CN1369089A - 一种用于遥测目标的方法、系统和传感器以及一种用于确定磁元件长度的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种遥测目标的方法,其中单个目标(20)被装备有至少一个传感器(30),该传感器包括至少一个代表传感器标识的磁元件(31－34)。产生第一电磁信号(50)以激励所述磁元件或每个磁元件产生第二电磁信号(60),第二电磁信号的振幅由磁场(Hmod)来调制。通过解调制第二电磁信号(60,70)产生应答信号(80)。响应于磁场(Hmod)振幅的变化探测应答信号的振幅的变化,而且所探测的振幅变化被用来确定每个磁元件(31－34)的几何特性,如长度。传感器(30)的标识根据几何特性来确定。

Description

一种用于遥测目标的方法、系统和传感器 以及一种用于确定磁元件长度的方法
技术领域
本发明涉及用于遥测目标的一种方法、一种系统和一种传感器，一个单个目标被装备有一个传感器，该传感器包括至少一个代表传感器标识的磁元件，其中产生第一电磁信号以激励磁元件产生第二电磁信号，第二电磁信号的振幅由一个电磁场来调制，而且其中通过解调制第二电磁信号产生一个应答信号。采用一个相似的原理本发明通过还涉及确定磁元件长度的一种方法。
现有技术的说明
许多应用要求在探测区内对目标的存在、标识或位置进行可靠且无接触的探测。通常的实例为例如商品的价格标签、在生产线中部件的标识、在再生工厂中材料种类的标识或在例如商店内电子的物品监视。
对于一些应用，探测出目标或物品的存在便足够了。一个实例为一个简单的电子的物品监视系统，该监视系统被安置以便一旦一个受保护的物品被带入探测区便提供一个报警信号。这样的一种简单应用采用以具有磁特性的薄金属带或丝的形式的单传感器元件。该传感器元件可能通过弧形的磁性发生器/探测器被磁性地探测，该磁性发生器/探测器将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。应用经常基于这样的事实，即交变磁场引起传感器元件偶极子磁动量的周期性的转换，这也便是众所周知的巴克豪森跳转。这种类型的传感器例如在US-A-5 496 611、EP-A-0 710 923和EP-A-0 716 393中被公开。
一种不同的单元件传感器技术被描述在WO97/29463和WO97/29464，其中每个传感器包括一个非晶的或纳米晶(nano-crystalline)金属合金的线状元件。该非晶的或纳米晶金属合金的一个重要特点是其导磁性可以由交变磁调制场来控制。当传感器被电磁询问信号所激励时，通过众所周知的巨磁阻(Giant Magnetoimpedance)物理效应，来自传感器的电磁应答信号的振幅被磁调制场调制。对应答信号振幅的调制被探测且被用于确定在探测区里传感器的存在。一个相似的应用被示于WO98/36393，其中非常细的非晶的或纳米晶金属合金丝被用做传感器元件。这些丝(也称为微丝)具有小于30μm的直径，优选为5-15μm。
上述的电子的物品监视应用中没有一个应用能为每个传感器提供可遥测的标识。然而，对于先进的应用有必要提供代表例如相应目标的物品编号、序号、材料代码等这样的每个传感器要被附上的标识信息。这样的应用在WO88/01427中被公开，其中每个传感器或标识器被装备有许多由非晶铁磁体材料制成且彼此按预先设定的角度关系或按预先设定的距离布置的磁力控制的条或带。这种传感器的标识由预先设定的关系及单个传感器元件的相应类型来代表。传感器元件由磁能激发出机械谐振。由谐振传感器元件产生的磁信号可以被磁性或电感地探测。
