CN1136526C - 一种传感器、遥测物体的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种遥测物体的方法，其中每个物体具有一个传感器，传感器至少包括两个以预定的代表传感器身份的相互关系设置的磁性元件。产生电磁信号用于激励传感器元件以产生电磁回答信号。从每个传感器元件发出的电磁回答信号的幅度通过具有变量成分和非变量成分的第一磁场调制。产生具有旋转场矢量的第二磁场。当第二磁场的变量成分平衡第一磁场的非变量成分时检测回答信号成分中的频移，其中各个传感器元件瞬间暴露到实质上没有变量成分的合成磁场。当发生频移时，根据第二磁场非变量成分的取向判定各个传感器元件的取向。

Description

一种传感器、遥测物体的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种遥测物体的方法和系统，每个物体上配置有一个传感器，传感器至少包括两个以预定的代表传感器身份相互关系设置的磁性元件，其中，产生的电磁信号用于激励传感器元件产生电磁回答信号，并且每个传感器元件产生的电磁回答信号通过具有变量和非变量的磁场调制。本发明还涉及一种用于遥测物体的传感器，传感器至少包括两个磁性传感器元件，磁性传感器元件相互的设置关系选自一组预定的关系并代表传感器或与传感器连接的物体的身份。
背景技术
许多应用要求能够可靠且无接触地探测探测区内物体的存在、身份或位置。一个通常的例子是商品上的价标、生产线中的成分标签、回收设备或例如商场中电子产品的材料类型的标签。
对应某些应用，探测到物体或制品的存在就足够了。例如电子产品检验系统，设置成一旦受保护的制品被带到检测区，则该系统提供一个报警信号。这种简单的应用使用一个磁性薄金属带或线形式的单个传感器元件。传感器元件可以通过把传感器元件暴露在一个影响传感器元件物理特性的交变磁场中的弧形磁发生器/探测器而被磁性探测。使用通常是基于这一事实；交变磁场致使偶极传感器元件的磁通量周期性转换，这也被称作Barkhausen跳变。例如此类传感器公开在例如美国专利US-A-5 496 611、欧洲专利申请EP-A-0 710 923和EP-A-0 716 393。
在WO97/29463和WO97/24964中公开了一种不同的单元件传感器技术，其中美国传感器包括一个线状非晶或微晶金属合金。非晶或微晶金属合金的一个重要特征在于可以通过交变的磁性调制场控制磁导率。通过被认做巨磁阻的物理效应，当传感器被一个电磁触发响应信号激励时，由磁性调制场调制发自传感器的电磁回答信号的幅度。探测回答信号幅度的调制并用于判断探测区中传感器的存在。
上述的电子产品检验的应用没有一项对每个传感器提供可遥测的身份。但是，对于在前的应用需要提供这类每个传感器带有的身份信息，如代表每个物体的产品号、序号、材料编码等。WO88/01427中公开了这种传感器或标识器，其中每个传感器或标识器具有多条由非晶铁电材料制成并以预定的角度关系或以预定的相互距离分布的磁致伸缩条或带。这一传感器的身份由预定的关系以及各个传感器元件的类型表示。传感器元件可通过磁性能量激励成机械共振。由共振传感器元件产生的此信号可以被磁性地或感应地检测。
在WO93/14478中公开了一种类似的系统，其中，传感器或标识器具有一个或不止一个的电子振荡电路，每个振荡电路感应地耦合到各个磁性传感器元件。每个电子振荡电路被激励成电子振荡，并且谐振频率可由外磁场通过磁性元件的磁导率控制，同时可以探测几个一致的传感器。
