DE68926619T2 - Anordnung zur identifizierung von gegenständen - Google Patents

Description

• Obwohl im Stand der Technik viele kontaktiose Identifizierungssysteme bekannt sind, beschränkt sich die folgende Diskussion auf solche, bei denen der Aufkleber vollständig passiv ist und keine Halbleiterelemente oder andere oberflächenmontierte Bauteile (surface mounted devices, SMD) aufweist. Ein prinzipieller Vorteil derartiger Aufkleber liegt darin, daß sie sehr widerstandsfähig gegenüber Umgebungseinflüssen hergestellt werden können, daß sie preisgünstig hergestellt werden können, und daß sie eine mechanisch glatte Oberfläche aufweisen. Der Aufkleber kann beispielsweise in Blattform hergestellt werden und wie ein Blatt Papier gehandhabt werden (z.B. zur Verwendung in einer Schreibmaschiene) und als Einwegartikel verwendet werden. Bei einer geeigneten Wahl des Materials können die Aufkleber auch in extremen Umgebungen, z.B. in Öfen, angebracht werden und es ist denkbar, daß sie in Verpackungen oder dergleichen versteckt werden. Ein prinzipielles Problem passiver Resonatoren liegt allerdings darin, daß der Informationsgehalt gegenüber beispielsweise einem an eine Antenne angeschlossenen programmierbaren Speicher auf vollkommen andere Art begrenzt ist. Eine weitere prinzipielle Einschränkung derartiger breitbandiger Systeme wie diesem liegt darin, daß ihre Reichweite aufgrund staatlicher Bestimmungen zur Emission von Radiowellen begrenzt ist, da die abgestrahlte Leistung nur gering sein darf.
• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Identifizieren von Gegenständen mit einer Vielzahl passiver Resonatoren von der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.
• Eine derartige Vorrichtung ist aus der US-PS 4,356,477 bekannt. Dieses Dokument offenbart eine Vorrichtung mit einem Sender, der Einrichtungen zur Erzeugung eines modulierten Signals umfaßt, wobei die Modulationsfrequenz konstant gehalten wird, die Trägerfrequenz ein Frequenzintervall überstreicht und die Resonatoren auf Frequenzen innerhalb des von der Trägerfrequenz überstrichenen Intervalls abgestimmt sind. Der Empfänger ist mit einem FM- oder AM-Detektor versehen; in dem das empfangene Signal mit einem von der Abtastfrequenz abhängigen Signal und eventuell mit einem von dem ausgestrahlten Signal abhängigen Signal gemischt wird.
• Eine weitere Vorrichtung dieser Art ist in der DE-C2-26 58 669 offenbart. Diese Vorrichtung verwendet eine konstante Trägerfrequenz und eine gestuft veränderliche Modulationsfrequenz, welche des weiteren durch aussenden als gedämpfte Oszillation gepulst wird, wobei davon eine jede einem Resonator einer bestimmten Frequenz zugeordnet ist.
• Ein grundsätzliches Problem dieses Standes der Technik liegt darin, eine verläßliche Detektion zu erreichen, wofür ein Grund die durch staatliche Vorschriften begrenzte Sendeleistung ist.
• Eine Aufgabe der Erfindung ist es, die Detektion und Identifizierung von mit Aufklebern versehenen Gegenständen, die passive Strahlungsresonatoren enthalten, zu verbessern, und insbesondere, die Anpassung und Unterscheidung zwischen einer großen Anzahl von Resonatoren in einem definierten Frequenzintervall zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Kennzeichenteils des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Der Aufkleber enthält eine Vielzahl von Resonatoren und wird durch ein Magnetfeld beeinflußt, dessen Frequenz kontinuierlich abgetastet wird, während gleichzeitig die Frequenz und/oder Amplitude moduliert wird. Diese Modulation verteilt die Leistung auf im wesentlichen das gleiche Frequenzband wie das der Bandbreite eines Resonators entsprechende. In den Zeitintervallen in denen die Trägerwellenfrequenz etwa der Resonanzfrequenz eines der Resonatoren entspricht, kann eine Antwort von einem Empfänger mittels einer Empfangsspule empfangen werden. Da der Resonator eine schmale Bandbreite aufweist, werden verschiedene Seitenbänder der Modulation unterschiedlich beeinflußt werden, und die Signalverarbeitung durch den Empfänger wird im Gegensatz zu inneren oder äußeren Störeinflüssen eine Antwort induzieren. Die Abtastung führt dazu, daß jeder Resonator einen Impuls erzeugt, und der Aufkleber als Ganzes wird während der Abtastperiode eine Reihe von Impulsen generieren. Die Abtastung und die Modulation werden derart gesteuert, daß die Impulsreihe "normalisiert" wird und verschiedene Aufkleber unterschieden werden können, indern die Impulsreihe verschiedene Muster annimmt. Die Methode, eine kontinuierliche Abtastung anzuwenden, macht das System tolerant gegenüber einheitlichen Verschiebungen der Resonanzfrequenzen der Resonatoren, z.B. gegen durch Variationen der Materialeigenschaften erzeugte Verschiebungen. Da das System ein breitbandiges System ist (> 1 Oktave), ist die Konfiguration der Sendespule zur Erzielung einer hinreichenden Reichweite trotz der durch staatliche Bestimmungen hinsichtlich erlaubter Strahlungsmengen begrenzten Stromstärke in der Sendespule wichtig. Um ein möglichst starkes Magnetfeld im Verhältnis zu dem gesamtem Strahlungsfeld bereitstellen zu können, werden verschiedene Anordnungen zusammengezogener Schleifen verwendet.