一个相似的系统在WO93/14478中被加以说明，其中传感器或标识器被装备有许多电谐振电路，每个电谐振电路被电感地耦合到相应的磁传感器元件上。每个电谐振电路被激励以产生电振荡，而且借助通过一个外部磁场对磁元件产生的导磁性，其谐振频率是可控制的，其中可能对几个相同传感器进行同时探测。
总之，用于遥测目标的现有技术传感器或者是单元件类型，其只允许每个传感器的存在被探测，或者是多元件类型，其也允许每个传感器的标识被探测。单元件传感器容易设计及制造因此具有较低的单位成本。在另一方面，多元件传感器需要支撑载体(尤其是对于机械谐振传感器元件)和/或电容性和电感性元件(对于电谐振电路型式)。自然地，这意味着更高的单位成本。此外，因为上述的多元件传感器主要靠磁或电感性的链接来工作，所以探测系统的工作距离相当窄。
发明概述
本发明的一个目的是提供遥测目标的一种方法、一种系统和一种传感器，其能够以比现有技术方法显著低的成本确定附着到一个单个目标上的传感器的标识。本发明的另一目的是在工作距离内提供一个用于探测单个传感器/目标的标识的系统，其比现有技术系统要好得多。
通过提供与上述WO97/29463、WO97/29464和WO98/36393中所说明的方法、系统和传感器(即，采用电磁激励和探测，以及用于调制来自传感器应答信号的一个电磁场，该电磁场包括至少一个细丝状由非晶的或纳米晶金属合金制成的磁元件)类似的一种方法、一个系统和一个传感器这些目的已经得以实现，但是这种方法、系统和传感器允许每个传感器代表一个标识。通过改变磁调制场的振幅并探测来自传感器应答信号的振幅的相应变化可以实现这一点。这些变化被用于确定传感器的磁元件或每个磁元件的几何特性，优选地是元件的长度。因为丝状磁元件的去磁因数取决于元件的长度，并且因为应答信号的振幅反过来取决于去磁因数，所以根据所探测的振幅变化来确定磁元件的长度是可能的。传感器的标识由磁元件的长度来提供；第一长度元件代表第一标识，第二长度元件代表第二标识，等等。有利地是，每个传感器包括不仅一个相互之间按预定空间关系所布置的磁元件。通过采用不同长度的元件，传感器的标识可以不仅由这些长度代表，而且可以由这些元件之间的空间关系来代表。
本发明的其它目的、特性和优点从下面详细的公开内容、从附图以及从所附的专利权利要求中显示出来。
附图的简要说明
现在将参照附图说明本发明的一个优选的实施方案，其中：
图1图解说明遥测目标的一个系统，其中可应用根据本发明的方法和传感器，
图2是对根据本发明的传感器的第一实施方案的示意图解说明，其中磁元件具有不同的长度并且彼此间成一角度被布置，
图3是对传感器的另一实施方案的示意图解说明，其中磁传感器元件仍然具有不同的长度但是被布置成彼此间平行且在元件纵向延伸的横向方向上相隔相应的距离，
图4为图解说明本发明所基于的基本原理的图形，以及
图5为显示一组具有不同长度的磁元件所获得的实验结果的图形。
发明的详细公开
图1图解说明用于遥测目标的一个系统的示范性实施方案，其中根据本发明的一个实施方案采用传感器30。发送器天线11和接收器天线12被布置在探测区10。发送器天线11被可操作性地连接到输出级13，该输出级13依次被连接到控制器14。该输出级包括各种市场上买得到的激励和放大电路以及用于产生高频fHF交变电流的装置，当所述电流被供到发送器天线时该电流来回地通过发送器天线流动，其中在发送器天线周围产生高频电磁场。正如下面将要更详细地所说明的那样，这一电磁场将被用于激励在探测区10中存在的传感器30，以便于当从发送器天线11接收到第一电磁信号50时，传感器将发送第二电磁信号60，该第二电磁信号60被接收器天线12所接收并被转换成一个相应的电信号70。
接收器天线12被可操作性地连接到输入级15，该输入级15包括传统的带有放大和信号处理功能的装置，如带通滤波和放大电路。该输入级15也包括用于调制所接收的信号70并将其作为一个应答信号80供给到控制器14的装置。
