CN111880227A - 用于外物检测设备的传感器布置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于外物检测设备的传感器布置，其包括电流输入和电流输出、多个检测单元，每个检测单元包括感测线圈和电容性元件，形成谐振回路。传感器布置还具有多个输入引线和多个输出引线，输入和输出引线的总数等于或小于检测单元的数。每个检测单元以检测单元中的每个连接到输入和输出引线的不同对的方法被连接在输入引线中的一个和输出引线中的一个之间。输入选择电路允许在电流输入和输入引线中的一个或多个之间选择性地建立电连接并且输出选择电路允许在输出引线中的一个或多个和电流输出之间选择性地建立电连接。本发明还涉及用于无线功率传送系统的外物检测设备、无线功率传送系统的初级部分、无线功率传送系统和用于检测外物的方法。

Description

用于外物检测设备的传感器布置

技术领域

本发明涉及用于外物（foreign object）检测设备的传感器布置。传感器布置包括电流输入和电流输出、多个检测单元，每个检测单元包括感测线圈和电容性元件，以形成谐振回路（resonant tank）。传感器布置还具有多个输入引线和多个输出引线，输入和输出引线的总数量小于检测单元的数量。每个检测单元以检测单元中的每个连接到输入和输出引线的不同对的方法被连接在输入引线中的一个和输出引线中的一个之间。传感器布置还包括允许在电流输入和输入引线中的一个或多个之间选择性地建立电连接的输入选择电路，以及允许在输出引线中的一个或多个和电流输出之间选择性地建立电连接的输出选择电路。

本发明还涉及用于无线功率传送系统的外物检测设备、无线功率传送系统的初级部分、无线功率传送系统和用于检测外物的方法。

背景技术

无线功率传送现在广泛被用于为移动设备或电动车辆充电，但也存在许多其他应用，例如将功率传送到工业机械、机器人或为生物医学设备供电。无线功率传输的技术可以消除电线和电池的使用，从而增加电子设备的移动性。它对所有用户来说都更方便和更安全。

无线充电系统的功率等级具有广泛的领域，其中输出功率在1W到若干100KW之间。这种设备中的问题在于，通常不可能机械地防止外物（特别是金属制成的物体）被放置在分别位于初级和次级单位之间的无线功率传送系统的初级单位和/或次级单位的邻近处。这种外物可以包括硬币、钥匙、工具、罐头和其他物体。特别是磁性和导电性物体在磁场中会被感应的涡电流快速加热，所述感应的涡电流是由外物中磁场变化引起的电流环路（这是由于法拉第感应定律）。电能到热能的这种无意转换会导致额外的损失，并且对无线能量传送系统和处于其环境中的人或动物具有危险。由于物理定律，不可能避免这些涡电流和所产生的加热。因此，用适当的部件和方法识别物体的存在并从而抵消危险变得更加重要。

已存在各种方法来解决这个问题。在某些情况下，传输衬垫（transmitting pad）的弯曲形状确保物体在重力的帮助下从该衬垫移动。另一种方法是使用传感器来检测金属物体的存在。例如，可以使用电容性传感器和光学传感器，但是它们很容易受到环境影响和非金属物体所干扰。感应传感器被更常使用，因为它们对于抵抗诸如灰尘的环境影响是健壮的，并且同时在近距离内提供精确的结果。一种感应传感器检测由于要检测物体中的感应的涡电流引起的线圈的感应的减小，其抵消了线圈的初级场。因为物体的有限导电性，欧姆损耗也会发生，这也可以被检测到。为了评估这些变化，在现有技术中已经建立了若干种方法，所述方法也被用于下面所述的现有技术中。众所周知的是，使用传感器线圈的阵列以增加检测区域，同时实现足够的检测敏感度。

例如，US 9，825，486 B2公开了用于为单独的设备充电的无线功率充电系统。此系统包括以单层或多层的线圈阵列，以检测“不友好的”外物的存在。使用谐振电路中的衰减的原理来检测外物。布置可以包括平面圆形或矩形线圈，其优选地布置在功率传输器线圈的顶部。检测线圈的尺寸被选取为类似于目标外物的尺寸。阵列也可被用于检测外物的位置。

在US 10，018，744 B2中描述了用于在无线充电设备的环境中检测物体的另一种系统。系统此外包括检测器，所述检测器包括至少在第一平面中的导电材料的多个环路，其可以连接到读出电路。它可以基于波形上的振幅或相位变化来检测物体。所有线圈上的电压可以被按顺序测量或以允许较少的读出放大器的方式被多路复用。在某些实施例中，可以使用辅助线圈来生成磁场，并然后通过检测器阵列检测对辅助磁场的扰动，以确定外物的存在。

WO 2016/159788公开了用于感应功率传送的感应功率传输器（IPT）。所公开的IPT包括物体检测系统，其配置成基于检测电路中的能量或频率上的变化来检测物体的存在。物体检测系统生成场，所述场具有比IPT低得多或高得多的频率，并且因此可以按序列操作或与IPT同时操作。IPT传输器可以使用IPT线圈以供物体探测或者使用单独的线圈。针对每个检测线圈都要求单独的开关。

WO 2014/206961公开了另外的物体检测系统，其具有阵列或矩阵状布置的LC电路。绕组是LC电路的部分，在特定实施例中，所述LC电路由公共驱动电路所单独驱动，其中LC电路借助于开关元件连接到驱动开关的输出侧。借助于对驱动电路的输入功率上的增加来检测外物的存在。

US 9，921，045也公开了检测电路。所述检测电路包括密集装配的线环（wireloop），其覆盖了可以检测到金属物体的区域。电路包括多路复用器和谐振频率测量单位。多路复用器按序列并周期性地选择环路，并且频率测量单位确定这些环路的谐振频率。为了增加检测敏感度，还考虑了相邻环路的参数。

随着检测阵列的增加的尺寸，检测系统的硬件工作变得越来越重要。同样关键的是，尽管检测阵列的增加的尺寸，但仍要维持检测精度。

如上所示，在现有技术中已知的是，通过使用为所有检测单元所共有的公共激励和评估电路并结合使用多路复用器来解决增加硬件工作的问题。然而，已知的布置在检测精度方面（特别是由于相邻检测单元之间的串扰）仍然具有缺点。现有技术（例如US 9，921，045 B2）通过施加先进的检测算法部分地克服了这些缺点，然而其要求更多的计算功率和更多的硬件。

发明内容

因此，本发明的目的是提供用于无线功率传送系统的外物检测设备的传感器布置，其属于最初提及的技术领域，所述传感器布置提供了在增加的检测精度情况下的降低的硬件成本。本发明的另一个目的是，提供用于无线功率传送系统的外物检测设备、无线功率传送系统的初级部分和包括所述传感器布置的无线功率传送系统，以及使用本发明设备的外物检测方法。

本发明的解决方案由权利要求1的特征所指定。根据本发明，至少一个检测单元包括与其谐振回路串联的去耦元件。

本发明的解决方案进一步由外物检测设备（FOD）指定，所述设备除了本发明的传感器布置之外还包括用于生成预定刺激信号的刺激电路，其连接到传感器布置的电流输入，其中预定刺激信号优选为矩形脉冲。FOD还包括测量单位，所述测量单位适配成感测施加到所述电流输入的电信号，其中测量单位包括模数转换器，以供获取表示感测到的电信号的采样数据。FOD还包括信号处理单位，所述信号处理单位配置成基于由测量单位获取的采样数据来确定所选择检测单元的时间响应数据。进一步优选的是，测量单位包括用于过滤电信号的过滤器。

本发明的解决方案还通过一方法来解决，所述方法用于通过使用本发明的设备检测物体，所述方法包括以下步骤：

a）借助于输入选择电路和输出选择电路选择检测单元，

b）用刺激单位生成刺激信号，以在选择的检测单元中刺激振荡，所述刺激信号优选为矩形脉冲，

c）用测量单位对表示所选择的检测单元中的所刺激的振荡的电信号进行采样，

d）基于在步骤c）中获取的样本，借助于信号处理单位确定所选择的检测单元的时间响应数据，

e）基于在步骤d）中确定的时间响应数据，借助于信号处理单位来确定是否在所选择的检测单元附近存在外物，

f）对其他检测单元，优选对于所有其他检测单元，重复步骤a-e。

通过本发明，用减少的硬件工作实现了高检测精度。

硬件工作被减少，这是因为每个谐振回路可以用公共电源单独激励并用公共评估单元进行评估，而如果存在多于四个的检测单元，则选择开关的所需数量小于检测单元的数量。为选择检测单元所需的硬件工作与输入引线和输出引线的总数量成比例地关联，所述输入引线和输出引线的总数量等于或小于检测单元的总数量。

优选地，检测单元的数量大于四个，并且输入引线和输出引线的总数量小于检测单元的数量。

在有利的实施例中，检测单元的数量大于或等于九个，更优选等于或大于25个，或者甚至更优选等于或大于100个。传感器布置的实施例可以例如包括30个检测单元，其被分组在具有3个输入引线和7个输出引线的21个检测单元的第一块中，以及具有3个输入引线和3个输出引线的9个检测单元的第二块中。第一块的输入和输出引线的总数量是10，并且输入引线和输出引线的总数量是6，其总共产生16个输入和输出引线。

进一步优选的是，检测单元的数量等于输入引线的数量和输出引线的数量的乘积，特别是等于或大于9，更优选等于或大于25，或者甚至更优选等于或大于100。如果例如检测单元的数量是21，那么优选的是，输入引线的数量是3，而输出引线的数量是7，并且输入引线和输出引线的总数量是10。

特别优选的是，输入引线的数量和输出引线的数量相同。例如，有5条输入引线和5条输出引线，这意味着输入引线和输出引线的总数为10条。

本发明传感器布置的检测单元可以借助于输入和输出选择电路按序列选择。所选择的检测单元的谐振回路可以借助于刺激信号来激励，以生成振荡电信号，这允许确定物体是否存在于所选择的检测单元的感测线圈附近。

