TWI618369B - 測量無線感測器中之可變阻抗元件的系統與方法 - Google Patents

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Abstract

一種無線遙測器，係由一感應發射器來供電，及被配置來產生一振盪波，其可基於一或更多被感測的參數來變動。該振盪波藉由反射阻抗被傳訊至該感應發射器，在此處其能夠被偵測而測定被感測的數值。在另一觀點中，本發明提供一無線遙測器，其配備一惠斯登電橋裝置，其具有一內部共振電路來產生一電磁場，作為該感測數值之指示。在第三觀點中，本發明提供一無線遙測器，其具有來自一參考電路及一感測器電路之光學回饋。在第四觀點中，本發明提供一無線遠方溫度感測器，其具有一線圈，被印刷在高熱膨脹係數材料之上，以致於該線圈之尺寸及/或形狀係隨著溫度上升或下降來變動。

Description

測量無線感測器中之可變阻抗元件的系統與方法
本發明關於無線感測器，尤其是用於遠方供電及遠方測定一無線遙測器內之感測器數值的系統及方法。
對於無線遙測器開發的注意日益增長。無線遙測器可以在許多應用中使用。例如，無線遙測器可以包含經皮及內部醫藥感測器，感應式供電的加熱及烹調容器，及安置在產品包裝內的感測器。某些示範性的無線遙測器係揭示在美國專利申請案第13/082,503號中，該案的發明名稱為”Point of Sale Inductive Systems and Methods”，由Baarman等人於2011年四月八日提申；以及美國專利申請案第13/082,513號，其發明名稱為”Point of Sale Inductive Systems and Methods”，由Baarman等人於2011年四月八日提申；這兩個申請案均併入本文以供參考。
無線遙測器係方便的，在於它們能夠提供一個用來測量相關資訊的機制，及將該測值傳訊到一個接收器，無需使用電線。例如，能夠用插入感測器來取得測值。進一步 地，在測值取得之後，無需拔除該感測器。在內部醫藥感測器的場合中，與感測器進行通訊的重要性甚至更大。
無線遙測器典型地係由一感應收發器來供電，並與之通訊。此意謂，用來操作該感測器的電力能夠被提供到無線遙測器，無需電線或其他直接的電接觸。例如，數個習知的遙測器，無線地接收來自感應無線電力供應器之電力。在感應式供電的無線遙測器的場合下，對於透過反射阻抗而將感測器數值(如該感測器所測得的數值)傳訊至感應發射器，並不常見。許多的無線遙測器合併有一感測器，其具有一電容或電阻，隨著待測量之參數來操作變動。例如，當測量溫度時，該感測器可能包含一熱阻器，其具有一隨著溫度變動的阻抗。如另一個例子，該感測器可能包含一電容，其介電質的介電係數隨著溫度變動。該遙測器典型地係配置有該可變電容或電阻，它們被安排成為簡單的RLC電路之一部份，以致於感測器的變動造成RLC電路共振頻的變動。該RLC電路係感應耦合至該感應發射器，以致於該RLC電路透過反射阻抗來影響感應發射器內電力的特徵。例如，RLC的反射阻抗能夠影響感應發射器槽路內電流的振幅。因此，在使用時，該感測器的數值係傳回到感應發射器，在此處，其藉由一個監測該感應發射器電力特徵(例如，感應發射器槽路內電流的振幅及/或電力的共振頻)的感測器來偵測。
經驗已揭露的是，無線遙測器阻抗的小變動，係 難以在感應發射器內被偵測到。又，這些變動能夠藉由感應發射器及遙測器之間耦合改變、或製造容許誤差變動，來加以遮蔽。
