CN1137392C - 磁检测和读取装置 - Google Patents

Abstract

一种用于检测具有易磁化轴的磁性标签的存在的检测器，包括(1)或者(i)一个磁体或者(ii)一对排列成磁极相对的磁体，将该磁体或该对磁体设置成限定一个空间区域，在使用时，磁性标签通过或穿过该空间区域，所述磁体的设置和产生的磁场模式使所述磁性标签在通过所述空间区域内的磁空的过程中的磁化极性的改变；以及(2)包括一对或多对以反相排列连接的线圈的接收线圈，这些线圈(在采用了一单个磁体的情况下)位于所述磁体的一个极子的上面并与之接近，或者(在采用了两个磁体的情况下)位于所述一对磁体之间；并被安排为检测由一个磁性标签在其通过所述磁空时发射的磁偶极子辐射，其中，标签的容易磁化的轴指向运动方向。接收线圈最好被构造为印制电路板的一个组件，其导电道互连，以形成一个在很多层上具有绕组的三维线圈。

Description

磁检测和读取装置

技术领域

本发明涉及磁检测和读取装置，特别涉及用于读出存储在磁性标签或元件中的信息的检测器(或读出器)。

背景技术

在以前的专利申请(GB 9506909.2和PCT/GB96/00823-公开为WO96/31790)中，我们已经描述了基于利用磁性材料通过包含一磁空的空间区域时的特性用于空间磁询查的的新技术。特别地，我们以前的申请描述了包含一个或多个磁性元件的无源标签如何可以作为远程可读的数据载体，其中，元件的个数和空间排列代表信息。

WO96/31790(1996年10月10日公开)将磁空定义为：“空间中的一点、线、面或体，在其上或其内的一给定线性方向上的磁场分量为0”参见该文的第3页第34行到第4页第2行。

在我们以前的申请中，描述了一些采用永磁体或电磁体来产生磁空的可能的系统实施例。我们还描述了一些尤其适合于采用非常低的矫顽磁性、高磁导率的磁性元件的标签的可能的系统实施形式。这些实施形式检测一个叠加低振幅交替询查场的谐波。但是在先前申请中描述的所有结构也可以以由磁性标签通过磁空产生的基带信号进行操作，而无需任何叠加交替询查场。如果需要，可以增加一磁空扫描场以允许读出固定标签。

此外，所述的基本技术并不限于低矫顽磁性材料，本申请涉及一种能够询查包含由磁性材料制成的磁性的磁性标签的检测器，该磁性材料的矫顽磁性范围从非常低(1A/m或更小)到较高(30000A/m或更高)。此类实施例对于高矫顽磁性材料特别有效，因为它避免了对于高振幅交流询查场的需求，否则对于此类材料是需要高振幅交流询查场的。其他优点还包括高数据速率以及简单化。本发明特别适合于从物品例如已经包含由具有宽范围矫顽磁性的材料制成的磁性元件的保密文件和纸币中提取信息。因此，应该理解，在这里术语“标签”在其范围内包含诸如保密文件和纸币等物品。

US-A-3 964 042(D1-Garrott)描述了一种用于检测铁类物体例如螺母和螺栓的金属检测器，特别是在饲料收割机范围内，其中用铁或其他磁性材料制成的机器部分破裂显然是很普遍的，这会导致对机器的饲料处理部分的损坏。金属检测器利用永磁体来产生静态磁场，该磁体被排列为使得磁力线在第一平面的相对极性的各极之间延伸，第一平面将被进入机器的外来金属物体的通过所切割。将一个检测线圈在与所述第一平面正交的第二平面内放在永磁体的周围。如图所示，线圈位于水平平面上。因此，该线圈对于垂直平面(即，与线圈平面正交)内出现的磁通变化是敏感的。在显示的实施例中，以下列结构安排四个磁极：

----N1-------S2----

----S1-------N2----

这可以通过使用两个一般为马蹄形截面、相接触并排放置的磁体来实现。于是，有两个磁间断，都出现在通过两个磁体之间的接触平面的垂直平面内。这种排列不能检测出具有容易磁化的轴的磁性元件的通过磁空的通路(磁空位于D1的图2和3的几何关系的垂直平面内)。这是因为D1中采用的线圈排列对于垂直方向上的磁通变化是敏感的，但对于水平方向上的变化不敏感。相反，如果一个磁性标签要沿着D1的图2中显示的箭头方向运动通过磁分布，在垂直方向上则磁通量没有变化，而在运动方向上(即，在水平平面上)则磁通量有变化。此外，D1的第6列第1行至29行清楚地表明，如果一个小的对称金属物体要通过磁空，则不太可能被检测到。

