CN1063951A - 远程可读的数据存贮装置及设备 - Google Patents

Abstract

一种磁致伸缩元件，可以是矩形的，被安放在与 一个硬磁材料偏置元件相邻，所述偏置元件上记录有 场分布，它可使磁致伸缩元件偏置以在所选择的频率 上谐振，特别是固有频率的谐波上，从而响应于在同 样频率上施加的交变询问磁场。这样，通过选择元件 得以谐振的频率可对数据进行编码，除在不同谐波上 谐振外，还可产生以不同方式的谐振例如纵向、横向 或弯曲方式。该装置应用于物件识别系统例如安全 系统，但也有许多其它的应用。

Description

本发明涉及远程可读的数据存贮装置及设备，特别关系到能够由外加场，尤其是一个交变磁场询问的装置及设备。

美国专利4，510，490（Anderson  Ⅲ等人）公开了一种卡片形式的数据存贮装置，它附着到用于识别目的的一个物件上。该卡片包括有多个由磁致伸缩性材料形成的条，这些条的长度互不相同，因此具有不同的自然频率，即不同的固有频率。这些条非常松驰地安装在一个箱体中以使它们能够自由地振动。该箱体包含或包括有一条平行于磁致伸缩条并已磁化的硬磁材料，以便在其上施加一个偏置场。所述磁致伸缩条由该场偏置（被加应力），这样，如果施加一个以这些条中的任何一个条的自然频率为频率的外部交变磁场，则该条将机械地谐振产生一个频率等于该条的自然频率的检测交变场。不同的卡片由磁致伸缩条的不同的长度组合来相区别，因此，不同的卡片将产生具有不同频率组合的再生磁场。对卡片的询问是利用扫描或步进通过这些条的自然频率范围的询问磁场或产生一个恰好同时含有所有这些频率的脉冲串的交变磁场并检测任何再生的磁场来完成的。这种装置对例如在机场控制行李的物件控制系统上的应用公开在美国专利4，647，917中（Anderson  Ⅲ等人）。

上述申请有很多缺点。首先，由于每个卡片必须包含的磁致伸缩条数等于待存贮信息的比特数，那么如果大量的不同卡片要逐一地被识别时，这些卡片就相当昂贵;第二，由于一个卡片的可识别性是由装在其内的磁致伸缩条的长度确定的，那么这种可识别性在制造过程中就不得不被确定，这是极不方便的，而且也显著地增加了生产成本。

所以，本发明一个方面的目的是克服这些不足。本发明的另外一个目的是提供一个远程可读数据存贮系统或设备，它们具有比上面提到的美国专利中公开的（设备）具有更广泛的应用。

一方面，本发明提供一个数据存贮装置或设备，它具有一个磁致伸缩部件，以及对其上施加一个偏置场分布的装置，该磁场分布是这样的，即使所述的磁致伸缩部件在一个预定频率下发生谐振，该预定频率大于在该频率下与所施加的询问场相对应的自然频率。在优选实施例中，所述的偏置场分布是这样的，即一条给定的条将在两个或多个预定频率下谐振，这些预定频率中的一个或多个高于与所述预定频率的询问场的施加相对应的自然频率。

本发明的另一方面涉及用于远程可读显示装置（例如煤气表或电表）的设备。本发明这方面的一个实施例包括一个可移动的显示部件，例如一个旋转式度盘，以及与此相关并设置成可进行谐振的磁致伸缩装置，谐振响应于在不同频率下的询问场。这些不同频率与显示部件的位置相关。这种设备具有的优点是，在表或其它显示装置上的电源供给不必用于驱动远程可读装置的意义上来说，它是无源的。另外，这种装置可以简单地装在一个表中，而无需变更检测装置，也不会干扰显示的明视度。

本发明这方面的另一个实施例中，远程可读显示器包括磁致伸缩装置;用于产生偏置磁场使该磁致伸缩装置偏置的装置;以及一种装置，它用于改变所述磁致伸缩装置与所述偏置场之间的关系，以及/或者改变作为被测量或被显示的变化量或数量的函数的偏置场，以便该磁致伸缩装置响应于与所述变化量或测量值相关的不同频率的询问交变场。

下面将结合附图，以举例的方式对本发明作进一步说明。

图1为按照本发明所述的卡片形式的数据存贮装置的平面图（部分剖面）。

图2为图1中Ⅱ-Ⅱ面的截面图。

图3为在图1和图2所示的卡片上存贮数据或编程的一个过程的图示说明。

图4表示的是可以按图3说明的过程产生的信号波形的一个例子。

图5说明了当图4的信号波形用于图3的过程中时，施加在图1和图2的卡片上的磁场分布。

图6至图9显示了其它的可采用的波形，用于产生使所述卡片对应于不同频率的询问场的磁场分布。

图10图示说明了一个和图1和图2中的卡片一起使用的询问系统。

图11表示了四幅示波器图样，是从前面的图中的卡片上实验获取的。

图12图示说明了和图1、2的卡片一起使用的另一种询问系统。

图13说明了应用于图1和2中的卡片上的磁致伸缩材料的曲线特征。

图14图示说明了一种按照本发明的一个实施例的含有6个度盘的远程可读表，例如煤气表;