发送器天线11和接收器天线12因此具有以公知的方式在高频电信号和电磁信号之间转换的目的。优选地是，天线为具有旋转极化的成螺旋形的天线(用于最佳地覆盖所有的方向)，或者作为选择地为传统的末端馈送或中心馈送式的半波振动簧片天线，然而其它公知的天线种类同样是可能的。
探测区10被附加地装备有装置16，如用于产生磁调制场Hmod的一个线圈，。装置16通过激励级17被连接到控制器14。激励级17包括用于产生调制电流Imod的装置，该电流被供给到装置16，其中磁调制场Hmod在探测区10的主要部分被产生。磁调制场Hmod可能具有大约为500-800的频率，而且电磁激励和应答信号在GHz频带内具有如1.3GHz或2.45GHz的频率。但是超出这些范围的频率也是可能的。
已经在图1中示意性图解说明的盒状封装的目标20被装备有根据本发明的传感器30，该传感器包括至少两个磁传感器元件31-34，这些磁传感器元件以相互关系被布置并代表传感器或附着传感器的目标20的标识。这些传感器元件可被电磁地探测并包括一种磁性材料，这种材料的导磁性通过磁场是可控制的并且根据通常公知的巨磁阻(Giant Magneto-Impedance)其高频阻抗取决于所述的导磁性。这一效应引起第二电磁信号60振幅的调制，该第二电磁信号60由传感器30传送并被接收器天线12作为信号70所接收。振幅由磁调制场Hmod来调制。
类似于上述系统的一个系统在WO97/29463、WO97/29464和WO98/36393中被彻底地公开，所有这些在此都被完全结合作为参考。
传感器30的第一实施方案在图2中被图解说明。传感器30包括传感器壳体35，如纸或塑料薄片，四个传感器元件31、32、33、34通过例如粘附被安装到此壳体上。作为选择地，如下面将详细说明的那样，四个元件31-34可以被直接地集成到安装有传感器的目标20的材料里。
传感器元件31-34的材料可以基本上与上述WO98/36393所说明的传感器元件的相同。换言之，在图2的实施方案中，传感器元件31-34由富含钴的非晶金属合金，如(Fe0.06Co0.94)72.5Si12.5B15。传感器元件由长度约为5-100mm、典型的横向直径为7-55μm的非常细的金属丝构成。如下面将更详细说明的那样，本发明的一个重要特点是单个元件31-34具有不同的预先设定的长度l1-l4。此外，这些金属丝将被装备有玻璃或另一种电介质材料的薄的涂层，其厚度优选为小于金属丝线芯的厚度(直径)。这样的金属丝通常被称为微丝并且通过快速拉伸熔融金属合金和周围的一个熔融玻璃管被制造出来。
作为选择地，传感器元件31-34的材料可以是非晶态的，而不是非晶的。此外，玻璃涂层可以被省去，而且其厚度(横向直径)可以大于优选的实施方案所用的。如在WO97/29463和WO97/29464所示，在100至200μm的横向直径已经被证明是有效的，尤其是在约125μm。然而，正如在磁传感器元件的技术领域本身所公知的那样，这样的金属丝不被称为微丝而且采用与上述方法不同的其它方法制造出来。总之，本发明的传感器可能包括各种类型的如所附的独立传感器权利要求所定义的磁传感器元件。
根据图2的实施方案，四个传感器元件31-34被彼此以一定角度被布置。如前所述，传感器元件31-34可以被安装到载体35上，如粘性标签，或作为选择地例如通过粘附直接附着到相关的目标20上。另外的选择是将传感器元件缝制或编织到例如一件服装或另一种商品上。在这样的情况下，传感器的标识可以代表一种物品的等级或类型。但是另一选择是将传感器元件集成入包装材料如纸板、纸或塑料膜内，或集成入一种再生物品(例如塑料容器、玻璃瓶、纸板包装等等)内。在这些情况下，传感器的标识可以代表例如每个再生物品的材料类型。
