CN116027437A - 用于异物检测装置的传感器布置结构 - Google Patents

Abstract

一种用于无线电力传输系统的异物检测装置的传感器布置结构，包括多个检测单元，每个检测单元包括感测线圈，该感测线圈的绕组螺旋地缠绕在平面中并且具有多圈线匝。设置有多条输入引线和一条或多条输出引线，使得每个检测单元可以直接地或通过选择电路与电流输入端和电流输出端连接，该选择电路适于选择性地在电流输入端与输入引线中的一条或多条之间或者在输出引线中的一条或多条与电流输出端之间建立电连接。为了在特定检测单元附近实现较均匀的异物检测灵敏度，该检测单元的感测线圈包括外线圈段和布置在外线圈段内的内线圈段，其中内线圈段的最外线匝与外线圈段的最内线匝之间的第一距离是外线圈段的两圈线匝之间的最大距离的至少两倍。

Description

用于异物检测装置的传感器布置结构

技术领域

本发明涉及用于无线电力传输系统的异物检测装置的传感器布置结构，该传感器布置结构包括：电流输入端和电流输出端；多个检测单元，每个检测单元包括感测线圈，该感测线圈的绕组螺旋地缠绕在平面中并具有多圈线匝；多条输入引线和一条或多条输出引线，其中，每个检测单元连接在输入引线中之一与一条输出引线之间，并且其中，每个检测单元连接到输入引线和输出引线的不同组合；以及输入选择电路，其适于选择性地在电流输入端与一条或多条输入引线之间建立电连接。本发明还涉及用于无线电力传输系统的初级部分的异物检测装置，该无线电力传输系统用于使电力通过空气隙传输到附近的接收器，该异物检测装置包括这种传感器布置结构；以及本发明还涉及用于无线电力传输系统的初级部分，该无线电力传输系统用于使电力通过空气隙传输到附近的接收器，该初级部分包括这种传感器布置结构或这种异物检测装置。

背景技术

电能用于许多不同的应用。为了给并非一直连接到电源的电驱动装置、物品或物体供电，这些装置、物品或物体通常配备有一个或多个用于储存能量的电池，以在这样的装置、物品或物体没有连接到电源时为其供电。示例为：移动设备，诸如手机、膝上型电脑、充电式螺丝刀等；家用电器；机动交通工具，诸如汽车、卡车、摩托车、火车、小船、轮船、飞机、直升机等；以及工业用交通工具，诸如叉车、自动导引车(AGV)、清洁机、电梯等，或者用于升降、移动或运输任何类型货物的电动设备。所有这些装置、物品或物体通常都包括用于使其运行的电池。

如果存储在此类电池中的能量已被利用其进行操作的装置、物品或物体完全地或部分地消耗，则电池可以被充电。充电可以通过用导线将电源连接到电池来进行。

对此类电池进行充电的另一种方法是无线充电，通常是通过磁场进行感应电力传输。

无线充电系统的功率等级具有较广的范围，输出功率在1W到数百kW之间。

然而，无线充电的问题之一在于：对于放置在用于传输能量的磁场中的物体，通常不可能以机械方式防止此类物体被放置在电力传输装置的初级单元和/或次级单元附近。尤其是磁性和导电性物体，例如硬币、钥匙、工具、罐头或其它物体，会因感应的涡流和磁滞损耗而在磁场中迅速升温。这种电能到热能的无意转换会导致额外的损失，尤其是对系统和处于系统环境中的人或动物造成危险。由于物理定律，无法避免这种效应和产生的发热。因此，重要的是检测这种异物的存在以消减危险。这种方法也称为异物检测(foreignobject detection,FOD)。

已经有各种方法来解决此问题。在一些情况下，发射垫的弯曲形状确保了物体在重力的帮助下离开垫。另一种方法是使用传感器来检测金属物体的存在。例如，可以使用电容传感器和光学传感器，但它们很容易受到环境影响和非金属物体的干扰。感应传感器(inductive sensors)较常用，因为它们对环境影响例如污垢具有鲁棒性，同时在近距离范围内提供精确的结果。一种感应传感器检测由于待检测物体中感应的涡流而引起的线圈的电感减小，其中该涡流使线圈的初级磁场抵消。由于物体的有限电导率，也会发生欧姆损耗，其也可以被检测到。为了评估这些变化，在现有技术中已经建立了若干种方法，这些方法也在以下所述的现有技术中被使用。众所周知的是使用传感器线圈阵列来增加检测区域同时实现足够的检测灵敏度。

一种已知的用于FOD的技术包括测量线圈的阻抗，该线圈被布置在若干线圈的矩阵中，并且该线圈的阻抗因异物的存在而改变。

例如，文献EP 3 734 801公开了这样的异物检测装置。异物检测装置包括传感器布置结构、刺激单元、测量单元以及信号处理和控制单元。传感器布置结构包括可以通过复用器单独启用的多个检测单元。每个检测单元包括感测线圈，并且为了提高物体检测的准确度和抗干扰能力，还包括电容器，以形成谐振电路。检测单元通常以具有行和列的矩阵进行布置，使得可以监测较大的区域。具体检测单元可以通过输入复用器和输出复用器、使用下述连接线分别连接到刺激单元和测量单元，上述连接线沿着由检测单元形成的矩阵的行和列进行馈送，并且这些连接线通过可控开关连接到输入端和输出端。

通过以下方式来检测异物：将由刺激单元提供的刺激信号施加到所选检测单元，测量所产生的响应，并将所产生的响应与先前记录的、确保没有异物位于磁场中时该检测单元对相同刺激信号的响应进行比较，如果所产生的响应与先前记录的响应不同，则获知磁场中存在异物。

刺激信号可以例如是电流阶跃(current step)。所产生的由该电流阶跃引起的阶跃响应是电压的振荡。这种振荡可以由若干参数定义，因此这些参数可能会受异物的影响。例如，异物可能会改变感测线圈的电感L和电阻R。

刺激信号也可以是矩形脉冲，或任何允许确定异物检测所需或所期望的特性的其它信号。

如果异物检测要覆盖的区域较大，单个线圈通常不足以覆盖整个区域。例如在EP3 734 801中所示的，该问题通过使用布置成矩阵状结构的多个检测单元来解决。

然而，这些多个检测单元中的每个检测单元的感测线圈在该特定感测线圈所覆盖的整个表面上不具有相同的灵敏度。例如，感测线圈具有大致方形的形状，其各圈线匝均匀地分布，例如EP 3 734 801的图8a和图8b所示，感测线圈的灵敏度在线圈的中心达到最大值，而朝向线圈的边缘几乎线性地下降。因此，例如位于两个相邻感测线圈的边缘之间的异物，即可能由于该区域中感测线圈的灵敏度降低而无法被检测到。

在另一示例中，感测线圈具有大致方形的形状，其中各圈线匝集中在线圈的外部区域中，例如EP 3 734 801的图8c中所示，感测线圈的灵敏度在线圈中心与线圈边缘之间距离的约一半处达到最大值，在线圈的中心周围下降，并且朝向线圈的边缘从最大值几乎线性地下降。

因此，由于这种感测线圈在其中心的灵敏度降低，可能无法检测到例如位于该感测线圈的中心的异物，并且难以解读指示检测到异物的信号，这就是为何系统通常是针对最坏的情况设计的并且因此通常必须具有过大的尺寸。

发明内容

因此本发明的目的是创建一种属于最初提到的技术领域的传感器布置结构，其确保在发射单元的整个表面上对于异物检测具有较均匀的灵敏度。本发明的另外的目的是为无线电力传输系统创建相应的异物检测装置和相应的初级部分(primary part，主边部分)，以使电力通过空气隙传输到附近的接收器。