图15为图14中表度盘的更详细的透视图。

图16以举例的方式说明了按照本发明的一个方面，在图14的度盘上提供的磁化模式。

图17图示说明了当度盘转到不同的连续位置时，可以从图14给定的度盘中获得的响应。

图18说明了在图14的表中的与各个不同度盘有关的各个不同谐振条之间的尺寸关系。

图19说明了远程读出图14至图18的表的设置图。

图20为表示度盘配置的另一种形式的示意透视图。

图21图示说明了图20的度盘上所提供的磁化模式部分。

图22和23与图20和21相似，但示出的是另外一种可替换的度盘配置。

图24和25也与图20和21相似，也示出了又一种可替换的度盘配置。

图26说明了另一个实施例，其中可以获得增加的精密度。

图27说明了可用于本发明的替换形式的圆形磁致伸缩谐振元件。

图28至图30为可用于本发明的磁致伸缩谐振元件的其它可能形状。

图31为一种变形的示意平面图，借此说明磁致伸缩元件对询问场的响应可以增强。

图32为图31的变型的示意侧视图。

图33为另一种变型的示意平面图，借此说明磁致伸缩谐振元件对询问场的响应可以增强。

图34为图33的变型的示意侧视图。

图35到图40是图示说明了在磁致伸缩元件中不同方式振动的产生。

在图1和图2中所示的数据存贮装置是以包括一矩形槽中的卡片形式呈现的，槽4包含限定着空腔10的底6、侧边及端壁8，空腔10中一个磁致伸缩元件12以磁致伸缩材料的条状形式安置着。空腔10由一块已被磁化的硬磁材料的矩形板14覆盖，用于作为对磁致伸缩条12的磁偏置元件。板14位于槽4上，利用一个外壳16将槽4和板14紧固和/或附着在一起。

磁致伸缩元件12的长度和宽度稍小于空腔10的长和宽，元件12的厚度小于空腔10的深度。所以，磁致伸缩元件12在空腔10中可自由地振动，但是在空腔10的横向和纵向上只能微微移动。槽4和外壳16由磁场可穿透的材料制成。例如，槽4可以由商标为DELRIN的硬合成塑料制成，外壳16可以由薄的、柔性的合成塑料材料制成，或者可以由如有粘性的带组成。已知的磁致伸缩材料可以用作元件12，例如商标为METGLAS2605的非晶态旋压熔化带状的或是晶粒定向的硅变压器钢，所选择的材料最好具有高磁致伸缩耦合的高磁导率。板14可以由各种硬磁材料中的任一种制成，例如包括磁性不锈钢、镍钢、铁氧体钢或低碳钢;另一方面，板14可以由一种其上附有磁性涂层的非磁性基片构成，如用于磁带及磁盘的粉浆成形的铁氧体。偏置元件14所要求的性质是它应以选定的磁性分布被磁化，并应能保持这种磁性分布基本不变，或至少对本发明的特别应用保持足够长的时间。

正如从上述美国专利中所公知的，如果偏置元件14按一个简单的磁棒那样被磁化，即一端为北极而另一端为南极的话，则磁致伸缩元件12将由所产生的磁场加压，其方法是如果卡片2被施加一个等于元件12的自然频率的外加询问交变磁场的话，则该元件将机械地振动并产生一个具有相同频率的可检测的再生交变磁场。然而，根据本发明的一个优选情况，在偏置元件14中形成了不同的磁化分布，因此磁致伸缩元件12将对自然频率或固有频率的谐波的频率产生响应并进行机械振动。

如图3所示，所需要的磁性分布可以通过使卡片2按箭头方向经过并尽可能地靠近传统型磁记录头18传送而记录在偏置元件14上，当卡片2经过记录头18时，由控制单元22控制的一个信号发生器20就用一个信号激励记录头18，该信号的波形可选择成在偏置元件14中产生所需要的磁性分布。图4说明了在元件14中存贮磁性分布的一个合适波型的范例，元件14将以这样的方式使磁致伸缩元件12偏置，即它将以响应于二倍的所加的询问交变磁场的自然或固有频率谐振，而所加的询问交变磁场也具有二倍的条12的自然或固有频率。正如图4中可以看到的，波形是正弦波15，其频率和相位与卡片2经过记录头18的运动的相关性这样来加以选择，以便在元件14中记录的正弦波的一个周期与磁致伸缩元件12的长度相对应，且正弦波的零交叉点17和19实质上与元件12的端头12a和12b相对应。在记录过程中，信号源20在卡片2到达记录头18下面之前开启，而当卡片通过了记录头18之后关闭，这样可避免产生瞬变并将其记录在元件14中。如果在零交叉点17和19处开或关信号源20，就有可能产生这种瞬变，该过程用图4中正弦波15的虚线部分21和23来示意说明了。

在图5中可以看到，在元件14中所生成的磁性分布包括靠近条中心的南极区24和趋于条14端头的北极区26。图5中的箭头28和30表示记录在元件14中的上述磁性分布所产生的磁力线。正如箭头方向所示，使磁致伸缩元件12偏置的所生成的磁场在条12的左边方向上指向右边，而在右边方向上指向左边，因此，当卡片2受到二倍于条12的自然频率的询问交变磁场支配时，则其上的两部分将以二倍于自然频率的频率谐振，且相位彼此相反。这样就产生了一个二倍于自然频率的可检测的再生磁场。

如果希望使磁致伸缩元件12以响应于所加的对应频率的询问磁场的三倍于自然频率的频率谐振的话。那么在执行如图3所示的过程时可以用如图6所示的波形。如图6所示，在卡片2运动通过时，加到记录头18上的正弦波25在频率和相位方面与卡片2的运动的相关性在于这样加到记录头18上的正弦波的一个半周期就基本上对应于条12的长度，且条12的端头实质上与零交叉点27相对应。基于如图4的实施例中相同的原因，正弦波25在卡片到达记录头18下面之前开启，而在卡片2从记录头18下面离开之后关闭。

利用其上录有信号25的元件14在条12中产生的磁场由三部分32、34和36组成。元件12上靠左的三分之一部分32磁场方向指向右边，元件12上中心的三分之一部分34磁场方向指向左方，而元件12上靠右的三分之一部分36的磁场方向指向右方，因此，这根条将以响应于所施加的交变磁场的三倍于自然频率的频率谐振。而外加的交变磁场具有三倍于该条自然频率的频率。这种机械振动的谐振将产生三倍于自然频率的可检测的再生磁场。

类似于图6、图7示出了一个可以加到记录头18上的正弦波40，以产生一个四倍于磁致伸缩元件12的自然频率谐振的卡片，加到记录头18上的信号频率是这样的，即记录在元件14中的正弦波的两个完整周期具有前文所述那样设置的零交叉点和按前文所述方式避免了瞬变记录。在如图所示的42、44、46和48上，施加到条12上的所生成的偏置场包括四个区域，其中的每一个区的磁场方向与其相邻区的磁场方向相反，因此，该条将响应于频率为四倍于该条自然频率的外加询问磁场来机械振动，其谐振频率为四倍于该条的自然频率。而且，这产生一个四倍于该条自然频率的可检测的再生磁场。

