CN109217903B - 近场装置 - Google Patents

Abstract

一个例子公开一种近场装置，包括：近场接收器，所述近场接收器耦合到近场接收器天线和解码器电路；其中所述近场接收器天线被配置成在第一物质的第一位置处电容性耦合；其中所述近场接收器天线被配置成通过所述接收器的电容性耦合从所述第一物质接收第一近场信号；且其中所述解码器电路被配置成比较所述第一近场信号的属性与从第二物质接收的第二近场信号的属性。

Description

近场装置

技术领域

本说明书涉及用于近场信号分析的系统、方法、设备、装置、制品和指令。

背景技术

近场电磁感应(NFEMI)装置利用非传播准静态场，而RF装置通过自由空间传播RF平面波。近场的准静态特性是天线尺寸与载波频率的组合的结果。大部分能量是以磁场和电场的形式存储，且仅少量RF能量在自由空间中传播。

发明内容

根据例子实施例，一种近场装置，包括：近场接收器，所述近场接收器耦合到近场接收器天线和解码器电路；其中所述近场接收器天线被配置成在第一物质的第一位置处电容性耦合；其中所述近场接收器天线被配置成通过所述接收器的电容性耦合从所述第一物质接收第一近场信号；且其中所述解码器电路被配置成比较所述第一近场信号的属性与从第二物质接收的第二近场信号的属性。

在另一个例子实施例中，所述解码器电路被配置成指示如果所述第一物质的所述属性在所述第二物质的所述属性的预定范围内，那么所述第一物质与所述第二物质相同。

在另一个例子实施例中，所述解码器电路被配置成指示如果所述第一物质的所述属性在所述第二物质的所述属性的预定范围外，那么所述第一物质与所述第二物质不同。

在另一个例子实施例中，所述解码器电路被配置成基于所述第一物质的所述属性与所述第二物质的所述属性的接近程度而向所述第一物质分配质量水平。

在另一个例子实施例中，所述第一物质包括以下中的至少一种：液体、固体、气体、等离子体、盐水、葡萄糖、胰岛素、结构、部件组合体、混合物、食品或项目集合。

在另一个例子实施例中，接收的所述近场信号的所述属性是以下中的至少一种：信号强度、信噪比、电压、衰减、电导率或另一种电参数。

在另一个例子实施例中，所述第一近场信号的所述属性受到所述第一物质的特性中的至少一种特性影响：原子特性、分子特性、细胞特性、混合物特性、结构特性、导电特性、数量特性或体积特性。

在另一个例子实施例中，所述接收器天线与所述第一物质之间的所述电容性耦合包括以下中的至少一种：气隙或容器。

在另一个例子实施例中，进一步包括被配置成容纳所述第一物质的容器。

在另一个例子实施例中，所述第一物质的导电性大于所述容器的导电性。

在另一个例子实施例中，所述近场接收器天线基本上符合所述容器的形状。

在另一个例子实施例中，所述近场接收器天线被配置成物理地固持所述容器。

在另一个例子实施例中，所述第一近场信号包括≤30MHz的载波频率。

在另一个例子实施例中，进一步包括：另一个近场装置，所述另一个近场装置包括耦合到近场发射器天线和编码器电路的近场发射器；其中所述近场发射器天线被配置成在所述第一物质上的第二位置处电容性耦合；其中所述编码器电路被配置成产生所述第一近场信号；且其中所述近场发射器天线被配置成通过所述发射器的电容性耦合将所述第一近场信号发射到所述第一物质。