与相应检测单元的谐振回路串联连接的检测单元的去耦元件至少在一个方向上经由其谐振回路防止或至少约束寄生电流。这些寄生电流是由刺激单位在不同于所选择的单元的另一个检测单元中引起的电流。因此，由于去耦元件，包括去耦元件的检测单元不会或很少对参数的变化有贡献，所述参数描述所选择的检测单元中的所激励振荡电信号，诸如振荡信号的振幅、频率、偏移或衰减。优选地，多于一个的检测单元包括与其谐振回路串联的去耦元件。

更优选的是，每个检测单元包括与其谐振回路串联连接的去耦元件。因此，特定单元的所激励振荡电信号仅仅是要检测的物体的存在和所选择检测单元的谐振回路的函数。这允许实现提高的检测精度。

在此申请的上下文中，无线功率传送系统是允许功率传送而无需经由时变电磁场作为跨空间的物理链路的系统。功率传送系统包括作为传输器设备的初级部分，所述初级部分由来自生成电磁场的电源的电功率所驱动，以及作为接收器设备的次级部分，所述次级部分从该场中提取功率并将所述功率供应给电负载。在特定形式中，无线功率传送系统是感应功率传送系统。

电磁场（其在此被称为功率传送场）至少部分地由初级场组成，如果没有次级部分和外物位于初级部分场附近，则所述初级场是初级部分的电磁场。如果次级部分位于初级部分附近（例如在初级部分上方），则功率传送场由初级场和次级场的叠加产生，其中次级场由次级部分生成。功率传送场的形式强烈地取决于次级部分相对于初级部分的布置，也取决于初级和次级绕组中的电流，以及与之产生的所传送功率。

在此申请的上下文中，外物被定义为任何导电的和/或磁性的物体，特别是位于无线功率传送系统附近的任何金属物体，但是所述金属物体不是所述无线功率传送系统的一部分，并且可能引起所述功率传送系统的功率传送的损耗。

我们将“有源区域”指定为一区域，当初级部分以其额定电流和频率供电时，在没有次级部分和外物的情况下，初级场的磁通量线的主要部分将通过所述区域延伸。主要部分可以是例如总磁通量的10%、25%、50%、75%、80%、90%、95%或99%。有源区域定义了一区，在所述区中必须放置一次级来传送功率。对于无线充电应用，有源区域也可以被指定为“充电区域”。

以类似的方式，我们将术语“功率传送区域”用于一区域，对于在当次级部分被布置在其额定位置时但当没有功率通过初级部分和次级部分之间的空气间隙传送时的情况下，初级场的磁通量线的主要部分将延伸通过所述区域。换句话说，有源区域和功率传送区域在靠近于初级部分的空间中定义了暴露于初级部分的磁场的表面。

在此申请的上下文中，检测单元的去耦元件是配置成在至少一个方向上至少部分地约束流过检测单元的电流的部件。

在此申请的上下文中，我们理解在“所选择检测单元的时间响应数据”下，数据的集合表示由于预定刺激信号而导致的所选择检测单元的时间响应，其中时间响应数据是基于表示所选择检测单元的所激励振荡的电信号的采样数据来获得的。

此数据可以简单地包括表示由于预确定刺激信号引起的所激励振荡的电信号的原始采样数据，其是借助于用于所选择检测单元的FOD的模数转换器来获取的。所述数据还可以包括在对原始采样数据施加数字处理步骤之后获得的值，所述步骤诸如下采样、上采样、缩放、过滤、数据压缩、施加相关函数、参数识别等。这个列表并不是排斥性的。所选择检测单元的时间响应数据尤其可以包括单个参数，诸如检测单元的串联阻抗、所选择检测单元的串联阻抗的相对变化、衰减率、衰减率上的变化、谐振频率或谐振频率上的变化。时间响应数据还可以包括这些参数的组合。

在传感器布置的优选实施例中，感测线圈以规则图案布置，优选以具有多个行和列的矩阵状结构布置。

检测单元的感测线圈的绕组结构的几何形状定义了检测区域，其中可以借助于相应的检测单元来检测物体。感测线圈的检测区域与由感测线圈的绕组（相应地由该线圈的外部尺寸）包围的区域紧密相关。传感器布置的总检测区域是所有感测线圈的检测区域的函数。通过与彼此邻接地布置感测线圈，可以增加总检测区域。优选的是，感测线圈以绕组中心相对于彼此以预确定的纵向和/或横向距离布置的方式以规则的图案布置。然而，感测线圈可以以非规则结构布置，其中绕组中心以它们的纵向和/或横向距离可以变化的方式相对于彼此布置。如果传感器布置必须被施加于其中功率传输场强烈不均匀的无线功率传送系统中，则这种布置可能是有利的。

特别优选的是，以规则图案布置的感测线圈具有相同的尺寸和形式。然而，也可能的是，以规则图案布置的感测线圈具有不同的尺寸，特别是以交错方式布置的两种不同的尺寸。

矩阵状结构中的规则图案是尤其有利的，特别是如果行和列以连接布置成行的感测线圈的中心的线和连接布置成线的感测线圈的中心的线彼此垂直的方式布置的话。然而，在某些情况下，如果这些线以非垂直的方式布置可能是有利的。如果总检测区域具有基本上菱形（rhombic）的外部形状，则这种布置可能是有利的。

本发明的优选实施例包括五或更多行和/或五或更多列，或者特别是10或更多行和/或10或更多列，或者甚至更特别是20或更多行和/或20或更多列。随着检测单元的增加的数量，本发明的优点将得到甚至更好的实现。

进一步优选的是，感测线圈被布置在一或更多层中，其中不同层的感测线圈优选地彼此横向重叠和/或具有不同的尺寸。

通过将感测线圈布置在单层中，大的总检测区域可以被传感器布置用最少数量的感测线圈所覆盖。此外，可以实现平坦的结构。感测线圈可以例如布置在平坦的支撑结构上，所述结构例如由非电材料制成的板、单个PCB，或者也可以例如通过气相沉积布置在柔性箔上。

感应线圈也可以安装在支撑结构的凹槽中。

在此申请中，我们将包括感测线圈的平坦的支撑结构指定为感测线圈垫或感测线圈板，其中平坦意味着垫（相应板）的厚度小于其最大横向延伸的五倍。

单层的感测线圈优选是不彼此重叠的。取决于感测线圈的外部形状和感测线圈的中心的位置，在感测线圈之间存在空隙，其中检测敏感度可能降低，或者在甚至没有检测是可能的情况下，产生盲点。

如果感测线圈布置在多于一层中，例如布置在第一层中和第二层中，则不同层的感测线圈优选地以一层（例如第一层）的感测线圈中的至少一个与另一层（例如第二层）的感测线圈重叠的方式布置。有利的是，一层的多于一个感测线圈与另一层的感测线圈重叠，或者一层的每个感测线圈与另一层的感测线圈重叠。

由于感测线圈的重叠布置，具有降低的检测敏感度的空隙可以被避免。这增加了总检测区域的覆盖，并且可以提供更高和更均匀的检测敏感度，特别是如果感测线圈以相似的规则形状布置在不同层中的话。

在优选实施例中，不同层中的感测线圈之间的距离在纵向和/或横向方向上是相同的。进一步优选的是，不同层中的感测线圈相对于彼此以纵向和/或横向距离移位，所述纵向和/或横向移位距离与单层的中心之间的距离相关。优选地，纵向和/或横向方向上的移位距离是单层在相应方向上的感测线圈之间的距离除以层的总数量。以此方式，可以实现非常均匀的检测敏感度。例如，在两个相似层的情况下，第二层可以在这些方向上纵向和横向移位达感应线圈的中心之间的距离的一半。

有利地，两层（例如第一和第二层）的感测线圈以一层（例如第一层）布置在支撑结构的第一表面上而另一层（例如第二层）布置在支撑结构的第二表面上的方式布置。支撑结构还可以包括用于容纳至少一层的感测线圈的凹槽。

在一些情况下，可能是有利的是，例如通过在环氧树脂中铸造不同层的感测线圈将所有层集成在简单的结构中。

在优选实施例中，支撑结构是多层PCB，并且感测线圈层由属于PCB的不同层的迹线来实现。

也可能有利的是，以感测线圈不重叠的方式将所述感测线圈布置在多于一层中。这可能有助于感测线圈与输入和输出引线之间的连接。

传感器布置的其他组件也可被放置在相应集成在感测线圈垫中的支撑结构上，其也就是输入和/或输出选择电路和/或一个谐振回路（优选地是所有谐振回路的）的至少一个电容性元件。优选地，属于相同谐振回路的电容性元件和感测线圈以接近于彼此来布置。这虑及了减少布线工作并最小化检测单元之间的串扰。

在优选实施例中，至少一个感测线圈具有螺旋形状，其中感测线圈的邻近匝具有大于0.1mm的距离，特别是在1mm和25mm之间的距离，甚至更优选地在2mm和10mm之间的距离。

优选地，感测线圈具有多于一个的绕组匝。通过增加绕组匝的数量，可以增加感测线圈的感应率及其敏感度。螺旋形状允许借助于单导电层，例如通过在PCB上施加印刷螺旋绕组，来实现具有多于一匝的低轮廓感测线圈。

螺旋形的绕组通常具有平坦的形状。

螺旋形的感应线圈的敏感度较少地取决于外物的大小。因此，具有螺旋感应线圈的传感器布置允许更可靠地检测不同尺寸的外物。

此外，螺旋形的感测线圈倾向于对要检测的外物的横向或纵向移位不太敏感，这导致沿由传感器布置的感测线圈定义的总检测表面的更均匀的检测敏感度。

进一步优选的是，感测线圈具有矩形（优选为正方形）外部形状，感测线圈的尺寸适配于要检测的外物的尺寸。

感测线圈的检测区域优选覆盖100-22500mm²之间的表面，更优选地400-14400 mm²之间的表面，以及甚至更优选地600mm²和10000 mm²之间的表面。

感测线圈的外部形状决定了感测线圈的检测区域的形状。因此，具有矩形外部形状的感测线圈具有矩形形状的检测区域，相应具有正方形的外部形状的感测线圈具有正方形形状的检测区域。矩形（相应正方形）外部形状允许将邻近的感测线圈靠近于彼此来布置，并且因此与例如圆形形状的感测线圈相比，实现仅具有小空隙的检测区域。另一方面，矩形形状的感测线圈可以布置成矩阵状结构。带有具有正方形外部形状的等距布置的感测线圈的矩阵状结构具有如下优点，在行的方向和列的方向上可以获得类似的敏感度。以此方式，纵向外物的定向对检测精度具有较小的影响。