可以对卡片进行编程，以便磁致伸缩元件12将在更高的谐波上产生谐振，这只需相应调整记录头18所记录的信号。另外，到目前为止，虽然已经说明了如何对卡片编码，以使磁致伸缩元件12将仅仅在其固有频率的一个谐波的单一频率上谐振，然而，在本发明的范围内，对卡片编程，以使磁致伸缩元件12能够响应于多个询问频率中的每一个而产生谐振将是可能的和可取的。这些频率可以包括固有频率及一个或多个谐波频率，或者如所希望的那样忽略固有频率，这可以通过在条14上记录一个磁性分布而简单地取得，这表明对所需要的各个频率的每一个，应将磁性分布进行必要的叠加。这个例子示于图8，其中所示波形50用于记录在条14上，以使磁致伸缩元件12在二倍于和四倍于固有频率的频率上都产生谐振。波形50是通过把波形15和40简单地相加而得到的，波形15和40分别与图4和图7中所示的波形相同。

虽然图8说明了对一个卡片进行编码以在二个谐波上谐振的方式，但是根据本发明也可能对卡片进行编码以在二个或多个谐波上发生谐振，这只要简单地对所需的谐波把波形加在一起来即可。或者在其自然频率加上一个或多个谐波的频率上谐振，这可以把对固有频率所需的波形（它将是具有与条12的端头12a、12b对应的零交叉点的正弦波的半个周期）和对每一个想用的谐波所需的波形叠加在一起来完成。以不同频率产生的谐振振幅是记录在卡片上以产生谐振的信号幅度的函数，因此，用于产生不同谐振的所记录的信号可以有不同的振幅以补偿系统中的其它因素，例如在较高谐波上的谐振振幅自然地趋向于小于较低谐波的谐振振幅。以这种方法可进行补偿的其它因素的例子是噪声，不同频率上的接收机灵敏度，不同频率上的不同询问场强等等。

当把波形加在一起以获得在多个不同频率上的谐振时，相加的信号间的幅度和相位关系应进行选择，以防止磁致伸缩元件12的磁饱和。如何获得此效果的一个例子示于图9，其中波形15（如前所述的相同）被加到波形57上，正如从对图9的考虑中可以理解的一样，这将提供在六倍于条12的自然频率的频率下谐振。波形57的较可取的相位如图9中实线所示，同时可以看出与波形15的峰值对应的峰值59和61与波形15中的相应峰值符号相反，这就防止了该两个波的峰值相加。图9中以57a示出的虚线是波形57的反转，且其相位是这样的，即其峰值将加至波形15的峰值上。在这种情况下，如果要防止磁致伸缩元件12的磁饱和，这两个波的振幅必须保持小于所用的波形57的振幅。

上述的参照图1至图9说明的数据存贮装置可用于如图10所示的一个系统中，其中，上述装置包含在用于询问目的的一个卡片60之内该卡片在发射线圈和接收线圈62及64之间通过。发射线圈由被控制单元68控制的电源66驱动，以使线圈62产生一个交变询问磁场，它被扫过所有被选定频率，在这些被选定频率上，用于本系统中的卡片可以被编程以谐振。若没有卡片时，接收线圈64的输出在图中所示的8字形中基本为零，然而，当在线圈62和64之间放置一个特定的卡片60时，前述的交变磁场就产生了，磁致伸缩元件12在被编码的频率上所生成的谐振将由线圈64控制，而且所生成的信号在解码器70中解码。由卡片再生的信号通常不为零，这是由于要想把卡片相对于接收线圈68的8字形图形对称地设置是极不可能的。

示于图11的图形表示用如图9所示的一个系统实验所获得的响应。因此，图11的波形A表示当扫描询问场的频率时，已编程的一个卡片以四倍于条12的自然频率的频率谐振所获得的响应;图11中的波形B说明已编程的一个卡片以五倍于自然频率的频率谐振的响应;波形C说明一个已编程的卡片以八倍于自然频率的频率谐振的响应;波形D表示一个已编程的卡片以第四、第五和第八次谐波（即条12的四倍、五倍和八倍自然频率）中的每一个进行谐振的响应。从图11的波形可以看出，当所施加的询问场的频率通过所述条被编程以谐振的频率时，从检测线圈64中输出的振幅峰值升高。

图12表示图10中所示系统的另一种方案，其中一个线圈63既用作发射线圈又用作接收线圈。图12显示出卡片60用于识别携带该卡片的人的目的。在该实施例中，询问场以脉冲串方式施加，而在每个脉冲串之后的静止时期进行检测。在这个时期中，在卡片中的谐振条跳跃地产生再生检测场频，在这些频率下谐振条将被编码以响应这些频率。

图13包括两条曲线以说明一种方法，其中，该装置相对于所加的询问场的灵敏度作为偏置场强的函数进行变化，而偏置场是利用偏置元件14的磁化在条12中产生的。在图13中，曲线A是在一个磁致伸缩元件中产生的应变对施加到该元件上的场强H的曲线，这样，在场强H为零的原点上没有应变;若场强H增加至值S或-S处，磁致伸缩元件就饱和，而且进一步增加场强（两个方向上）都不再产生任何进一步的变化。曲线B表示该装置对所加磁场的灵敏度随着偏置场H的强度增加而线性增加，所以加到元件14上的磁场强度被选择为提供朝向灵敏度曲线的向上端，例如在图5中用箭头28和30表示的场可能具有图13中所示出的值H₁和-H₁。