在另一个例子实施例中，所述接收器和发射器天线被配置成物理地固持所述第一物质。

在另一个例子实施例中，所述接收器和发射器天线被配置成准许移除且用额外物质替代所述第一物质。

在另一个例子实施例中，所述第一近场信号是由所述发射器天线中的电近场天线产生且由所述接收器天线中的磁近场天线接收。

在另一个例子实施例中，所述第一近场信号是由所述发射器天线中的磁近场天线产生且由所述接收器天线中的电近场天线接收。

根据例子实施例，一种处理近场信号的方法，包括：通过电容性耦合从第一物质接收第一近场信号；比较所述第一近场信号的属性与从第二物质接收的第二近场信号的属性。

在另一个例子实施例中，进一步包括：指示如果所述第一物质的所述属性在所述第二物质的所述属性的预定范围内，那么所述第一物质与所述第二物质相同。

以上论述并不旨在表示当前或未来权利要求集的范围内的每个例子实施例或每个实施方案。以下附图说明和具体实施方式还例示了各个例子实施例。

结合附图考虑以下具体实施方式，可更完全地理解各个例子实施例，在附图中：

附图说明

图1是一组近场装置的例子第一应用。

图2是一组近场装置的例子第二应用。

图3是第一物质和第二物质的例子。

图4是遍及与第一物质和第二物质相隔的各种距离所接收的例子近场信号。

图5示出遍及与盐水溶液物质相隔的各种距离所接收的例子近场信号。

图6是在与各种盐水溶液相隔的相同固定距离处所接收的例子近场信号。

虽然本公开容许各种修改和可替换的形式，但已作为例子而在附图中示出且将详细地描述本公开的特定细节。然而，应理解，除了所描述的特定实施例之外的其它实施例也是可能的。也涵盖属于所附权利要求书的精神和范围内的所有修改、等效物和可替换的实施例。

具体实施方式

相较于载波波长小的天线几何结构是用于近场通信的候选者，这是因为它们不会在自由空间中产生辐射波。此类天线可以是允许近场磁感应(NFMI)的线圈天线。其它天线借助于磁(H)近场和电(E)近场两者经由近场电磁感应而通信。

本文中将论述NFEMI和NFMI装置的例子实施例，在使用与一种或多种物质(例如流体、固体、气体)的非接触电容性耦合的情况下，NFEMI和NFMI装置用于借助于磁近场和电近场而对物质进行识别、区分、质量控制或执行其它检查。

举例来说，发射器和接收器近场装置可定位在沿着物质的不同位置处，且相较于来自已知参考物质的参考属性，接收的近场信号的属性可用于识别物质或确保物质属于质量控制范围内。

应注意，近场装置的各个实施例可包括：控制电路系统、微处理器、微控制器、数字信号处理器、数据处理单元、人机接口单元和天线。此类天线在极接近于物质时将产生基本上限制在物质附近的场，因此提供用于收集和分析物质的近场属性的强近场信号。

此类近场属性可包括：信号强度、信噪比、电压、衰减、电导率或另一种电参数。

将论述的近场装置可用于不同的可能应用，包括：医疗应用、制药应用、工业应用、制造应用、生产线应用、装配线应用、食品处理应用、混合应用、稀释应用、校准应用和质量控制应用。

图1是一组近场装置102、110的例子第一应用100。例子第一应用100包括定位在沿着物质106的第一位置104处的第一近场装置102(例如用于近场信号发射和/或接收)。第一近场装置102包括近场发射器天线(未示出)、发射器电路(未示出)、编码器电路(未示出)，且通过电介质108(例如用于电容性耦合的气隙)而与物质106分离。

此例子第一应用100还包括定位在沿着物质106的第二位置112处的第二近场装置110(例如用于近场信号接收和/或发射)。第二近场装置110包括近场接收器天线(未示出)、接收器电路(未示出)、解码器电路(未示出)和电介质114(例如用于电容性耦合的另一种气隙)。

物质106可以是液体、固体、气体、等离子体、盐水、葡萄糖、胰岛素、结构、部件组合体、混合物、食品、项目集合等等，其包括以下中的至少一种：原子特性、分子特性、细胞特性、混合物特性、结构特性和导电特性、数量特性或体积特性。

第一近场装置102使用编码器以产生具有H场118(即磁近场)分量和E场120(即电近场)分量的发射的近场信号116。第一近场装置102通过发射器的电介质108(即电容性耦合)将近场信号116发射到物质106。

第二近场装置110通过接收器的电介质114(即电容性耦合)从物质106接收近场信号122。此接收的近场信号122包括对应于发射的近场信号116，但由于第一物质106的原子特性、分子特性、混合物特性、结构特性、导电特性、数量特性和/或体积特性而具有H场124(即磁近场)分量和E场126(即电近场)分量的属性，基于物质106的属性，H场124分量和E场126分量可能或可能不与H场118分量和E场120分量不同。

