NL1011517C2 - Detectiesysteem. - Google Patents

Description

- 1 -5

Detectiesysteem.

De uitvinding betreft een detectiesysteem voor het detecteren van winkeldiefstal met 10 behulp van magneto-akoestische labels. Deze labels bevatten een plaatje zacht magnetisch materiaal, dat het magnetostrictieve effect vertoont: de afmeting van het materiaal kan veranderen onder invloed van een uitwendig magnetisch veld. Indien dat magnetische veld een wisselveld is, kan een mechanische trilling worden opgewekt.

15 Het betreffende plaatje zacht magnetisch materiaal zal bij specifieke frequenties mechanische resonantie effecten vertonen. De eerder genoemde mechanische trillingen, opgewekt door middel van magnetostrictie, worden versterkt indien de frequentie van het magnetische wisselveld, hier verder primaire veld genoemd, gelijk is aan de helft van de mechanische resonantiefrequentie. Indien echter een tweede, constant, 20 magnetisch veld, ook wel bias veld genaamd, aangebracht wordt in een geschikte oriëntatie, zal de mechanische trilling maximaal zijn indien de frequentie van het wisselveld gelijk is aan de mechanische resonantiefrequentie.

Een mechanisch trillend plaatje magnetostrictief materiaal in een bias veld zal echter 25 ook een eigen, secondair, magnetisch wisselveld genereren. Dit wisselveld kan in principe door een daartoe geschikte ontvanger gedetecteerd worden.

De sterkte van het secondaire magnetische wisselveld is in verhouding tot het primaire veld dermate zwak dat het niet zonder meer onderscheiden kan worden van dat primaire 30 veld. Er zijn daarom maatregelen nodig om dat secondaire veld detecteerbaar te maken.

In de bestaande techniek wordt dat bereikt door het primaire veld slechts kortstondig aan te zetten. In die aan-periode gaat het label trillen. Als het primaire veld uitgezet T011517 -2- wordt, is in het label nog trillingsenergie aanwezig. Het label blijft daardoor nog doortrillen in de eigen resonantietrilling. Er wordt dan nog een secondair magnetisch 5 wisselveld gegenereerd, dat op afstand detecteerbaar is omdat het primaire veld niet meer aanwezig is.

Vanwege trillingsverliezen daalt de amplitude van deze trilling volgens een omgekeerd exponentiële kromme. Door op twee of meer momenten de amplitude van het ontvangen signaal te meten en die amplitudes te vergelijken met de exponentiële afVal 10 kromme, kan eenduidig de aanwezigheid van een dergelijke label vastgesteld worden, evenals de grootte van de Q-factor van die label.

Figuur 1 geeft een schematische weergave van het werkingsprincipe van de bestaande techniek.

15 Lijn 1 toont een oscillogram van het gepulste primaire magnetische wisselveld met pulsen 2. Lijn 3 laat de door de ondervraagpulsen opgewekte trilling 4 zien van het magneto-strictieve plaatje van het label, en daarmee de golfvorm van het secondaire magnetische veld. Lijn 5 laat zien wanneer het terugontvangen signaal bemonsterd wordt, en lijn 6 de bemonsterde golfvorm.

20

Dit wordt de puls-naslinger techniek genoemd. Dergelijke technieken zijn bekend, o.m. uit het Amerikaanse octrooien US 4647910 en US 4510489. Kenmerkend voor de puls-naslinger techniek is het kortstondig inschakelen van het zendveld, gevolgd door een langere ontvangst periode.

25

Een principieel alternatief in de bestaande techniek is de frequentiezwaai methode, o.a. genoemd in het Amerikaanse patent US 4510489, Anderson, e.a. In deze techniek wordt een continu aanwezige ondervraagsignaal in frequentie gezwaaid. De frequentiezwaai passeert daarbij de resonantiefrequentie van het label. De zwaai is 30 relatief langzaam, zodat het label, wanneer de frequentie van het ondervraagsignaal de resonantiefrequentie passeert, voornamelijk trilt in de gedwongen trilling, De frequentie van deze gedwongen trilling is principieel gelijk aan de frequentie van het ondervraagsignaal, doch de momentele fasehoek van deze gedwongen trilling ten opzichte van het ondervraagveld verloopt van 0° naar -180° bij een passage van de 1011517 -3 - ondervraagfrequentie van laag naar hoog. Van hoog naar laag verloopt het faseverschil van -180° naar 0°. Op het moment van exacte resonantie is het faseverschil -90° en is 5 de amplitude van de gedwongen trilling maximaal.