本发明实施例提供的用于无线电力传输系统的异物检测装置的传感器布置结构，包括：电流输入端和电流输出端；多个检测单元，每个检测单元包括感测线圈，该感测线圈的绕组螺旋地缠绕在平面中并具有多圈线匝；多条输入引线和一条或多条输出引线，其中每个检测单元连接在输入引线中之一与一条输出引线之间，并且每个检测单元连接到输入引线和输出引线的不同组合；以及输入选择电路，其适于选择性地在电流输入端与一条或多条输入引线之间建立电连接。根据本发明，至少一个检测单元的感测线圈包括外线圈段和布置在外线圈段内的内线圈段，其中内线圈段的最外线匝与外线圈段的最内线匝之间的第一距离是外线圈段的两圈线匝之间的最大距离的至少两倍。

优选地，所有检测单元的感测线圈均包括外线圈段和布置在外线圈段内的内线圈段，其中内线圈段的最外线匝与外线圈段的最内线匝之间的第一距离为外线圈段的两圈线匝之间的最大距离的至少三倍。

通过将感测线圈的线匝分成彼此间隔开的外线圈段和内线圈段，可以使感测线圈的灵敏度在感测线圈的中心周围较均匀。由此，外线圈段对应于外部区域中集中的绕组，其中内线圈段确保在感测线圈的中心周围灵敏度不会下降或不会明显下降。

因此，本发明不仅确保了单个感测线圈对于异物检测具有较均匀的灵敏度，而且还确保了在发射单元的整个表面上对于异物检测具有较均匀的灵敏度。

除了本发明的传感器布置结构之外，根据本发明的FOD装置还包括用于产生预定的刺激信号的刺激电路，该刺激信号例如为电流阶跃或电流脉冲。刺激信号也可以是正弦信号。刺激电路连接到传感器布置结构的电流输入端。相应地，电流输入端是传感器布置结构的于其处刺激信号的电流流入该传感器布置结构的连接点。类似地，电流输出端是传感器布置结构的连接点，其中刺激信号的电流在该连接点处流出该传感器布置结构。通常，电流输出端接地。

输入引线是将检测单元与如下文进一步描述的输入选择电路连接的电连接件，输入选择电路又在电流输入端与一条或多条输入引线之间建立电连接。类似地，输出引线是将检测单元与传感器布置结构的电流输出端直接连接或与如下文进一步描述的输出选择电路连接的电连接件，输出选择电路又在一条或多条输出引线与电流输出端之间建立电连接。输入引线和输出引线可以由任何合适的电导体形成，例如导线。然而，输入引线通常由PCB上的迹线形成。

FOD装置还包括测量单元，该测量单元适于感测施加到电流输入端的电信号，其中该测量单元包括模数转换器，以用于获取表示所感测电信号的采样数据。FOD装置还包括信号处理单元，该信号处理单元被配置为基于由测量单元所获取的采样数据来确定所选检测单元的时间响应数据。还优选地，测量单元包括用于对电信号进行滤波的滤波器。

感测线圈例如被布置为平坦结构，诸如垫或板，该平坦结构被定位在用于产生电力传输场的初级垫上方，并且当包括次级垫的装置被定位成通过电力传输场接收电力时，该平坦结构被布置在初级垫与次级垫之间。

在本申请的上下文中，无线电力传输系统是一种允许在空间中通过时变电磁场进行电力传输而不需要导线作为物理链路的系统。电力传输系统包括：作为发射器装置的初级部分，其由来自电源的电力驱动，并产生电磁场；以及作为接收器装置的次级部分(secondary part，副边部分)，其从磁场中提取电力并将该电力提供给电负载。在具体形式中，无线电力传输系统是感应式电力传输系统。

电磁场，也被称为电力传输场，由布置在电力传输系统的初级部分中的至少一个谐振器产生。电力传输场的形状取决于谐振器的元件以及元件的布置和互连方式。这种谐振器通常包括具有至少一个线圈和电容器的谐振电路。谐振器还可以包括其它元件，例如附加的电感器和一个或多个磁通引导元件。谐振器中经常使用所谓的双D布置来产生电力传输场。这种布置包括两个D形(或类似形状)线圈，这两个线圈被布置成彼此相邻并位于铁氧体片等上方。当两个线圈被馈送相反方向的电流时，产生磁场，其中磁场线穿过线圈的中心，但在线圈之间的区域中通常平行于线圈的平面。如果次级部分位于初级部分附近例如初级部分上方，那么初级磁场的磁场线会由于次级部分而变形。所产生的电力传输场的形式在很大程度上取决于次级部分相对于初级部分的布置，也取决于初级绕组和次级绕组中的电流以及它们所传输的电力。

在本申请的上下文中，异物被定义为：定位在无线电力传输系统的附近但不是其一部分、并且可能在电力传输系统的电力传输中产生损耗的任何导电和/或磁性的物体，特别是任何金属物体。

术语“有效区域”是指：在没有次级部分和异物的情况下，当初级部分以其标称电流和频率供电时，初级磁场的磁通线的主要部分会延展经过的区域。主要部分可以是例如总磁通量的10％、25％、50％、75％、80％、90％、95％或99％。有效区域限定了其附近须放置次级以传输电力的区域。对于无线充电应用，有效区域也可以被指定为“充电区域”。

以类似的方式，术语“电力传输区域”是指：在次级部分被布置在其标称位置，但没有通过初级部分与次级部分之间的空气隙传输电力的情况下，初级磁场的磁通线的主要部分会延展经过的区域。换言之，有效区域和电力传输区域限定了在靠近初级部分的空间中的暴露于初级部分的磁场的表面。

在本申请的上下文中，术语“所选检测单元的时间响应数据”被理解为包括表示所选检测单元对预定义的刺激信号的时间响应的数据集，其中，时间响应数据是基于表示所选检测单元的激发振荡的电信号的采样数据而获得的。

该数据可以简单地包括由FOD装置的模数转换器针对所选检测单元所获取的、表示由预定刺激信号引起的激发振荡的电信号的原始采样数据。该数据还可以包括在对原始采样数据应用数字处理步骤之后获得的值，上述处理例如为下采样、上采样、缩放、过滤、数据压缩、应用相关函数、参数识别等。该列表并不是排他的。所选检测单元的时间响应数据可以具体地包括单个参数，例如检测单元的串联电阻、串联电感或更一般地为串联阻抗、所选检测单元的串联阻抗的相对变化、衰减率、衰减率的变化、谐振频率或谐振频率的变化。时间响应数据还可以包括这些参数的组合。

通常，内线圈段和外线圈段均可以具有任意数量的线匝。可以对这两个段的线匝的数量进行选择，以最佳地适应特定应用，包括具有特定数量和布置的检测单元以及具有特定形状的感测线圈。

然而，在本发明的优选实施例中，感测线圈在外线圈段中包括多圈线匝并且在内线圈段中包括单圈线匝。实验表明，内线圈段的单圈线匝在许多情况下足以实现感测线圈的灵敏度的足够均匀的分布。

在内线圈段具有单圈线匝的情况下，第一距离优选地等于至少一个检测单元的感测线圈的内线圈段中的单圈线匝与该感测线圈的中心的距离。或者换言之，该单圈线匝与感测线圈的中心之间的距离优选地与该单圈线匝与外线圈段的最内线匝之间的距离相同。实验表明，内线圈段的单圈线匝的该位置使感测线圈的灵敏度足够均匀地分布。

在本发明的另一优选实施例中，至少一个检测单元的感测线圈的中心与内线圈段的最内线匝之间的距离小于感测线圈的中心与外线圈段的最外线匝之间的距离的三分之二。相应地，外线圈段的各圈线匝集中在感测线圈的外部区域中，而内线圈段的各圈线匝布置在外线圈段内但与外线圈段间隔开。