感应线圈也可以具有三角形、六边形或圆形的外部形状。此外，三角形或六边形外部形状允许获得具有减小的空隙的单层布置。如果六边形形状的感测线圈布置成形成蜂窝（honeycomb）结构，则可以实现在整个检测区域之上具有高敏感度的检测区域。

如果感测线圈以不同层的感测线圈彼此重叠的方式布置在不同层中，则具有圆形外部形状的感测线圈可能是特别有利的，以便于避免仅实现在低敏感度的情况下的空隙。圆形形状的感应线圈可能更容易制造。

感测线圈的尺寸优选地适配于要检测的外物的尺寸、形状、材料和/或形式。通常，较小的感应线圈可以提供对较小物体的增加的敏感度。然而，更小的检测线圈要求更多的连接工作，并且意味着更小的检测距离。

感测线圈的尺寸和/或感测线圈的形状的选取优选地考虑所需的检测敏感度、传感器布置的所需的总检测表面、检测距离而且还有要检测的不同可能的外物，诸如罐、硬币、工具等。

进一步有利的是，当没有外物被布置在相应感测线圈的附近中时，至少一个感测线圈的谐振回路的谐振频率高于10kHz，优选高于100 kHz，并且甚至更优选高于400 kHz。

在实施例中，所有谐振回路的谐振频率高于10 kHz，更优选高于100 kHz，并且甚至更优选高于400 kHz。

实验已示出，在10 kHz或更高的频率下，可以实现基于由涡电流引起的串联电感的变化的外物的稳定检测。尽管在此频率下，检测敏感度仍然强烈取决于要检测的外物的材料，但是可能的是安全地检测由许多导电材料制成的物体，例如由不锈钢和镀锌铁制成的物体。从大约高于100kHz，要检测的外物的材料对串联电感变化的影响大大减小，而在高于400kHz情况下几乎可以忽略不计。

随着更高的谐振频率，检测敏感度增加，因为涡电流的影响随着增加的频率而增长，这意味着串联电感的变化上的放大。高于400kHz的情况下，串联电感相对于要检测的外物的材料的依赖性几乎消失。

随着比400kHz更高的频率，例如800-900kHz，可以获得甚至更好的结果。

然而，还优选的是，当没有外物被布置在相应的感测线圈的附近中时，谐振频率为5MHz或低于5MHz，优选地低于2MHz，并且甚至更优选地低于1MHz。

也就是说，针对具有模数转换器（ADC）的随后评估所需的采样率随着谐振频率（相应检测频率）而增加。因此，采样率以及与之的检测频率应该因此尽可能低。对于ADC的制造商，10MHz的采样率表示进入到高频范围的障碍，并且因此也是进入到针对ADC的另一个价格范围的障碍。这意味着，对于高于10MHz的采样率，针对ADC的成本往往增长更迅速。相反，这意味着采样率应远低于10MHz，并且因此，根据奈奎斯特-香农采样定理，最大检测频率应远低于5 MHz。随着检测频率低于1 MHz或者甚至随着在900KHz的情况下，可以进一步降低成本，同时仍然维持高检测敏感度。

谐振频率有利地适配于功率传送场的传输频率。为了在初级部分被激活时，并且特别是在功率传输期间允许外物检测，谐振频率应该优选地比功率传送的传输频率高或低数倍，更优选地高数倍。谐振频率与传输频率的距离应更优选至少为一个十倍。感应功率传送应用中的传输频率通常在几十kHz的范围（例如45kHz）内。

在传感器布置的优选实施例中，所述一个去耦元件包括非受控制反向电流阻断元件，阻断元件优选为二极管，特别是PN结二极管或肖特基（Schottky）二极管。

通过使用非受控制反向电流阻断元件，避免了附加的控制线，并且可以最小化控制工作。

如果去耦元件包括具有显著增加的电阻的反向电压区，则去耦元件可以被认为是反向电流阻断元件，其中电压区位于额定操作期间的预期电压的范围内。如果电阻在反向方向上比在相应的正向电压区中高至少2倍，优选5倍，并且甚至更优选10倍，则认为电阻显著增加。这种元件可以例如是齐纳（Zener）二极管，其击穿电压被选取为高于预期的操作电压，则在击穿区具有低电阻。

如果反向电流阻断元件除了输入和输出端之外还具有配置端，只要到配置端的输入被连接到基本恒定的信号参考，它就允许适配或配置元件的电流-电压特性，那么所述反向电流阻断元件也被认为是不受控制的。

整流二极管是优选元件，因为它们非常简单和耐用。特别地，PN结、PIN结和肖特基二极管是优选的整流元件。其他反向电流阻断元件可以包括PNP-或NPN双极晶体管。它们可以利用其集电极和基电极以串联连接到谐振回路，而发射极可以保持不连接。此外，可以有利地使用N或P沟道FET。它们允许在正向路径中实现非常低的阈值电压。FET可以以反向定向安装，就像它通常被使用的那样。此方向是这样的：当极性正确时，通过FET的本征体二极管的微小漏电流将使FET偏置导通，而当极性反向时，将阻断电流，从而关断FET。

在有利的实施例中，输入选择电路包括第一多路复用器单位和/或输出选择电路包括第二多路复用器单位。

多路复用器单位被认为是多路复用器或多路分解器。优选地，多路复用器单位是模拟多路复用器。第一多路复用器优选是模拟多路分解器，而第二多路复用器优选是模拟多路复用器。

第一多路复用器单位允许恰好将输入引线中的一个连接到传感器布置的电流输入和/或第二多路复用器单位允许恰好将输出引线中的一个连接到传感器布置的电流输出。

在另一个实施例中，输入选择电路包括每个输入引线的单个开关，而输出选择电路包括每个输出引线的单个开关。这具有可以被同时选择的多于单个检测单元的优点。

同样优选的是，每个检测单元的感测线圈和电容性元件以并联连接以形成并联谐振回路。

在另一个实施例中，每个检测单元的感测线圈和电容性元件以串联连接以形成串联谐振回路。

使用并联回路的传感器布置的优点是它可以被电流源刺激。感测的电信号优选是电压。这是因为刺激信号分别在所选择检测单元的所选择谐振回路的端上产生振荡电压，并由此跨传感器布置的电流输入和电流输出两端产生振荡电压。此振荡电压可以直接用ADC测量，而无需使用额外的分流电阻或霍尔传感器。

预计的是，具有并联谐振回路的检测单元比具有串联谐振回路的检测单元的敏感度更多约10 %。

相反，使用串联谐振回路的传感器布置优选用电压源来刺激。感测的电信号优选地是电流，并因此借助于电流感测部件进行评估。

用于无线功率传送系统的本发明的外物检测设备（FOD）包括本发明的传感器布置、用于生成预确定刺激信号的刺激电路，其连接到传感器布置的电流输入，预定刺激信号优选为矩形脉冲。FOD还包括测量单位，所述测量单位适配于感测施加到所述电流输入的电信号，其中测量单位包括模数转换器，以用于获取表示感测的电信号的采样数据。FOD还包括信号处理单位，所述信号处理单位配置成基于由测量单位获取的采样数据来确定所选择检测单元的时间响应数据，其中测量单位优选地包括用于过滤电信号的过滤器。

本发明的外物检测设备继承了本发明传感器布置的所有优点。

信号处理单位优选地进一步适配于基于相应检测单元的确定的时间响应数据来决定是否在所选择检测单元附近存在外物。

可以借助于信号处理单位确定的所选择检测单元的时间响应数据优选地取决于所述所选择检测单元的串联阻抗。

需要预确定的刺激信号来激励（相应刺激）谐振回路。刺激信号优选地包括DC分量，并且更优选地，它是单极的。刺激信号的DC分量改善了去耦元件的工作。

预确定的刺激信号可以是确定性信号或具有预定噪声谱的信号。确定性信号更容易被生成。

具有矩形形状的信号尤其容易被生成，即借助于开关来生成。然而，其他确定性刺激信号也是可能的，例如具有单个脉冲的刺激信号。通过脉冲的长度、幅度和形状，不仅被激励的电信号的幅度可以适配于测量单位的输入范围，而且刺激信号的频谱也可以在存在或不存在外物的情况下适配于检测单元的谐振回路的预期谐振频率。因此，除了矩形以外的其他形状也是可能的，诸如三角形形状。

在某些情况下，具有预定频谱的噪声信号可能是有利的，所述信号诸如伪随机噪声信号，特别是近似于白噪声信号的伪随机信号。

要确定其时间响应数据的检测单元是借助于输入和输出选择电路可选择的。对于大量的检测单元，本发明的FOD仅需要一个刺激单位、一个测量单位和一个信号处理。

检测单元的确定的时间响应数据可以包括表示由于检测单元的刺激而引起的电信号的时间响应的任何数据。如果刺激信号具有阶梯的形状（相应具有矩形形状），则时间响应通常是具有衰减率的振荡信号。

可以借助于信号处理单位确定的时间响应数据可以尤其包括取决于所选择检测单元的串联阻抗的参数，诸如衰减率、频率、谐振电路（相应谐振回路）的品质因数、最大幅度，特别是在特定时间。参数也可以是谐振电路的串联阻抗的变化。由于串联阻抗是复数值，所以变化可以是串联阻抗的幅度上的和/或相位上的变化。串联阻抗上的变化可以包括串联电感、串联电阻和/或串联电容上的变化。优选地，参数也可以是与时间响应相关的另一个参数，诸如信号的平均值、信号样本的总和，以及与参考信号相关的结果。

优选地，FOD还包括用于存储获取的采样数据和/或时间响应数据的数据存储设备。

在优选实施例中，刺激单位包括电流源，并且优选地包括至少一个开关部件。也可以由输入和/或输出选择电路提供开关部件。

用于无线功率传送系统的本发明的初级部分，所述无线功率传送系统用于通过空气间隙将功率传送到附近的接收器，所述初级部分配置成以传输频率在有源区域中生成磁场。初级部分包括本发明的传感器布置和/或本发明的外物检测设备。感测线圈以由感测线圈定义的感测区域至少部分覆盖有源区域的方式来布置。优选地，感测区域完全覆盖有源区域。