Figurenbeschreibung
• Das Prinzip der Signalverarbeitung ist schematisch in Fig. 1 dargestellt, die einen Hochfrequenzsender (z.B. 5-30 MHz) zeigt, dessen Frequenz abgetastet wird, während gleichzeitig eine sinusförmige Modulation mittels Frequenzmodulation (FM) erfolgt. Die Breite der Modulation (Frequenzschwankung) liegt in der gleichen Größenordnung wie die Bandbreite eines Resonators, die 1 % betragen kann. Die Sendespule wird in ihrer unmittelbaren Umgebung ein Magnetfeld erzeugen, aber aufgrund ihrer beiden gegengeschalteten Hälften, vgl. Fig. 1, wird die abgestrahlte Leistung relativ gering sein.
• Der Aufkleber wird durch das Magnetfeld angeregt, und die Abtastgeschwindigkeit ist so niedrig, daß ein Resonator zu oszillieren anfangen kann während die Frequenz des Senders noch in der Nähe der Frequenz des Resonators liegt. Wenn die Frequenz des Resonators fr und sein Q-Wert Q ist, so kann dies dadurch ausgedrückt werden, daß die Veränderung der Trägerfrequenz fr/Q mindestens Q/4 Perioden dauert. Die Frequenz der Modulation kann beispielsweise derart gewählt werden, daß eine Anzahl von Perioden der Frequenz während der gleichen Periode durchgelassen werden. Eine Empfängerspule empfängt die Antwort eines sich eventuell in der unmittelbaren Umgebung befindlichen Resonators, und die Antwort wird mit einem kleinen Anteil des ausgesendeten Signals gemischt. Es ist selbstverständlich ebenso möglich, die Antwort mit einer modifizierten Zusammensetzung des ausgesendeten Signals zu mischen. Unterschiedliche Lecksignale zwischen dem Sender und dem Empfänger bedeuten, daß die Mischstufe ein starkes Signal liefern wird, selbst ohne die Anwesenheit eines Resonators. Unter anderem ist eine langsam variierende "Gleichstrom"- Komponente vorhanden, sowie ein sich mit der Modulationsfrequenz veränderndes Signal. Wenn jedoch ein Resonator in der Umgebung vorhanden ist, können auch höhere Harmonische detektiert werden, und sowohl die zweite wie auch die dritte Harmonische sind typisch für einen Resonator, wenn eine reine sinusförmige Modulation angewandt wird. Die zu verwendende Harmonische bzw. die zu verwendenden Harmonischen werden herausgefiltert und verstärkt, und die Grundschwingung der Modulation wird vorzugsweise mit der Hilfe eines Unterdrückungsfilters eliminiert, um eine Über-Modulierung zu vermeiden. Nach dem passieren eines kohärenten Detektors (Ring-Modulators) kann das Signal in der Nähe der gewünschten Harmonischen herausgefiltert und verstärkt werden. Bestimmte Lecksignale verbleiben noch in Form eines sich über die Abtastun& relativ langsam verändernden Signals. Aufgrund der Abtastgeschwindigkeit und des Q-Werts der Resonatoren ist bekannt, wie lang der Antwortimpuls genau sein sollte, und daher wird ein hinreichend breiter Bandpass-Filter die Antwortfunktion der Resonatoren erheblich verbessern. Um die Verläßlichkeit der Detektierung zu erhöhen, können mehrere Harmonische parallel zueinander verarbeitet werden, und es ist auch möglich, eine nicht-sinusförmige Modulation zu verwenden.
• Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild, welches eine praxisnähere Vorrichtung veranschaulicht, in der unter anderem die Abtastung proportional durchgeführt wird (ein vorgegebener prozentualer Anteil pro Zeiteinheit), so daß sämtliche Resonatoren Antworten von gleicher Dauer liefern, selbst wenn die Abtastung über mehrere Oktaven erfolgt. Die dargestellte Vorrichtung enthält eine Rückkopplung, die sicherstellt, daß die Abtastung zur Ermöglichung der Auswertung in genau definierter Weise erfolgt. Sowohl die Breite der Modulation als auch die Verstärkung werden während der Abtastung geregelt, wodurch eine Normalisierung der Impulsfolge nach Durchführung eines Probelaufs mit einem Test-Aufkleber, der von Zeit zu Zeit wiederholt wird, erfolgen kann. Die Modulationsfrequenz ist andererseits in dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel konstant, um eine Filterung des Signals zu ermöglichen. Eine Analyse der von dem Aufkleber erhaltenen Antwort zeigt, daß die Dauer der Antwort etwa zwei- bis dreimal kürzer ist, wenn nur die Harmonischen im Vergleich zu der gesamten Antwort betrachtet werden. Aus diesem Grund können die Resonatorfrequenzen entsprechend dichter gepackt werden, was bei der Verwendung von Resonatoren mit relativ niedrigen Q-Werten einen erheblichen Unterschied ausmacht. Ein Q-Wert im Bereich von 50 bis 100 ist bei einem gedruckten Resonator im Hochfrequenzbereich realistisch. Verschiedene Filter- und Modulationsmethoden sind zur Optimierung der Bandbreiten denkbar. Die Signalverarbeitung zur Umwandlung der analogen Impulsfolge in eine binäre Impulsfolge ist in Fig. 2 nicht näher dargestellt, wird aber unter anderem eine Empfindlichkeitsanpassung umfassen, um Messungen von unterschiedlichen Entfernungen aus zu ermöglichen. Es ist weiterhin nützlich, die Anzahl der verwendeten Kombinationen zu begrenzen, um eine Fehlererkennungseinrichtung einbauen zu können.
• Fig. 3 stellt eine weitere Methode der Modulation dar, bei welcher eine Kombination aus Frequenz- und Amplitudenmodulation verwendet wird, um die abgestrahlte Leistung zur Minimierung der verwendeten Bandbreite und zur Verminderung von von benachbarten Resonatoren während einer Leseperiode stammenden Störungen auf drei Frequenzen auf einmal zu begrenzen (Trägerfrequenz ± Modulationsfrequenz) . In diesem Fall variiert die Modulationsfrequenz proportional zu der Trägerfrequenz, um das Signal im Verhältnis zu der Bandbreite der Resonatoren zu optimieren. In Fig. 4 ist diese Funktion anhand eines Diagramms dargestellt, in welchem die zweiten Harmonischen für schmalbandige Resonatoren hervorgehoben werden.
• Der hier und im Voranstehenden verwendete Begriff "Frequenzmodulation" soll auch Phasenmodulation mit umfassen, welcher in Bezug auf die Signale das gleiche besagt. Es können jedoch sowohl die praktische Ausführung als auch die Wahl der Parameter variiert werden.
• Die Reichweite hängt von mehreren Parametern ab, von denen einige unabhängig von dem Vorgang der Signalverarbeitung sind. Bei der beschriebenen Methode wird allerdings eine schmale Bandbreite verwendet (im Vergleich zu z.B. gepulsten Systemen), wodurch sowohl innere als auch äußere Störungen unterdrückt werden. Es ist auch wichtig für die Funktion, daß allein die Resonatoren einen hohen Q-Wert aufweisen (oder aber eine schmale Bandbreite im hochfrequenten Bereich), so daß sowohl die Sendespule wie auch die Empfangsspule über eine große Bandbreite verfügen müssen und so weit wie möglich frei von parasitären Resonanzen sein müssen, und zwar sowohl in dem Frequenzband des Senders als auch in den möglicherweise auftretenden Harmonischen der Senderfrequenz. Im Falle eines Systems mit einer kleinen Anzahl von Resonatorfrequenzen (Typ Diebstahlsicherung) wird oftmals eine abgestimmte Empfangsspule verwendet, um die Empfindlichkeit des Systems zu erhöhen, obwohl eine derartige Ausführung im vorliegenden Fall normalerweise nicht möglich ist. Fig. 5 und 6 stellen zwei mögliche Spulenanordnungen mit eingebauten Sende- und Empfangsspulen dar. Die Sendespule weist zwei oder mehr gegeneinander gerichtete Teile auf, um einen relativ hohen Stromfluß bei gleichzeitig geringer Strahlung zu ermöglichen. Das Magnetfeld in der Nähe der Spule wird dann für eine ausreichende Anregung des Aufklebers sorgen. Die Größe der Sendespule an sich ist nicht entscheidend&sub1; aber die Abmessung der Empfangsspule sollte ungefähr der gewünschten Reichweite entsprechen. Die Orientierung oder Anordnung des Aufklebers ist ebenfalls wichtig, zusätzlich zu der Reichweite. Bei einer Vielzahl von Anwendungen werden die Aufkleber in der gleichen Weise bewegt, es kann jedoch mitunter notwendig sein, diese Abhängigkeit auszuschließen. Eine größere Unabhängigkeit kann dadurch erreicht werden, daß zwei zueinander senkrechte Felder mit einer um 90º verschobenen Phase verwendet werden, um nicht zwei aufeinanderfolgende Messungen in den beiden Richtungen vornehmen zu müssen. Da die Geometrie der Spulen von ihrem Einsatzzweck abhängig ist, wird diese Geometrie für verschiedenen Anwendungen unterschiedlich ausfallen. Eine Voraussetzung von großer praktischer Wichtigkeit ist, daß die Spulen eine große Bandbreite aufweisen, so daß die Erzeugung von Störungen vermieden wird. Erfindungsgemäß werden die Resonatoren den mit Abstand höchsten Q-Wert aufweisen.

