DE2015295C2

DE2015295C2 - Überwachungssystem zur Ermittlung der Anwesenheit eines Gegenstands

Info

Publication number: DE2015295C2
Application number: DE2015295A
Authority: DE
Inventors: Peter Harold North Adelaide Cole; Richard Maroubra New South Wales Vaughan
Original assignee: Unisearch Ltd
Current assignee: Unisearch Ltd
Priority date: 1969-04-02
Filing date: 1970-03-31
Publication date: 1983-10-27
Also published as: BR7017852D0; LU60653A1; GB1292380A; IL34185A0; FR2038184A1; BE748054A; CH516853A; DE2015295A1; NL7004748A; SE394042B; US3755803A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Überwachungssystem zur Ermittlung der Anwesenheit sines Gegenstands, mit einem Sender für akustische oder elektromagnetische Energie, einer passiven Marke zum Anbringen an dem zu überwachenden Gegenstand, Einrichtungen auf der Marke zum Empfang des vom Sender abgegebenen Signals, welches als Reihe gleichförmiger Impulse abgegeben wird und zur Verwendung der Signalenergie zur Erzeugung und zum Senden eines Rücksignals in einer Energieform, die sich von jeder des gesendeten Signals unterscheidet, und einem Empfänger zur Aufnahme und Verarbeitung des Rücksignals.

Elektronische Überwachungssysteme mit einem Sen- « der für eine erste Art von Energie, einer passiven Marke zum Anbringen an zu überwachenden Gegenständen, welche Einrichtungen zum Empfangen eines Signals von dem Sender und zum Senden eines Signals einer zweiten Art von Energie aufweist, und einem Empfänger zur Aufnahme und Verarbeitung des Rücksignals sind bekannt aus DE-PS 7 04 878, DE-PS 8 89 617, DE-AS 10 58 580,GB-PSU 29 761 und GB-PS 12 27 141.

Bei der DE-PS 7 04 878 ist die Energie erster Art eine unmodulierte elektromagnetische Welle, die Energie zweiter Art eine modulierte elektromagnetische Welle.

Bei der DE-PS 8 89 617 ist die Energie erster Art ein impulsgetastetes Funksignal, die Energie zweiter Art ein pulsgruppenkodiertes Funksignal.

Bei der DE-AS 10 58 580 ist die Energie erster Art ein < >o pulsmoduliertes Funksignal, die Energie zweiter Art ein nochmals moduliertes pulsmoduliertes Funksignal, die Selektion dieses Signals und Sperrung gegenüber dem Sendesignal geschieht in einem Seitenbandfilter.

Bei der GB-PS 11 29 761 ist die Energie erster Art ein " Funksignal in einem ersten (z. B. UKW-nahen) Frequenzbereich und die Energie zweiter Art ein Funksignal in einem zweiten (z. B. KW-) Frequenzbereich.

Bei der G B- PS 12 27 141, die mit der vorveröffentlichten BE-PS 7 13 027 inhaltsgleich ist, ist die Energie erster Art ein Funksignal in einem Grundfrequenzbereich und die Energie zweiter Art ein Funksignal in eir>em Oberwellenfrequenzbereich. Aus dieser letzteren britischen Patentschrift ist ferner ein Überwachungssystem mit sämtlichen Merkmalen der eingangs definierten Art bekannt

Die grundlegenden Merkmale des Betriebs eines Abfragesystems für passive Marken sind folgende: Energie in irgendeiner Form wird durch eine Senderund Sendeantenneneinheit zu der Marke übertragen. Diese Energie wird dann auf irgendeine Weise durch die Marke verarbeitet, und die übrigbleibende Energie wird als Rücksignal von der Marke zurückübertragen. Durch eine empfindliche Empfänger- und Empfangsantenneneinheit wird diese Ruckenergie dann erfaßt, entsprechend verarbeitet und die Information herausgezogen. Es ist grundlegend für alle Abfragesysteme, daß eine sehr kleine Rückenergie von der Marke von der sehr viel größeren Sender- oder Abfrageenergie unterschieden wird. Diese Unterscheidung läßt sich mit verschiedenen Verfahren erreichen.