Het secondaire magnetische veld dat door deze gedwongen trilling opgewekt wordt, wordt ontvangen in een ontvangschakeling onder gebruik van een tweede ontvangantenne, de zogenaamde transmissie systemen, of onder gebruik van dezelfde antennespoel als die ook voor het opwekken van het primaire veld gebruikt wordt, de 10 zogenaamde absorptiesysternen.

Omdat de alternatieve techniek de gedwongen trilling van het resonerende label benut is deze techniek daarmee principieel verschillend van de puls-naslingertechniek, waarin de eigen trilling gebruikt wordt.

15

Een probleem bij het gebruik van het frequentiezwaai techniek is dat er een eenduidige relatie bestaat tussen de bandbreedte van de resonantiecurve van het label, en de detectietijd, die het systeem nodig heeft om een label te kunnen detecteren met een goede betrouwbaarheid. Daar de bandbreedte van de onderhavige labels enige 20 honderden Hz bedraagt, wordt de detectietijd te lang om in een applicatie als winkeldiefstaldetectie gebruikt te kunnen worden. Daarmee is deze alternatieve bestaande techniek alleen bruikbaar voor detectiesystemen, die hogere werkfrequenties gebruiken zoals 2 MHz of 8,2 MHz.

25 Een probleem, dat optreedt bij de techniek die wel bruikbaar is voor smalbandige labels, de puls-naslingertechniek, is dat de zo opgewekte gepulste magnetische wisselvelden relatief gemakkelijk hartstimulatoren (pacemakers) of andere medische implantaten in hun werking kunnen verstoren. Deze verstoringen zijn van zeer vervelende tot levensbedreigende aard voor de dragers van pacemakers. Indien een 30 dergelijke detectiesysteem toegepast wordt bij de uitgang van winkels kunnen pacemakerdragers onbewust in een potentieel gevaarlijke situatie geraken.

Pacemakers zijn daarentegen wel bestendig tegen magnetische wisselvelden waarvan de amplitude niet of weinig varieert. Het is dan ook het doel van de uitvinding een

101151T

-4- detectiesysteem te ontwikkelen, waarvan het ondervraagveld, het primair magnetisch wisselveld, een constante, of nagenoeg constante, amplitude heeft, en waarin het toch 5 mogelijk is magnetostrictieve labels te detecteren volgens het puls-naslinger principe. In de uitvinding wordt gebruik gemaakt van de mogelijkheid het pulsen niet in het tot dusver gebruikelijke amplitudedomein te laten plaats vinden, doch in het frequentiedomein.

10

Figuur 1 toont een schematische weergave van het werkingsprincipe van de bestaand techniek.

Figuur 2 toont een schematische weergave van het werkingsprincipe van de techniek volgens de uitvinding.

15 Figuur 3 geeft een blokschema van een detectiesysteem volgens de uitvinding.

Figuur 4 geeft een schematisch beeld van de antennespoel en de afstemming daarvan. Figuur 5 geeft een uitvoeringsvorm van de zenderschakeling met omschakelende antennespoelafstemming.

Figuur 6 geeft een alternatieve uitvoeringsvorm van de zenderschakeling met 20 omschakelende antennespoelafstemming.

Figuur 7 geeft een andere alternatieve uitvoeringsvorm van de zenderschakeling met omschakelende antennespoelafstemming.

Figuur 8 toont de signalen in de schakeling van figuur 5.

Figuur 9 toont de signalen in de schakelingen van figuren 6 en 7.