EA-A-0 295 085(D2-Scientific Generics Ltd)描述了一种通过将预先选定的磁性标签加在其上来检测物品存在的方法，以一种编码格式排列这些预先选定的磁性标签，以便可以使用磁询查来确定物品的存在。该申请未公开类似本申请中的对询查场的使用。

US-A-5 397 985(D3-W.David Kennedy)公开了一种导电箱的电磁成象方法，在该方法中，在箱内引入了一个转换器，该转换器在旋转的同时沿箱的长度方向运动。对磁通密度变化进行测量。

GB-A-2 071 336(Doduco)公开了一种采用一个位于两个永磁体之间的双稳态磁性元件的位置编码器。该双稳态磁性元件的周围绕有一个发出AC场的励磁机线圈和一个检测器线圈。

发明内容

依据本发明，提供了一种用于检测具有易磁化轴的磁性标签的存在的检测器，该检测器包括(1)(i)一个磁体或(ii)一对排列成磁性相对的磁体，将该磁体或该对磁体设置为以便限定一个空间区域，在使用时，磁性标签通过或穿过该空间区域，所述磁体的设置和产生的磁场模式使所述磁性标签在通过所述空间区域内的磁空的过程中的磁化极性的改变；以及(2)一个或多个接收线圈，这些线圈(在采用了一单个磁体的情况下)位于所述磁体的一个极子的上面并与之接近，或者(在采用了两个磁体的情况下)位于所述一对磁体之间，并被安排为检测由一个磁性标签在其通过所述磁空时发射的磁偶极子辐射，其中，标签的容易磁化的轴指向运动方向。

在一个实施例中，检测器包括一对磁性相对排列的永磁体，即，相同的极子彼此相对，在磁体之间的空间限定所述空间区域，并且为一个槽隙的形式，在使用时，磁性标签通过该槽隙。在另一个实施例中，检测器包括一单个永磁体，所述空间区域由在磁体一个表面上面的一个空间区域构成，在使用时，磁性标签在其附近通过磁体的所述表面。

如同下面所要描述的，对于接收线圈，将其制造为印制电路板的一个组件的形式是特别有利的，线圈绕组由板上的导电路径组成，并且将这些板互连以产生一个三维线圈。优选地，接收线圈连接于信号处理装置，该信号处理装置优选为设置成产生一个相应于或相关于存储在所述磁性标签中的信息的输出信号。

我们现在说明对于从包含介质或高矫顽磁性材料的运动标签或元件非接触地读取信息特别适用的一种结构。这种结构也适合于使标签材料饱和所需的场较高、与矫顽磁性无关的情况(例如，标签元件具有差的形状因子，并且具有由于退磁作用导致的低导磁率)。这种结构采用由一个或多个强永磁体产生的磁空。选择磁体强度，以便在与窄中点磁空区域紧密相邻的区域内的峰值场能足够使标签材料饱和。显然，对于高矫顽磁性的标签材料，这需要强磁体。这种一般由包含稀土元素例如钐和钴的合金制成的部件通常在很多工厂中可以买到。

当将一个包含磁性材料的一个或多个元件的运动的标签或物品安排为使它或它们的磁性软轴或多个磁性软轴(即，容易极化的轴)指向通过磁空区域的运动方向时，磁性材料的磁化改变极性。这种磁化改变产生标签的一个磁偶板子辐射脉冲，这种辐射可以容易地被合适放置的接收线圈检测到。在这个实施形式中，应用一个静态磁空平面和一个运动标签，则由于在接收线圈中感应的信号振幅与磁性元件中的磁化改变速率有关，所以信号振幅与标签速度有关。

附图说明

为了更好地理解本发明，并且显示相同的方式是如何实现其作用的，下面将参考附图以例子的形式进行说明，其中：

图1显示了本发明的检测器所依据的磁特性；

图2显示了本发明的第一个实施例；

图3显示了本发明的第二个实施例；

图4显示了用于构造本发明中所用的接收线圈的最佳方法；

图5用图解形式显示了本发明中所用的一个较佳线圈几何结构；以及

图6显示了本发明中所用的线圈和磁铁结构。

具体实施方式

现在参考附图，图1(a)和1(b)显示了一个磁性元件随着它通过询查器的空区域其磁化强度是如何变化的，还显示了在接收线圈内感应的信号形式。磁空对应于磁性元件未处于饱和状态的空间区域。这在图1(a)中显示，其条件为标签元件的长度小于或等于磁空的宽度。图1(b)表示当标签元件长度与磁空宽度可相比拟时接收线圈内的感应电压(如图1(a)所示)。对于长标签元件，在标签元件跨过磁空区域时标签元件的不同部分将移入和移出磁空区域。因此，感应脉冲的持续期将延长，如图1(c)所示。