Um erfolgreich zu arbeiten, müssen solche Systeme folgende Merkmale aufweisen:

a) Die Marken sind passiv mit unbestimmt langer Speicherfähigkeit, können nichtdestruktiv gelesen werden, sind dauerhaft unter verschiedenen Umgebungs- und Behandlungsbedingungen, sind klein und weisen niedrige Herstellungskosten auf.

b) Die Marken können eine beliebige relative Orientierung und beträchtliche Entfernung von der Abtastvorrichtung haben, können sich in Bewegung befinden, und können vom Abtaster durch lichtundurchlässige Schranken getrennt sein.

c) Das kodierte Signal ist unterscheidbar von Hintergrundstörsignalen, welche versehentlich durch die Umgebung der abgefragten Marke ei zeugt werden.

Eine Unterscheidung von Störsignalen und die Kodierung der Information erfolgt durch die Wahl einer Kombination der Art von Abfrageenergie und Rückenergie in der Weise, daß Gegenstände in der Natur außer den Marken nicht die notwendige Kombination von Eigenschaften aufweisen, die es ihnen ermöglicht, die Art der Abfrageenergie zu empfangen, diese Energie in die richtige Art von Rückenergie umzusetzen und dann die Rückenergie auf richtige Weise zurückzuübertragen.

Aus der DE-AS 11 78 331 ist es ferner bekannt, einen Empfänger erst eine gewisse Zeit nach Beginn eines Sendeimpulses zu offen. Auch sind dabei Maßnahmen getroffen, den Empfänger nach einer vorgegebenen Zeitdauer abzuschalten.

Aus der US-PS 30 79 599 ist ferner das taktsynchrone Einschalten eines Empfängers zu einer vorgegebenen Zeit nach dem Beginn jedes Sendeimpulses und für eine vorgegebene Periode zwecks Beschränkung auf einen gewünschten Entfernungserfassungsbcreich bekannt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, das Überwachungssystem zur Ermittlung der Anwesenheit eines Gegenstandes der eingangs definierten Art derart zu verbessern, daß es in einem erweiterten Erfassungsbereich zur Anwendung gebracht werden kann, dabei jedoch dennoch eine

einfache und preiswerte Herstellung möglich sein soll.

Ausgehend von dem Überwachungssystem der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Marke einen piezoelektrischen Resonator enthält, dessen Ausgang.isignal einer Antenne zugeführt wird, damit ein Rücksignal mit akustischer oder elektromagnetischer Energie gesendet wird, welches jeweils eine andere Energieform aufweist, als das zur Marke gesendete Signal, und daß der Empfänger in an sich bekannter Weise synchron im Zeittakt angesteuert wird, um zu einer vorgegebenen Zeit nach dem Beginn jedes Senderimpulses für eine vorgegebene Zeitspanne eingeschaltet zu werden, wodurch störende Rücksignale von Marken außerhalb eines gewünschten Erfassungsbereichs eliminiert werden.

Mit Hilfe des Überwachungssystems nach der Erfindung ist es möglich, offen oder geheim kodierte Informationen von vorbereiteten passiven Marken durch eine entfernte Abtastvorrichtung über Radio- und/oder Schallwellen abzufragen.

Als spezielles Anwendungsgebiet des Überwachungssystems sind die Verhinderung des Diebstahls von Waren aus Geschäften oder Warenhäusern, von Büchern aus Bibliotheken oder entsprechenden Gegenständen aus Fabriken oder anderen Orten zu nennen.