25 Figuur 10 toont een uitwerking van de ontvanger.

Zoals reeds is gesteld, slingert het label alleen uit indien de frequentie van het primaire magnetische wisselveld gelijk is aan de resonantiefrequentie van het trilplaatje. Door nusprongsgewijs de frequentie van het primaire veld te wijzigen van een waarde die ver 30 buiten de resonantiefrequentie ligt naar de waarde van de resonantiefrequentie, wordt hetzelfde effect bereikt als het inschakelen van het primaire veld op de resonantiefrequentie. Bij het einde van de duur van de puls wordt de frequentie weer in een sprong teruggezet naar de rustwaarde. In de tijdspanne waarin de frequentie van het primaire veld gelijk is aan de resonantiefrequentie wordt het label opgeslingerd, terwijl 1011517 -5- daama het label natrilt op zijn eigen resonantiefrequentie.

5 In figuur 2 laat oscillogram 7 het primaire veld zien, terwijl lijn 8 aangeeft wanneer de frequentie van dat veld gelijk is aan de rustfrequentie fo, aangegeven door 9 in oscillogram 7, en wanneer de frequentie gelijk is aan de resonantiefrequentie van het label, fi, 10 in oscillogram 7. De response van het label 3, en de bemonstering 5 met resultaat 6 is identiek als in figuur 1.

10

Figuur 3 geeft een blokschema van een detectiesysteem volgens de uitvinding. Hierin drijft oscillator 11 vermogensversterker 12 aan. De frequentiesprongen van de oscillator 11 worden bestuurd door controller 13. Controller 13 bestuurt eveneens de afstemschakeling 14 van antennespoel 15. Antennespoel 16 ontvangt het secondaire 15 veld van het label, welk signaal in ontvangerschakeling 17 geselecteerd en bemonsterd wordt als hierboven beschreven.

Het is het doel van de uitvinding dat de pacemaker op zijn aansluitklemmen een constante inductiespanning ziet, zodat gezien vanuit de pacemaker de amplitude niet 20 varieert als de frequentie van het primaire veld van de ene naar de andere toestand springt. De pacemaker is gevoelig voor een magnetisch wisselveld doordat de verbindingkabel, lopende vanaf de pacemaker, die geplaatst is onder de linkeroksel, naar de sensorelektrode in het hart, een lus vormt tesamen met de retourweg door het weefsel naar de pacemaker.

25 De spanning Vpm, die opgewekt wordt in deze lus door het magnetische wisselveld, wordt bepaald door:

Vpm = 2π£ΑμοΗ 30 waarin f de frequentie is, A het oppervlakte is, dat door de lus omsloten wordt, H de veldsterkte is, en μο de permeabiliteit van vacuüm. De spanning is dus van de frequentie afhankelijk, en om deze constant te houden zal de veldsterkte omgekeerd evenredig met de frequentie moeten variëren.

101 1517 -6-

Figuur 4 geeft een schematisch beeld van de antennespoel 18 met zelfinductie L, die afgestemd is door middel van condensator 19 met capaciteit C. Weerstand 20, ter 5 grootte R, representeert de elektrische verliezen in de antennespoel en in de condensator. Spanningsbron 21 representeert de zelfmductiespanning Vl in antennespoel 18. De lus van het pacemakersnoer 22 van pacemaker 23 is inductief met antennespoel 18 gekoppeld, waarbij spanningsbron 24 de inductiespanning Vpm in de lus van het pacemakersnoer aangeeft.

10 Voor Vl geldt:

VL = 2ït£LI

waarin I de zendstroom door de antennespoel is.

Voor het primaire magnetische veld geldt dat het evenredig is met de stroom I. Dat 15 maakt dat ook de zelfmductiespanning Vl evenredig is met de frequentie bij constante veldsterkte. Daaruit kan geconcludeerd worden dat indien Vpm constant gehouden moet worden bij een variërende frequentie, Vl tevens constant zal zijn.

De antennekring, bestaande uit de antennespoel 18, condensator 19 en verliesweerstand 20 20, moet in beide frequentïetoestanden afgestemd zijn. Dat betekent dat bij het omschakelen van de frequentie ook de zelfinductie van de antennespoel 18, en/of de capaciteit van condensator 19 mee omgeschakeld moeten worden.