图2显示了本发明的一个采取槽隙读出器形式的实施例。在该实施形式中，为了简化的缘故显示了一个简单的接收线圈结构。这种线圈结构对于良好的环境是令人满意的，特别是当线圈区域较小时。然而，在有相当大的外部磁噪声源存在(例如，如果读出器是一个包含未屏蔽的电动机的机器的一部分)的环境中，或者线圈区域较大，则最好是一个包括两个同轴反相串联线圈的更复杂的接收线圈。这种结构的外部线圈比内部线圈具有更少的匝数，以便给出一个相等但相反的偶极矩(区域×匝数的乘积)。这种结构对于具有在轴上的外部远场信号具有低敏感性，而对于处于该线圈对中央的标签元件则保持好的敏感性。因此，这比简单的单个线圈受到的干扰影响小。在此情况下，信号处理装置包括一个低噪声仪器用放大器，其输入连到接收线圈，其输出连到一个低通滤波器。

如图所示，限定“槽隙”的两个磁体处于磁相对状态-(在该情况下)南极彼此相对。基本磁理论表明，在与每个南极紧密相邻的区域磁力线将密集，而位于两个磁体之间的范围内有一个磁空区域。随着磁性元件在箭头方向上接近该槽隙，其易磁化轴与运动方向一致，作为在运动方向上的磁场分量(其处于一水平平面上，如图2所示)作用的结果，该磁性元件在运动方向上被磁化了。基本磁理论表明，随着向槽隙的接近，该分量场增加到一最大值，然后在槽隙内的磁空区域下降为零。随着标签继续通过槽隙，它又一次受到在运动方向上的磁场分量的作用，但这次该分量方向与标签接近槽隙时所经受的磁场分量相比是反向的。因此，标签的磁化的极化在通过磁空的通路上已经被反向了。该磁化反向导致磁偶板子辐射的发射，这会由线圈检测到。

图3显示了本发明采取单边读出器形式的第二个实施例，该读出器适合于读取长度可小至1mm、矫顽磁性可高至500奥斯特的磁性元件。读出器的敏感性在距离线圈表面0-1mm的范围内是近似均匀的，最大可用范围是大约2mm。在该实施例中，静态磁场由一个尺寸为15mm长×5mm宽×10mm厚、表面场为c.1.0特斯拉的完全饱和的烧结NdFe永磁体产生。如同上面结合图2所描述的，对由高功率磁体产生的磁力线的考虑表明，当通过磁体表面时在标签或物品中的磁性元件如何在一个极化中第一次被磁化、然后又反向磁化的。在标签通过磁体的运动的中点，水平场为零即，磁性元件正经历一个磁空。整个接收线圈是由两个反相连接的线圈组成的，即，如同一个8形的结构。每个线圈绕在一个1.6mm宽×10mm长的线圈架上，包含分层叠绕的70匝0.1mm直径的漆包铜线。这种结构对于标签的磁偶板子辐射提供了良好的耦合，还提供了敏感性随着到线圈的距离迅速下降的特性。这种敏感性分布是在可能存在着相当大的外部磁噪声源的环境(例如，如果读出器是一个包含未屏蔽的电动机的机器的一部分)中的操作所需要的。在一个低噪声仪器用放大器中将接收线圈的低电平输出放大为×1000，低噪声仪器用放大器例如可以为合适的模拟设备AMP-027集成电路等设备。系统的带宽由一个低通滤波器限定，基于低成本运算放大器例如TL084型使用公知技术来实现。当滤波器带宽与最大信号带宽相匹配时，提供了最佳信噪比。对于带有最小长度为1mm的磁性元件、运动速度为10m/sec的标签，合适的带宽为5Khz。

图2中所示的标签被显示为带有三个磁性元件；而图3中的标签带有四个磁性元件。应该理解，考虑图1(a)到1(c)，图2和3的设备将读取这些标签，给出在个数上对应于标签中存在的磁性元件的个数的信号，并且这些信号的特性与磁性元件的长度有关(比较图1(b)和1(c))。于是，这些设备将用作为标签的读出器。

对于刚刚描述的这些结构重要的是要确保这些结构具有足够的机械稳定性，以避免由于线圈相对于磁体的运动而产生感应电压。有关技术是那些已经在工业金属检测器中所使用的技术，例如：防止标签与接收线圈直接接触的装置，线圈与磁体组成支持结构的固态连接以及该结构与外部振动的隔离。

通过注意上述实施例的结构的特定区域，可以增加其有效性。这些涉及线圈的几何结构和制造；在多通道设计中多个线圈的交叉；以及永磁体对于线圈的安排结构。所有这些都提供了检测过程中的改进性能。特别地，用于检测有关磁性材料的FN(飞点磁空)磁头的性能是由四个因素限制的，即：