感测线圈优选地布置在初级部分的表面上，更优选地，感测线圈与支撑结构一起布置在初级部分的外壳的外部表面上或者初级部分的外壳的内部表面上。在另一个优选实施例中，支撑结构是外壳的一部分。在特定实施例中，具有感测线圈的支撑结构是感测线圈垫或感测线圈板。

在优选实施例中，初级部分是用于感应功率传送系统的初级部分，并且包括至少一个传输器线圈，并且有利地还包括铁氧体磁芯。

本发明的另一方面涉及用于无线功率传送系统的次级部分，所述无线功率传送系统用于通过空气间隙将功率传送到附近的接收器。次级部分配置成以传输频率接收有源区域中的磁场。次级部分包括本发明的传感器布置和/或本发明的外物检测设备。感测线圈以由感测线圈定义的感测区域至少部分覆盖有源区域的方式来布置。优选地，感测区域完全覆盖有源区域。

感测线圈优选地布置在次级部分的表面上，更优选地，感测线圈与支撑结构一起布置在次级部分的外壳的外部表面上或者次级部分的外壳的内部表面上。在另一个优选实施例中，支撑结构是次级部分的外壳的部分。

在初级部分和/或次级部分的特定实施例中，具有感测线圈的支撑结构是感测线圈垫或感测线圈板。

在优选实施例中，初级部分是用于感应功率传送系统的初级部分，并且包括至少一个传输器线圈，并且有利地还包括铁氧体磁芯。

在一个优选实施例中，次级部分是用于感应功率传送系统的次级部分，并且包括至少一个接收器线圈，并且有利地还包括铁氧体磁芯。

在优选实施例中，初级部分配置成当由物体检测设备检测到外物时适配初级部分的传输线圈的电流。

特别优选的是，初级部分的操作模式适配于在存在外物的情况下减少功率损耗。具体而言，传输线圈中的电流可以减少、切断和/或电流的接通可以被防止，以便避免检测到的外物中的功率损失和/或外物被加热。在某些情况下，也可能移动传输频率，特别是降低传输频率以减少外物中的涡电流损耗。进一步优选的是，在初级部分包括分开的线圈（相应分开的有源区域）的情况下，不同线圈（相应区域）的电流适配成检测到的外物的位置的函数。

本发明的无线功率传送系统包括本发明的初级部分和次级部分，其中无线功率传送系统配置成通过空气间隙将电功率从初级部分无线传送到次级部分，并且其中感测线圈至少部分地布置在初级部分和次级部分之间的空气间隙中。

在优选实施例中，无线功率传送系统是感应功率传送系统，无线变压器的初级部分包括传输器线圈，而次级部分包括接收器线圈。优选地，次级部分也包括铁氧体磁芯。

在用于检测外物的本发明方法中，检测单元的时间响应数据优选地取决于检测单元的串联阻抗。确定时间响应数据的步骤还可以包括存储用测量单位采样的电信号的样本和/或存储所选检测单元的时间响应数据的步骤。

在本发明方法的优选实施例中，在对所述检测单元中的每个执行权利要求13的步骤d）至f）之前，在权利要求13的步骤a）-c）的连续执行期间，对多于一个的单元连续地获取电信号，其中优选地，步骤d）包括减少刺激信号和表示所选择检测单元中的所激励振荡的采样电信号之间的相移。特别地，通过确定刺激信号和所述采样电信号之间的互相关来减小相移，所述采样电信号表示所选择检测单元中的所激励振荡。

对于不同检测单元的各个时间响应可以通过对不同检测单元在不同时间帧中的电信号的所获取样本进行细分来确定。通过确定刺激信号和与检测单元相关的单个时间帧的采样电信号之间的互相关，可以减少由于离散采样间隔引起的时间抖动。

在已经获取了来自一个以上检测单元的样本之后确定时间响应数据允许非常有效地处理所获取的样本，并且及时地将数据获取与信号处理分离。

比较或关联多于一个检测单元的时间响应数据允许更好地消除环境影响。

在本发明方法的另一个优选实施例中，基于时间响应数据与特定于相应检测单元的参考数据的比较来做出是否在特定检测单元附近存在外物的决定，其中特定于检测单元的参考数据优选地被连续调整以考虑环境影响。

两次测量之间的时间响应数据的变化可以例如由温度上的变化或传感器布置的组件的老化所引起。典型地，温度上的变化或老化的影响（其例如产生电容、电感或电阻的变化）导致时间响应数据的逐渐变化或漂移，而外物的存在导致时间响应的基本上立即的变化。这允许将由于这种环境变化导致的连续测量之间的时间响应数据的漂移与由于外物的存在导致的连续测量之间的时间响应数据上的变化区分开。

温度变化可以例如由传感器布置中的欧姆损耗引起，也可以由变化的环境温度和太阳辐射引起。

有利地，参考数据可以直接基于先前确定的时间响应数据，例如从校准测量期间获取的数据样本中获得的。甚至更优选的是，参考数据基于在多于一个检测环期间获得的时间响应数据。优选地，迭代适配特定检测单元的参考数据。参考数据可以包括单个参数，特别是如果时间响应数据也仅包含在单个参数中的话。

然而，参考数据也可以基于预定的数据值，例如工厂设定值。参考数据有利地考虑了其他检测单元的参考数据。

优选地，每个检测单元具有其自己的特定参考数据。在另一个优选实施例中，特定的参考数据可以为两个或更多个检测单元所共有，这允许将总检测区域（相应监测区域）分解成小的区。然而，如果所有检测单元共享参考数据的共同集合，则这可能是有利的，因为这减少了计算工作。

如果连续测量之间的参考数据的漂移类似于所有检测线圈，则这是特别有利的。针对这种均匀漂移的可能原因可能是环境温度上的变化或传感器布置的组件的上述老化。

使用先前确定的参考数据来确定新的参考数据减少了计算工作。如果参考数据的确定直接基于采样的数据，则可以使用更多评估的计算算法。

考虑先前确定的时间响应数据（例如参数和/或先前获取的采样数据）允许获取的采样数据的更全面的视图和/或执行合理性检查和/或对由环境变化引起的极限值做出调整。

其他有利的实施例和特征的组合来自以下的详细描述和权利要求书的整体内容。

附图说明

用于解释实施例的附图示出如下：

图1是用于为电动车辆充电的本发明的无线功率传送系统的示意性侧视图；

图2是本发明的外设备的实施例的简化框图；

图3是与刺激单位一起的本发明传感器布置的实施例的示意性电路图；

图4是不具有本发明去耦元件的传感器布置；

图5是具有并联谐振回路的本发明传感器布置的实施例的电路图；

图6是具有串联谐振回路的本发明传感器布置的另一个实施例的电路图；

图7a是无线传送系统的初级部分的俯视图；

图7b是图7a中所示的无线传送系统的初级部分的侧视图；

图8a-8f是感应线圈的不同形状；

图9示出了针对四种不同感应线圈形状的所测量电感相对于频率的曲线图的图；

图10是检测单元的并联谐振回路的简化等效电路；

图11示出了在测试物体存在的情况下感测线圈的测量的串联电阻和测量的串联电感相对于频率的曲线图的图；

图12是检测单元在有和没有外物存在时的阶跃响应的比较，所述比较是基于仿真；

图13示出了两个连续选择的检测单元的阶跃响应的采样数据的图；

图14示出了相同检测单元的两个阶跃响应的叠加采样数据的图；

图15示出了本发明方法的第一实施例的流程图；

图16示出了本发明方法的第二实施例的流程图；

图17示出了在存在由不同材料制成的测试物体的情况下感测线圈的串联电感相对于频率的比较曲线图的图；

图18示出了在存在相同测试物体的情况下具有不同形状的感测线圈的串联电感相对于频率的比较曲线图的图；

图19示出了在存在具有不同几何尺度的测试物体的情况下具有边长为100mm的感测线圈的串联电感相对于频率的曲线图的图；以及

图20示出了在存在具有不同几何尺度的测试物体的情况下具有边长为50mm的感测线圈的串联电感相对于频率的曲线图的图。

在附图中，相同的组件被赋予了相同的参考符号。

具体实施方式

图1示出了用于为电动车辆充电的本发明无线功率传送系统的示意性侧视图。无线功率传送系统1允许在车辆被停放时对电动车辆2进行无线充电。

无线功率传送系统1包括初级部分3和次级部分5。

初级部分3中的传输线圈4与电容器（未示出）一起形成初级谐振器。次级部分5中的接收器线圈6与另一个电容器一起形成次级谐振器。初级部分2和次级部分3以一定的距离在彼此之上来布置，使得它们被空气间隙7分开。用于车辆的无线充电系统的初级和次级部分之间的距离（相应空气间隙）位于2-30cm范围内。虽然相对大的空气间隙涉及到初级部分和次级部分之间的减小的耦合系数，但是它具有如下优点：次级部分的存在几乎不会对外物检测产生负面影响。

在实施例中，初级部分3集成在地板8中，并且次级部分5布置在车辆地板9下方，其与初级部分3相对。虽然在本示例中初级部分3完全集成在车库地板8中，但是所述初级部分也可能布置在车库地板8上或者仅部分地布置在车库地板8中。

初级谐振器和次级谐振器被调谐到公共谐振频率，以有效地将功率从初级部分3传送到次级部分5。在本实施例中，所述两个部分被调谐到大约45kHz的频率。为了传送功率，接收器线圈6将位于由初级部分3的传输线圈4生成的初级场10中，这意味着次级部分5的接收器线圈6将位于初级场10内。由于次级部分中的感应电流而产生的次级场和初级场10的叠加定义了功率传送场。要注意的是，初级部分3和次级部分5也可以包括铁氧体磁芯以定义磁通量路径。然后，例如，接收器线圈6可能不直接位于初级场10中。然而，它需要位于初级部分和次级部分之间的公共磁通量路径中，其由（一个或多个）铁氧体磁芯定义。