Nach der Erfindung wird ein Verfahren verwendet, welches das gewünschte Ergebnis durch Einrichtungen in der Marke erreicht, welche die Art der Energie ändern können, so daß die Rückenergie anderer Art als die Abfrageenergie ist. Zum Beispiel hat die Abfrageenergie in dem beschriebenen System die Form akustischer Energie, während die Rückenergie die Form magnetischer Feldenergie aufweist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fi g. 1 ein Blockschaltbild mit den Grundkomponenten des Systems,

Fi g. 2 eine isometrische Ansicht einer Marke, die in dem System verwendet wird,

F i g. 3 und 4 Draufsicht und Seitenansicht der Marke, welche weitere Einzelheiten zeigen,

Fig. 5 eine Elektrodenkonfiguration für den in der Marke enthaltenen Resonator. a=>

Das zu beschreibende Überwachungssystem ist für die Erfassung lediglich der Anwesenheit einer Marke in einer Entfernung von einem Meter vorgesehen, wie es z. B. in einem Diebstahl-Erfassungssystem erforderlich ist. "><>

Das allgemeine Prinzip des Systems besteht darin, in der Markenkarte eine Einrichtung zum Empfangen von akustischer Energie, zum Umsetzen dieser in elektromagnetische Energie und zum Zurückübertragen dieser Energie als elektromagnetische Energie oder in diesem 5·> Fall genauer als magnetische Energie vorzusehen. Da die gesendete Energie in akustischer Form und die Rückenergie von der Marke in hiervon verschiedener Energieform, nämlich als magnetische Energie, auftritt, ist es so möglich, das kleine Markenrücksignal von dem bo großen gesendeten Abfragesignal zu trennen.

Die Grundkomponenten des Systems sind im Blockschaltbild in F i g. 1 gezeigt. Das System besteht

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(a) einem Leistungsoszillator 1 mit 100 Watt, 100 kHz,

(b) einer geeigneten Energieübertragungs- und akustischen Antenneneinheit 2 zur Übertragung elektrischer in akustische Energie, (z. JJ. ein Bariumtitanat piezoelektrischer Resonator, welcher mit der Luft über ein akustisches Horn gekoppelt ist), welche durch den Leistungsoszillator 1 gesteuert wird und akustische Energie in die Luft in dem Volumen ausstrahlt, in welchem die Marke erfaßt werden soll,

(c) einer Marke 3, wie sie unten im einzelnen beschrieben ist, und

(d) einem magnetischen Spulenpaar 4, verbunden mit einem empfindlichen Empfänger 5, welcher das von der Marke erzeugte magnetische Rückfeld erfaßt, wenn diese von dem akustischen Feld getroffen wird.

Der Aufbau einer geeigneten passiven Marke ist in der isometrischen Zeichnung in F i g. 2 gezeigt. Die Marke besteht aus einer inneren Kunststoffkarte 6 mit einer Größe von etwa 5 cm χ 2,5 cm, welche als Schutz- und Tragschicht für die inneren empfindlichen Elemente dient. Kariondeckel 7 und 8, die genügend dünn sind, um für akustische Strahlung mit 10OkHz im wesentlichen durchlässig zu sein, sind mit beiden Seiten der Kunststoffkarte verklebt. Weitere Einzelheiten der Marke sind in Fig. 3 und 4 gezeigt. In Fig. 3 ist die Kunsistoffkarte 6 und das empfindliche Element bei entfernten Kartondeckeln 7 und 8 gezeigt.

Die akustische Energie wird erfaßt durch ihre Wirkung, welche resonante Schwingungen eines Biegungsschwingungsresonators 9 bei 100 kHz erzeugt. Im vorliegenden Beispiel soll der Resonator 9 aus Quarz hergestellt sein, jedoch kann jedes andere Material mit geeigneten mechanischen Eigenschaften, niedriger akustischer Dämpfung und hohen piezoelektrischem Koeffizienten verwendet werden. Die Biegungsschwingungen werden verwendet, um die akustische Impedanzhöhe des Resonators zu verkleinern und daher eine bessere akustische Impedanz im Zusammenwirken mit Luft vorzusehen. Die ungefähren Abmessungen des Resonators 9 sind 1,5 cm lang, 0,75 cm breit und 0,254 mm dick. Der Resonator 9 wird in die ausgeschnittene Kunststoffkarte zwischen den Kartondeckeln eingesetzt, ohne diese zu berühren. Um eine minimale Dämpfung durch seine Lagerung zu bewirken, wird er in Knotenpunkten der Biegungsschwingung durch vier Vertiefungen gehalten, die aus den Seiten des Ausschnitts in der Kunststoffkarte ragen.