传感器30(或其相关的目标20)的标识部分地由传感器元件31-34之间的角偏差值来提供。当组装传感器时，这些传感器元件根据从一组如此预先设定的方向中选择出来的一个具体的预先设定的方向被布置。
传感器的第二实施方案如图3所示。在此，传感器40包括一个矩形载体45，四个传感器元件41、42、43、44被安装在该载体上。磁传感器元件41-44可以同与图2相关的前面段落所说明的传感器元件相类似的或相同。但是，与图2相对比，图3所示传感器40的传感器元件41-44在相邻元件之间相距某一横向位移彼此平行地被布置。与图2中单个传感器元件31-34相类似的是，图3中的传感器元件41-44具有不同的长度，这样长度共同构成这个传感器40的标识。但是与图2中的传感器30相对比，图3中的传感器40不包含传感器元件41-44之间空间关系的任何附加的信息。
现在参考图4将说明用于确定单个磁传感器长度的一种方法。下述说明是参考图2所示的传感器30进行的。如前所述，本发明的一个方面是单个磁传感器元件31-34的长度可以被用做构成传感器30的标识的编码参数。这些长度可以通过元件上的磁性能，即公知的去磁因数来确定。去磁因数代表磁元件有关外部磁场的固有磁化强度，而且如下面所陈述，其特别取决于元件的长度和横截面积。
假设磁传感器元件是一个具有长度c和直径a的丝，则元件的纵向去磁因数Nc可以表达如下： N c = 4 π r 2 - 1 [ r r 2 - 1 ln [ r + r 2 - 1 ] - 1 ] ,
其中r＝c/a
横向去磁因数Na可以通过下面的表达式获得：
                    Nc+2Na＝4π.
如前所述，磁元件的阻抗将取决于元件的导磁性，并且当通过磁调制场改变导磁性时，阻抗将相应改变，而且最终电磁应答信号的振幅将由磁调制场来调制。
振幅调制的能量将不仅取决于磁调制场的振幅而且还取决于电磁激励信号的高频(HF)能量及元件的长度。长度将对振幅调制能量具有影响的原因是振幅调制是由导磁性造成的，导磁性反过来取决于去磁因数，而去磁因数最终取决于元件的长度，这正如上述公式所示。
因此，通过增加磁调制场的振幅，应答信号的振幅调制能量将按照一个基本上呈线性的因数增加，该因数取决于元件的长度。
振幅调制场与应答信号的振幅调制场能量之间的基本上呈线性的关系已经通过实验被证实，如图5所示。
在图5中，对照用于产生磁调制场的调制电流振幅的增加，针对具有不同长度(7cm、7.5cm、8cm、8.5cm、9.5cm、10.5cm和11.5cm)的七个元件应答信号的振幅被绘制。每个长度的斜率K被指示出来。
上述发现的一个应用在图4中被示意性地图解说明，其中图2中的传感器30的四个磁元件31-34的相应斜率K1-K4被图解说明。第一磁元件31具有长度l1，该长度与第四磁元件34的长度l4相同。此外，第二磁元件32具有长度l2，该长度比第一和第四磁元件31和34的长度l1＝l4短。最后，第三磁元件33的长度l3比相应的磁元件31、32、34的长度l1、l2和l4长。
如上所述，第一磁元件31的去磁因数将取决于磁元件的长度l1且将引起来自这个元件的应答信号的振幅呈线性地依赖于(斜率K1)磁调制场Hmod的振幅。因为第一和第四元件31、34具有相同的长度l1＝l4，所以其斜率将是相同的，如图4中的一个共同的线性斜率所图解说明。此外，因为第二磁元件32的长度l2小于上述的长度l1＝l4，所以如图4所示，第二磁元件32的斜率K2将较少地依赖于磁调制场Hmod的振幅。从而，如图4中的最高的斜率K3所图解说明，最长的磁元件33的斜率K3将最强烈地依赖于磁调制场的振幅。