总而言之，现有的用于遥测物体的传感器不是只探测每个传感器存在的单元件型就是还要探测每个传感器身份的多元件型。单元件型传感器易于设计和制造并因而有较低的成本。另一方面，多元件型传感器需要一个支撑载体(尤其对于机械振荡传感器元件)和/或电容和电感元件(对于电子谐振电路型)。自然这意味着高成本。另外，因为上述多元件传感器主要通过一个磁性的或感应的电路工作，所以探测系统的工作距离非常短。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于遥测物体的传感器，能够表示传感器或与传感器连接的物体的身份，比现有传感器的成本低。本发明的次要目的在于提供一种传感器，其工作距离远于上述现有技术中多元件型传感器的工作距离。
本发明提供了一种遥测物体的方法，其中每个物体具有一个传感器，传感器至少包括两个以预定的代表传感器身份的彼此的相对角度设置的磁性元件，其中产生的电磁信号用于激励传感器元件以产生电磁回答信号，并且从每个传感器元件发出的电磁回答信号的幅度通过具有变量成分(AC)和非变量成分(DC)的第一磁场调制，其特征在于步骤：
产生具有旋转场矢量的第二磁场；当第二磁场的非变量成分平衡第一磁场的非变量成分时，检测回答信号成分中的频移，此时各个传感器元件瞬间暴露到实质上没有非变量成分的合成磁场；和当发生频移时，根据第二磁场非变量成分的取向判定各个传感器元件的取向。
根据本发明的方法，还包括解调所述的电磁回答信号并探测解调的回答信号中的频移。
在根据本发明的方法中，频移是从电磁回答信号成分频移前的调制频率移动到一个两倍的高频。
在根据本发明的方法中，给商品设置各自的传感器，传感器的身份代表商品的种类或类型。
在根据本发明的方法中，回收物品可以是塑料容器、玻璃瓶、或纸箱，它们配置有各自的传感器，每个传感器的身份代表回收制品的材料的类型。
本发明还提供了一种遥测物体的传感器，包括一个第一磁性传感器元件，适于暴露于磁场下响应于接收一个电磁输入信号而发射一个调制的电磁回答信号，其特征在于
一个第二磁性传感器元件，适于暴露于所述磁场下响应于接收一个电磁输入信号而发射一个调制的电磁回答信号，
其特征在于第一和第二磁性传感器元件以一种选自一组预定关系并代表传感器或与传感器连接的物体的身份的彼此的相对角度设置，
其特征还在于当第一和第二磁性传感器元件瞬间暴露于实际上没有非变量成份的磁场下时在其电磁回答信号中显示出一种频移。
在根据本发明的传感器中，传感器元件包括一种磁性材料，该磁性材料是一种非晶或微晶金属合金。
在根据本发明的传感器中，每个传感器元件形成一条线。
在根据本发明的传感器中，每个传感器元件的直径为100-200μm。
在根据本发明的传感器中，每个传感器元件的直径为7-55μm。
在根据本发明的传感器中，每个传感器元件配置有一个电介质材料涂层。
在根据本发明的传感器中，传感器元件包括一种磁性材料，当磁性材料暴露在高频电磁能量和低频磁能下时显示出巨磁阻效应。
在根据本发明的传感器中，传感器元件包括一种磁性材料，磁性材料具有占大半比例的钴。
在根据本发明的传感器中，磁性材料的成份是(Fe0.06Co0.94)72.5Si12.5B15。
本发明还提供了一种遥测物体的系统，每个物体上设置有一种传感器，传感器包括一个磁性传感器元件，系统包括用于在探测区中发射电磁信号的发射装置，用于接收传感器响应于发射装置发出的电磁信号产生的电磁回答信号的接收装置；和用于产生第一磁场以调制传感器发出的电磁回答信号的装置，其特征在于
在探测区中产生具有旋转取向的第二磁场的装置，
用于探测电磁回答信号的成份中由第二磁场导致的频移的装置，和
从第二磁场瞬态取向计算所述磁性传感器元件的取向的装置。
本发明的系统还包括在探测频移之前解调电磁回答信号的装置。
通过下列的详细描述、以及附图，本发明的目的、特点和优点将变得更加清晰。
下面将参照附图对本发明的优选实施例进行描述。