1)接收线圈的敏感性-由形成天线的线圈的匝数(限定接收到的信号)与线圈的电阻(设置由线圈产生的内部噪声)的比值确定；

2)线圈对远场(周围)电磁噪声源的不敏感性，这需要一种平衡的天线几何结构(四极或更高阶响应)；

3)在与磁空区域相连的区域内的磁场强度，以及其通过磁空的梯度；以及

4)天线对于偏置场磁体的结构稳定性。

下面将说明基于这些考虑的设计特征。

一种特别有利的结构出自于使用多层印制电路板或“PCB”  (在实现电路中所常用的)来构造FN磁头中所需的线圈。在这种电路上的图案是用光刻技术产生的，允许实现非常精细的线圈几何结构，并且容易在批量制造中复制。这种构造形式允许非常精细的‘线圈绕组’，并且可以设想采用在多层光刻PCB产品中可以达到的精确的三维容差来制造各种专用天线。使用在每一层上的道的特定几何结构、接着使用标准的直通层互连方法将这些层连接起来来形成线圈。另外，用于不同应用的分层线圈变得非常简单，用传统的线圈绕组技术很难实现的线圈结构变得相对简单了。

图4是这种技术的一个例子。这显示了该方案的一个特定实施例的重要的物理参数。在图4a中，我们可以看出使用先刻装置实现的金属道(相当于传统线圈中的线)草图的基本思想。然后将这些道互连以产生一个三维线圈，在每一层上的道形成绕组(图4b)。在实际中，可以采用多于20个的PCB层来实现线圈。

重叠的几何结构在特定应用中具有有利之处。例如，单个平衡线圈排列不适合在大区域上的检测，因为它对于外部干扰变得过分敏感。以多个具有重叠检测区域的较小线圈覆盖所需区域则可以克服这个问题。图5显示了可以以蚀刻在一个多层板的不同层上的线圈图案来实现这一点的一种方式。

PCB构造其本身还是非常坚固的，这有利于防止线圈绕组相对于磁体的运动。由例如在磁头上的意外碰撞引起的任何这样的运动都会在线圈中产生不希望的噪声电压，从而降低了性能。

进一步的设计改进是要扩展永磁体通过线圈中央的表面。与磁体表面低于线圈水平的设计相比，这增大了所考虑的区域中的磁场强度和梯度场，并提供了提高的分辨率或信号电平，或二者兼备。在图6中显示了一种使用带有扩展极片的磁体的实施形式。如图6所示，该极片在接收线圈的绕组之间延伸。该实施形式使用了PCB线圈，但也可以用常规的缠绕线圈来实现。

Claims (9)

1.一种用于检测具有易磁化轴的磁性标签的存在的检测器，其特征在于包括：(1)或者(i)一个磁体或者(ii)一对排列成磁极相对的磁体，将该磁体或该对磁体设置成限定一个空间区域，在使用时，磁性标签通过或穿过该空间区域，所述磁体的设置和产生的磁场模式使所述磁性标签在通过所述空间区域内的磁空的过程中的磁化极性的改变；以及(2)包括一对或多对以反相排列连接的线圈的接收线圈，这些线圈在采用了一单个磁体的情况下位于所述磁体的一个极的上面并与之接近，或者在采用了两个磁体的情况下位于所述一对磁体之间；并被安排成检测由磁性标签在其通过所述磁空时发射的磁偶板子辐射，其中，标签的容易磁化的轴指向运动方向。

2.如权利要求1所述的检测器，包括一对磁性相对排列的永磁体，在磁体之间的空间限定所述空间区域，并且为一个槽隙的形式，在使用时，磁体标签通过该槽隙。

3.如权利要求1所述的检测器，包括一单个永磁体，所述空间区域由在磁体一个表面上面的空间区域构成，在使用时，磁性标签在其附近通过磁体的所述表面。

4.如权利要求1所述的检测器，其中，所述接收线圈包括多个安置成几何重叠结构的五连线圈。

5.如权利要求1-4中任一个所述的检测器，其中，所述线圈为印制电路板的一个组件的形式，线圈绕组由板上的导电路径组成，并且将这些板互连以产生一个三维线圈。

6.如权利要求1-4中任一个所述的检测器，其中，该磁体或每个磁体包括一个在所述接收线圈或多个线圈绕组之间延伸的极片。

7.如权利要求1-4中任一个所述的检测器，其中，还包括与所述接收线圈相连的信号处理装置。

8.如权利要求7所述的检测器，其中，所述信号处理装置被构造并安置为产生一个与存储在所述磁性标签内的信息对应或相关的输出信号。

9.如权利要求8所述的检测器，其中，所述信号处理装置包括一个低噪声仪器用放大器，其输入连到接收线圈，其输出连到一个低通滤波器。

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