在一觀點中，本發明提供一無線遙測器，其係加以配置來產生一振盪波，基於一或一更多被偵測的參數來變動。藉由反射阻抗，該振盪波被傳訊到該感應發射器，在此處，其能夠被偵測以便決定所測得參數之數值。在一實施例中，該振盪波粗略地係一正方形波，由一充電/放電電路來產生，其中該正方形波的低部係相對應於允電時間，及該高部係相對應於放電時間。可替換地，振盪波可以依照正弦波來產生。
在一實施例中，該充電/放電電路包含一充電分支電路及一放電分支電路。該充電分支電路可包含一RC電路，其設有一充電電容，在充電期間被充電。在一實施例中，該RC電路包含一充電電阻，及充電該充電電容所需的時間係依照該充電電阻的數值來變動。
在一實施例中，該放電分支電路包含一電流閂，其在放電期間將電容放電。該電流閂可加以配置，經由一調變電阻來放電該充電電容，以便產生正方形波的高部。該調變電阻可以選用，以便控制該正方形波高部的振幅。
在一實施例中，該充電/放電電路進一步包含一 觸發器，其造成該充電/放電電路在充電及放電狀態之間來變遷。該觸發器可為一或更多的二極體，其加以排列，以致於其反向崩潰電壓，在充電電容被充分地充電後，係超量的。在超量之後，電力可以自由地從該充電電容、經由該調變電阻來放電。
在一實施例中，該遙測器包含兩個感測器，及該正方形波高部的持續期間係隨著該一感測器數值來變動，及該正方形波低部的持續期間係隨著另一感測器的數值來變動。該第一感測器可以被安置在充電分支電路之內，以便變動該充電電容被充電所需時間。在一實施例中，該充電電容係一RC電路，及該第一感測器係一位在該RC電路內的可變反射阻抗元件，例如可變電阻及/或可變電容。該第二感測器係可安置在該充電電容及該放電分支電路之間。在一實施例中，該第二感測器係一可變電阻。
在一實施例中，該無線遙測器係加以配置來正規化成為一恒電壓，以致於該電路的放電/充電時間並不依賴於該感應發射器及該無線遙測器之間的耦合。在一實施例中，齊納二極體、或可替換地其他類型的恒電壓參數，被添加到該無線遙測器中。
在另一實施例中，該無線遙測器包含一適應觸發器，其係加以配置來正規化該充電時間，其無關於耦合變動、或所接收電壓變動。在本實施例中，該觸發器可包含一分壓 器及一比較器。分壓器的輸出可以提供到該比較器，作為一參考輸入，其隨著所接收的電力來變動。在使用時，該適應觸發器可被配置，以致於充電電容在任何充電速率下的充電，均符合一個相對應的觸發器臨界值改變，以致於該充電時間基本上維持恒定，即使所接收電壓改變亦然。
在另一實施例中，該無線遙測器包含一電壓控制的振盪器(VCO)，其使用一可變阻抗元件作為感測器。可變阻抗元件的阻抗改變，改變了VCO的振盪頻率。VCO的輸出可以直接地被施加到接收線圈，或可以被施加到調變分支電路(已被配置來調變一負載)。例如，如果VOC的內部電阻係足夠來產生一個能夠在發射器內被識別的訊號，則不使用分離式的調變分支電路。如果該內部電阻係不足的，則該VCO的輸出可以被緩衝，及用來啟動一個開關，以便調變一負載。
在第二觀點中，本發明提供一種無線遙測器系統，將惠斯登電橋裝置(Wheatstone bridge arrangement)連同內部供振電路一起使用，該電路產生一個指示出該所偵測數值的電磁場。一分離式感測線圈能夠被使用來無線地接收該電磁場，及測定該所偵測的數值。該惠斯登電橋裝置，將感測器元內相對地較小的改變加以放大，藉此，所偵測參數數值的改變係更易於識別。
在可替換的是實施例中，可變阻抗元件可以合併到一或更多的惠斯登電橋的接腳、及/或該內部供振電路，以 便允許使用多數個感測器元件及/或進一步地放大該感測器元件的改變。