在本发明的甚至更优选的实施例中，至少一个检测单元的感测线圈的中心与内线圈段的最内线匝之间的距离小于感测线圈的中心与外线圈段的最外线匝之间的距离的一半。

尽管可以选择外线圈段的各圈线匝彼此之间具有不同的距离，但优选地选择使它们被布置成彼此等距地隔开。

类似地，如果内线圈段包括三圈或更多圈线匝，可以选择这些线匝彼此之间具有不同的距离。但优选地选择使它们也被布置成彼此等距地隔开。

由此，外线圈段的各圈线匝间的相等距离与内线圈段的各圈线匝间的相等距离可以不同，但它们优选地相同。

优选地，检测单元的感测线圈被缠绕所在的平面至少彼此平行，并且更优选地布置在单层中。

这种单层的感测线圈优选地不相互重叠。根据感测线圈的外部形状和感测线圈的中心的位置，感测线圈之间可能存在空隙，其中检测灵敏度可能降低，甚至可能无法检测，从而产生盲点。

然而，感测线圈也可以布置在不止一层中，其中这些层彼此平行布置。

在这种情况下，优选地将不同层的感测线圈布置成使一层的感测线圈与另一层的感测线圈重叠，使得一层的检测灵敏度降低的盲点或空隙被另一层的感测线圈覆盖。因此，可以避免检测灵敏度降低的盲点或区域。这增加了总检测区域的覆盖范围，并且可以提供较高和较均匀的检测灵敏度。

因此，在本发明的另一优选实施例中，感测线圈被布置在一层或多层中。

为了进一步提高检测灵敏度的均匀性，优选地使每层的感测线圈以规则图案进行布置。为了尽可能实现最均匀的灵敏度，每层的感测线圈以相同的规则图案进行布置，但彼此错开，使得一层的检测灵敏度降低的盲点或空隙被另一层的感测线圈以最可能的方式覆盖。

在本发明的优选实施例中，规则图案是矩阵状结构。因此，一层的感测线圈以具有多行和多列的矩阵状结构进行布置。术语“矩阵”通常意味着矩阵的各个元素被精确地布置成彼此相邻且在彼此之间。

相形之下，在本申请的上下文中，术语“矩阵状”旨在表示矩阵的各个元素被布置成彼此相邻且在彼此之间，但是它们不必被精确地布置成彼此相邻且在彼此之间。例如，在本申请的上下文中，列或行的各个检测单元彼此略微错开的布置，例如蜂窝布置，也将被视为矩阵状结构，与检测单元的感测线圈的形状无关。

通过将感测线圈布置在单层中，可以通过具有最小数量的感测线圈的传感器布置结构来覆盖较大的总检测区域。此外，可以实现平坦结构。例如，感测线圈可以例如通过气相沉积被布置在平坦的支撑结构上，该支撑结构例如为由非电气材料制成的板、单个PCB或柔性箔片。

感测线圈也可以被安装在支撑结构的凹部中。

在本申请的上下文中，术语“平坦的支撑结构”是指定诸如线圈垫或板等平坦结构，其中平坦意味着垫或板的厚度小于其最大横向延伸长度的五分之一。

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的不同层的迹线实现。

尽管检测单元的感测线圈必须布置在平坦结构上，但检测单元的其它元件可以或可以不定位在平坦结构上。例如，与感测线圈一起形成谐振回路的电容器以及去耦元件可以布置在平坦结构的外部，例如布置在连接到平坦结构的控制板上。

在本发明的另一优选方面，感测线圈被布置在一层或多层中，并且特定层的感测线圈以具有多行和多列的矩阵状结构进行布置。

在本发明的该优选方面的第一示例中，传感器布置结构包括输入选择电路以及输出选择电路。特定检测单元的输入引线从输入选择电路被布线(route，路由、制定…路线)到该检测单元的感测线圈，并且该检测单元的输出引线从该检测单元的感测线圈被布线到输出选择电路。

特定检测单元可以通过输入复用器和输出复用器、使用下述连接线分别连接到刺激单元和测量单元，上述连接线沿着由检测单元形成的矩阵的行和列进行馈送，并且这些连接线通过可控开关连接到输入端和输出端。

将输入引线和输出引线布线到检测单元的另一种可能性是提供从输入选择电路到每个检测单元的单独连接，以及提供从每个检测单元到输出选择电路的单独连接。

然而，根据本发明该方面的该第一示例，特定层的每个输入引线将矩阵状结构的特定行的所有检测单元互连，并且该特定层的每个输出引线将该矩阵状结构的特定列的所有检测单元互连；或者，特定层的每个输入引线将矩阵状结构的特定列的所有检测单元互连，并且该特定层的每个输出引线将该矩阵状结构的特定行的所有检测单元互连。

以此方式，只要检测单元的数量等于或大于六，输入引线和输出引线的总数量就小于检测单元的数量。因此，传感器布置结构的检测单元的数量优选为6或更多。相应地，该实施例适用于具有较高数量检测单元(例如超过50个检测单元)的传感器布置结构。然而，其也可用于少于50个检测单元的传感器布置结构。

因此，如上所述，每个检测单元可以连接到输入引线和输出引线的不同组合或不同配对。

要注意的是，本发明的该方面可以应用于用于异物检测的传感器布置结构，而与上面描述的传感器布置结构的其它特征无关，例如与感测线圈的各圈线匝的分布无关。此外，如下所述的输入引线和输出引线的布线的优选实施例可以应用于用于异物检测的传感器布置结构，而与上面描述传的感器布置结构的其它特征无关。

通过以这种方式对特定层的输入引线和输出引线进行布线，可以使输入选择电路的输出端的数量和输出选择电路的输入端的数量最小化。此外，可以减小输入引线和输出引线的总长度，因为引线的某些部分可用于连接多个检测单元。

检测单元的输入引线和输出引线的优选布线所实现的目的是使硬件努力最小化以及使输入引线和输出引线的总长度最小化。

在本发明的该优选方面的第二示例中，传感器布置结构包括输入选择电路但不包括输出选择电路。输出选择电路不是必需的，原因是传感器布置结构仅包括单个输出引线，该单个输出引线将所有检测单元互连并将它们直接连接到电流输出端。在此示例中，每个检测单元均包括其自己的输入引线。相应地，特定检测单元的输入引线从输入选择电路被布线到该检测单元的感测线圈。特定检测单元可以通过输入复用器连接到刺激单元和测量单元，其中连接线从输入复用器、沿着由检测单元形成的矩阵的行和列被馈送到检测单元。输入复用器例如包括多个可控开关，这些可控开关被控制以将一个或多个检测单元连接到电流输入端。

以此方式，输入引线和输出引线的总数量高于检测单元的数量，即，输入引线和输出引线的总数量为检测单元的数量加一。因此，该实施例适用于具有较低数量检测单元的传感器布置结构，例如少于200个检测单元。然而，其也可用于具有超过200个检测单元的传感器布置结构。

此外，检测单元的输入引线和输出引线形成回路。如果该回路暴露于磁场，例如由无线电力传输系统产生的用于无线电力传输的磁场，并且该暴露使得磁场的磁场线可能经过该回路跨越的区域，那么在回路的端子处感应出电压。这种感应的电压可能干扰阻抗测量或使检测单元对刺激信号或定位在该检测单元附近的异物的响应失真。该失真可能小到可以忽略不计，但其也可能大到使测量不可靠。

在本发明的另一方面，至少一个感测线圈的输入引线和输出引线因此被布线成以彼此靠近的方式通过该至少一个感测线圈所属的矩阵状结构，以减小由输入引线和输出引线跨越的区域。

通过对特定检测单元的感测线圈的输入引线和输出引线进行布线以减小由该输入引线和输出引线跨越的区域，可以使由外部磁场感应的电压减小或最小化。相应地，这使外部磁场(例如无线电力传输系统的用于能量传输的磁场)对异物检测的干扰效应和失真最小化。