磁元件31-34和长度l1-l4被确定如下。磁调制场Hmod的振幅H被从第一值改变成第二值，即通过将振幅增加一个值ΔH。被解调的应答信号80的振幅A针对磁调制场Hmod的第一和第二振幅而被确定，即响应于磁调制场Hmod振幅的变化ΔH，应答信号振幅的变化ΔA被确定。于是，斜率K被计算为K＝ΔA/ΔH。例如，第三元件33的斜率K3被计算为ΔA3/ΔH，而第二磁元件32的斜率K2被计算为ΔA2/ΔH。因为磁元件的斜率K和相应的长度之间存在一个预先设定的关系，所以磁元件31-34的长度l1-l4可以根据所确定的斜率K1-K4计算出来。优选地，控制器14被装备有一个存储器，用于存储根据斜率K1-K4确定长度l1-l4的所用的交叉参照数据。此外，控制器14的存储器具有第二交叉参照表以将元件长度映射到码值上，以便例如元件的长度l1对应于第一码值，而长度l2对应于第二码值等。如上所述，磁元件31-34之间的角偏差可以提供另外的码值，以便传感器30的全码可以由单个长度l1-l4以及元件31-34之间的角关系而构成。
磁调制场Hmod的瞬时振幅H可以方便地根据调制电流的瞬时振幅被确定，该调制电流从激励级17被供给到用于产生磁调制场Hmod的装置(线圈)16。
图3中的传感器40的磁元件41-44的长度可以通过与所述的图2中传感器所采用的相似方法而被确定。
本发明的基本原理也可以被用作确定磁元件长度的一种方法。根据这样的一种方法，将采用下述步骤；
1.磁元件被暴露在用于激励元件的电磁辐射中。
2.磁元件被暴露在具有第一振幅的磁场中。
3.从来自磁元件的电磁应答信号探测出第一振幅。
4.然后磁元件被暴露在具有第二振幅的磁场中。
5.从来自磁元件的电磁应答信号探测出第二振幅。
6.确定电磁应答信号的第一和第二振幅之间的第一差值。
7.确定磁场的第一和第二振幅之间的第二差值。
8.磁元件的长度最终根据第一和第二差值而被确定，优选地通过第一差值除以第二差值并将由此获得的值同一组预先设定的值相比较，该组预先设定的值代表与不同的预先设定的长度相关的磁元件的去磁因数。
在本发明范围内，为了上述目的，每个磁元件长度以外的其它特性可以被用做编码参数。已经提到固有磁化，以及因此的去磁因数不仅取决于元件长度而且取决于其直径或横截面积。因而，元件的直径可以被用做编码目的，即通过采用不同横截面积(不同厚度)的磁传感器元件作为参照图2和图3所述的磁元件31-34及41-44的替代和/或除了参照图2和图3所述的磁元件31-34及41-44还采用不同横截面积(不同厚度)的磁传感器元件。
本发明通过几个示范性实施方案的方法已经被加以说明。然而，如所附加的权利要求所定义，在本发明范围内除了上述说明的实施方案以外的其它实施方案也是可能的。

Claims (19)

1.一种用于遥测目标的方法，一个单个目标(20)被装备有一个传感器(30)，该传感器(30)包括至少一个具有预先设定的几何形状并代表传感器标识的磁元件(31-34)，其中产生第一电磁信号(50)以激励所述磁元件或每个磁元件产生第二电磁信号(60)，第二电磁信号的振幅由一个磁场(Hmod)来调制，而且其中通过解调第二电磁信号(60，70)产生一个应答信号(80)，其特征在于下面的步骤：
a)响应于磁场(Hmod)的振幅变化(ΔH)探测应答信号(80)振幅的变化(ΔA)，
b)根据步骤a)的结果确定所述磁元件或每个磁元件(31-34)的几何特性，以及
c)根据步骤b)的结果确定传感器(20)的标识。
2.根据权利要求1的方法，其中几何特性是所述磁元件或每个磁元件(31-34)的长度(l1-l4)。
3.根据权利要求1的一种方法，其中几何特性是所述磁元件或每个磁元件(31-34)的直径。
4.根据前面任一权利要求的方法，其中所述磁元件或每个磁元件(31-34)由非晶的或纳米晶金属合金丝构成。