在传输线圈的有源区域（相应在功率传送区域中），特别地说，在包括传输线圈的壳体（相应外壳）的顶部，布置了感测线圈垫11，其包括本发明传感器布置的感测线圈（未示出）。初级和次级外物12、13位于传感器布置的有源区中的感测线圈垫11的上部表面上。由导电材料制成的外物12和13两者都可以被独立地检测到。本发明的FOD还允许确定外物的位置，因为每个检测单元可以被单独评估。

初级部分3由充电控制器14供应以功率。电线15将充电控制器14与初级部分3连接起来。感测线圈垫11和初级部分之间的连接在图1中未示出。

由于由初级部分的线圈引起的时变磁场，位于初级垫3的有源区中的外物12和13可以被涡电流非常强烈地加热。外物检测设备允许对外物12和13检测，并且由于外物12和13的存在，例如通过适配初级部分的激励电流，能够适配次级部分5中初级部分3之间的功率传送。

图2示出了FOD的本发明的实施例的简化框图。FOD（19）包括本发明的传感器布置20、刺激单位21、测量单位22和信号处理和控制单位23。传感器布置20包括具有作为支撑结构的PCB的感测线圈垫24、具有作为输入选择电路的第一多路复用单位25和作为输出选择电路的第二多路复用单位26的检测单元选择电路34。传感器布置20包括一个电流输入35和一个电流输出36。

第一多路复用单位25是具有一个输入和五个输出的多路分解器。多路分解器的输出连接到传感器布置20的输入引线27。多路分解器的输入连接到传感器布置20的电流输入35。第二多路复用单位26是具有五个输入和一个输出的多路复用器。多路复用器的输入连接到传感器布置20的输出引线28，多路复用单位26的输出连接到传感器布置20的电流输出36，所述电流输出36连接到接地37。

检测单元中的每个可以借助于两个多路复用单位25、26来选择。刺激单位21的输出连接到多路分解器（相应是第一多路复用单位25的）的输入。测量单位22的带通过滤器29的过滤器输入连接到传感器布置20的电流输入35。测量单位22还包括模数转换器（ADC）30，其连接到带通过滤器29的输出。带通过滤器的通带包括传感器布置的检测单元的谐振回路的谐振频率，其在此具有大约900kHz的频率。阻带（stop band）消除了与功率传送场的操作频率相关的频率，其在此是45kHz。

带通过滤器29是可选的，并且也可以由高通过滤器代替。除了或替代带通过滤器29，测量单位22还可以包括信号调节模块，例如以便缩放信号或转换信号。

信号处理和控制单位23将其输入连接到ADC转换器30的输出。它还具有连接到第一多路复用器单位25的行选择控制输出31，连接到第二多路复用器单位26的列选择控制输出32，以及连接到刺激单位21的输入的触发控制输出33。

信号处理和控制单位23包括微控制器，例如数字信号控制器、FPGA和/或ASIC。微控制器的功能可以借助于FPGA和/或ASIC来实现。信号处理和控制单位23包括用于借助于ADC30获取的采样数据的存储设备。它优选地包括允许重建刺激信号的部件，如例如用于刺激信号的触发事件的时间戳的存储设备。备选地，测量单位22可以包括用于获取刺激信号的另一个信号通道。信号处理和控制单位23还包括用于刺激信号的所获取样本的数据存储设备。

信号处理和控制单位23配置成基于采样的电信号和刺激信号，借助于信号处理和控制单位23来计算与所选择检测单元的串联阻抗相关的参数。

图3示出了本发明的传感器布置40连同刺激单位41的实施例的示意性电路图。传感器布置40包括电流输入42和电流输出43，其由接地连接构成。电流输入42连接到刺激单位41的输出。传感器布置40包括四个检测单元，即第一检测单元44.1、第二检测单元44.2、第三检测单元44.3和第四检测单元44.4，它们以包括两个行和两个列的矩阵状结构布置。

四个检测单元44.1、44.2、44.3和44.4中的每个包括以并联布置的电容器和感测线圈，感测线圈和电容器形成并联谐振回路45.1、45.2、45.3、45.4。

检测单元44.1、44.2、44.3和44.4中的每个还包括二极管D1、D2、D3、d 4，所述二极管将其阴极以串联连接到相应检测单元44.1、44.2、44.3和44.4的并联谐振回路45.1、45.2、45.3、45.4的第一端。

第一检测单元44.1和第二检测单元44.2是第一行的部分，而第三检测单元44.3和第四检测单元44.4是第二行的部分。第一输入引线48a连接到作为第一行的部分的第一检测单元44.1的二极管D1的阳极和连接到属于作为第二行的部分的第三检测单元44.3的二极管D3的阳极。同样，第二输入引线48b连接到作为第一行的部分的第二检测单元44.2的二极管D2的阳极和连接到属于作为第二行的部分的第四检测单元44.4的二极管D4的阳极。属于第一行的检测单元，即第一检测单元44.1和第二检测单元44.2将其并联谐振回路45.1和45.2的其第二端连接到第一输出引线50a。类似地，属于第二行的检测单元，即第三检测单元44.3和第四检测单元44.4，将其并联谐振回路45.3、45.4的其第二端连接到第二输出引线50b。

针对此实施例的检测单元的数量以及输入引线和输出引线的总数量是四个，并且因此检测单元的数量与输入和输出引线的数量一样多。

传感器布置还包括输入选择电路52，其包括第一MOSFET晶体管Q1和第二MOSFET晶体管Q2。第一MOSFET晶体管Q1将其源极连接到第一输入引线48a，而第二MOSFET晶体管Q2将其源极连接到第二输入引线48b。MOSFET晶体管Q1和Q2两者的漏极都连接到传感器布置的电流输入42。通过寻址第一MOSFETQ1或第二MOSFETQ2，可以选择2×2传感器矩阵的列。

此外，传感器布置40包括输出选择电路53，所述输出选择电路53包括第三MOSFET晶体管Q3和第四MOSFET晶体管Q4。第三MOSFET晶体管Q3将其漏极连接到第一输出引线50a。第四MOSFET晶体管Q4将其漏极连接到第二输出引线50b。MOSFET晶体管Q3和Q4两者都将其源极连接到传感器布置40的电流输出43，在此实施例中所述电流输出43连接到电接地。通过寻址第三MOSFET晶体管Q3或第四MOSFET晶体管Q4，可以选择2×2传感器矩阵的行。作为示例，如果要选择第一检测单元44.1，则必须寻址MOSFET晶体管Q1和Q3。

输入选择电路52以及输出选择电路53包括两个控制输入54、55、56、57，它们连接到相应MOSFET晶体管Q1、Q2、Q3和Q4的栅极。借助于这些控制输入54-57，可以对不同的晶体管进行寻址，并从而选择检测单元。

刺激单位41配置成生成矩形电流脉冲，以刺激所选择检测单元的并联回路中的电振荡。它包括电流源和内部开关，其在图3中未示出。

在选择的检测单元中被激励的电振荡产生电流输入42和接地（相应是电流输出43）之间的振荡电压，所述电压例如可以用将其端连接在电流输入和接地之间的ADC来感测。

由于二极管D1-D4，仅由矩形刺激信号刺激所选择检测单元的谐振回路。在传感器布置40的电流输入42处感测的电信号，即跨电流输入42和接地（以及因此电流输出43）两端的电压58，在来自先前所选择检测单元的所刺激振荡已经衰减到零的条件下仅仅是所选择检测单元的振荡电流的结果。

因此，二极管D1、D2、D3和D4用作去耦元件。

图4示出了与图3中所示电路类似的电路。然而，此电路的传感器布置60不包括图3中所示的本发明实施例的输入引线68a和68b与并联谐振回路（即第一谐振回路65.1、第二谐振回路65.2、第三谐振回路65.3和第四谐振回路65.4）之间的去耦二极管D1、D2、D3和D4。图4中的开关SW1、SW2、SW3和SW4对应于图3中所示实施例的MOSFET晶体管Q1、Q2、Q3和Q4。

为了选择传感器布置60的第一行和第一列中的第一谐振回路65.1，第一开关SW1和第三开关SW3被激活并因此闭合，而第二开关SW2和第四开关SW4打开。因此，闭合的第一开关SW1在电流输入62和第一输入引线68a之间建立电连接，而闭合的第三开关SW3在第一输出引线70a和电接地（相应是电流输出63）之间建立电连接。因此，所选择谐振回路65.1位于传感器布置60的电流输入62和电流输出63之间的直流路径75（由虚线指示）中。然而，在第一输入引线68a和第一输出引线70a之间还存在并联电流路径76（由虚线指示）。此并联路径从第一输入引线68a通过第三谐振回路65.3以正向方向通向第二输出引线70b。从那里，它通过第四谐振回路65.4以反向方向延续到第二输入引线68b，并然后通过第二谐振回路65.2以正向方向延续到第一输出引线70a。

这具有以下结果：不仅第一谐振回路65.1在这种开关状态下被刺激，而且邻近单元65.2-65.4也被刺激。这导致传感器布置的不同谐振回路之间的串扰。在传感器布置的电流输入处测量的电压成为所有四个检测单元中的耦合的振荡的函数。因此，所选择谐振单元的敏感度恶化，并且对所刺激时间响应的评估变得更加困难。

图3中的实施例中的二极管消除了这种影响。对于特定状态，其中第一检测单元44.1借助于晶体管Q1和Q3被选择，二极管D4阻断矩形形状的刺激电流，否则在没有二极管D4的情况下，所述刺激电流将以反向方向通过第四谐振回路。因此，在图3的实施例中，仅所选择检测单元被刺激。

图5示出了本发明传感器布置的另一个实施例的电路图。传感器布置140类似于图3中所示的传感器布置，但是其包括九个检测单元，所述检测单元以包括三个行和三个列的矩阵状结构来布置。检测单元144.1-144.9与图3的实施例中的检测单元相同。它们还包括并联谐振回路和作为去耦元件的二极管，其中二极管将其阴极以串联连接到并联谐振回路，所述谐振回路包括感测线圈和电容器。