优选地，传感器布置结构的每个感测线圈的输入引线和输出引线以这种方式被布线通过矩阵状结构。

以此方式，由输入引线和输出引线包围的、且电力传输场会经过的区域可以显著减小。

相应地，为了减小磁场线可能经过的区域，由输入引线和输出引线跨越的区域应对准，且尽可能平行于磁场线。因此，根据在其中布置输入引线和输出引线的区域中电力传输场的磁场线的走向，输入引线和输出引线应被布线成使得二者之间跨越的区域平行于磁场线。

在磁场的磁场线垂直于矩阵状结构延展的实施例中，输入引线和输出引线优选地被布置成一个在另一个之上。在磁场的磁场线平行于矩阵状结构延展的实施例中，输入引线和输出引线优选地被布置在平行于矩阵状结构的同一平面中。

例如，在如上所述的双D布置中，在两个线圈之间的区域中的磁场线通常平行于感测线圈延展。因此，通过将传感器布置结构布置成使得将输入引线和输出引线定位在线圈之间的区域上方，电力传输场的磁场线平行于矩阵状结构的平面延展。因此，由检测单元的输入引线和输出引线跨越的区域平行于电力传输场的磁场线，即，电力传输场的磁场线可能经过的区域被最小化。

或者更一般地，通常选择使输入引线和输出引线的布线通过矩阵状结构，并且矩阵状结构通常被布置成使得输入引线和输出引线被定位在电力传输场的磁场线与矩阵状结构的平面平行地延展的区域。在这样的区域中，磁场线也较不密集地分布，因此磁场强度较弱。这降低了由检测单元的输入引线和输出引线形成的回路中感应的电压。输入引线和输出引线如何准确地布置在矩阵状结构上以及矩阵状结构如何布置在产生电力传输场的谐振器上方，均在很大程度上取决于具体的应用并且必须被相应地选择。

此外，通过减小这些感应的电压，也可以降低系统中的噪声。较低的噪声意味着分析所测量的检测单元对刺激信号的响应以检测异物的存在所需的努力较小。这使根据本发明的异物检测装置的制造成本降低。

相应地，本发明的该方面所实现的目的是减少异物检测中的干扰效应和失真，由此也降低异物检测装置的制造成本。

特定层的每个感测线圈的输入引线和输出引线可以沿着矩阵状结构的边缘一起被布线，其中特定行或列的输入引线和输出引线通过对应行或列之间的间隙被布线到矩阵状结构中。

然而，在本发明的另一优选实施例中，特定层的每个感测线圈的输入引线和输出引线通常被布线通过矩阵状结构的两列或两行之间的同一间隙。

这种布线产生特定层的所有输入引线和输出引线被布置成彼此靠近的布置结构，由此不仅减少了引线的总长度，而且减小了由每个检测单元的输入引线和输出引线的回路所包围的区域，以及使在这些回路中的每个回路中感应的电压减小。

在本发明的甚至更优选的实施例中，特定层的每个感测线圈的输入引线和输出引线被布线通过矩阵状结构的两个中心列或两个中心行之间的间隙，以使输入引线和输出引线的总长度最小化。

在这种连接中的术语“中心”意味着：在偶数行或列的情况下，引线被布线通过两个中间的行或列之间的间隙，而在奇数行或列的情况下，引线被布线通过靠近中间行或列的间隙中之一。

在本发明的另一优选实施例中，所述至少一个感测线圈的输入引线和输出引线之间的距离小于矩阵状结构的两行或两列之间的距离。因此，输入引线和输出引线分别被布线在从输入选择电路到感测线圈和从感测线圈到输出选择电路的小空间区域中。优选地，该距离小于两行或两列之间距离的三分之一。

在本发明的另一优选实施例中，至少一个感测线圈的输入引线和输出引线被布置成一个在另一个之上。这意味着该感测线圈的输入引线和输出引线没有被布置在同一平面中，而是布置在不同的平面中，这些不同的平面优选地彼此平行并且平行于该感测线圈所属的层。

例如，输入引线可以布置在多层PCB的第一层中，输出引线可以布置在多层PCB的第二层中。

检测单元的输入引线和输出引线可以被布线成沿其整个长度相平行。然而，在优选实施例中，检测单元的输入引线和输出引线被绞合至少一次。

由于引线的这种绞合，引线所形成的回路包括由外部磁场感应出的电压相互抵消或消减的区域。这也使得在这些回路中感应的电压较低。

在另一优选实施例中，传感器布置不仅包括输入选择电路，还包括输出选择电路，该输出选择电路适于选择性地在一条或多条输出引线与电流输出端之间建立电连接。

以此方式，只要检测单元的数量等于或大于六，输入引线和输出引线的总数量就可以减少为小于检测单元的数量。

感测线圈通常可以具有任何合适的形状，例如椭圆形、圆形、六边形、任意多边形或任何其它合适的形状，其中该形状可以是规则形状也可以是不规则形状。

在本发明的另一优选实施例中，至少一个检测单元的感测线圈为矩形，甚至更优选地为方形。本文中的矩形或方形不排除线圈的一圈或多圈线匝的角部为圆角。

具有六边形形状特别是正六边形形状的线圈充分利用了特定层中可用的空间，使得可以使线圈之间检测灵敏度降低的区域减小或甚至最小化。然而，输入引线和输出引线必须在检测单元之间以之字形布线，这导致较长的输入引线和输出引线并且可能使布线较困难。

矩形或方形线圈也可很好地利用可用空间，并允许在检测单元之间以直接布线，因此是较好的折衷方案。

在本发明的另一优选实施例中，每个检测单元包括与感测线圈一起形成谐振回路的电容元件。

在本发明的又一优选实施例中，至少一个检测单元包括串联连接到其谐振回路的去耦元件，其中该去耦元件优选地是二极管。

本发明实施例还提供一种异物检测装置。根据本发明，异物检测装置包括：如上所述的传感器布置结构；刺激电路，其用于产生预定的刺激信号，连接到传感器布置结构的电流输入端；测量单元，其适于感测施加到电流输入端的电信号，并且包括模数转换器，以用于获取表示所感测的电信号的采样数据；以及信号处理单元，其被配置为基于由测量单元获取的采样数据来确定所选检测单元的时间响应数据。

优选地，测量单元包括用于对电信号进行滤波的滤波器，例如用以消除信号的扰动或干扰成分或者用以使信号被准备成更容易被分析。

本发明实施例还提供一种用于无线电力传输系统的初级部分，其中该无线电力传输系统使电力通过空气隙被传输到附近的接收器。根据本发明，初级部分被配置为在有效区域中产生处于传输频率的磁场，初级部分包括如上所述的传器布置结构或如上所述的异物检测装置，其中，感测线圈被布置成使得由感测线圈限定的感测区域至少部分地覆盖该有效区域，优选地，感测区域完全覆盖有效区域。

根据下面的详细描述和整个权利要求，会得出其它有利的实施例和特征组合。

附图说明

附图用于说明实施例，其示出了：

图1a和图1b是根据现有技术的具有线性线匝分布的六边形感测线圈以及所产生的磁场幅度的示意图；

图2a和图2b是根据现有技术的线匝集中在线圈的外部区域中的六边形感测线圈以及所产生的磁场幅度的示意图；

图3a和图3b是根据本发明的六边形感测线圈以及所产生的磁场幅度的示意图；

图4是对于图1a所示线圈而言与异物所在位置有关的异物所产生影响的示意图；

图5是对于图2a所示线圈而言与异物所在位置有关的异物所产生影响的示意图；

图6是对于图3a所示线圈而言与异物所在位置有关的异物所产生影响的示意图；

图7是根据本发明的感测线圈的另一实施例的示意图；

图8是根据本发明的感测线圈的另一实施例的示意图；

图9是根据本发明的感测线圈的另一实施例的示意图；

图10是根据本发明的传感器布置结构的示意图；

图11是根据本发明的另一种传感器布置结构的示意图；

图12是使引线被布置成一个在另一个之上的单层传感器布置结构的示意图；

图13是双层传感器布置结构的示意图；

图14是根据本发明的异物检测装置的示意图；

图15是根据本发明的传感器布置结构的示意图；以及

图16是根据本发明的又一传感器布置结构的示意图。

在附图中，相同的部件被赋予相同的附图标记。

具体实施方式

图1a示出了现有技术中已知的具有线性线匝分布的六边形感测线圈1。感测线圈1具有约56mm的长度和约50mm的宽度，线圈的相邻线匝之间的距离为约5mm。图1b示出了例如当施加包括阶跃的刺激信号时由该六边形感测线圈1产生的对应总和磁场幅度的定性图示。横轴以米(m)为单位示出了距感测线圈1的中心的距离，纵轴以占相应最大值的百分比的形式示出了磁场强度。所产生的磁场强度的绝对值取决于具体应用的各种参数。

