗元件R3的不同值。虽然在图23的左侧难以看到，但是每个波形A1、A2和A3具有不同的频率。这在图23的右侧的图中被更清楚地示出，其是利用FFT产生的三个波形A1、A2和A3的频率响应F1、F2和F3的图。可以看出该信号的频率(由在右侧的信号的FFT表示的峰值来表示)随着可变阻抗元件732的电阻而变化。
在第六方面中，无线远程传感器系统810可以包括VCO870，其产生施加到分离线圈880并被传送到基础传感器890的信号。该信号可直接施加到线圈880或者通过缓冲器、放大器、滤波器或信号调节电路的任何组合被施加并且然后被施加到线圈880。基础传感器890可包括设置为从线圈880接收信号的相应接收线圈892。通过使用分离的线圈880，该信号可具有与功率传递信号较少的相互作用。可以通过使反馈信号比功率传递信号具有高得多或者低得多的频率来从频率上将分离的线圈880产生的电磁波与功率传递信号隔离。可以进一步通过将线圈远程定位，或者通过以反向缠绕或“8字形”布局来缠绕信号线圈，来将磁场与功率传递信号隔离。图25示出了在发射器侧的反向缠绕或“8字形”布局的例子。如所示，发射线圈816物理上位于基础传感器线圈892的外部，并且基础传感器线圈892按照上面结合图9所讨论的那样反向缠绕。基础传感器890随后将监测信号的频率并将其与基准频率相比较，或者将使用信号的其它特性来确定关于传感器或者可变阻抗元件832的信息。VCO870可能需要正的和负的电压供给以便精确测量可变阻抗元件的阻抗。为了提供这个，接收器810上的功率传递线圈826可以是中间抽头的结构，其中中间抽头附着到接收器的中性或者零电压基准，并且二极管电桥828将线圈的各端连接到正电压和负电压。通过使用两个二极管电桥728，例如图22所示的电路，电流沿一个方向流动，并且仅针对功率传递周期的一半接收能量。通过使用四个二极管电桥828，例如图24中所示的电路，电流沿两个方向都流动，并且针对整个功率传递周期接收能量。
以上描述是本发明的当前实施例的描述。在不偏离如在所附权利要求中所限定的本发明的精神和较宽方面的情况下可以做出各种替代和变化，其将依据专利法的原则(包括等同原则)被解释。本公开被提供用于说明性的目的，并且不应被解释为本发明的所有实施例的详尽描述或将权利要求的范围限制于结合这些实施例所示或所描述的具体元件。例如，并且非限制地，所述发明的任何单独元件可以被提供基本上相似功能或者另外提供合适操作的替换元件来替代。这包括，例如，目前已知的替换元件，例如当前被本领域技术人员已知的那些，以及将来可能被开发的替换元件，例如在开发时本领域技术人员可能识别作为替换物的那些。进一步，所公开的实施例包括被一致描述的多个特征，所述多个特征可能协作提供多种益处。本发明不局限于包括所有这些特征或者提供所有所述益处的仅仅那些实施例，除非在授权的权利要求中明确地另外阐明。以单数例如使用冠词“一”、“一个”、“该”或“所述”对权利要求元件的任何引用不应解释为将该元件限制为单数。

Claims (22)

1.一种用于感测参数的无线远程传感器，包括：
配置为从无线功率发射器无线接收功率的接收线圈；以及
耦合到所述接收线圈的振荡电路，由此所述振荡电路的振荡通过反射阻抗传送到无线功率发射器，所述振荡电路具有随着待感测参数的值变化的可变阻抗元件，其中所述振荡的占空比基于所述可变阻抗元件的变化而变化；
其中所述振荡电路包括配置为对所述振荡电路交替充电和放电的充电/放电电路，所述振荡与所述充电和放电对应；
其中所述充电/放电电路包括具有充电电容器的充电子电路，由通过所述接收线圈无线接收的功率来对该充电电容器充电；
其中所述充电/放电电路包括具有电流锁存器的放电子电路，该放电子电路配置为选择性地对所述充电电容器进行放电；
其中所述放电子电路包括调制腿，所述调制腿具有调制电阻器，所述调制腿耦合到所述电流锁存器，由此仅当所述电流锁存器导通时才应用所述调制腿；
其中所述调制腿通过晶体管耦合到所述电流锁存器，所述调制电阻器具有被选择以引起所述晶体管至少部分地取决于可变阻抗元件而作为放大器工作的值。
2.根据权利要求1所述的无线远程传感器，其中所述充电/放电电路包括触发器，该触发器用于使所述充电/放电电路在充电状态与放电状态之间转换，所述触发器是具有反向击穿电压的二极管，所述二极管被选择以当所述充电电容器达到阈值时使所述充电/放电电路从所述充电转换到所述放电。
3.根据权利要求1所述的无线远程传感器，其中所述充电子电路包括充电电阻器，所述充电电阻器为所述可变阻抗元件。
4.根据权利要求1所述的无线远程传感器，进一步包括放电电阻器，所述放电电阻器为所述可变阻抗元件。
5.根据权利要求1所述的无线远程传感器，其中所述振荡电路包括第一可变阻抗元件和第二可变阻抗元件，所述第一可变阻抗元件为所述充电子电路中的可变电阻器，所述第二可变阻抗元件为设置为改变所述放电状态的持续时间的可变电阻器。
6.根据权利要求1所述的无线远程传感器，进一步包括用于将提供给所述充电子电路的电压标准化的标准化电路。
7.根据权利要求6所述的无线远程传感器，其中所述标准化电路包括电压钳。