Figuur 5 geeft een schakeling waarin condensator 19 omgeschakeld wordt. Condensator 25 19 is daartoe opgesplitst in een vast deel, condensator 25, en een extra condensator 26, die met schakelaar 27 parallel aan condensator 25 geschakeld kan worden. In dit voorbeeld wordt ervan uitgegaan dat de rustfrequentie fö hoger is dan de labelfrequentie fi. Daar door het parallel schakelen van condensator 26 aan condensator 25 de resonantiefrequentie van de antennekring verlaagd wordt, zal in de ruststand schakelaar 30 27 open staan.

Oscillator 11 genereert het hoogfrequente signaal voor het primaire magnetische veld, en kan zowel op de frequentie fo als op fi functioneren. Via differentiaalversterker 28 wordt gestuurde stroombron 29 aangestuurd. Samen vormen 28 en 29 de iQ1l51f -7- vennogensversterker 12. Een spanningsterugkoppellijn 30 vergelijkt de gegenereerde spanning op de condensatoren 25 en 26 met de stuurspanning uit oscillator 11.

5 DifFerentiaalversterker 28 en gestuurde stroombron 29 sluiten deze terugkoppellus en houden daarmee de amplitude van de wisselspanning over de condensatoren constant. Zoals eerder afgeleid, wordt daarmee tevens, onafhankelijk van de frequentie, de amplitude van de geïnduceerde spanning in een eventueel aanwezige pacèmaker kabellus 22 constant gehouden.

10

Zodra controller 13 besluit tot een ondervragingspuls wordt de oscillator 11 zodanig aangestuurd dat zijn signaalfrequentie verspringt van fo naar ft, en na de afloop van de pulsduur van ft terug naar ft.

15 Tegelijkertijd wordt schakelaar 27 tijdens de puls gesloten, zodat de antennekring resoneert op frequentie ft.

In de beide frequentietoestanden, ft en ft, dient de amplitude van VL gelijk te zijn. Hierboven is reeds afgeleid dat de amplitude van de de antennestroom in beide 20 toestanden, ft en ft, dan niet gelijk kan zijn.

Mathematisch kan het volgende gesteld worden:

In de toestand ft geldt voor de energie, die tijdens een hoogfrequente cyclus twee keer heen en weer slingert tussen de opgeslagen energie in de condensator Wc_o en de energie in de antennespoel Wl_o: 25 Wc_o = /4C25*Vl2 = WL_o = ’/J^ft2

Voor de toestand ft geldt:

Wc_i = ,/2(C25+C26)*Vl2 = WL_,= V4L*ft2 1 1011517

De momentane energie in de spoel is nul tijdens de nuldoorgang van de stroom. Dan is tevens de spanning over de condensator(en), en daarmee Wc_oof Wc i maximaal. Omgekeerd is tijdens de nuldoorgang van de spanning de stroom maximaal, en is de energie in de kring geheel opgeslagen in de spoel.

Indien het moment van omschakelen tussen frequentie ft en frequentie ft, en vice versa, -8- optreedt op het moment dat de spanning Vl door de nullijn gaat, op welk moment de stroom door de antennespoel maximaal is, zal de stroom door de spoel plotseling van 5 waarde Io naar waarde Ii moeten gaan. Dit is fysisch niet mogelijk.

Indien het moment van omschakelen tussen frequentie fo en frequentie fi, en vice versa, optreedt op het moment dat de stroom door de nullijn gaat treedt dat probleem niet op. De spanning over de condensatoren is dan maximaal. Het verschil in energie tussen de toestanden fo en fi wordt geleverd door de energie, die in condensator 26, opgeladen tot 10 de spanning Vl, wordt vastgehouden.

Op gelijke wijze kan afgeleid worden dat in een schakeling, waarin niet de afstemcapaciteit omgeschakeld wordt, maar de zelfmductie van de antennespoel geschakeld wordt door middel van een extra seriespoel 31, zie figuur 6, of door middel 15 van een extra parallelspoel 32, zie figuur 7, de omschakeling ook dient plaats te vinden op het moment van de nuldoorgang van de stroom en het maximum van de spanning. De extra energie wordt in dat geval opgeslagen in de extra spoel.