可以看出，磁场强度H在感测线圈1的中心处具有最大值，并且朝向感测线圈1的边缘下降到0。相应地，这种感测线圈1的磁场强度在该感测线圈1覆盖的区域上远达不到均匀分布。

图2a示出了线匝集中在感测线圈2的外部区域中的六边形感测线圈2。感测线圈2同样具有约56mm的长度和约50mm的宽度，并且在感测线圈2的外部区域中包括5圈线匝，相邻线匝之间的距离为约2mm。图2b示出了所产生的磁场强度的定性图示。同样，横轴以m为单位示出了距感测线圈2的中心的距离，纵轴以占相应最大值的百分比的形式示出了磁场强度H。

可以看出，磁场强度H在距感测线圈2的中心约15mm的距离处具有最大值，朝向感测线圈2的边缘下降到0，并且朝向感测线圈2的中心还下降到约80％的最小值。同样，这种感测线圈2的磁场强度在该感测线圈2覆盖的区域上可能不会被视为均匀的。

图3a示出了根据本发明的六边形感测线圈3。感测线圈3同样具有约56mm的长度和约50mm的宽度，并且包括具有多圈线匝的外线圈段3a和具有单圈线匝的内线圈段3b。在该示例中，外线圈段3a包括4圈线匝，相邻线匝之间的距离为约2mm，内线圈段3b具有单圈线匝。

图3b示出了所产生的磁场强度的定性图示。同样，横轴以m为单位示出了距感测线圈3的中心的距离，纵轴以占相应最大值的百分比的形式示出了磁场强度H。

可以看出，磁场强度H在感测线圈3的中心周围、半径为约4mm的区域中具有最大值。从该区域，磁场强度在约13mm的距离处略微下降到约85％的局部最小值，在距感测线圈3的中心约20mm的距离处再次上升到约90％的局部最大值，然后朝向感测线圈3的边缘下降到0。

因此，所产生的磁场强度显著更加均匀。在感测线圈3的中心周围、半径为约22mm的区域中，磁场强度在朝向感测线圈3的边缘急剧下降之前仅略有变化。

当测量检测单元对刺激信号的所产生响应时所产生的磁场强度的绝对值也在很大程度上取决于磁场中存在的异物。例如，图1至图3所示的示例中用于测量所产生磁场强度的异物为边长20mm、厚度0.3mm的方形铜板。

在另一示例(未示出)中，感测线圈具有六边形形状，外线圈段中具有四圈线匝，内线圈段中具有单圈线匝，因此看起来与图3a中所示的感测线圈3完全相同。但是，尺寸是不同的。在该情况下，感测线圈稍大一些，其例如更适合于覆盖初级场的较大有效区域和/或检测较大的异物。两个平行边之间的宽度(包围六边形的矩形的较小边长)为约76.5mm，这产生约88.5mm的长度(包围六边形的矩形的较大边长)。外线圈段的四圈线匝彼此之间的距离为约3mm，内线圈段的单圈线匝的宽度为约30mm(包围该六边形单圈线匝的矩形的较小边长)且其长度为约35.5mm(包围该六角形单圈线匝的矩形的较大边长)。相应地，内线圈段的单圈线匝与外线圈段的最内线匝之间的距离为约13mm，这是外线圈段的两圈线匝之间为3mm距离的四倍多。

图4示出了对于图1a中所示感测线圈1而言与异物所在位置有关的异物所产生影响的示意图。

图4示出了对于标准物体(铝环)，感测线圈1的电阻R和电感L的与该物体距感测线圈1的中心的位移有关的变化。横轴以毫米(mm)为单位示出了距感测线圈1的中心的位移，左侧的纵轴以百分比示出了电阻R的变化，右侧的纵轴以百分比示出了电感L的变化。

一组线10示出了对于三种频率800kHz、850kHz和900kHz，感测线圈1的电阻R的变化。可以看出，如果标准物体位于感测线圈1的中心，感测线圈1的电阻R的变化为约16％，然后，电阻R的变化在距中心约18mm的位移处减小到约2％的值。然后，电阻R的变化进一步减小并在28mm或更远的距离处接近零。

一组线11示出了对于相同的三种频率800kHz、850kHz和900kHz，感测线圈1的电感L的变化。可以看出，这三条线在距线圈1的中心的整个位移范围内几乎相同。如果标准物体位于感测线圈1的中心，感测线圈1的电感L的变化为约15％，然后，电感L的变化在距中心约20mm的位移处减小到约2％的值。然后，电感L的变化进一步减小并在28mm或更远的距离处接近零。

图5示出了对于图2a中所示感测线圈2而言与异物所在位置有关的异物所产生影响的示意图。

类似于图4，图5示出了对于标准物体(铝环)，感测线圈2的电阻R和电感L的与该物体距感测线圈2的中心的位移有关的变化。横轴以mm单位示出了距感测线圈2的中心的位移，左侧的纵轴以百分比示出了电阻R的变化，右边的纵轴以百分比示出了电感L的变化。

一组线12示出了对于三种频率800kHz、850kHz和900kHz，感测线圈2的电阻R的变化。可以看出，如果标准物体位于感测线圈2的中心，感测线圈2的电阻R的变化为约5％，然后，电阻R的变化增加直到其在约22mm的位移处达到最大值，然后朝向感测线圈2的边缘迅速减小到约3％的值。

一组线13示出了对于相同的三种频率800kHz、850kHz和900kHz，感测线圈2的电感L的变化。可以看出，这三条线在距线圈2的中心的整个位移范围内几乎相同。如果标准物体位于感测线圈2的中心，感测线圈2的电感L的变化为约1％，然后，电感L的变化在距中心约24mm的位移处增加到约2.5％的值。然后，电感L的变化再次减小，并朝向感测线圈2的边缘接近零。

图6示出了对于图3a所示线圈而言与异物所在位置有关的异物所产生影响。

类似于图4和图5，图6示出了对于标准物体(铝环)，根据本发明的感测线圈3的电阻R和电感L的与该物体距感测线圈3的中心的位移有关变化。横轴以mm为单位示出了距感测线圈3的中心的位移，左侧的纵轴以百分比示出了电阻R的变化，右侧的纵轴以百分比示出了电感L的变化。

一组线14示出了对于三种频率800kHz、850kHz和900kHz，感测线圈3的电阻R的变化。可以看出，如果标准物体位于感测线圈3的中心，感测线圈3的电阻R的变化为约9％，然后在约6mm的位移处略微增加到约10％的值，然后在约16mm的位移处下降到约7％的值，在约22mm的位移处再次上升到约8％至10％之间的值，然后朝向感测线圈3的边缘再次下降到约3％的值。

一组线15示出了对于相同的三种频率800kHz、850kHz和900kHz，感测线圈3的电感L的变化。可以看出，这三条线在距线圈3的中心的整个位移范围内几乎相同。如果标准物体位于感测线圈3的中心，感测线圈3的电感L的变化为约2％，然后在约6mm的位移处略微增加到约2.5％的值，在约16mm的位移处下降到约1.5％的值，在约26mm的位移处再次上升到约2％的值，最后朝向感测线圈3的边缘下降到约0％。