接收的近场信号122的这些属性可包括以下中的至少一种：信号强度、信噪比、电压、衰减、电导率或另一种电参数。

应注意，图1中的H场118、124和E场120、126箭头示出沿着物质106的磁近场矢量和电近场矢量。近场发射器天线被设计成使得磁场矢量在物质106周围弯曲。当物质106具导电性时，电场矢量垂直于物质106。磁场和电场遍及物质106的长度而分布。第二近场装置110的天线能够将接收的近场信号122的H场124和E场126转化成可由第二近场装置110处理的电压。

在各个例子实施例中，用于电容性耦合的电介质108、114可以是气隙、容器，或在物质106与近场装置102、110的外部之间的某种其它电介质。当电介质108、114是由基本上非导电容器形成时，此类容器可容纳液体、气体、混合物，或可能是项目集合(例如可能用于测量当用物质106填充容器时的数量或体积)。

第二近场装置110中的解码器电路被配置成比较来自物质106的接收的近场信号122的属性与来自基本上类似于图1所示出的例子第一应用100的设备中的第二物质的另一种接收的近场信号(未示出)的属性。在一些例子实施例中，第二物质是充当校准物质或标准的已知物质。

在一个例子实施例中，解码器电路被配置成指示如果物质106的属性在第二物质的属性的预定范围内，那么物质106与已知第二物质基本上相同。

在另一个例子实施例中，解码器电路被配置成指示如果物质106的属性在第二物质的属性的预定范围外，那么物质106与第二物质不同。

此外，在另一个例子实施例中，解码器电路被配置成基于物质106的属性与第二物质的属性的接近程度而向物质106分配质量水平。

近场发射器天线可遍及一定距离范围(例如可能是20cm到100cm)而与近场接收器天线分离。然而，分离可通过使用较大发射电压而增加到数米。

在NFMI和NFEMI实施例中，近场信号包括在一些例子中≤30MHz的载波频率。然而，较高频率也是可能的。

一组近场装置102、110的例子第一应用100可用于多种应用，包括：医疗应用、制药应用、工业应用、制造应用、生产线应用、装配线应用、食品处理应用、混合应用、稀释应用、校准应用和质量控制应用。

图2是一组近场装置的例子第二应用200。一组近场装置的例子第二应用200包括：近场发射器和近场接收器。

近场发射器定位在沿着容器208的第一位置202处。近场发射器包括近场发射器天线204以及发射器和编码器电路206。近场发射器产生具有H场218(即磁近场分量)和E场220(即电近场分量)的发射的近场信号。

近场接收器定位在沿着容器208的第二位置210处。近场接收器包括近场接收器天线212、接收器和解码器电路214以及用户接口216。近场接收器接收具有H场224(即磁近场分量)和E场226(即电近场分量)的接收的近场信号。

容器208被配置成容纳待测量的物质。在一些例子实施例中，容器208是非导电电介质，以便实现物质与天线204、212之间的电容性耦合。容器208材料可包括：聚合物、玻璃或有机物。在一个例子中，近场天线204、212也充当用于固持和紧固容器208的机械夹具。在一个例子实施例中，天线204、212位置202、210之间的距离是10到20cm；然而，在其它例子中，距离可更大或更小。

发射器和编码器电路206在由近场发射器天线204转化成发射的近场信号的H场218和E场220的频率下产生电压和电流。可使用的频率是由天线204、212的尺寸限定。发射的近场信号的波长应远大于天线204、212的大小以确保仅产生近场。举例来说，如果射频是10MHz，那么天线204、212大小可以是若干厘米。

因为容器208中的物质(例如流体)具导电性，所以E场矢量220将正交于容器208。还可使用环绕容器208的H场矢量218。场220、218两者均遵循容器208的形状且由物质沿着容器208的长度进行振幅衰减。

在近场接收器天线212的第二位置210处，接收的近场信号(即H场224和E场226)衰减且由接收器和解码器电路214转化成电压和电流。测量的衰减的量因而与受测试的物质的属性(例如电导率)相关。

图3是第一物质302和第二物质304的例子300。在一些例子实施例中，物质302、304是使用图1的例子第一应用100所测量的固体。在其它例子实施例中，物质302、304是在例如图2的容器208的容器内部的液体且使用例子第二应用200予以测量，且放置在天线204、212上、夹到天线204、212中或由天线204、212以其它方式固持。

在一些例子实施例中，仅仅需要知道物质302、304之间的接收的近场信号属性差异。在其它例子实施例中，第二物质304是已知的且充当用于识别、辨别或测量第一物质302的质量水平的参考。