Claims (2)

1. Vorrichtung zum Identifizieren von Gegenständen, von denen ein jeder mit einem Aufkleber (2) versehen ist, welcher eine Vielzahl passiver HF-Resonatoren (4) aufweist, die aus einer Gruppe bekannter Frequenzen ausgewählte Resonanzfrequenzen aufweisen, wobei die Vorrichtung einen Sender (8) zur Übertragung eines hochfrequenten Magnetfeldes mittels einer Sendeantenne (6) umfaßt, dessen Frequenz ständig eine gegebene Bandbreite mittels eines Abtastregelsignalgenerators (22) abtastet, während gleichzeitig mittels eines Modulationsregelsignalgenerators (24) die Phase oder Frequenz und/oder Amplitude des Magnetfeldes mit einer Modulationsbreite in der Größenordnung der Bandbreite der HF- Resonatoren (4) moduliert wird, wobei der zu identifizierende Aufkleber (2) detektierbar ist, wenn er sich relativ nah zu der Sendeantenne (6) befindet, wobei die Vorrichtung weiterhin einen mit einer Empfangsantenne (12) versehenen Empfänger (10) und einer Detektoreinrichtung zum Empfangen und Detektieren eines von den HF-Resoratoren erzeugten Signals versehen ist, wobei die Detektoreinrichtung einen ersten Detektor (14), welcher mit der Empfangsantenne (6) verbunden ist und zum Mischen des eingehenden Empfangssignals mit einem aus dem Sendesignal bestehenden Mischsignal dient, einen zweiten Detektor (16), welcher zum Mischen eines von dem ersten Detektor (14) erhaltenen Singals mit einer oder mehreren Harmonischen der Modulationsfrequenz dient, und einen ersten Filter (20) zum Filtern des von dem zweiten Detektor (16) erhaltenen Signals zum Zwecke der Verstärkung im wesentlichen impulsartiger Singalbestandteile aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Detektor (14) eine lineare Mischstufe ist, daß ein Ausgangssignal des ersten Detektors (14) von einem zweiten Filter (18) zur Verstärkung von harmonischen Signalkomponenten und zur Unterdrückung von Störungen gefiltert wird, wobei ein Ausgang des zweiten Filters (18) mit dem zweiten Detektor (16) verbunden ist, und daß der zweite Detektor eine lineare Mischstufe ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulationsregelsignalgenerator ein sinusförmiges Modulationssignal erzeugt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulationsregelsignalgenerator ein Dreiecksmodulationssignal erzeugt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulationsregelsignalgenerator eine Kombination von Frequenz- und Amplitudenmodulationssignalen erzeugt, so daß in der Modulation nur zwei oder mehr Trägerwellen-Seitenbänder vorhanden sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als ein Kanal nach der ersten Mischstufe herausgefiltert wird, und daß diese Kanäle ein zweites Mal jeweils zusammen mit einer entsprechenden Harmonischen, der Modulationsfrequenz oder jeweils mit einer entsprechenden Kombination von Harmonischen der Modulationsfrequenz detektiert werden, wobei diese Kanäle dann verläßlich gegenüber Störungen und anderen Unvollkommenheiten getrennt detektierbar sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 in Verbindung mit einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzabtastung proportional mit einen bestimmten Prozentteil der Frequenz pro Zeiteinheit geregelt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 in Verbindung mit einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung während der Frequenzabtastung derart geregelt wird, daß alle Resonatoren nominell die gleiche Amplitude erzeugen, wobei die Vorrichtung einen Testresonator zur periodischen und automatischen Kalibrierung aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 in Verbindung mit einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Aufkleber-Resonatoren (4) eine feste Nennfrequenz aufweist und zur Kalibrierung benutzt wird, so daß eine gleichmäßige Veränderung der Resonatorfrequenz kompensierbar ist, wobei vorzugsweise die höchste und die niedrigste Frequenz verwendet wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 in Verbindung mit einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Kalibrier-Resonatoren sehr viel größer als die übrigen ist und zur Auslösung der Sequenz verwendet wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 in Verbindung mit einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Resonatoren (4) auf allen Aufklebern (2) gleich ist, so daß das Risiko von Lesefehlern vermindert wird und daß die Verstärkung alle Resonatoren (4) umfassend eingestellt wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 in Verbindung mit einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeantenne (6) gegengeschaltet ist und daß der Strom zur Einhaltung der erlaubten Strahlungsmenge begrenzt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 in Verbindung mit einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sendeantennen (6) gegeneinander um 90º verdreht sind und um 90º phasenverschoben versorgt werden, wodurch das Feld richtungsunabhängiger und tolerant in Bezug auf in unterschiedlichen Richtungen angeordneten Aufklebern ist.