用于表示数据的各种方案都是可以的，例如一个二进制的不同数字可以由不同谐波上的谐振来表示，例如一个4位二进制数可以由磁致伸缩元件在2倍、3倍、4倍和8倍于自然频率的频率上谐振分别表示。谐振存在时表示二进制“1”，无谐振时表示为二进制0。然而，尽管这个方案对于具有相对较少位数的二进制数字能够满足，但是，如果利用这种编码方案，当数字的位数增加时，信噪比将趋于降低。可以给出数字从0～219的另一种编码方案是记录从最多12个谐波中选出仅三个谐波到每个卡片上（同时去除固有频率，因为这个频率带有偶然被激励的最大危险）。因此，从12个谐波中选出3个就存在着220种可能性。这个编码系统几乎等于一个8位二进制数（可给出256种组合），但却有更高的信噪比，所以具有比在每个卡片上同时记录高达8个谐波所获得的更高的可靠性。这个系统的一个优点是如果在任意给定时刻检测到多于或少于三个谐振的话，这就意味着不是存在着多于一个的卡片，就是存在着一个误操作。因此，可以对用于这个系统来表征数据的检测设备编程，以产生一个警报响应于错误的谐振数字的检测。

图14至图19说明了一个实施本发明的远程可读表101。如图14所示，该表包括一个例如检测煤气流量的传统的检测机构100，以及由该检测机构通过传统的耦合装置驱动的六个度盘102、104、106、108、110和112，耦合装置未画出而是以虚线114示之。正如在图14中可以看出的，度盘102至112中的每一个都用数字0至9绕其表面标出，定位于靠近每个度盘的外壳116支持着显示流量值的标记118，流量值是由度盘的转动位置表示的。按照常规，该六个度盘分别表示一个六位数的各位数字。

在图15的透视图中示出了度盘102和外壳116，从中可以看出外壳116为长方形并与度盘的转动轴120平行，而且与该度盘的轴向长度基本上共同延伸。壳116包含一个长方形磁致伸缩元件122，元件122类似于图1和图2中的元件12而且包含在为清洁起见而设置的壳116中的一个长方形空腔中，以使元件122可以机械振动，壳116完全由一种磁力线可以穿透的材料例如合成塑料材料来制成。

从图14和15中可以清楚看出，度盘102至112的每一个都是鼓状形式，硬磁材料的条124沿着鼓的周边设置并沿其径向延伸。每个条124与度盘表面上的对应数字对准，而且在其上记录的磁性分布是这样的，即当一个给定的条靠近外壳116时，所生成的磁性分布就使该条偏置，以使它按照其特定的频率谐振。图16说明了由各个不同的条124产生的磁性分布的例子。那么，靠近度盘上数字“1”的条124产生一个使磁致伸缩元件122响应于一个具有频率f的询问磁场，以其固有的或自然频率f进行谐振的磁性分布;类似地，靠近度盘上数字“2”～“5”的条124具有的记录在其中的磁性分布是这样的，即磁致伸缩元件122分别响应于频率为2f至5f的询问磁场，以频率2f至5f进行谐振。如图16所示，与数字“6”～“9”以及“0”相关的磁场分布也这样在频率f～5f的范围内产生谐振。然而，如图16所示，磁致伸缩元件122的宽度大于每根条124的宽度，所以，磁致伸缩元件122总是受到两根或三根条124的影响。因此，虽然磁致伸缩元件122在度盘位置数4和度盘位置数7两处以4f谐振，但是（例如），在位置数4时，它也会以3f和5f谐振，在位置数7时，它也会以2f和f谐振，按这种方式，位置数4和位置数7就可以彼此区别开来，这一点在图17中进一步说明。图17表示了当度盘从位置数3移动到位置数4时产生的谐振。这样，图17中的曲线A表示在位置3产生的谐振，它是在3f下有较高振幅，在2f和4f下有相对较低的振幅;图17中的曲线B说明当度盘在位置数3和4之间的大约中心的位置上产生的谐振，即在3f和4f处产生出近似相等的振幅的谐振，而在2f和5f处为较低振幅的谐振;图17中的曲线C表明当度盘在位置数4时产生的谐振，即在4f为高振幅谐振，在3f和5f处为近似相等的较低振幅的谐振。现在清楚了，对于表示在度盘上的数字的编码方案如下：

数字  谐振频率

0  3f  5f  f

1  5f  f  2f

2  f  2f  3f

3  2f  3f  4f

4  3f  4f  5f

5  4f  5f  2f

数字  谐振频率

6  5f  2f  4f

7  2f  4f  f

8  4f  f  3f

9  f  3f  5f

上表中的f是磁致伸缩条的自然频率。这样的编码方案所具有的优点是用于每个度盘的频率数是最少的。

所以，要询问度盘，就要施加一个询问交变磁场，而且其频率在整个所需要的频率范围内被扫过。因此可以从其它度盘中识别出一个度盘。靠近各个不同度盘的磁致伸缩条的长度是不同的，如图18所示，所以，条122A到122F分别对应于度盘102至112，而且每个都有一个不同的固有频率，从而有不同的谐波组。

图19表示用于表101的一个询问方案，它包括一个靠近表而设置的第一线圈130，一个远离表但利用简单的电导体134连接到线圈130上的第二线圈132，以及一个便携式读出装置13，它可以由以读表为职业的入携带。装置13包括有发射及接收线圈136，电源138，控制单元140用于驱动电源以使线圈136产生一个交变询问磁场，该磁场的频率在整个磁致伸缩元件122可能谐振的频率范围内（包括谐波）被扫过或步进;解码器142用于对检测到的再生磁场进行解码;一个数据存贮器144存贮由每个表读出的数据，与表一样，它受控于控制单元140。

图20表示一个改型的表的方案，在该实施例中，度盘102′至112′固定在一个公共轴160上，度盘数字位于周边而不是在端面上，可通过一个有孔的窗口面板112看到（这些数字）。在度盘面上的数字被标记在硬磁条124上，磁条124如图21所示，其上已记录了类似于图16所示的那样磁性分布。磁致伸缩谐振元件122A′至122F′如图14所示，是位于靠近度盘表面的位置。然而，在这种情况下，度盘的轴长以及磁致伸缩条和硬磁条的长度都短于图14中所示的长度。