Figuur 8 toont de signalen in de schakeling van figuur 5. Lijn 33 geeft de 20 frequentietoestand aan, fb of fi, en tevens de stand van schakelaar 27: laag is open; hoog is gesloten. Lijn 34 geeft de spanning Vl over condensator 25 en antennespoel 18. Lijn 35 geeft de spanning over condensator 26, terwijl lijn 36 de resulterende stroom door antennespoel 18 toont. Bij deze figuren is aangenomen dat de rustfrequentie fo boven de labelfrequentie fl ligt, en dat de tekeningen op schaal zijn voor fb = 2*ft.

25

Figuur 9 toont de signalen in de schakelingen van figuren 6 en 7. Lijn 33 geeft de frequentietoestand aan, fb of fi, en tevens de stand van schakelaar 27: laag is open; hoog is gesloten. Lijn 34 geeft de spanning Vl over condensator 25 en antennespoel 18. Lijn 37 geeft de stroom door spoel 31 of spoel 32, terwijl lijn 36 de resulterende stroom door 30 antennespoel 18 toont. Ook bij deze figuren is aangenomen dat de rustfrequentie fo boven de labelfrequentie ft ligt, en dat de tekeningen op schaal zijn voor fo = 2*ft.

Het zal voor de elektrotechnische vakman duidelijk zijn dat andere verhoudingen tussen ft en ft hetzelfde resultaat opleveren. Indien de rustfrequentie ft lager gekozen wordt 1011517 -9- dan de resonantiefrequentie van het label fi dan dient de bediening van schakelaar 27 omgekeerd te worden gedacht. Al deze frequentiecombinaties worden geacht binnen de 5 uitvinding te vallen.

Figuur 10 toont een uitwerking van de ontvanger. Ontvangantennespoel 16 geeft een inductiespanning af als gevolg van het secondaire magnetische wisselveld van het label. In het filter- en blokkeringscircuit 38 wordt de ontvangerbandbreedte begrensd tot de 10 bandbreedte van het labelsignaal, waarbij het centrum van de doorlaatband gelijk is aan de resonantiefrequentie van de label, fi. Tevens wordt het circuit geblokkeerd tijdens de perioden dat de frequentie van het primaire veld gelijk is aan In de analoog - digitaal convertor (ADC) 39 wordt het ontvangen signaal bemonsterd en gedigitaliseerd. In de digitale signaalprocessor (DSP) 40 wordt het ontvangen 15 signaal getest op de exponentiële afVal, die karakteristiek is van een signaal afkomstig van een label.

Tevens accumuleert de DSP de signalen van het label die het gevolg zijn van verschillende, opeenvolgende, ondervragingspulsen. Dit accumulatieproces wordt synchroon uitgevoerd ten opzichte van de timing van de ondervragingspulsen, ook al 20 worden deze pulsen in een quasi-willekeurige timing achter elkaar opgewekt. Daarvoor krijgt DSP 40 een synchronisatiesignaal 42 vanuit controller 13. Dit synchronisatiesignaal stuurt tevens de blokkering aan in het filter- en blokkeringscircuit 38. Het accumulatieproces zorgt ervoor dat die signalen, die synchroon optreden ten opzichte van de successievelijke ondervraagpulsen, opgeteld worden, terwijl ruis en 25 stoorsignalen asynchroon optellen en daarmee ten opzichte van de responssignalen van het label verzwakken en wegvallen.

In de bestaande techniek van detectiesystemen van het magneto-strictieve principe worden de zendantennespoel 15 en ontvangantennespoel 16 uitgevoerd als twee 30 panelen, die aan weerszijden van een doorgang worden opgesteld. Meestal zijn beide typen antennes ook gelijk van afmetingen en constructie. Ook worden beide antennefuncties in sommige uitvoeringsvormen gecombineerd in één antennespoel.

In een uitvoeringsvorm van de uitvinding worden de afmetingen van de zendantennespoel 15 ongelijk genomen aan de afmetingen van de 101151? - 10- ontvangantennespoel 16. Bijvoorbeeld de afmeting van de zendantennespoel worden zodanig genomen, dat deze een doorgang omsluit, een zogenaamde doorloopantenne.