在一个例子中，可如下校准和实施此类已知第二物质304参考。将具有已知电导的参考流体(例如第二物质304)插入到第二应用200系统的容器208中。近场发射器天线204开始产生近场。接收器和解码器电路214测量接收信号强度属性，且校准参考流体的电导。还可以此方式测量额外已知物质且将其存储在用户接口216内部的存储器中。因此，扩展数据库可基于温度或其它环境参数而被建置有许多参考流体。

接下来，将受测试的流体(例如第一物质302)插入在第二应用200系统的容器208中。近场发射器天线204再次开始产生近场。然后，接收器和解码器电路214测量测试信号强度，此测试信号强度是测试流体信号强度。从用户接口216内部的数据库可识别受测试的流体。

图4是遍及与第一物质302和第二物质304相隔的各种距离所接收的例子400近场信号。图1的例子第一应用100设置或图2的例子第二应用200可用于产生例子400场强度信号数据。

在此例子400中，位置402对应于第一位置104或第一位置202。在此例子400中，数据点的其余部分在与位置402相隔的各种距离处对应于第二位置112或第二位置210。虽然H和E场强度是针对第一物质302和第二物质304所测量的例子属性，但在其它例子实施例中可对应于第一物质302和第二物质304的其它属性收集类似数据点。

图5示出遍及与盐水溶液物质相隔的各种距离所接收的例子近场信号。因为盐水是液体，所以图2的例子第二应用200可用于产生此例子500接收信号强度指示符(RSSI)(例如电压)数据。此处，例子500RSSI对应于与发射的近场信号相隔的各种距离处的0.9％盐水溶液RSSI接收的近场信号。

例子500图形示出RSSI随着近场发射器天线204与近场接收器天线212之间的距离的衰减。举例来说，当图2的例子第二应用200系统在天线204、212之间具有20cm分离时，那么RSSI是约87dbuV，这是相对强的信号。

图6是在与各种盐水溶液相隔的相同固定距离处所接收的例子600近场信号。在此例子600数据集中，容器208是直径为约5mm且长度为1米的塑料管。RSSI对应于在用于不同浓度的盐水的近场接收器处所接收的电压。此处，RSSI取决于直接影响测量的电导率的盐浓度。

除非明确地陈述特定次序，否则可以任何次序执行以上附图说明中所论述的各种指令和/或操作步骤。此外，本领域的技术人员应认识到，虽然已论述了一些例子指令/步骤集合，但本说明书中的材料可以多种方式组合以还得到其它例子，且应在此具体实施方式所提供的上下文内进行理解。

在一些例子实施例中，这些指令/步骤被实施为功能和软件指令。在其它实施例中，指令可使用逻辑门、应用特定芯片、固件以及其它硬件形式予以实施。

当指令被体现为非暂时性计算机可读或计算机可用媒体中的一组可执行指令时，所述媒体在被编程有所述可执行指令且受到所述可执行指令控制的计算机或机器上实现。所述指令被加载以供在处理器(例如一个或多个CPU)上执行。所述处理器包括微处理器、微控制器、处理器模块或子系统(包括一个或多个微处理器或微控制器)或其它控制或计算装置。处理器可指代单个组件或多个组件。所述计算机可读或计算机可用存储媒体被视为物品(或制品)的部分。物品或制品可指代任何制造的单个组件或多个组件。如本文中所定义的非暂时性机器或计算机可用媒体不包括信号，但此类媒体可能能够接收和处理来自信号和/或其它暂时性媒体的信息。

应容易理解，如本文中大体上所描述和附图中所示出的实施例的组件可用各种各样的不同配置予以布置和设计。因此，如附图中所表示的各个实施例的详细描述并不旨在限制本公开的范围，而是仅仅表示各个实施例。虽然在图式中呈现实施例的各个方面，但除非有特定指示，否则图式未必按比例绘制。

在不脱离本发明的精神或基本特性的情况下，可以其它特定形式体现本发明。所描述的实施例应在所有方面均仅被视为说明性而非限制性的。因此，本发明的范围是由所附权利要求书而不是由此具体实施方式指示。在权利要求书的同等物的含义和范围内的所有改变均涵盖在权利要求书的范围内。