从图4至图6中可以看出，根据本发明的感测线圈3的电阻R的变化以及电感L的变化与现有技术中已知的感测线圈1和2相比显著较均匀。因此，与现有方法相比，根据本发明的感测线圈3示出了显著较均匀分布的灵敏度。

图7示出了根据本发明的感测线圈20的另一实施例。感测线圈20具有矩形形状，包括具有四圈线匝的外线圈段20a和具有单圈线匝的内线圈段20b。外线圈段20a和内线圈段20b被布置在线圈层上。图7还示出了从内线圈段20b的单圈线匝的端部引向线圈20的外部的输出连接线20c。在这种情况下，输出连接线20c被布置在与线圈层不同的层上，并被布置在线圈层的上方。

图8示出了根据本发明的感测线圈22的另一实施例。感测线圈22具有圆形形状，包括具有三圈线匝的外线圈段22a和具有单圈线匝的内线圈段22b。外线圈段22a和内线圈段22b被布置在线圈层上。图8还示出了从内线圈段22b的单圈线匝的端部引向线圈22的外部的输出连接线22c。同样在这种情况下，输出连接线22c被布置在与线圈层不同的层上，并被布置在线圈层的上方。

图9示出了根据本发明的感测线圈24的另一实施例。感测线圈24具有矩形形状，包括具有四圈线匝的外线圈段24a和具有两圈线匝的内线圈段24b。外线圈段24a和内线圈段24b被布置在线圈层上。图9还示出了从内线圈段24b的最内线匝的端部引向线圈24的外部的输出连接线24c。在这种情况下，输出连接线24c被布置在与线圈层不同的层上，并且被布置在线圈层的下方。

图10示出了根据本发明的传感器布置结构29。传感器布置结构29包括以矩阵状结构布置的12个检测单元30-41，具有三行R1、R2和R3以及四列C1、C2、C3和C4，其中：

-第一行R1包括检测单元30、31、32和33，

-第二行R2包括检测单元34、35、36和37，

-第三行R3包括检测单元38、39、40和41，

-第一列C1包括检测单元30、34和38，

-第二列C2包括检测单元31、35和39，

-第三列C3包括检测单元32、36和40，以及

-第四列C4包括检测单元33、37和41。

每个检测单元包括如上所述的或本领域已知的任何感测线圈，优选地是如上所述的根据本发明的感测线圈。

传感器布置结构29还包括多条输入引线50、51、52和53。输入引线50在两个中心列C2和C3之间进入矩阵状结构，并且将第一列C1的所有检测单元30、34和38的输入端子互连。输入引线51也在两个中心列C2和C3之间进入矩阵状结构，并且将第二列C2的所有检测单元31、35和39的输入端子互连。输入引线52也在两个中心列C2和C3之间进入矩阵状结构，并且将第三列C3的所有检测单元32、36和40的输入端子互连；输入引线53也在两个中心列C2和C3之间进入矩阵状结构，并且将第四列C4的所有检测单元33、37和41的输入端子互连。

传感器布置结构29还包括多条输出引线56、57和58。输出引线56在两个中心列C2和C3之间离开矩阵状结构，并且将第一行R1的所有检测单元30、31、32和33的输出端子互连。输出引线57也在两个中心列C2和C3之间离开矩阵状结构，并且将第二行R2的所有检测单元34、35、36和37的输出端子互连；输出引线58也在两个中心列C2和C3之间离开矩阵状结构，并且将第三行R3的所有检测单元38、39、40和41的输出端子互连。

相应地，特定检测单元可以通过下述被启用：通过输入选择电路将该检测单元所属列的输入引线连接到电流输入端，并且通过输出选择电路将该检测单元所属行的输出引线连接到电流输出端。例如，为了启用检测单元36，通过输入选择电路将输入引线52连接到电流输入端，并且通过输出选择电路将输出引线57连接到电流输出端。

图10中未示出下述：传感器布置结构29的电流输入端和电流输出端；通过可控开关将电流输入端与输入引线50、51、52或53中的一条或多条互连的输入选择电路；以及通过可控开关将输出引线56、57或58中的一条或多条与电流输出端互连的输出选择电路。

要注意的是，传感器布置结构29的不同元件(例如，检测单元、输入引线和输出引线)的布置、尺寸和间距不是按比例的。例如，检测单元的尺寸通常被选择为使得传感器布置结构29的区域的尽可能大的部分被检测单元覆盖。

如图10所示，所有输入引线50、51、52或53以及所有输出引线56、57或58均被布线通过两个中心列C2和C3之间的间隙。并且它们被布置成使得特定检测单元的输入引线和输出引线以尽可能靠近彼此的方式相邻布置，以使由该检测单元的输入引线和输出引线形成的回路所包围的区域最小化。

由于所有的输入引线和输出引线均被布线通过列C2和C3之间的同一间隙，因此由检测单元的各输入引线和输出引线形成的回路所包围的区域尽可能小。

对于本领域技术人员而言清楚的是，传感器布置结构29的行和列的角色也可以颠倒。

这种传感器布置结构29例如可以与如上所述的用于产生电力传输场的双D线圈布置结合使用。这种线圈布置产生具有两个磁极的磁场，一个磁极在第一线圈的中心，一个磁极在第二线圈的中心。然后，例如，传感器布置结构29被布置在线圈布置的上方，使得第一列C1的检测单元30、34和38位于电力传输场的第一磁极上方，并且使得第四列C4的检测单元33、37和41位于电力传输场的第二磁极上方。以此方式，第二列C2和第三列C3之间的区域中电力传输场的磁场线大体上平行于检测单元的平面延展。相应地，通过将输入引线50、51、52和53以及输出引线56、57和58布置在与检测单元的线圈的平面平行的同一层中，检测单元的由输入引线和输出引线所跨越的与磁场线垂直的区域被最小化。此外，磁场线也较不密集地分布，因此磁场强度较弱。

图11示出了根据本发明的另一传感器布置结构59。传感器布置结构59包括六个检测单元30-35，这些检测单元以具有两行R1、R2和三列C1、C2和C3的矩阵状结构进行布置，其中

-第一行R1包括检测单元30、31和32，

-第二行R2包括检测单元33、34和35，

-第一列C1包括检测单元30和33，

-第二列C2包括检测单元31和34，以及

-第三列C3包括检测单元32和35。

每个检测单元包括如上所述的或本领域已知的任何感测线圈，优选地是如上所述的根据本发明的感测线圈。

传感器布置结构59还包括多条输入引线60、61和62。输入引线60在传感器布置结构59的靠近第三列C3的边缘处进入矩阵状结构，并且将第一列C1的所有检测单元30和33的输入端子互连。输入引线61也在传感器布置结构59的靠近第三列C3的边缘处进入矩阵状结构，并且将第二列C2的所有检测单元31和34的输入端子互连；输入引线62也在传感器布置结构59的靠近第三列C3的边缘处进入矩阵状结构，并将第三列C3的所有检测单元32和35的输入端子互连。

传感器布置结构59还包括多条输出引线66和67。输出引线66在传感器布置59的靠近第三列C3的边缘处离开矩阵状结构，并且将第一行R1的所有检测单元30、31和32的输出端子互连；输出引线67也在传感器布置结构59的靠近第三列C3的边缘处离开矩阵状结构，并将第二行R2的所有检测单元33、34和35的输出端子互连。

图11中未示出下述：传感器布置结构59的电流输入端和电流输出端；通过可控开关将电流输入端与输入引线60、61、62中的一条或多条互连的输入选择电路；以及通过可控开关将输出引线66或67中的一条或多条与电流输出端互连的输出选择电路。