除了磁致伸缩条124″安装在度盘端面上而不是它们的周边上之外，图22和图23的实施例类似于图20和图21的实施例，如在图23中所示的最佳方案，磁致伸缩谐振器122″定位于靠近端面的位置，如图22所示。谐振器122″和条124″在图22和23中径向地延伸。

在图24和25中，方案类似于图22和23所示的方案，但磁致伸缩条元件122″沿着度盘102′至112′的端面弦长延伸，一个硬磁盘安装在每个度盘的端面上，如图25所示的磁性分布记录在其上。在该图中，阴影区域指示该磁场方向是顺时针，而无阴影区域指示该磁场方向为逆时针，因此，很易理解，可以使邻近的条122′′′偏置以在选定的频率上按如前述的实施例进行谐振。

图26说明了图14中表的配置的一种改型，用于增加精度。除每个度盘连接上一个包含在外壳117中的附加的磁致伸缩谐振器123外，图26中的配置与图14中的相同。谐振器122和123相对于度盘102的配置是这样的，即当度盘上的几个数中的一个以及条124中的一个与谐振器的一个对准时，其它的谐振器大致在两个相邻的条124的中间，因此，两根条122和123所产生的谐振能够互相区别，它们最好具有不同的长度。由两根条再生的信号经过适当地解码，可以准确确定度盘的状态。虽然图25仅表示一个单个度盘，但是同样的配置可以设立在表中对不同的条有不同频率的其它度盘的任一个上。

在迄今描述的实施例中，磁致伸缩谐振器都是矩形的，然而，它们也可以是不同的形状，图27表示的一个例子中，磁致伸缩条就是环形的。在图27中的图A说明的一种偏置场是由一个邻近的硬磁盘元件产生的，用以使环形磁致伸缩元件80在它的固有频率上发生谐振;图B表示在第一谐波（频率）上谐振的磁场分布，在这种情况下，频率大致地但不是精确地等于固有频率的两倍;图C说明用于使磁盘80偏置的磁场分布，可使它在第二谐波的频率上谐振，其频率大致为但非精确为固有频率的三倍。这些磁场分布可参考图3～图9所述的方式，由沿着邻近的硬磁盘（未示出）直径的记录信号来产生。

图28表示的磁致伸缩元件212可用在本发明的各种实施例中。元件212可采用片状磁致伸缩材料压制或腐蚀而成，它包含在其端头有四个凸起216，且长度为1的条214，凸起216的作用是降低条214（长度为1）本该具有的自然（固有）频率。自然频率的降低是由附加到条214上的延伸区216引起的，于是，对于一给定的所要求的自然频率，尺寸1可减小。如在以前描述的实施例中，具有记录在其上的适当的磁性分布的硬磁偏置部件将与元件212相关联，例如，硬磁偏置部件的尺寸和形状可与图28中由虚线220表示的条214相同;或者是一个矩形，其尺寸和尺状等于图28中由虚线222表示的元件212的外轮廓形状;可有一种方案，即硬磁偏置元件的尺寸可由线220和222表示的中间尺寸所确定;尤其是在偏置部件具有由虚线222表示的尺寸时（或大于条214），磁性分布可记录在硬磁部件上，以便在所选择的方向上（例如在横切于元件214的方向）使凸起216产生振动以响应于适当频率的询问场。于是，采用图28中表示的方案，可以取得在各种所选择的频率上以各种方向的振动。凸起216的振动无需与条214的振动和谐。

图28的元件可按图1～12所述的方式应用，或者，用在图14～25所示的编码器中。

除了以梯形形状的凸起218来替代矩形形状的凸起216外，图29所示的磁致伸缩元件212类似于图28中的元件，于是，如果凸起218的面积小于凸起216但图28中和27中的元件其它情况完全一致，则图29中的条214的自然或固有频率将稍高于图28中的条的自然或固有频率，这是由于凸起218的质量相对于凸起216的低。如图28所述的硬磁偏置部件可与图29中的元件212一起使用，所以，在图29中所示的各项标号相应地可参考对图28的描述。

图30表示类似于图28和29所描述的磁致伸缩元件212的进一步改型，因此，相应的标号用于指示相应的条目。在图30中，条214上的横凸起224代替了图28和29的凸起216和218，每个凸起224是L型，于是凸起和条214一起形成了一个E型。除凸起224的形状外，参照图28和29给出的描述也适用于图30。作为图30所示的装置可获得的频率的一个特殊例子，1可能有5mm，这意味着在无凸起224的情况下，条214所具有的固有频率为440KHz。元件224质量可使频率降低到（比如说）113KHz，这可通过实验来调整。已发现具有稍大于由虚线220表示的宽度并且在其固有频率上产生一个诱使条214谐振的偏磁场的硬磁元件在较高频率上（实验中发现是223KHz）产生一个附加的不希望的谐振，当然，这与相关频率的询问场相呼应。这个不希望的频率在任何实际系统中都要加以考虑。

这样，由简单的单向偏置场使已成形的磁致伸缩元件212偏置，可导致元件212的不同部分响应于同一种频率的偏置场，在各自不同的频率上谐振。

参照图31和32，一组五个磁致伸缩谐振器元件12，每一个具有与其相关的如图1～9所述的硬磁偏置元件14，被置于梯形的高导磁性的平面软磁片230和232之间。如图32中所示的，片230和232与元件12在同一平面上，片230和232的窄端234和236分别与元件12的端头相邻，片230和232的宽端分别与元件12隔开。如图31所示，片230和232的形状互不相同，因此，与元件12的端头相邻的边可以尽可能紧密固定，这样安排的作用是将询问磁场的磁力线集中在片230和232的窄端234和236之间的区域，即包含有磁致伸缩元件12的区域中。这个效果由图31中的虚线242表示，它表征了询问场的磁力线。其结果，磁致伸缩元件所施加的场的灵敏度提高了。这样，图31和32的方案可应用到如图10或12所述的系统中的卡片上，例如，对给定的功率电平，其操作范围可增加;另外，如果其范围保持一定，这种方案将允许低功率电平用于询问磁场，或者反之;如果范围和功率电平均保持不变，提高信噪比将是能达到的。