贯穿本说明书对特征、优点或类似语言的参考并不暗示可以使用本发明实现的所有特征和优点应在或在本发明的任何单个实施例中。实际上，涉及特征和优点的语言应被理解为意指结合实施例所描述的特定特征、优点或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书对特征和优点的论述以及类似语言可但未必指代同一实施例。

此外，本发明的所描述的特征、优点和特性可以任何合适方式在一个或多个实施例中组合。相关领域的技术人员鉴于本文中的描述应认识到，可在无特定实施例的特定特征或优点中的一个或多个特征或优点的情况下实践本发明。在其它情况下，可在某些实施例中辨识可能不存在于本发明的所有实施例中的额外特征和优点。

贯穿本说明书对“一个实施例”、“实施例”或类似语言的参考意指结合所指示的实施例所描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似语言可但未必全部指代同一实施例。

Claims (10)

1.一种近场装置，其特征在于，包括：

近场接收器，所述近场接收器耦合到近场接收器天线和解码器电路；

其中所述近场接收器天线被配置成在容器内第一物质的第一位置处电容性耦合，以接收来自第一物质的第一非传播准静态磁近场信号和第一非传播准静态电近场信号，其中所述第一非传播准静态磁近场信号具有围绕容器弯曲的磁场矢量，并且第一非传播准静电近场信号具有垂直于容器的电场矢量；且

其中所述解码器电路被配置成比较所述第一非传播准静态磁近场信号和第一非传播准静态电近场信号的属性与从第二物质接收的第二非传播准静态磁近场信号和第二非传播准静态电近场信号的属性；

其中所述第二物质是用作校准物质或标准物的已知物质，其功能为校准物质或作为标准；

所述接收器天线和发射器天线被配置成物理地固持所述第一物质；

所述接收器天线和发射器天线被配置成准许移除且用额外物质替代所述第一物质。

2.根据权利要求1所述的装置：

其特征在于，所述解码器电路被配置成指示如果所述第一物质的所述属性在所述第二物质的所述属性的预定范围内，那么所述第一物质与所述第二物质相同。

3.根据权利要求1所述的装置：

其特征在于，所述解码器电路被配置成指示如果所述第一物质的所述属性在所述第二物质的所述属性的预定范围外，那么所述第一物质与所述第二物质不同。

4.根据权利要求1所述的装置：

其特征在于，所述解码器电路被配置成基于所述第一物质的所述属性与所述第二物质的所述属性的接近程度判断是否是相同的物质。

5.根据权利要求1所述的装置：

其特征在于，所述第一物质包括以下中的至少一种：气体、等离子体、盐水、葡萄糖、胰岛素、食品。

6.根据权利要求1所述的装置：

其特征在于，接收的所述近场信号的所述属性是以下中的至少一种：信号强度、信噪比、电压、衰减、电导率。

7.根据权利要求1所述的装置：

其特征在于，所述第一近场信号的所述属性受到所述第一物质的以下特性中的至少一种特性影响：原子特性、分子特性、细胞特性、混合物特性、结构特性、导电特性、数量特性或体积特性。

8.根据权利要求1所述的装置：

其特征在于，所述接收器天线与所述第一物质之间的所述电容性耦合包括以下中的至少一种：气隙或容器。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括：

另一个近场装置，所述另一个近场装置包括耦合到近场发射器天线和编码器电路的近场发射器；

其中所述近场发射器天线被配置成在所述第一物质上的第二位置处电容性耦合；

其中所述编码器电路被配置成产生所述第一近场信号；且

其中所述近场发射器天线被配置成通过所述发射器的电容性耦合将所述第一近场信号发射到所述第一物质。

10.一种处理近场信号的方法，其特征在于，包括：

接收来自第一物质的第一非传播准静态磁近场信号和第一非传播准静态电近场信号，其中所述第一非传播准静态磁近场信号具有围绕容器弯曲的磁场矢量，并且第一非传播准静电近场信号具有垂直于容器的电场矢量；

比较所述第一非传播准静态磁近场信号和第一非传播准静态电近场信号的属性与从第二物质接收的第二非传播准静态磁近场信号和第二非传播准静态电近场信号的属性；

其中所述第二物质是用作校准物质或标准物的已知物质，其功能为校准物质或作为标准；

接收器天线和发射器天线被配置成物理地固持所述第一物质；

所述接收器天线和发射器天线被配置成准许移除且用额外物质替代所述第一物质。

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