5 Ook kan aan weerszijden van een doorgang een hoge en brede spoel geplaatst worden, zodat ertussen in, in de doorgang dus, een dwarsgericht homogeen veld ontstaat.

Een groot voordeel van deze uitvoeringsvormen is dat het magnetische veld homogener verdeeld is over het werkingsgebied, en dat daardoor de maximaal optredende veldsterkte in het werkingsgebied aanzienlijk lager is dan in het geval van een enkele 10 zijdelings opgestelde antennepaneel. Deze lagere veldsterkte vermindert tevens het risico op het ongewild beïnvloeden van pacemakers.

Een nadeel van dit type antenne is dat voor gebruik als ontvangantenne de signaal/stoorverhouding zeer ongunstig wordt, omdat het magnetische veld van stoorsignalen over het gehele spoeloppervlak aanwezig is en daarmee een sterke 15 stoorspanning induceert in de spoel, terwijl het magnetische veld van het label zeer klein van afmeting is en daarmee een geringe spanning in de spoel induceert.

De oplossing voor dit probleem wordt gevormd door een of meer ontvangantennes te plaatsen aan de zijkant van de doorgang, bestaande uit raamvormige luchtspoelen van 20 zeer beperkte afmetingen, of spoelen gewikkeld op ferrietstaven. Door de beperkte afmetingen is de gevoeligheid voor stoorsignalen veel geringer, terwijl de plaatsing geoptimaliseerd kan worden voor de ontvangst van de signalen afkomstig van labels.

1011517

Claims (6)

1. Een detectiesysteem voor magneto-strictieve labels volgens het puls-naslinger principe met het kenmerk dat het pulsen uitgevoerd wordt in het frequentiedomein, dat wil zeggen dat in rustperiodes de frequentie van het magnetische ondervraagveld ongelijk is aan de resonantiefrequentie van het label en dat tijdens de ondervraagpuls de frequentie van dat ondervraagveld 10 gelijk gemaakt wordt aan de resonantiefrequentie van het label.

2. Een detectiesysteem voor magneto-strictieve labels volgens conclusie 1 met het kenmerk dat de amplitude van elektrische inductie van spanningen van geleidende lussen in het magnetische ondervraagveld, in het bijzonder in de 15 aansluitkabel van een medisch implantaat als een hartstimulator of pacemaker, als gevolg van dat ondervraagveld, invariabel, of beperkt variabel, met de tijd is.

3. Een detectiesysteem voor magneto-strictieve labels volgens conclusie 1 of 2 met het kenmerk dat in een digitale signaal processor de responssignalen van een 20 label op successievelijke ondervraagpulsen worden geaccumuleerd met het doel de signaal / ruis- en de signaal / stoorverhouding te verbeteren.

4. Een detectiesysteem voor magneto-strictieve labels volgens conclusie 3 met het kenmerk dat de ondervraagpulsen op quasi-toevallige momenten worden 25 gegenereerd, zodanig dat in de digitale signaalprocessor de responssignalen van een label wel synchroon worden geaccumuleerd, maar dat storende signalen van buiten asynchroon geaccumuleerd worden en daardoor relatief ten opzichte van de responssignalen van een label worden verzwakt. 1 1011517

5. Een detectiesysteem voor magneto-strictieve labels volgens een of meer voorgaande conclusies met het kenmerk dat voor de zendantenne een of meer spoelen met grote afmetingen benut worden met het doel een magnetisch ondervraagveld te generen dat in het werkgebied betrekkelijk homogeen is, 5 - 12- zodat de maximale waarde van de veldsterkte niet veel groter is dan de minimale waarde in het werkgebied.

6. Een detectiesysteem voor magneto-strictieve labels volgens een of meer voorgaande conclusies met het kenmerk dat voor de ontvangantenne een of meer spoelen met kleine afmetingen, of spoelen gewikkeld op ferrietstaven, benut worden met het doel de verhouding tussen de responsignalen van het label en 10 stoorsignalen te optimaliseren. 1011517