还要注意的是，传感器布置结构59的不同元件(例如，检测单元、输入引线和输出引线)的布置、尺寸和间距不是按比例的。

如图11所示，所有输入引线60、61和62以及所有输出引线66和67被布线在传感器布置结构59的靠近第三列C3的边缘处。然而，在这种情况下，相比于其中输入引线和输出引线被布线通过两个中心列(或行)之间的间隙的传感器布置结构，第一列C1的检测单元的输入引线和输出引线变长。或者换言之，如果输入引线和输出引线被布线通过中心间隙，不同检测单元的输入引线和输出引线的长度的变化确实小于其中输入引线和输出引线沿边缘布线或被布线通过两个外部列或行之间的间隙的情况。

对于本领域技术人员而言清楚的是，传感器布置结构59的行和列的角色也可以颠倒。

图12以侧视图示出了其中引线被布置成一个在另一个之上的单层传感器布置结构69。传感器布置结构69被设置在支撑结构诸如多层PCB 75上，使得传感器布置结构69的检测单元30、31、32和33设置在PCB 75的上表面上或分别嵌入对应的凹部中。设置有多条输入和输出引线70、71、72、73，以将检测单元30、31、32和33分别连接到电流输入端和电流输出端。

图12中的黑点表示对应的线垂直于绘图平面。

图12示出了传感器布置结构69的一些输入引线和/或输出引线被布置成一个在另一个之上，以使由外部磁场在引线中感应的电压最小化。在传感器布置结构69中，多层PCB75包括设置有输入和输出引线70、71、72、73的三个导电层。

图13以侧视图示出了双层传感器布置结构79。传感器布置结构79设置在支撑结构诸如多层PCB 85上，并且包括两层检测单元，其中，每层包括检测单元的矩阵状结构。第一层包括设置在PCB 85的上表面上或分别嵌入对应的凹部中的检测单元30、31、32和33。第二层包括设置在PCB 85的下表面上或分别嵌入对应的凹部中的检测单元34、35和36。

设置有多条输入和输出引线80、81、82、83和84，以将检测单元30、31、32和33分别连接到电流输入端和电流输出端。同样，输入引线和输出引线设置在多层PCB 85的不同导电层上。黑点同样表示对应的线垂直于绘图平面。

如图13所示，两层检测单元被布置成彼此错开，使得一层的检测单元覆盖另一层的检测单元之间的空隙，以减少检测灵敏度降低的盲点或区域。

图14示出了根据本发明的具有传感器布置结构120的异物检测FOD装置119的简化框图。FOD装置119还包括刺激单元121、测量单元122以及信号处理和控制单元123。传感器布置结构120包括：感测线圈垫124，其具有作为支撑结构的PCB；检测单元选择电路134，其具有作为输入选择电路的第一复用单元125和作为输出选择电路的第二复用单元126。传感器布置结构120包括一个电流输入端135和一个电流输出端136。

第一复用单元125是具有一个输入端和五个输出端的解复用器。解复用器的输出端连接到传感器布置结构120的输入引线127。解复用器的输入端连接到传感器布置结构120的电流输入端135。第二复用单元126是具有五个输入端和一个输出端的复用器。复用器的输入端连接到传感器布置结构120的输出引线128，复用单元126的输出端连接到传感器布置结构120的电流输出端136，该电流输出端连接到地137。

感测线圈垫124包括5×5检测单元的阵列。可以通过两个复用单元125、126来选择每个检测单元。刺激单元121的输出端连接到第一复用单元125的输入端。测量单元122的带通滤波器129的滤波器输入端连接到电流输入端135。测量单元122还包括模数转换器(Analogue-to-Digital-Converter,ADC)130，ADC 130连接到带通滤波器129的输出端。带通滤波器129的通带包括传感器布置结构的检测单元的谐振回路的谐振频率，这里为约900kHz。阻带消除了与电力传输场的工作频率相关的频率，这里例如为45kHz。

带通滤波器129是可选的，并且也可以由高通滤波器代替。作为带通滤波器129的补充或替代，测量单元122还可以包括信号调节模块，例如为了缩放信号或转换信号。

信号处理和控制单元123的输入端连接到ADC 130的输出端。信号处理和控制单元还具有：连接到第一复用单元125的行选择控制输出端131；连接到第二复用单元126的列选择控制输出端132；以及连接到刺激单元121的输入端的触发控制输出端133。

信号处理和控制单元123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通过FPGA和/或ASIC来实现。信号处理和控制单元123包括用于通过ADC130获取的采样数据的存储器。其优选地包括允许再现刺激信号的装置，例如用于刺激信号的触发事件的时间戳的存储器。可替代地，测量单元122可以包括用于获取刺激信号的另一信号通道。信号处理和控制单元123然后还包括用于刺激信号的所获取样本的数据存储器。

信号处理和控制单元123被配置为：基于所采样的电信号和刺激信号，计算与所选检测单元的串联阻抗相关的参数。

图15示出了本发明传感器布置结构140连同刺激单元141的实施例的示意性电路图。传感器布置结构140包括电流输入端142以及由接地连接构成的电流输出端143。电流输入端142连接到刺激单元141的输出端。传感器布置结构140包括四个检测单元，即第一检测单元144.1、第二检测单元144.2、第三检测单元144.3和第四检测单元144.4，它们布置成包括两行两列的矩阵状结构。

四个检测单元144.1、144.2、144.3和144.4中的每个检测单元例如包括并联布置的感测线圈和电容器，感测线圈和电容器形成并联谐振回路。检测单元144.1、144.2、144.3和144.4中的每个检测单元还可以包括二极管，该二极管的阴极串联连接到相应检测单元144.1、144.2、144.3和144.4的并联谐振回路的第一端子。

第一检测单元144.1和第二检测单元144.2是第一行的部分，而第三检测单元144.3和第四检测单元144.4是第二行的部分。第一输入引线148a连接到作为第一行的一部分的第一检测单元144.1的输入端和作为第二行的一部分的第三检测单元144.3的输入端。同样，第二输入引线148b连接到作为第一行的一部分的第二检测单元144.2和作为第二行的一部分的第四检测单元144.4。属于第一行的检测单元的第二端子连接到第一输出引线150a。类似地，属于第二行的检测单元的第二端子连接到第二输出引线150b。

该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均为四个，因此检测单元的数量与输入引线和输出引线的总数量一样多。

传感器布置结构还包括输入选择电路152，该输入选择电路152包括第一开关Q1和第二开关Q2，其中开关Q1、Q2可以例如实现为MOSFET。第一开关Q1连接在电流输入端142和第一输入引线148a之间，第二开关Q2连接在电流输入端142和第二输入引线148b之间。通过寻址第一开关Q1或第二开关Q2，可以选择2×2传感器矩阵的列。

此外，传感器布置结构140包括输出选择电路153，该输出选择电路153包括第三开关Q3和第四开关Q4。第三开关Q3连接在第一输出引线150a和电流输出端143之间，在该实施例中，电流输出端143连接接地，第四开关Q4连接在第二输出引线150b和电流输出端143之间。通过寻址第三开关Q3或第四开关Q4，可以选择2×2传感器矩阵的行。

输入选择电路152以及输出选择电路153各自包括两个控制输入端154、155、156、157，这些控制输入端连接到相应开关Q1、Q2、Q3和Q4的控制输入端。借助这些控制输入端154-157，可以对不同的开关Q1、Q2、Q3和Q4进行寻址，从而选择检测单元。

刺激单元141被配置为产生矩形电流脉冲，以激发所选检测单元的并联回路中的电振荡。刺激单元包括电流源和内部开关，图15中未示出。

所选检测单元中的激发电振荡在电流输入端142与电流输出端143(地)之间产生振荡电压，该振荡电压例如可以用端子连接在电流输入端和地之间的ADC进行感测。

图16示出了根据本发明的又一传感器布置结构229的示意图。传感器布置结构229包括以具有两行R1和R2以及四列C1、C2、C3和C4的矩阵状结构布置的8个检测单元30-37，其中：