Konkordanzliste der Bezeichnungen in den Figuren

Figur 1

2 LABEL Aufkleber

6 DRIVE-COIL Treiberspule

12 SENSING COIL Empfängerspule

14 MIXER Mischstufe

16 COHERENT DETECTOR Kohärenter Detektor

20 PHASE SHIFT + LIMIT Phasenverschiebung + Begrenzung

22 TRIANGLE GENERATOR Dreiecksgenerator

24 SINUSOIDAL GENERATOR Sinusgenerator

POWER STAGE Leistungsstufe

DRIVE STAGE Treiberstufe

PHASE SHIFT Phasenverschiebung

2 OR 3 TIMES fm 2 oder 3 mal fm

X2 OR X3 X2 oder X3

OUTPUT Ausgang

Figur 2 (teilw. Übereinstimmung mit Fig. 1)

COUNTER UP/DOWN Zähler auf/ab

COUNTER GATED Zähler

COUNTER SCAN STAGE Zähler-Abtaststufe

SAMPLING PULSES Sample-Impulse

CONTROL PROCESSOR Steuerprozessor

BINARY OUTPUT Binärer Ausgang

SCAN STAGE Abtaststufe

Figur 3

ADAPTION Anpassung

MULTIPLIER Vervielfacher

MICROPROCESSOR Mikroprozessor

DATA-OUTPUT Daten Ausgang

Figur 4

TRANSMITTED SIGNAL Transmittiertes Signal

SIGNAL RECEIVED FROM Von dem Resonator empfangenes

RESONATOR WHEN f0 = fres Signal, wenn f0=fres

THE FREQUENCY DIFFERENCE Der Frequenzunterschied 2xfm

2xfm OCCURS WHEN f0+fm tritt auf, wenn f0+fm und f0-fm

AND f0-fm ARE PHASE unterschiedlich phasenverdreht

TWISTED DIFFERENTLY sind

SIGNAL RECEIVED FROM OTHER OBJECT

Von anderem Objekt empfangenes Signal

f0=fres IS PREFERABLY USED IN THE DETECTING METHOD

f0=fres wird vorzugsweise bei der Detektierungsmethode verwendet

Figuren 5 und 6

TRANSMITTER COIL Sendespule

RECEIVER COIL Empfängerspule

TRANSMITTER CONNECTION Sender-Anschluß

RECEIVER OUTPUT Empfänger-Ausgang