Geeignete Elektroden sind mit dem Resonator 9 so verbunden, daß die akustische Schwingungsenergie im Resonator in elektrische Energie umgesetzt wird, welche zwischen Elektroden 10 und 11 durch die piezoelektrischen Eigenschaften des Quarzes zur Verfügung steht. Eine mögliche Elektrodenkonfiguration ist in F i g. 5 gezeigt.

Diese elektrische Energie oder genauer der piezoelektrische Verschiebungsstrom zwischen den Elektroden 10 und 11 erzeugt einen Strom durch eine Antenne 12 mit 10 Windungen und einem Querschnitt von 6,452 cm², welche zwischen den Elektroden 10 und 11 liegt. Die Antenne 12 ist auf bekannte Weise auf der Oberfläche der Kunststoffkarte 6 mit der Technik für gedruckte Schaltungen aufgebracht. Das durch diesen Stromfluß durch die Antenne 12 erzeugte magnetische Feld wird dann durch das Helmholtzspulenpaar 4 und den Empfänger 5 erfaßt, wodurch die Anwesenheit der Marke wie gewünscht erfaßt wird.

Berechnungen zeigen, daß die in den verschiedenen Teilen des Gesamtübertragungswegcs vom Sender zum

Empfänger auftretenden
sind:

Leistungsverluste folgende

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(a) akustische Ausbreitungsverluste von der akustischen Sendeantenne 2 zum akustischen Resonator oder zur »Empfangsantenne« 9 in der Marke -41 db.

(b) akustische Wegabsorption zwischen der akustischen Sendeantenne und der Marke —3 db,

(c) Umsetzverluste von akustischer in elektrische Energie im Resonator 9 — 10 db, und

(d) magnetische »Ausbreitungsverluste« zwischen der an den Ausgangselektroden 10 und 11 des Resonators 9 verfügbaren Reaktionslcistung zur tatsächlichen induzierten magnetischen Leistung in dem empfangenen Spulenpaar4 —75 db.

Die gesamten Übertragungswegverluste sind so db.

Die Rauschbandbreite des Empfängers ist 1000 Hz. Geringere Bandbreiten sind nicht zweckmäßig infolge der akustischen Dopplerverschiebung, welche wegen der die Marke durch das Feld tragenden Person auftritt. Der hieraus folgende Eingangsrauschpegel des Empfängers für einen Rauschwert von 3 db ist — 171 dbW.

Mit einer übertragenen Leistung von +20dbW ist der Eingangssignalpegel am Empfänger 109 dbW. Das Verhältnis Signal zu Rauschen im Empfänger ist so db und das System ist nicht durch das Empfängerrauschen begrenzt.

Es gibt einige offensichtliche Änderungen vom oben eingehend beschriebenen Entwurfsbeispiel, welche besonderen Anwendungsfällen angepaßt werden können. Einige dieser Änderungen sind insbesondere:

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(a) Die Betriebsfrequenz des Systems kann verkleinert oder vergrößert werden. Verkleinerungen der Frequenz verbessert das Verhältnis Signal zu Rauschen des Systems, die Größe der Marke wird jedoch ebenso vergrößert. Eine Vergrößerung der Frequenz verringert das Verhältnis Signal zu Rauschen des Systems und verringert die Größe der Marke. Die Dämpfung von Schallwellen durch die Luft nimmt ebenfalls mit der Frequenz zu, und dies hat den wichtigen Vorteil, daß die Unterscheidungsfähigkeit des Systems gegenüber Fehlersignalen von außerhalb des gewünschten Erfassungsvolumens angeordneten Marken zunimmt, da diese Signale einer größeren Dämpfung infolge des

(b)

(C)