5.根据前面任一权利要求的方法，其中传感器(20)包括至少两个彼此之间以预先设定的空间关系布置的磁元件(31-34)。
6.根据权利要求5的方法，其中所述至少两个磁元件(31-34)具有不同的长度。
7.根据权利要求5或6的方法，其中所述至少两个磁元件(41-44)在传感器(40)中彼此相互平行地被布置。
8.根据权利要求5-6任一权利要求的方法，其中所述至少两个磁元件(31-34)彼此之间以按一角度被布置。
9.一种用于遥测目标的系统，其中一个单个目标(20)被装备有一个包括至少一个磁传感器元件(31-34)的传感器(30)，该系统包括发送器装置(11，13)，用于在探测区(10)发送第一电磁信号(50)；接收器装置(12，15)，用于接收第二电磁信号(60，70)，所述第二电磁信号(60，70)由传感器响应于来自发送器装置的第一电磁信号而产生；调制装置(16)，用于产生在由传感器产生第二电磁信号期间用于调制第二电磁信号的磁场(Hmod)；以及解调装置(15)，用于通过解调接收器装置所接收的第二电磁信号(70)而产生一个应答信号(80)，其特征在于
处理装置(14)，该处理装置用于响应于磁场(Hmod)振幅的变化(ΔH)，探测应答信号(80)振幅的变化(ΔA)；根据由此探测的振幅变化确定所述磁元件或每个磁元件(31-34)的几何特性；并且根据由此确定的几何特性确定传感器(30)的标识。
10.一种确定细长的磁元件(31-34)长度(l1-l4)的方法，其特征在于
将磁元件(31-34)暴露在电磁辐射(50)中，
将磁元件暴露在具有第一振幅的磁场(Hmod)中，
探测来自磁元件的电磁应答信号(60，70)的第一振幅，
将磁元件暴露在具有第二振幅的磁场中，
探测来自磁元件的电磁应答信号的第二振幅，
确定电磁应答信号的第一和第二振幅之间的第一差值(ΔA)，
确定磁场的第一和第二振幅之间的第二差值(ΔH)，以及
根据所述第一和第二差值确定磁元件(31-34)的长度(l1-l4)。
11.一种用于遥测目标的传感器(30)，其包括至少两个磁元件(31-34)，它们按照代表传感器或附着传感器的目标(20)的标识的空间关系被布置，所述磁元件在可被电磁地探测，其特征在于
每个磁元件(31-34)由非晶的或纳米晶金属合金丝构成并且具有不同于传感器(30)的至少一个另外的磁元件长度的一个长度(l1-l4)，其中每个元件的长度被用于构成传感器的标识。
12.根据权利要求11的传感器，其中每个磁元件(31-34)的直径为100-200μm。
13.根据权利要求11的传感器，其中每个磁元件(31-34)的直径为7-55μm。
14.根据权利要求11-13任一权利要求的传感器，其中每个磁元件(31-34)被装备有一种电介质材料涂层，如玻璃。
15.根据权利要求11-14任一权利要求的传感器，其中当每个磁元件(31-34)的非晶的或纳米晶金属合金暴露在高频电磁能(50)及低频磁能(Hmod)时，其显示出巨磁阻(Giant Magneto-impedance)效应。
16.根据权利要求11-15任一权利要求的传感器，其中每个磁元件(31-34)的非晶的或纳米晶金属合金具有大多数比例的钴。
17.根据权利要求11-16任一权利要求的传感器，其中每个磁元件(31-34)的非晶的或纳米晶金属合金的成分为(Fe0.06Co0.94)72.5Si12.5B15。
18.根据权利要求11-17任一权利要求的传感器，其中磁元件(41-44)彼此之间相互平行地被布置在传感器(40)内。
19.根据权利要求11-18任一权利要求的传感器，其中磁元件(31-34)彼此之间按照一个角度被布置在传感器(30)内。
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