附图说明
图1表示一个遥测物体的系统，其中应用了根据本发明的方法和传感器；
图2是表示频移效应的曲线，用在根据本发明的方法中；和
图3和图4是表示本发明探测原理的向量图。
具体实施方式
图1表示一个遥测物体的系统，其中应用了根据本发明的方法和传感器。在探测区中设置一个发射天线11和一个接收天线12。发射天线11操作连接到输出级13，输出级13再连接到控制器14。输出级包括各种市场上可得到的驱动和放大电路以及用于产生高频fHF交变电流的装置，当给发射天线11供给电流时，电流来回流过天线11，其中围绕发射天线11产生高频电磁场。利用此电磁场激励存在于探测区10中的传感器，使得传感器在收到发射天线11发出的电子能量时发射一个电磁回答信号，由接收天线12接收。关于传感器在后面将有详细描述。
接收天线12操作连接到输入级15，输入级包括常规的具有放大和信号处理功能的装置，如带通滤波器和放大电路。输入级15还包括用于解调电磁回答信号并将其提供给控制器14的装置。
发射天线11和接收天线12有一个以已知的方式在高频电信号和电磁信号之间进行转换的目的。天线最好是具有旋转偏振(在所有方向上有最佳覆盖)的螺旋形天线，或常规的端部馈电或中心馈电的半波鞭状天线，但其它已知类型的天线同样可以使用。
探测区10还附带一个用于产生第一磁场Hmod的装置16。该装置16经过驱动级17连接到控制器14。驱动级17包括用于产生调制电流的装置，它把调制电流供给装置16，其中磁性调制场Hmod产生于探测区10的主要部分。磁性调制场Hmod最好有一个大约500-800Hz的频率，电磁激励和回答信号最好有一个处于GHz频带内的频率，如1.3GHz或2.45GHz。
图1中示出的盒状包装的物体20配置有本发明的传感器，传感器至少包括两个磁性传感器元件，传感器以一定的相互关系设置并代表传感器或传感器连接到的物体的身份。传感器元件可电磁性地拆卸，并包括一种磁性材料，磁性材料的磁导率可通过磁场和依赖于磁导率的高频阻抗控制。
根据优选实施例，传感器元件的材料实质上与上述WO97/29463和WO97/29464中描述的材料一致，这两篇专利的内容在此引为参考。换言之，在优选实施例中，传感器元件由一种富含钴的非晶合金制成，如(Fe0.06Co0.94)72.5Si12.5B15。优选实施例的传感器元件做成一个长度约5-100mm、主要的横向直径为7～55μm的金属线。另外，该线具有一个玻璃或其它介电材料薄涂层，涂层的厚度最好小于金属线芯的(直径)厚度。此线通常被称作微丝，并通过迅速拉伸熔融的金属合金和一个周围的熔融玻璃管制作。
根据另一个实施例，传感器元件的材料可以是微晶而不是非晶。另外，可以省去玻璃涂层，厚度(横向直径)可以大于优选实施例中的情形。直径在100～200μm之间、尤其约为125μm证明是有用的。但是，这些线不认为是微丝，并且以上述方式以外的方式制造，其本身在磁性传感器元件的技术领域中是公知的。总而言之，本发明的传感器包括各种类型的磁性传感器元件，本说明书中描述的磁性传感器元件是示例性的。
根据本发明的优选实施例，至少两个传感器元件彼此以一定的角度设置。优选一个传感器元件设置在另一个传感器元件的“顶部”。传感器元件可以安置到一个载体如粘贴的标签，或直接连接到有关的物体如通过粘结。另一种办法是把传感器元件缝合或编织到纺织品或另外的商品中或之上。在这种情况下传感器的身份可代表制品的类型或种类。还有一种办法是把传感器元件组合到包装材料中，如纸板、纸张或塑料膜中，或是组合到回收的制品中(如塑料容器、玻璃瓶、纸箱等)。在这种情况下，传感器的身份可以代表每个回收制品的材料类型。