用于片230和232的合适的磁性材料是Vacuumscharelze  6025。

图33和34表示了另外的一种用于将询问场的磁通集中到含有磁致伸缩元件12的区域内的方案。在图33和34中，非磁性材料（例如A1）的矩形片244上有一个孔246，元件或元件12和14置于其中，片244通常垂直延伸到元件12和14且定位于孔的大约中心处。从孔246延伸到部件244的边缘的窄缝243确保了环绕缝隙246的所有延伸路径不会短路。在图34中，如虚线248所示的，询问磁场的磁力线环绕通过片244且由孔246中穿过，于是，它们穿过了孔246，且按所述方式集中，这就增强了在小孔246区域（磁致伸缩元件12位于其中）中的询问场的强度。更实际地说，片244至少应有一个如电磁趋肤深度一样大的厚度，更可取的是其厚度大于上述深度，以便达到所需结果而不浪费材料。

参照图35，磁致伸缩元件312由硬磁偏置元件（未示出）以这种方式偏置，即使条形元件312的上部和下部在纵向的方向上是相反的，如箭头314和316所示。图36表示分别在Aa和Ab处的信号，这些信号记录在偏置元件上线a-a和b-b处。这种磁场分布的作用是，响应于适当频率的询问场，使图35中所示的条312的上部和下部互相反向延伸且相互压缩，以产生如图37中虚线所示的在自身平面中的条的弯曲振动。这种振动所处的频率将不同于元件312的固有频率。为了在另外的频率上产生其它的振动模式，实际过程中，其上信号方式可以被迭加在图36所示的方式上，例如用于使元件312产生按图4～9所述方式的在它的固有频率的谐波上的纵向振动。

在图38的实施例中，磁致伸缩条形元件412被硬磁元件（未示出）偏置，该硬磁元件产生一个横加于条长度的场，如箭头416所示。箭头416所示的场强度在条的末端最大，且朝着条的中心方向逐渐减小，在条中心处场强基本上为零。图39说明了在Ba、Bb和Bc上的信号，它们分别是沿着在图38上标著的a-a、b-b和c-c线记录在磁偏置元件上的。可以理解，图39的曲线中，水平轴代表的是条416的横向上而不是纵向上的记录的信号。这种磁场分布的效果是使图40中所示的条产生横向振动变形，特别是使条的末端响应于适当频率的交变询问磁场发生横向倾斜。从图40中可以看出在中部区段bb和cc上条的强度方向存在着明显的收缩。这种由图38和39所示的分布导致的振动可以由计算机仿真来预言。需用来产生图40中所示的振动的信号频率将不同于条的固有频率。作为其它的实施例，其它的场分布可重叠在图38和39所示的之上，以使条在其它频率上（例如在条的固有频率和/或谐波频率上）产生谐振。

图35至图40是原理性说明，根据本发明，不同的振动方式可以在条中诱发，以提供条能与之响应的附加频率。

在本发明的范围内可能有各种改型，例如通过将读取装置定位于紧靠着表来读取，以取代图19所示的方案。然而，利用图19中所示的线圈130和132这样的构造有可能做到将表安放在一个壳体内，在远离该壳体处可以读取这些表。

在图14～25中，虽然对每个度盘都提供有磁场分布，以引起相关的单个磁致伸缩片根据度盘的位置在不同频率上谐振，但也可以逆行这种方案。于是，单个磁偏置部件将位于紧跟在度盘之后，且取代在度盘上的磁性分布，磁致伸缩元件将安装在度盘上与之相应的数的位置，以便当定位在紧跟偏置元件之后时，磁致伸缩元件能被偏置以在它们的自然频率上发生谐振。具有不同自然频率的磁致伸缩条将与不同的数相关联，因此这些数可以互相区别开，而且，尽管所示度盘是转动的，如图所示，根据本发明，也可检测线性和其它的运动。根据本发明也可以构造一种装置，用于指示没有任何运动部分的可变值。电气装置可提供用于产生不同的磁场分布，如同通过激励一组电磁线圈作为可变值的函数一样。由所说的磁场分布偏置的磁致伸缩元件将设置成根据所产生的磁偏置分布在不同的频率上发生谐振。于是，不同的频率或频率的组合将指示可变值。

虽然在图14的实施例中部件124已经作为分离的硬磁条加以叙述，但是，也可以在每个鼓表面提供一个单独的硬磁涂层，这样，条实际上不被分离了，仅仅是记录有不同磁场分布的区域。这也适用于其它实施例中的元件124′和124″。

虽然参照图1～2的描述，本发明的卡片的优点是它可容易地编程，但也存在着一些不希望的情况。在卡片制备好以后，为了保证安全防止改变程序，卡片应装在厚壳体之中，这样，将会对记录头进入到足够接近于硬磁部件14以影响其上以前记录的分布造成困难。

作为进一步的改进，在同一卡片上提供两个或多个磁致伸缩条以提高比特密度是可能的。每个这样的元件最好被编程以在至少两个频率上谐振。

虽然在图18中涉及了带一个“从属”线圈的远程可读方案，它仅涉及图14的表的远程读取。这样一个带有从属线圈的方案也用于图1和图2所述的卡片的询问。

虽然在对图的说明中，仅涉及到磁致伸缩条在一个方向上被偏置，即沿着它们的长度方向，也可能利用适当的磁场分布横向地使它们偏置，所以，它们会产生横向谐振以取代或补充纵向谐振。

虽然较可取的是在硬磁材料中存储的磁性分布是正弦波或正弦波的组合，但作为替换，使用其它波形也是可能的。正弦波被优先考虑，是因为它基本上可避免在其它谐波上产生的不希望的谐振。例如，如果使用的是方波，将产生较低的信噪比（从付里叶分析中可显而易见），这是因为谐振不仅发生在所需要的频率上，而且也发生在不希望的频率上。

虽然在图1的实施例中，偏置元件14是与磁致伸缩条12分离的，但两个元件也可合为一体，例如，磁致伸缩条可由硬磁材料涂覆。

在上面的叙述中，虽然有不同方法使询问场被扫过或步进通过所要求的频率范围，但其它的方法也是可能的，例如，询问场可由一同时产生的所要求的询问频率的脉冲串组成，或者，在某些情况下，以噪声脉冲串的形式呈现，例如“白色”噪声，它包括有除所需用于形成谐振的频率之外的大量频率。