(d)

30 längeren akustischen Ausbreitungsweges unterworfen sind. Zum Beispiel ist die akustische Dämpfung in Luft bei einer Betriebsfrequenz von 200 kHz 8 clb/m. Folglich werden Signale von außerhalb liegenden Marken um 8 db/m ihres Abstandes vom Erfassungsvolumen gedämpft.
Infolge der Umkehrbarkeit kann das System auch umgekehrt in dem Sinne betrieben werden, daß über das Spulenpaar 4 magnetische Feldenergie zur Marke übertragen wird, dort in akustische Energie umgesetzt und als solche von der Marke zurückübertragen wird, und diese akustische Energie durch die akustische Übertragungsantenne 2 empfangen wird. Dieses umgekehrte System kann Vorteile in Anordnungen aufweisen, wo die atmosphärische Rauschenergie des magnetischen Feldes höher als die atmosphärische akustische Rauschenergie ist. Die atmosphärische akustische Rauschenergie ist normalerweise gering bei 100 kHz, und noch niedriger bei höheren Frequenzen infolge der akustischen Dämpfung der Luft bei diesen Frequenzen.

Im Sendeleistungspegel können Änderungen durchgeführt werden.

Wie oben festgestellt, sind infolge der akustischen Dopplerverschiebung Empfängerbandbreiten von weniger als 1000 Hz nicht möglich. Daher kann das Verhältnis Signal zu Rauschen des Systems nicht durch Verwendung geringerer Empfängerbandbreiten vergrößert werden. Jedoch ist es bei gleicher mittlerer Sendeleistung möglich, eine Vergrößerung des Verhältnisses Signal zu Geräusch, welche effektiv äquivalent einer solchen ist, die durch Verringerung der Empfängerbandbreite zu erhalten wäre, durch Pulsen des Senders und synchrone Zeitsteuerung des Empfängers zu erreichen. Die Sendeimpulsbreite wird durch die Empfängerbandbreite bestimmt sein, und die Pulsfolgefrequenz durch die Geschwindigkeit, welche die Marke durch das Erfassungsvolumen getragen wird. Für konstante mittlere Sendeleistung wird das Verhältnis Signa! zu Rauschen vergrößert um das Verhältnis der Impulsfolgeperiode geteilt durch die Pulsbreite. Für das hier beschriebene Ausführungsbeispiel sind geeignete Werte eine Sendeimpulslänge von 6 msec und eine Impulsfolgedauer von 300 msec, wobei der Empfänger synchron für 3 msec Dauer 3 msec nach dem Beginn jedes Sendeimpulses aufgesteuert wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1
Patentanspruch:

Überwachungssystem zur Ermittlung der Anwesenheit eines Gegenstands, mit einem Sender für akustische oder elektromagnetische Energie, einer passiven Marke zum Anbringen an dem zu überwachenden Gegenstand, Einrichtungen auf der Marke zum Empfang des vom Sender abgegebenen Signals, welches als Reihe gleichförmiger Impulse abgegeben wird und zur Verwendung der Signalenergie zur Erzeugung und zum Senden eines Rücksignals in einer Energieform, die sich von jener des gesendeten Signals unterscheidet, und einem Empfänger zur Aufnahme und Verarbeitung des Rücksignals, dadurch gekennzeichnet, daß die Marke (3) einen piezoelektrischen Resonator (9) enthält, dessen Ausgangssignal einer Antenne (12) zugeführt wird, damit ein Rücksignal mit akustischer oder elektromagnetischer Energie gesendet wird, welches jeweils eine andere Energieform aufweist, afs das zur Marke (3) gesendete Signal, und daß der Empfänger (5) in an sich bekannter Weise synchron im Zeittakt angesteuert wird, um zu einer vorgegebenen Zeit nach dem Beginn jedes Senderimpulses für eine vorgegebene Zeitspanne eingeschaltet zu werden, wodurch störende Rücksignale von Marken außerhalb eines gewünschten Erfassungsbereichs eliminiert werden.