可以通过传感器元件之间的角度偏移值来提供传感器(或有关的物体)的身份。当组装传感器时，根据一种选自一组预定取向的特定的预定取向来布置传感器元件。
第二磁场发生装置18布置在探测区10中用于产生一个第二磁场Hbias。此第二磁场是非变量，并且给出一个旋转的磁场向量(即磁场有一个磁场强度，不随时间改变但随方向改变)。
如前所述，巨磁阻效应导致从传感器发射并被接收天线12接收的电磁回答信号的幅度被调制。对于高频信号，线(传感器元件)材料的透入深度控制线的阻抗。透入深度受线的磁导率控制，并且磁导率反过来受探测区10中传感器周围磁场幅度的控制。装置16产生的磁性调制场Hmod有一个变量成分(“AC”)和一个非变量(“DC”)成分。基本上是电磁回答信号的幅度调制频率有AC成分决定，调制的相位由正或负DC水平决定。
在图2中，高频处传感器元件的阻抗表示为磁性调制场的函数。最右侧的垂直正弦波表示正常状况，磁性调制场Hmod有一个AC成分和一个DC成分。Hmod的AC成分具有频率fmod。如最上部的水平正弦波所述，传感器元件阻抗中的合成变量具有相同的频率fmod。从传感器发射的电磁回答信号的幅度将保持阻抗中的这些变量，并且因此将通过改变磁性调制场Hmod调制回答信号的幅度。所以解调的回答信号将包含一个频率为fmod的信号。
然而，如图2中最左侧的垂直正弦波所示，如果磁性调制场没有DC成分(变量成分)，则将在传感器元件发出的电磁回答信号的幅度调制中发生倍频效应，电磁效应对符号(即磁性调制场的方向)不敏感。合成的倍频由最下部的水平半波表示，具有2·fmod的频率。因此，解调信号将有一个频率，高达磁性调制场Hmod频率fmod的两倍。
上述的倍频效应提供了一个区别的信号特征，根据本发明用于探测传感器的身份。通常地，探测区10中磁性调制场变量成分的至少一部分发生于地球和/或其它存在于探测区中的磁性材料源的磁场。
如图3所示，通过附加由第二磁场发生装置18产生的第二磁场Hbias的旋转磁场矢量，可以确定每个传感器元件的方向或取向。成功探测传感器元件角度的先决条件是磁场Hmod的旋转场矢等于或大于磁性调制场Hmod的非变量成分。首先，在存在第二磁场时，每个传感器元件暴露在第一磁场Hmod沿传感器元件纵向的DC成分的投影中。当施加并旋转第二磁场Hbias的非变量场矢时，每个传感器元件将暴露给Hbias所施加场矢相应的相应投影中。通过此场矢的旋转，第二场矢Hbias的投影将迟早精确地平衡第一磁场Hmod的变量场矢，由此致使频率移动到2·fmod(即Hmod调制频率的两倍)，如图2所示。因为已知第二磁场矢量Hbias的瞬间取向，所以可以确定每个传感器元件的取向，下面将作进一步地描述。
如图4所示，对于每个传感器元件合成的零DC场的状态将在对称角处出现。如果Hbias的旋转DC矢量大于Hmod的DC矢量，则施加到传感器元件上的合成的DC磁场将在α1角度第一时间里和在α2角度第二时间里减小为零，其中α1＝α2。因此，既使不知道第一磁场Hmod的DC矢量的幅度或取向，也可以通过探测角度α1和α2来计算传感器元件的取向，然后，为了对称的原因，确定取向做为α1和α2之间的中心角。但是，在Hmod的DC矢量完全与Hbian的旋转DC矢量幅度相同的情形中，合成的零DC场的状态将只出现一次，即当Hbias的DC矢量平行于传感器元件时，其特征在于可以立即获得传感器元件的取向。
在本发明的范围内可以在几个步骤中执行识别，其中Hbias的幅度在磁场的每个全旋转中改变。以这种方式实现对两个传感器元件的识别。
以上已通过几个实施例对本发明进行了描述。但是，在本发明范围之内的非上述的其它实施例也是可行的，以所附的权利要求书的限定为准。

Claims (16)