参照图28-30已说明了在条的端头形成凸起结构能降低条的固有频率，但其它降低固有频率的方法可选择在这些方法中特别可取的是在条的适当位置加上一些重的物质的方法。

虽然在各种不同的实施例中，特别是参照图28～30和图35～40描述的实施例中，已经指出磁致伸缩元件可被偏置以不同模式或以不同方向发生谐振，但在许多应用中，人们要求保证仅在纵向模式上完成谐振。在这样的应用中，可使用一个简单的矩形磁致伸缩条，它具有高的纵横比，即是长的且薄的，以便使纵向振动增至最大，横向振动减至最小。当条的长度恒定时，宽度的减小将减少总的信号，但是因为所产生的谐振具有一个实际上较窄的频带，所以改善了信噪比。如果谐振器的长度是其宽度的整数倍，那么，使用在一定的谐波上是会出现困难的。例如，在实验中，使用具有3∶1纵横比的装置，第三次谐波（即频率三倍于基频）是不可用的，因为它会被分成一对偶极;采用这种方案，类似的情况还会发生在第九次谐波上。另外，当使用低纵横比时，谐振频率不会是固有频率的精确倍数，这可确信是由于条的横向谐振的激励所导致的。这些问题可以通过使用高纵横比的条来避免，例如纵横比为15∶1或更高，这是由于所讨论的这些问题仅发生在超出使用范围之外的谐波频率上（15倍于基频或更高，纵横比为15∶1）。

在对图3～9的叙述中已说明了信号源20最好是在卡片2到达换能器18之前接通，在通过之后关掉，以避免瞬变发生。但是，在许多情况下这是不需要的，因为通过对系统的仔细设计就能避免发生不希望的瞬变现象。

本发明可应用在除识别卡片和读表之外的各种不同的系统中，例如它可用于货物打标记、商品存货控制、机场行李分类、商品售货、制造自动化、安全和通道控制、购票、信贷卡以及其它广泛的领域，例如线性或转动位置编码器及其它指示器如罗盘。

Claims (44)

1、一种数据存贮装置，包括一个磁致伸缩元件和一个磁偏置场产生装置，用于偏置所述的元件以响应于在预定频率上施加的询问交变磁场，在预定频率上谐振，其特征在于所述的磁偏置场产生装置产生一个与所述元件相关的磁场分布，所述的磁场分布是这样的，即所述的元件响应于在预定频率上施加的询问交变磁场，在多个不同的预定频率上形成谐振。

2、根据权利要求1的装置，其特征在于所述的偏置场分布是这样的，即所述的预定频率中的至少一个是所述元件固有频率的一个谐波。

3、根据权利要求1的装置，其特征在于所述的偏置场分布是这样的，即所述的预定频率包括所述元件的固有频率的至少两个谐波。

4、根据权利要求1的装置，其特征在于所述的偏置场分布是这样的，即所述的预定频率包括所述元件的基频和至少它的一个磁波频率。

5、根据权利要求1的装置，其特征在于所述的磁致伸缩元件是延伸形状的，并且，所述的偏置场分布包括至少两个分量，所述分量中的至少一个沿着所述条的纵向导向，在接续下来的等长度的区段内所述分量的方向反转，以使所述的至少一个分量能导致在元件固有频率的谐波上谐振。

6、根据权利要求1的装置，其特征在于所述的元件是磁致伸缩材料制成的矩形条，并且，所述的偏置场分布包括多个分量，其方向沿着条的纵向，所述分量中的至少一个在接续下来的等长度的区段内方向反转，以根据所述的区段的数，在条的固有频率的谐波上产生谐振。

7、根据权利要求6的装置，其特征在于有两个所述的区段，由此可在两倍于固有频率的频率上产生谐振。

8、根据权利要求6的装置，其特征在于有三个所述的区段，由此可在三倍于固有频率的频率上产生谐振。

9、根据权利要求6的装置，其特征在于有四个所述的区段，由此可在四倍于固有频率的频率上产生谐振。

10、根据权利要求1的装置，其特征在于所述的磁致伸缩元件包括一个磁致伸缩材料的矩形条，该条具有附加的质量用于减少所述条的自然频率。

11、根据权利要求1的装置，其特征在于所述的磁致伸缩元件包括一个磁致伸缩材料的矩形条，该条具有在其相对的端头设置的横向延伸区。

12、根据权利要求11的装置，其特征在于所述的横向延伸区是这样的，即它使所述元件呈H形状。

13、根据权利要求11的装置，其特征在于横向延伸区是L形的，与条结合在一起，那么在条的每个端头就呈E形。

14、根据权利要求1的装置，其特征在于所述的偏置场分布包括多个分量，至少一个分量所引起的磁致伸缩元件的谐振不同于至少一个其它分量所引起的谐振。

15、根据权利要求1的装置，其特征在于所述的磁致伸缩元件是磁致伸缩材料制成的矩形条，而且，所述的偏磁场包括一个第一分量，用于使所述元件产生纵向振动，以及一个第二分量，用于在元件的平面中使所述元件产生弯曲振动。

16、根据权利要求1的装置，其特征在于所述的磁致伸缩元件是矩形条，并且，所述偏置场分布包括至少两个分量，其中之一的分量用于使所述条形成纵向振动，其它的分量在所述条的至少一部分形成横向伸展和收缩。

17、根据在前的权利要求中的任一个的装置，其特征在于偏置场产生装置包括一个部件，它由或包括有硬磁材料，一个磁场分布记录在所述的硬磁材料中，用于产生所述的偏置场分布。