8.根据权利要求1所述的无线远程传感器，其中所述充电/放电电路包括触发器以及分压器，该触发器用于在充电状态和放电状态之间转换所述充电/放电电路，所述触发器为比较器，该分压器被选择为尽管被提供给所述充电子电路的电压存在变化仍保持基本上一致的充电持续时间。
9.根据权利要求8所述的无线远程传感器，其中所述比较器包括耦合到所述分压器的输出的第一输入端和耦合到所述充电子电路的输出的第二输入端。
10.根据权利要求9所述的无线远程传感器，其中所述充电/放电电路包括具有电流锁存器的放电子电路，该放电子电路配置为选择性地对所述充电电容器放电，所述比较器的输出耦合到所述电流锁存器，由此所述比较器输出占用所述电流锁存器。
11.一种用于感测参数的无线远程传感器，包括:
配置为从无线功率发射器无线接收功率的接收线圈；
电压控制振荡器，其在操作时耦合到所述接收线圈以从所述接收线圈接收功率；
可变阻抗元件，其耦合到所述电压控制振荡器，由此所述电压控制振荡器的输出振荡取决于所述可变阻抗元件的值，所述可变阻抗元件随着待感测参数的值而变化，其中所述输出振荡的占空比基于所述可变阻抗元件的变化而变化；
其中所述电压控制振荡器包括配置为对所述电压控制振荡器交替充电和放电的充电/放电电路，所述振荡与所述充电和放电对应；
其中所述充电/放电电路包括具有充电电容器的充电子电路，由通过所述接收线圈无线接收的功率来对该充电电容器充电；
其中所述充电/放电电路包括具有电流锁存器的放电子电路，该放电子电路配置为选择性地对所述充电电容器进行放电；
其中所述放电子电路包括调制腿，所述调制腿具有调制电阻器，所述调制腿耦合到所述电流锁存器，由此仅当所述电流锁存器导通时才应用所述调制腿；
其中所述调制腿通过晶体管耦合到所述电流锁存器，所述调制电阻器具有被选择以引起所述晶体管至少部分地取决于可变阻抗元件而作为放大器工作的值。
12.根据权利要求11所述的无线远程传感器，进一步包括天线，所述电压控制振荡器的所述输出振荡被施加到所述天线，由此所述输出振荡可以被传送到基础传感器。
13.根据权利要求11所述的无线远程传感器，进一步包括信号线圈，所述电压控制振荡器的所述输出振荡被施加到所述信号线圈，由此所述输出振荡可以被传送到基础传感器。
14.根据权利要求11所述的无线远程传感器，进一步包括负载，所述电压控制振荡器的所述输出振荡被施加到用于调制所述接收线圈的所述负载的调制子电路，由此所述输出振荡可以通过反射阻抗经由所述接收线圈被传送到基础传感器。
15.根据权利要求14所述的无线远程传感器，其中所述调制子电路包括MOSFET，所述输出振荡被施加到所述MOSFET的栅极。
16.根据权利要求15所述的无线远程传感器，其中所述MOSFET耦合到具有第二可变阻抗元件的电压偏移电路，由此所述负载的占空比取决于所述第二可变阻抗元件的值。
17.一种用于感测参数的无线远程传感器系统，包括：
具有发射线圈的电感性发射器；
无线远程传感器，其具有：
配置为从无线功率发射器无线接收功率的接收线圈；
电压控制振荡器，其在操作时耦合到所述接收线圈以从所述接收线圈接收功率；
可变阻抗元件，其耦合到所述电压控制振荡器，使得所述电压控制振荡器的输出振荡取决于所述可变阻抗元件的值，所述可变阻抗元件随着待感测参数的值而变化，其中所述输出振荡的占空比基于所述可变阻抗元件的变化而变化；
其中所述电压控制振荡器包括配置为对所述电压控制振荡器交替充电和放电的充电/放电电路，所述振荡与所述充电和放电对应；
其中所述充电/放电电路包括具有充电电容器的充电子电路，由通过所述接收线圈无线接收的功率来对该充电电容器充电；
其中所述充电/放电电路包括具有电流锁存器的放电子电路，该放电子电路配置为选择性地对所述充电电容器进行放电；
其中所述放电子电路包括调制腿，所述调制腿具有调制电阻器，所述调制腿耦合到所述电流锁存器，由此仅当所述电流锁存器导通时才应用所述调制腿；
其中所述调制腿通过晶体管耦合到所述电流锁存器，所述调制电阻器具有被选择以引起所述晶体管至少部分地取决于可变阻抗元件而作为放大器工作的值；以及
配置为无线地接收从所述输出振荡产生的信号的信号接收器，所述信号接收器配置为根据所述接收的信号确定所述可变阻抗元件的变化。
18.根据权利要求17所述的无线远程传感器系统，其中所述无线远程传感器包括发射器天线，所述电压控制振荡器的所述输出振荡被施加到所述发射器天线以无线发射到所述信号接收器。
19.根据权利要求18所述的无线远程传感器系统，其中所述信号接收器包括配置为接收由所述发射器天线发射的信号的接收器天线。
20.根据权利要求17所述的无线远程传感器系统，其中所述无线远程传感器包括与所述接收线圈相分离的信号发射线圈，所述电压控制振荡器的所述输出振荡被施加到所述信号发射线圈以无线发射到所述信号接收器。
21.根据权利要求20所述的无线远程传感器系统，其中所述信号接收器包括配置为接收由所述信号发射线圈发射的信号的与所述发射线圈分离的信号接收线圈。
22.根据权利要求21所述的无线远程传感器系统，其中所述信号发射线圈和所述信号接收线圈以8字形结构被反向缠绕。
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