相同行的检测单元连接到相同输出引线，而相同列的检测单元连接到相同输入引线。

第一行包括检测单元144.1、144.2和144.3。它们将其并联谐振回路连接到第一输出引线150a，所述第一输出引线150a连接到输出选择电路153的MOSFET晶体管Q14。

第二行包括检测单元144.4、144.5和144.6。它们将其并联谐振回路连接到第二输出引线150b，所述第二输出引线150b连接到输出选择电路153的MOSFET晶体管Q15。

第三行包括检测单元144.7、144.8和144.9。它们将其并联谐振回路连接到第三输出引线150c，所述第三输出引线150c连接到输出选择电路153的MOSFET晶体管Q16。

第一列包括检测单元144.1、144.4和144.7。它们将其二极管D11、D14、D17的阳极连接到第一输入引线148a，所述第一输入引线148a连接到输入选择电路152的MOSFET晶体管Q11。

第二列包括检测单元144.2、144.5和144.8。它们将其二极管D12、D15、D18的阳极连接到第二输入引线148b，所述第二输入引线148b连接到输入选择电路152的MOSFET晶体管Q12。

第三列包括检测单元144.3、144.6和144.9。它们将其二极管D13、D16、D19的阳极连接到第三输入引线148c，所述第三输入引线148c连接到输入选择电路152的MOSFET晶体管Q13。

例如，为了选择第一行和第三列中的检测单元144.3，必须激活晶体管Q13和Q14，使得检测单元144.3是传感器布置140的电流输入142和电流输出143之间的直流路径175。二极管D14、D15、D17和D18阻断刺激电流以反向方向通过相应的检测单元144.4、144.5、144.7和144.8，并防止刺激电流可能采取到直流路径175的并联路径。即，在没有二极管的情况下，以下电流路径将是可能的：

从第三输入引线148c

-经由检测单元144.6、第二输出引线150b、检测单元144.5（以反向方向）、第二输入引线148b、检测单元144.2；

-经由检测单元144.6、第二输出引线150b、检测单元144.4（以反向方向）、第一输入引线148a、检测单元144.1；

-经由检测单元144.9-第三输出引线150c-检测单元144.8（以反向方向）-第二输入引线148b、检测单元144.2；

-经由检测单元144.9-第三输出引线150c-检测单元144.7（以反向方向）-第一输入引线148a、检测单元144.1；

到第一输出引线150a。

由于这些寄生并联电流被去耦元件（即二极管D14、D15、D17和D18）所抑制，所以由刺激单位141提供的矩形刺激电流仅刺激所选择检测单元，而不刺激邻近谐振单元，因此增加了检测精度。

图6示出了本发明传感器布置的另一个实施例。类似于图5中所示的传感器布置，检测单元244.1-244.9以包括三个行和三个列的矩阵状结构布置。然而，在此实施例中，每个检测单元包括串联谐振回路，而不是并联回路。此外，刺激单位241包括用于提供矩形电压刺激信号而不是矩形电流刺激信号的电压源200。此外，电感测部件是电流感测部件，所述电流感测部件包括分流电阻器201，其布置在刺激单位241的输出和传感器布置240的电流输入242之间。备选地，输入电流201也可以在传感器布置的电流输出243处确定，因为输出电流与输入电流相同。布置在输入引线248a、248b、248c中的一个和检测单元244.1-244.9中的串联谐振回路之间的二极管D21-D29具有如参考根据图5的实施例所述的效果。它们充当去耦元件，并避免未选择的单元的谐振回路被刺激电压所刺激，使得仅检测单元被刺激，所述检测单元借助于六个MOSFET晶体管Q21、Q22、Q23、Q24、Q24、Q26中的两个来选择。

图7a示出了无线传送系统的初级部分303的俯视图，而图7b示出了初级部分303的侧视图。它包括外物检测设备，所述设备具有布置在初级部分303的壳体316的顶部上的感应线圈垫324。此感应线圈垫324使用具有正方形形状表面的PCB。在PCB的这个表面上，在第一层中，印刷了二十五个感测线圈317。感测线圈317以规则结构来布置，即具有五个行和五个列的矩阵状结构来布置。所有感测线圈317具有相同的形状，其具有正方形外部形状和100mm的边长。因此，每个感测线圈具有10’000mm²的检测区域。由二十五个感测线圈317定义的总检测区域是具有约0.5m的边长的正方形。单个感测线圈317的绕组由直线导体段形成，所述直线导体段以直角链接以形成具有五个绕组匝的螺旋。感应线圈的邻近绕组匝与彼此被等距间隔开，邻近绕组之间的距离约为10mm。因此，感测线圈317的绕组匝利用了由外部绕组包围的整个区域，使得绕组匝分布在整个包围区域之上。图7a中未示出连接每个感测线圈317的外部绕组匝和内部绕组匝的引线或馈线。要考虑的是，这些线可能会干扰感应线圈，并从而烦扰检测。此外，必须考虑馈线（相应导线）的线电阻以及连接器与刺激和测量单位的接触电阻。然而，当有外物存在时，这些电阻不会改变。这就是为什么此电阻可以作为固定部分加到等效电路图中的严重（serious）电阻上。这同样施加于由引线引起的电感和串联电感。尽管如此，还是建议使用双绞线（twisted pair）布线来降低这种影响，并将连接器的两个引脚分配给每个感应线圈。

谐振回路的电容器和/或二极管优选在PCB的第二层中在PCB与布置了第一层的感测线圈317的表面相对的表面上靠近于感测线圈来布置。此外，FOD的其他组件，诸如选择电路、刺激单位、测量单位和/或信号处理单位可以集成在感测线圈垫中，然而有利的是，它们集成在初级部分的壳体中和/或单独的壳体中。也可以使用柔性支撑结构（例如以箔的形式）代替PCB支撑结构。由于感测线圈的矩形外部形状，它们可以布置成非常靠近于彼此，而没有大的空隙。

图8a-8f示出了单个感测线圈的不同优选形状。图8a示出了单个正方形形状的感测线圈417a，其与图7a中的实施例中的感测线圈317相同。图8b中描绘的感测线圈417b具有与感测线圈417a相似的形式，但是具有为50mm的边长，并且两个邻近绕组之间的距离为5mm。图8c中描绘的感测线圈417c具有与图8a中所示的感测线圈417a相同的外部形状，但是仅具有三个绕组匝。由于邻近绕组之间的距离也是10 mm，所以感测线圈417c的内部空间是没有绕组的。图8d还示出了正方形感测线圈417d。此感测线圈417d具有60mm的边长，并且包括三个绕组匝。此外，图8e示出了感测线圈417e，其具有圆形外部形状和100mm的外径。感测线圈417e具有五个绕组匝。在此实施例中，邻近绕组匝的距离也是10mm。绕组匝分布在感测线圈417e的整个检测区域之上。图8f中描绘的感测线圈417f也具有直径为100 mm且邻近绕组之间的距离为10 mm的圆形外部形状，但是仅包括三个绕组匝，使得此感测线圈的检测区域的内部空间是没有绕组匝的。

借助于尺寸、形状和绕组匝的数量，可以适配感测线圈的检测区域和电感。

图9示出了针对图8a、8c、8e、8f中所示的感测线圈形状417a、417c、417e、417f中的四个在从1 kHz到1 MHz的频率范围内电感419相对于频率的相关性。由于寄生效应，测量的电感在整个频率上不是恒定的。所有测量在大约10kHz的频率下具有其最大电感。图8a中描绘的正方形形状的感测线圈417a的测量电感418a（实线）具有2.25μH的最大电感。这显著高于圆形形状的感测线圈417e的测量电感418e的最大值，所述最大值具有约1.8μH。图8c中所示的正方形形状的感测线圈417c的测量电感418c具有与感测线圈417a相同的外部形状，但是只有3个匝绕组，其具有所有四个线圈中最低的最大电感，所述最大电感约1.65μH。图8f中所描绘的圆形形状的感测线圈417f的电感418f具有与同样是圆形形状的感测线圈417e相同的外部形状，但只有三个绕组匝，其具有1.7μH的最大电感，所述最大电感高于对应的正方形形状的感测线圈417e的最大电感。

图10示出了并联检测单元的谐振回路的简化等效电路500。可以借助于由所选择感测线圈的检测区域中外物的存在所引起的参数的变化来检测外物。简化的等效电路包括具有串联电阻R_s和串联电感L_s的串联阻抗X_s。串联电阻R_s和串联电感L_s以串联连接。串联阻抗X_s与检测单元的电容C并联连接。串联电阻R_s包含感应线圈和外物中出现的所有欧姆损耗，其包括引线和不同连接中的导电损耗。同样，除了感应线圈的电感之外，串联电感L_s还包括可能存在的外物和引线的贡献，同时电容主要包括电容器的电容。

图11中的图示出了对于存在外物的情况具有五个匝和为50mm的边长的正方形形状的感测线圈417b（图8b）的串联电感517和串联电阻518相对于频率的曲线图。这种交互是由标准IEC 62368-1[10.p.194ff]中定义的标准铝箔测试物体所生成的。对于测量中使用的特定感测线圈417b，当不存在外物时，针对串联电感的值约为900nH，而针对欧姆串联电阻的值约为100mΩ。坐标519示出了由于测试物体的存在，与当没有外物存在的情况相比，以％为单位的串联电感和串联电阻的绝对变化。由于涡电流，串联电阻增加，而电感减少。可以看出，串联电阻增加达48 %，而串联电感减少达11 %。

这些参数的变化可用于检测外物的存在。为了确定参数，可以通过刺激单位刺激谐振回路，所述刺激单位在具有并联谐振回路的传感器布置的情况下生成电流阶跃（输入电流），并将其施加到选择的检测单元。然后可以通过测量传感器布置的电流输入和电流输出之间的电压来观察检测单元输出的行为。电压的时间响应也被称为阶跃响应。

输入电流和输出电压之间的传送函数可以基于如图10中所示的简化等效电路500来建模：

时域上的阶跃响应为：

这个等式包括四个被加数。被加数中的三个包含衰减指数函数e^-at和三角函数的乘积，其中a指示衰减率。取决于值R_s、L_s和C，振荡占优势。存在电压偏移，其由第一被加数表示。这个等式可以在