1.一种遥测物体的方法，其中每个物体(20)具有一个传感器，传感器至少包括两个以预定的代表传感器身份的彼此的相对角度设置的磁性元件，其中产生的电磁信号用于激励传感器元件以产生电磁回答信号，并且从每个传感器元件发出的电磁回答信号的幅度通过具有变量成分(AC)和非变量成分(DC)的第一磁场(Hmod)调制，其特征在于步骤：
产生具有旋转场矢量的第二磁场(Hbias)；当第二磁场的非变量成分平衡第一磁场(Hmod)的非变量成分时，检测回答信号成分中的频移，此时各个传感器元件瞬间暴露到实质上没有非变量成分的合成磁场；和当发生频移时，根据第二磁场非变量成分的取向判定各个传感器元件的取向。
2.如权利要求1所述的方法，还包括解调所述的电磁回答信号并探测解调的回答信号中的频移。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于频移是从电磁回答信号成分频移前的调制频率移动到一个两倍的高频。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于给商品设置各自的传感器，传感器的身份代表商品的种类或类型。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于回收物品可以是塑料容器、玻璃瓶、或纸箱，它们配置有各自的传感器，每个传感器的身份代表回收制品的材料的类型。
6.一种遥测物体的传感器，包括一个第一磁性传感器元件，适于暴露于磁场(Hmod)下响应于接收一个电磁输入信号而发射一个调制的电磁回答信号，其特征在于
一个第二磁性传感器元件，适于暴露于所述磁场(Hmod)下响应于接收一个电磁输入信号而发射一个调制的电磁回答信号，
其特征在于第一和第二磁性传感器元件以一种选自一组预定关系并代表传感器或与传感器连接的物体(20)的身份的彼此的相对角度设置，
其特征还在于当第一和第二磁性传感器元件瞬间暴露于实际上没有非变量成份的磁场下时在其电磁回答信号中显示出一种频移。
7.如权利要求6所述的传感器，其特征在于传感器元件包括一种磁性材料，该磁性材料是一种非晶或微晶金属合金。
8.如权利要求6或7所述的传感器，其特征在于每个传感器元件形成一条线。
9.如权利要求8所述的传感器，其特征在于每个传感器元件的直径为100-200μm。
10.如权利要求8所述的传感器，其特征在于每个传感器元件的直径为7-55μm。
11.如权利要求10所述的传感器，其特征在于每个传感器元件配置有一个电介质材料涂层。
12.如权利要求6所述的传感器，其特征在于传感器元件包括一种磁性材料，当磁性材料暴露在高频电磁能量和低频磁能下时显示出巨磁阻效应。
13.如权利要求6所述的传感器，其特征在于传感器元件包括一种磁性材料，磁性材料具有占大半比例的钴。
14.如权利要求13所述的传感器，其特征在于磁性材料的成份是(Fe0.06Co0.94)72.5Si12.5B15。
15.一种遥测物体的系统，每个物体(20)上设置有一种传感器，传感器包括一个磁性传感器元件，系统包括用于在探测区(10)中发射电磁信号的发射装置，用于接收传感器响应于发射装置发出的电磁信号产生的电磁回答信号的接收装置；和用于产生第一磁场(Hmod)以调制传感器发出的电磁回答信号的装置(16)，其特征在于
在探测区(10)中产生具有旋转取向的第二磁场的装置(18)，
用于探测电磁回答信号的成份中由第二磁场(Hbias)导致的频移的装置，和
从第二磁场(Hbias)瞬态取向计算所述磁性传感器元件的取向的装置。
16.如权利要求15所述的系统，还包括在探测频移之前解调电磁回答信号的装置。
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