18、根据在前的权利要求中的任一个的装置，其特征在于装置位于磁致伸缩元件的区域中，用于将询问场产生的磁通集中到所述元件的区域中。

19、根据权利要求18的装置，其特征在于所述的磁通集中装置包括由高导磁性软磁材料的第一和第二部件，在这两个部件之间放入磁致伸缩元件。

20、根据权利要求18的装置，其特征在于用于集中磁通的所述装置包括一个非磁性材料制成的部件，其中有一个开口，所述磁致伸缩元件通过该开口延伸，所述的非磁性材料部件是这样形成的以使磁通被集中到所述开口中。

21、根据前面任一权利要求的装置，构造成识别装置，所述的场分布被编码以进行对所述装置的识别。

22、一种识别系统包括根据权利要求21的至少一种装置;在询问区域内，在所述预定频率上产生询问交变磁场的装置，通过在电磁方面检测所述装置在所述预定频率上的谐振来检测在所述询问区域中所述装置存在的装置。

23、根据权利要求22的系统，包括多个已编码的装置，以使每个所述的装置在从M个频率中选出的N个所述频率上谐振，这里N＜M，所述的询问场产生装置和所述的检测装置在所述的M个频率上工作。

24、根据权利要求23的系统，其中N的值为3，M值为12。

25、根据权利要求23或24的系统，其中，在所述装置中的磁致伸缩元件彼此完全相同，且所述的M个频率包括所述元件固有频率的谐波。

26、根据权利要求21的系统，其中所述的M个频率也包括所述的固有频率。

27、一种数据存贮装置或设备包括一个磁致伸缩元件和一个磁场产生装置，所述的磁场产生装置设置成在所述元件上产生这样一种磁场分布，即使得所述元件响应于在所述预定频率上施加的询问交变磁场，在高于其自然频率的预定频率上发生谐振。

28、一种数据存贮装置或设备包括一个磁致伸缩元件和一磁场产生装置，所述磁场产生装置设置成在所述元件上产生一种磁场分布，用于使所述元件响应于在预定频率上施加的询问交变磁场，在预定频率上发生谐振，所述场分布具有的强度变化如平滑曲函数。

29、根据权利要求28的装置或设备，其中所述函数是正弦函数或是两个或多个正弦函数的复合。

30、一种数据存贮装置或设备包括一磁致伸缩元件和一磁场产生装置，所述的磁场产生装置设置成在所述元件上产生这样一种场分布，即使所述元件响应于在预定频率上施加的询问场，在预定频率上发生谐振，所述场分布是这样的。即其强度在所述元件的端边减小至零。

31、一种数据存贮装置包括一磁致伸缩元件和一磁场产生装置，用于在所述元件上产生偏置场分布，所述偏置场分布是这样的，即使所述元件响应于适当频率施加的询问磁场以非纵向方式发生谐振。

32、根据权利要求21的装置，其中所述元件是磁致伸缩材料制成的矩形条，所述非纵向方式是在所述条的平面内的弯曲方向。

33、根据权利要求31的装置，其中，所述元件是磁致伸缩材料制成的矩形条，所述的非纵向方式涉及所述条的横向伸展和在邻近端头的两端之间实质上无应力处的收缩。

34、制造前述任一权利要求所述的数据存贮装置或设备的方法，其中，所述的场分布按下面的方法记录到硬磁元件中，即记录装置和元件从未进入记录状态的最初位置开始移动，通过进入记录状态，记录发生的一个位置，到离开记录状态的最后的位置，通过施加到所述记录装置上一个具有平滑曲函数的信号可以影响记录过程，所述信号从所述头和所述元件的所述最初位置起始，终止于所述最后的位置。

35、一种指示设备包括一个可在多个不同位置移动的部件;磁致伸缩装置;用于在所述磁致伸缩装置上进行磁性偏置的磁场产生装置，所述磁致伸缩装置和所述磁场产生装置是这样来与所述可移动部件相关的，即对于所述可移动部件的不同的所述位置，所述磁致伸缩装置将在各个不同的预定频率上谐振，这样，通过检测磁致伸缩装置对在预定频率上所施加的询问场的响应来确定可移动部件的位置。

36、一种磁可读指示器包括磁致伸缩装置;用于对所述磁致偏置装置产生磁偏置场的装置;一种装置，用于改变磁致伸缩装置和场产生装置之间的关系，和/或用于变化偏置场作为被测量或被指示的变量的函数，这样，可使磁致伸缩装置响应于与所述变量值相关的不同频率的询问交变场。

37、用于指示变量值的设备包括第一和第二部件。它们可相对移动作为所述变量的函数;在所述部件之一上有多个第一类型的元件，在另一个部件上至少有一个第二类型的元件，所述的类型之一是磁致伸缩，另一种可用于产生磁偏置场，所述元件这样来设置，即当所述第一和第二部件相对相互移动时，所述第一类型的所述多个元件各自与所述第二类型中的至少一个所述之件磁接触，即对所述部件的不同位置，所述接触引起响应于在所述不同频率上施加的交变询问场，在不同频率上的磁致伸缩谐振。

38、根据权利要求37的设备，其中，所述第一类型的所述元件是磁致伸缩型的，且具有不同的固有频率。

39、根据权利要求37的设备，其中，所述第一类型的所述元件是DC磁场产生元件，可产生相互之间完全不同的场分布;所述第二类型的所述至少一个元件是磁致伸缩的，可由所述的不同场分布来偏置以在不同频率上谐振。

40、根据权利要求39的设备，其中，所述第一类型的所述元件由分离的硬磁材料片构成。

41、根据权利要求39的设备，其中，所述第一类型的所述元件是一个单个的硬磁材料片上的不同部分，所述的不同部分由不同的磁化分布来磁化。

42、一种磁检测磁致伸缩装置，它包括一个磁致伸缩元件，该元件适合于响应一个询问交变磁场;以及一个与所述元件相邻的装置，用于将询问场的磁通集中到含有所述元件的区域内。

43、根据权利要求42的装置，其中，所述的磁通集中装置包括有高导磁性软磁材料的第一和第二部件，所述元件位于这两个部件之间。

44、根据权利要求42的装置，其中所述的磁通集中装置包括一个带有孔的非磁材料部件，通过这个孔所述元件能延伸，所述部件的构造能使所述磁通集中到所述孔中。

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