和

的假设下进一步简化成：

。

在图12中，电压信号u（t）的第一阶跃响应504和第二阶跃响应505是由于在检测单元（相应是图10中的等效电路）的输入处施加了1A的电流阶跃i（t）而描绘的。用虚线画出的第一阶跃响应504表示当不存在外物的情况。用实线绘制的第二阶跃响应505表示当存在外物时的这种情况。仿真是基于以下参数：

	不存在外物	存在外物
			R<sub>s</sub>	200 mΩ	258 mΩ (+29%)
L<sub>s</sub>	900 nH	810 nH (-10%)
			C	33 nF	33 nH
f<sub>0</sub>	923 kHz	942 kHz
			a	11’100 1/S	14’800 1/S

可以看出，谐振频率和衰减率因外物的存在而改变。这些值可以借助于信号处理单位基于表示时间响应的采样数据容易地确定。特别地，测量可以与先前的测量进行比较，例如校准测量。这样可能补偿与检测设备和无线传送系统本身（尤其是初级部分）相关的影响。这些影响可能是例如由检测单元的所使用组件的变化所引起的，并且还涉及由检测单元引起的电磁场对FOD的其他部分或初级部分的干扰。这些部分还可以包括导电组件，所述导电组件本身可能受到由检测单元中的所刺激振荡引起的涡电流的影响。然而，也可能补偿环境变化，例如由于环境温度上的变化。

图13示出了由于在传感器布置的电流输入的刺激电流i（t）引起的刺激电流i（t）和电压响应u（t）的获取的采样数据。对两个连续选择的检测单元已连续地进行了测量，并借助于包括两个ADC的单个测量单位已获取了采样数据。

在已选择了第一检测单元之后，由刺激单位生成了第一矩形电流脉冲521，其具有大约40μs的持续时间。矩形电流脉冲521利用其上升侧面522刺激所选择检测单元中的振荡，产生具有约450kHz的振荡频率的阻尼振荡电压信号523。

约100秒后，选择第二检测单元，由刺激单位生成第二矩形电流脉冲531，其与第一电流脉冲521相同。利用上升侧面532，第二矩形电流脉冲531在现在选择的第二检测单元中刺激振荡，再次产生阻尼振荡电压信号533。电压信号u（t）用带通进行过滤，所述带通具有比检测单元的谐振频率低得多但也比传输线圈的操作频率高得多的的较低截止频率，其约为50kHz，以便消除功率传输场的影响。可以对传感器布置的所有检测单元重复以上示出的测量。在优选实施例中，振荡电压信号525和535是在固定的时间帧内获取的，所述时间帧由刺激信号i（t）的相应上升侧面521、531触发。时间帧的持续时间优选不超过矩形脉冲的长度，使得所评估的信号对应于阶跃响应。优选地，矩形脉冲的长度被选取成使得所刺激振荡电压信号在矩形脉冲的持续时间期间可以衰减到大的程度。

也可能选取包括整个矩形脉冲521或多个矩形脉冲的时间帧。当然，也可以选取除矩形脉冲之外的其他刺激信号，例如任何形状的单个脉冲，诸如三角形脉冲。也可以施加预定的噪声信号，诸如伪随机噪声信号，特别是白噪声信号。

图14示出了针对两次测量的电压响应u（t）的所获取数据的叠加曲线图，所述两次测量是用相同的检测单元但是在不同的条件下进行的。第一曲线图示出了阻尼振荡电压信号523的测量，所述测量是在没有外物接近于检测单元时进行的。第二测量是阻尼振荡电压信号543的曲线图，所述测量是在外物已经接近于检测单元时进行的。此阻尼振荡信号523与已经在图13中描绘的由第一矩形脉冲521（图13）引起的阻尼振荡信号523相同。可以看出的是，由于外物的存在，频率的振荡由于串联电感从800 nH下降到600 nH而略有增加。

图15示出了通过使用本发明的FOD（诸如例如图2中所描绘）来检测外物的本发明方法的实施例的流程图600。方法允许检测传感器布置的一个或多个检测单元的接近处的外物的存在。

在第一步骤S6中，借助于输入选择和输出选择电路选择检测单元。一旦选择了检测单元，则在步骤S7中，由刺激单位生成刺激信号，以在选择的检测单元中激励振荡。在步骤S8中，表示所激励振荡的电信号针对预确定时间被采样。在检测单元包括并联谐振回路的优选情况下，电信号优选为传感器布置的电流输入和电流输出之间的电压。在步骤S10中，由信号处理单位处理在步骤S8中获取的测量信号，并且确定了与所选择检测单元的串联阻抗相关的参数。因此，在该实施例中，所选择检测单元的时间响应数据由单个参数表示。一旦确定了参数，就可以执行步骤S11，其中基于所确定的参数，决定是否存在相应布置在先前选择的检测单元的接近处的外物。对于传感器布置的所有检测单元，步骤S6-S11可以重复多次。

图16示出了用于通过使用本发明的设备来检测外物的本发明方法的另一个实施例的流程图601。方法601包括步骤S1-S12。在步骤S1，系统被初始化。在初始化之后，在步骤S2，选择了要针对外物的存在而评估的检测单元的组。优选地，该组包括传感器布置的所有检测单元。

在步骤S3，检查是否需要针对检测单元的该组中的特定检测单元的参考数据。如果没有为特定检测单元而存储的参考数据，如果先前没有对该检测单元执行校准，和/或如果特定检测单元的参考数据过期，则可能是这种情况。也可能是如下参考步骤S11所述的似然性检查失败的情况，并且因此需要新的校准。还可能的是，对于该组中的检测单元的一个或多个，根本不需要参考数据。如果存在需要参考数据的至少一个检测单元，则执行步骤S4，其中确定针对检测单元所需的参考数据。优选地，在步骤S4中的校准期间，更新针对所有检测单元的参考数据。步骤S4中的新确定的参考值也可以考虑先前存储的参考数据。

一旦确定了所需的参考数据，就执行步骤S5，其中测量单位开始数据获取或者至少配备用于数据获取的触发器。在下面的步骤S6中，借助于输入选择和输出选择电路来选择检测单元。步骤S5和S6也可以同时执行。一旦选择了检测单元，则在步骤S7中，由刺激单位生成刺激信号，以在所选择检测单元中激励振荡。如果数据获取尚未运行，则刺激信号或激励振荡现在触发测量。

在步骤S8期间，提供具有预确定持续时间的等待时间，表示激励振荡的电信号被采样。选取等待时间，使得振荡信号可以衰减到足够低的水平。如果时间已经过去，则运行测量可以继续，或者也可以被中断，并且重新配备触发器。然后在步骤S9中，检查是否已经为在步骤S2中选择的组的所有检测单元获取了测量数据。如果不是，则对所选组的剩余检测单元重复步骤S6-S9。

如果已经获取了针对所有检测单元的数据，则执行步骤S10，所述步骤停止测量。在下面的步骤S11中，由信号处理单位处理测量信号。在该步骤中，基于在步骤S6至S9中获取的电信号的样本，确定了针对每个先前选择的检测单元的时间响应数据。时间响应数据可以例如包括串联阻抗、串联电感或串联电阻、谐振频率、衰减率或者还有原始采样数据。

在下一步骤S12中，将时间响应数据与相应检测单元的参考数据进行比较，或者如果此参考数据不存在，则与默认值进行比较。基于比较，确定是否存在外物。如果检测到外物，则生成用于指示部件或用于控制无线功率传送系统的控制信号602，例如以减少或切断传输线圈中的电流，和/或防止传输线圈中的电流被接通。此外，参考数据可以被适配，例如适配成补偿由于环境影响（诸如温度变化）造成的漂移。此外，可以使用现有技术中已知的高级信号处理方法来执行合理性检查

可以对检测单元的相同组或检测单元的另一组重复步骤S2-S12。在优选情况下，在S2中选择的组仅包括一个检测单元。

图17示出了在存在由不同片材料制成的不同测试物体的情况下，感测线圈417a（图8a）的串联电感相对于频率的曲线图。所有片具有相同的正方形形状的基本面积，其具有70mm的边长。为了比较，曲线700还示出了在没有外物的情况下感测线圈417a的串联电感。

曲线701描绘了在具有0.8 mm的厚度的钢片存在时的串联电感，曲线702描绘了在具有0.5 mm的厚度的镀锌铁片存在时的串联电感，曲线703描绘了在具有0.3 mm的厚度的铜片存在时的串联电感，曲线704描绘了在具有1.5 mm的厚度的铝片存在时的串联电感，以及曲线705描绘了在具有1.5 mm的厚度的另一个铜片存在时的串联电感。

可以看出，在10kHz以下的低频下，铜和铝测试件的存在已经导致串联电感的显著下降。对于钢和镀锌铁测试片的情况则并非如此。

然而，在超过100kHz（特别是在超过450kHz）的频率上，对于所有材料，测量的串联电感的值收敛到1.4μH的相同值。当没有物体存在时，此值对应于相对于该条件的约37 %的电感下降。因此，可能是有利的是，为检测单元的谐振回路选择超过100kHz（特别是超过450kHz）的谐振频率。

图18示出了针对由于测试物体的存在而导致的不同感测线圈的串联电感相对于频率的变化。作为测试物体，已经使用了与参考图17描述的测量中相同的铜片，其具有100mm的边长以及0.3mm的厚度的正方形形状。对于测量，测试物体被直接定位在相应感测线圈的中心上。图800的y轴表示在没有测试物体的情况下（见图9），串联电感相对于最初测量的电感的相对减少的百分比。

图18示出，对于所有测试的感测线圈，由测试物体引起的感测线圈电感的相对降低在10 %和37 %之间。因此，所有值明显超过3 %的变化，这被认为是允许可靠的物体检测的极限。

曲线图818a示出了具有五个绕组匝和最高电感的正方形形状的感测线圈417a（图8a），其在从1kHz到1MHz的整个频率范围内也具有电感的最高变化，并且在1 MHz下达到37%的最大值。为了测量，测试物体的侧面已经以并联到感测线圈417a的侧面来布置。