-第一行R1包括检测单元30、31、32和33，

-第二行R2包括检测单元34、35、36和37，

-第一列C1包括检测单元30和34

-第二列C2包括检测单元31和35，

-第三列C3包括检测单元32和36，以及

-第四列C4包括检测单元33和37。

每个检测单元包括如上所述的或本领域已知的任何感测线圈，优选地是如上所述的根据本发明的感测线圈。

在本发明的该实施例中，传感器布置结构229的每个检测单元包括其自己的输入引线251-258，输入引线251-258被馈送到矩阵状结构中并且与其它检测单元的输入引线分开地馈送到每个检测单元。

所有输入引线251-258在两个中心列C2和C3之间进入矩阵状结构，并行延展，直到它们连接到相应的检测单元。

传感器布置结构229还包括仅单个输出引线259，单个输出引线259将所有检测单元30-37的输出端子互连，然后在两个中心列C2和C3之间离开矩阵状结构。具体地，单个输出引线259被布置在输入引线251-258的中央，在此情况下布置在输入引线257和258之间。

由于仅存在单个输出引线259，这种传感器布置结构通常不包括将一条或多条输出引线连接到电流输出端的输出选择电路。在这种情况下，单个输出引线259直接连接到电流输出端。

相应地，特定检测单元可以通过下述被启用：通过输入选择电路将该检测单元的输入引线连接到电流输入端。该检测单元的输出引线持久地连接到电流输出端。

图16中未示出下述：传感器布置结构229的电流输入端和电流输出端；以及通过可控开关将电流输入端与输入引线251-258中的一条或多条互连的输入选择电路。

要注意的是，传感器布置结构229的不同元件(例如，检测单元、输入引线和输出引线)的布置、尺寸和间距不是按比例的。

如图16所示，所有输入引线251-258和单个输出引线259被布线通过两个中心列C2和C3之间的间隙。而且它们被布置成使得特定检测单元的输入引线和输出引线以尽可能靠近彼此的方式相邻布置，以使由该检测单元的输入引线和输出引线形成的回路所包围的区域最小化。在双D布置的情况下，这可以例如在两个磁极之间的中间。

对于本领域技术人员而言清楚的是，传感器布置结构229的行和列的角色也可以颠倒。

总之，要注意的是，本发明能够创建用于异物检测装置的传感器布置结构，其确保发射单元的表面上对于异物检测的较均匀的灵敏度。

还要注意的是，本发明能够创建使硬件努力最小化且使输入引线和输出引线的总长度最小化的用于异物检测装置的传感器布置结构，以及通过减小由检测单元的输入引线和输出引线包围并且可能被外部磁场经过的区域来减小在单个检测单元的输入引线和输出引线中感应的电压的用于异物检测装置的传感器布置结构。在输入引线和输出引线中感应的电压的减小使外部磁场(例如，无线电力传输系统的电力传输场)对异物检测的干扰效应和失真最小化。

Claims (15)

1.一种传感器布置结构，用于无线电力传输系统的异物检测装置，所述传感器布置结构包括：

电流输入端和电流输出端；

多个检测单元，每个检测单元包括感测线圈，所述感测线圈的绕组螺旋地缠绕在平面中并具有多圈线匝；

多条输入引线和一条或多条输出引线，其中，每个检测单元连接在所述输入引线中的一条输入引线与一条输出引线之间，并且其中，每个检测单元连接到输入引线和输出引线的不同组合；以及

输入选择电路，所述输入选择电路适于选择性地在所述电流输入端与所述输入引线中的一条或多条输入引线之间建立电连接；

其特征在于，

至少一个检测单元的感测线圈包括外线圈段和布置在所述外线圈段内的内线圈段，其中，所述内线圈段的最外线匝与所述外线圈段的最内线匝之间的第一距离是所述外线圈段的两圈线匝之间的最大距离的至少两倍。

2.根据权利要求1所述的传感器布置结构，其中，所述至少一个检测单元的感测线圈在所述外线圈段中包括多圈线匝并且在所述内线圈段中包括单圈线匝。

3.根据权利要求2所述的传感器布置结构，其中，所述第一距离等于所述内线圈段中的单圈线匝与所述至少一个检测单元的感测线圈的中心的距离。

4.根据权利要求1所述的传感器布置结构，其中，所述至少一个检测单元的感测线圈的中心与所述内线圈段的最内线匝之间的距离等于或小于所述感测线圈的中心与所述外线圈段的最外线匝之间的距离的三分之二。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的传感器布置结构，其中，所述至少一个检测单元的外线圈段的各圈线匝彼此等距地布置。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的传感器布置结构，其中，所述感测线圈被布置在一层或多层中，并且其中，每层的感测线圈以规则图案进行布置。

7.一种传感器布置结构，用于无线电力传输系统的异物检测装置，所述传感器布置结构优选地是根据权利要求1至6中任一项所述的传感器布置结构，包括：

电流输入端和电流输出端；

多个检测单元，每个检测单元包括感测线圈，所述感测线圈的绕组螺旋地缠绕在平面中并具有多圈线匝；其中，所述多个检测单元的感测线圈被布置在一层或多层中，并且其中，特定层的感测线圈以具有多行和多列的矩阵状结构进行布置；

多条输入引线和一条或多条输出引线，其中，每个检测单元连接在所述输入引线中的一条输入引线与一条输出引线之间，并且其中，每个检测单元连接到输入引线和输出引线的不同组合；以及

输入选择电路，所述输入选择电路适于选择性地在所述电流输入端与所述输入引线中的一条或多条输入引线之间建立电连接；

其特征在于，

至少一个感测线圈的输入引线和输出引线被布线成以彼此靠近的方式通过所述至少一个感测线圈所属的矩阵状结构，以减小与所述矩阵状结构平行并由所述输入引线和所述输出引线包围的区域。

8.根据权利要求7所述的传感器布置结构，其中，特定层的每个感测线圈的输入引线和输出引线被布线通过所述矩阵状结构的两列或两行之间的间隙，优选地通过两个中心列或两个中心行之间的间隙。

9.根据权利要求7所述的传感器布置结构，其中，所述至少一个感测线圈的输入引线与输出引线之间的距离小于所述矩阵状结构的两行或两列之间的距离。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的传感器布置结构，其中，所述至少一个感测线圈的输入引线和输出引线布置成一个在另一个之上。

11.根据权利要求7至9中任一项所述的传感器布置结构，其中，所述至少一个感测线圈的输入引线和输出引线被绞合至少一次。

12.根据权利要求7至9中任一项所述的传感器布置结构，包括：输出选择电路，所述输出选择电路适于选择性地在所述输出引线中的一条或多条输出引线与所述电流输出端之间建立电连接。

13.根据权利要求7至9中任一项所述的传感器布置结构，其中，所述至少一个检测单元的感测线圈具有矩形形状。

14.一种异物检测装置，用于无线电力传输系统的初级部分，所述无线电力传输系统用于使电力通过空气隙传输到附近的接收器，所述异物检测装置包括：

根据权利要求1至13中任一项所述的传感器布置结构；

刺激电路，所述刺激电路用于产生预定的刺激信号，且连接到所述传感器布置结构的电流输入端；

测量单元，所述测量单元适于感测施加到所述电流输入端的电信号，所述测量单元包括模数转换器，所述模数转换器用于获取表示所感测的电信号的采样数据；以及

信号处理单元，所述信号处理单元被配置为基于由所述测量单元获取的所述采样数据，确定所选检测单元的时间响应数据。

15.一种用于无线电力传输系统的初级部分，所述无线电力传输系统用于使电力通过空气隙传输到附近的接收器，所述初级部分被配置为在有效区域中产生处于传输频率的磁场，所述初级部分包括根据权利要求1至13中任一项所述的传感器布置结构或根据权利要求14所述的异物检测装置，其中，所述感测线圈被布置成使得由所述感测线圈限定的感测区域至少部分地覆盖所述有效区域，优选地，所述感测区域完全覆盖所述有效区域。

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