曲线图818a’示出了当测试物体相对于感测线圈417a对角布置时，相同感测线圈417a的电感的变化的测量，这意味着铜片的侧面相对于感测线圈417a的绕组成45度的角布置。电感的变化稍低，并且在1 MHz下达到34 %。

位于两个测量曲线图818a和818 a’之间的曲线图818e示出了具有五个绕组匝的圆形形状的感测线圈417e（图8e）的电感变化，并且在1 MHz下达到36 %。

仅具有三个绕组匝的感测线圈受电感上的显著更低变化所影响。因此，曲线图818f示出了圆形形状的感测线圈417f（图8f）的电感的变化，其在1 MHz下达到32 %的值。曲线图818c示出了正方形形状的感测线圈417c的电感的变化，其在整个频率范围内具有最低的电感变化，具有在1MHz下26 %的电感的最大降低。

图19示出了电感的变化很大程度上取决于感应线圈的接近处的外物的尺寸。图900示出了在存在不同正方形形状的铜片的情况下，感应线圈417a的串联电感的测量与频率成函数的曲线图。即，曲线图818a示出了在具有70mm的边长的覆盖片存在时（也在图18中的图800中描绘）串联电感上的变化。曲线图902示出了在具有50mm的边长的铜片存在时串联电感上的变化，曲线图903示出了在具有30mm的边长的铜片存在时串联电感上的变化，而曲线904示出了在具有10mm的边长的铜片存在时串联电感上的变化。对于具有10mm的边长的最小物体，电感的变化低于3%，并且因此不能可靠地检测。然而，具有30mm的边长的铜片已经可以在5kHz的频率以上的情况下被可靠地检测到，其中它具有超过3%的电感上的变化。

图20示出通过缩放感应线圈可以提升敏感度（相应为电感上的相对变化）。图20的图1000中的曲线图是用与图19中相同的测试物体制作的，然而通过使用了具有50mm的边长的来自417b（图8b）的感测线圈。对于对应的测量曲线图，使用了与图19中相同的参考符号，但是在末端添加了撇号。可以看出，对于所有测试物体（尤其对于小物体)，敏感度都增加。此外，具有10mm的边长的测试物体现在在5kHz以上的频率下受到了超过3%的串联电感中的下降，并且这现在可以被检测到。因此，减小感测线圈的尺寸可能是有利的。

还应注意，检测敏感度随着外物到感测线圈之间的距离而下降。对于具有70mm的边长的测试物体和对于感测线圈417c，相比于在0mm的距离处为56 %，在10mm的距离处，串联电感的下降在1MHz下仅为10 %，而在20mm的距离处，在1MHz下仅为约3%。对于较小的感测线圈和/或较小的物体，串联电感的下降以及随之的检测敏感度的减小随着增加的距离而减小得更快。因此，对于更小的感测线圈，不仅复杂性增加，因为对于相同的总检测区域需要更多的检测单元，对检测更远物体的能力下降。具有以较大距离的感测线圈的下降的敏感度具有如下优点：对于许多应用来说，其中大的空气间隙被用于无线功率传送，诸如用于为电动车辆充电，次级的存在对于外物检测来说是无关紧要的。对于小于22500mm²的检测区域以及超过100mm的空气间隙长度的感应线圈就是这种情况。

Claims (15)

1.用于无线功率传送系统（1）的外物检测设备的传感器布置（40、140），其包括：

a）电流输入（42、142）和电流输出（43、143），

b）多个检测单元（44.1-44.2；144.1-144.9），每个包括感测线圈（317）和电容性元件，以形成谐振回路（45.1-45.4），其中所述传感器布置（40、140）具有多个输入引线（48a、48b、148a-148c）和多个输出引线（50a、50b、150a-150c），输入和输出引线（48a、48b、50a、50b、148a-148c、150a-150c）的总数量相等或小于检测单元（44.1-44.2；144.1-144.9）的总数量，每个检测单元（44.1-44.2；144.1-144.9）以所述检测单元（44.1-44.2；144.1-144.9）中的每个连接到输入和输出引线（48a、48b、50a、50b、148a-148c、150a-150c）中的不同对的方式连接在所述输入引线（48a、48b、148a-148c）中的一个和所述输出引线（50a、50b、150a-150c）中的一个之间，

c）所述传感器布置（40、140）还包括允许在所述电流输入（42、142）和所述输入引线（48a、48b、148a-148c）中的一个或多个之间选择性地建立电连接的输入选择电路（52，152），以及允许在所述输出引线（50a、50b、150a-150c）中的一个或多个和所述电流输出（43、143）之间选择性地建立电连接的输出选择电路（53、153），

其特征在于

d）至少一个检测单元（44.1-44.2；144.1-144.9）包括与它的谐振回路串联连接的去耦元件（D1–D4、D11–D19）。

2.根据权利要求1所述的传感器布置（40、140），其中所述感测线圈（317）以规则图案来布置，优选地以具有多个行和列的矩阵状结构来布置。

3.根据权利要求1或2所述的传感器布置（40、140），其中所述感测线圈（317）布置在一个或多个层中，其中所述不同层的所述感测线圈优选地彼此横向重叠和/或具有不同的尺寸。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的传感器布置（40、140），其中至少一个感测线圈（317）具有螺旋形状，其中所述感测线圈的邻近匝优选地具有高于0.1mm的距离，特别是在1至25mm之间的距离，并且甚至更优选地在2至10mm之间的距离。

5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器布置（40、140），其中当没有外物布置在所述相应的感测线圈的接近处中时，至少一个感测线圈（317）的所述谐振回路的谐振频率高于10kHz，优选高于100kHz，并且甚至更优选高于400kHz。

6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器布置（40、140），其中所述感测线圈（317）具有矩形，优选为正方形外部形状，所述感测线圈的所述尺寸适配于要检测的所述外物的所述尺寸，感测线圈（317）的所述检测区域优选覆盖100-22500mm²之间的表面，更优选地覆盖400与14400mm²之间的表面，甚至更优选地覆盖600mm²与10000mm²之间的表面。

7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器布置（40、140），其中所述一个去耦元件（D1-D4、D11-D19）包括不受控制的反向电流阻断元件，所述反向电流阻断元件优选为二极管，特别是PN结二极管或肖特基二极管。

8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器布置（40、140），其中每个检测单元的所述感测线圈（317）和所述电容性元件以并联连接以形成并联谐振回路（45.1-45.4）。

9.用于无线功率传送系统（1）的外物检测设备（19），其包括：

a）根据权利要求1- 8中任一项所述的传感器布置（20、40、140）,

b）用于生成预确定刺激信号的刺激电路（21、41、141）,所述刺激电路（21、41、141）连接到所述传感器布置的电流输入（42、142）,所述预定刺激信号优选为矩形脉冲（521）,

c）测量单位（22），所述测量单位（22）适配于感测施加到所述电流输入（42、142）的电信号，所述测量单位（22）包括模数转换器（30），以用于获取表示所述感测的电信号的采样数据，

d）信号处理单位（23），所述信号处理单位（23）配置成基于由所述测量单位（22）获取的所述采样数据来确定选择的检测单元（44.1-44.2；144.1-144.9）的时间响应数据，

e）其中所述测量单位（22）优选包括用于过滤所述电信号的过滤器（29）。

10.用于无线功率传送系统（1）的初级部分（3），所述无线功率传送系统（1）用于通过空气间隙（7）将功率传送到附近的接收器（5），其配置成以传输频率在有源区域中生成磁场（10），所述初级部分包括根据权利要求1-8中任一项所述的传感器布置（20、40、140）和/或根据权利要求9所述的外物检测设备（19），所述感测线圈（317）以由所述感测线圈定义的感测区域至少部分地覆盖所述有源区域的方式来布置，优选地所述感测区域完全覆盖所述有源区域。

11.根据权利要求10所述的初级部分（3），其配置成当由所述外物检测设备（19）检测到外物（12、13）时适配所述初级部分（3）的传输线圈（4）的电流。

12.包括根据权利要求10或11所述的初级部分（3）和次级部分（5）的无线功率传送系统（1），其中所述无线功率传送系统（1）配置成通过空气间隙（7）将电功率从所述初级部分（3）无线传送到所述次级部分（5），并且其中所述感测线圈（317）至少部分地布置在所述初级部分（3）和所述次级部分（5）之间的所述空气间隙（7）中。

13.用于通过使用根据权利要求9所述的设备（19）来检测外物（12、13）的方法（600、700），其中所述方法（600、700）包括以下步骤：

a）借助于所述输入选择电路和所述输出选择电路（52、152、53、153）选择检测单元（44.1–44.2；144.1-144.9），

b）用所述刺激单位（41、141）生成刺激信号，以在所述选择的检测单元（44.1-44.2；144.1-144.9）中激励振荡，所述刺激信号优选为矩形脉冲（521），

c）用所述测量单位（22）对表示所述选择的检测单元中的所述激励的振荡的电信号进行采样，

d）基于在步骤c）中获取的所述样本，借助于所述信号处理单位（23）确定所述选择的检测单元的时间响应数据，

e）基于在步骤d）中确定的所述时间响应数据，借助于信号处理单位（23）决定是否在所述选择的检测单元附近存在外物（12、13），

f）对其他检测单元（44.1-44.2；144.1-144.9）重复所述步骤a-e，优选对于所有其他检测单元（44.1-44.2；144.1–144.9）重复所述步骤a-e。

14.根据权利要求13所述的方法（600、700），其中在对所述检测单元中的每个执行权利要求13的所述步骤d）至f）之前，在连续执行权利要求13的步骤a）-c）期间，对多于一个的检测单元连续获取所述电信号，其中优选地，步骤d）包括减少所述刺激信号和表示所述选择的检测单元中的所述激励的振荡的所述采样电信号之间的相移，特别是通过确定所述刺激信号和表示所述选择的检测单元中的所述激励的振荡的所述采样电信号之间的互相关。

15.根据权利要求13或14所述的方法（600、700），其中是否在特定检测单元（44.1-44.2；144.1-144.9）附近存在外物（12、13）的所述决定是基于所述时间响应数据与特定于所述相应检测单元的参考数据的比较而做出的，其中所述特定的参考数据优选地被连续调整以考虑环境影响。

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