在第三個觀點中，本發明提供一種無線遙測器，其設有多數個線圈，允許該系統針對耦合係數、感測器漂移、發射器漂移的變動、或許多其他可能的電路歷時改變等等，進行補償。在本實施例中，該無線遙測器可以包含一參考電路，及一感測器電路。該參考電路可以具有一固定式元件，及實質地只依照該感應發射器及參考電路與電路歷時漂移之間的耦合變動，來進行變動。該感測器電路可以包含一可變阻抗元件，其隨著所測得的特徵來變動。在使用時，該感測器電路可以隨著該阻抗元件的改變來變動，以及依照該感應發射器及參考電路與電路歷時漂移之間的耦合變動來變動。因此，參考電路的改變能夠有效地從該感測器電路改變來減除，以便將感測器阻抗元件變動所造成的改變數量加以隔離。
在一實施例中，該參考電路及該感測器電路包含LEDs，用於通訊至該感應發射器，及該感應發射器包含光學感測器，用於測定這兩個LEDs的亮度。該參考電路可包含固定式元件，以致於該參考LED亮度的改變，主要地係基於：該感應發射器及該參考電路之間的耦合係數、LEDs歷時發射力改變、或其他形式的電路歷時漂移。該感測器電路可包含一可變阻抗元件，其具有一阻抗，隨著所偵測的參數數值來變動。感測器電路內感測器LED的亮度，可以根據以下來變動： 感測器阻抗元件數值、以及其耦合係數、LEDs歷時發射力改變、及其他形式的電路歷時漂移。該感測器阻抗元件的影響力，通常係能夠藉由以下來隔離：感測器LED的數值改變減去參考LED的任何數值改變。
在第四個觀點中，本發明提供一種無線遠方溫度感測器，其具有被印刷在高熱膨脹係數材料上的線圈，以致於該線圈的尺寸及/或形狀係隨著溫度之增加或降低來變動。線圈尺寸及/或形狀的變動，造成該無線遠方溫度感測器之反射阻抗的改變。結果，藉由測量該感應發射器內由反射阻抗來影響的電力特徵，該溫度能夠被測定。在一實施例中，所偵測的數值，係藉由測量感應發射器內電流振幅來決定。在一實施例中，該接收器線圈係由一”墨水”來形成，其被印刷在下方的基板上。在一實施例中，該接收器線圈係由熱膨脹係數較低的材料(相較於基板)，來形成。在本實施例中，該接收器線圈可以形成而具有多數個波紋，其提供線圈一種能力，在該下方基板膨脹及收縮時，改變形狀。該波紋係加以排列，允許線圈撓曲，以致於基板尺寸的改變，造成線圈整體形狀的改變。該線圈整體形狀的改變，影響了無線遙測器反射阻抗，及能夠在感應發射器內被偵測。
在第五個觀點中，VCO可以連同一可變阻抗元件一起使用，以便施加一訊號到一天線，其中，該天線所發射的頻率係由基地單元感測器來接收。在本實施例中，該天線 可以是一鞭形天線、雙極、倒F形、環形、或任何類型的天線。在對抗一電磁場時，這種訊號產生一電場，其並不與電力傳輸的電磁場進行同樣多的交互作用。因此，如果想要的話，VCO的頻率可以是一種相較於電力傳輸訊號為較高的或較低的頻率，進而產生交互作用或干擾。
在第六個觀點中，VCO可以連同一可變阻抗元件一起使用，以便施加一訊號到一個與電力接收線圈相互分離的線圈上。該分離式線圈使用一電磁場訊號來傳回該訊號到基地單元感測器。在本實施例中，該線圈可以藉由一個距離、或將線圈纏繞成為”數字8”的定位，而與電力傳輸線圈相互隔離，額外地，如果想要的話，該VCO的頻率可以大大地高於或低於該電力傳輸訊號，進而降低交互作用或干擾。
本發明提供許多簡單而有效率的無線遙測器系統，它們係加以配置，允許使用簡單而便宜的遠方裝置，對於所偵測的數值，進行無線式測定。在這些包含有一可變振盪器的實施例中，所偵測的數值，基於振盪波改變(係易於由遠方裝置來測得)，能夠輕易地來測定。設有可變振盪器的無線遙測器，也能夠加以配置，以便正規化耦合的改變、及其他可能影響接收電力的因子。在這些包含惠斯登電橋裝置的實施例中，即使是所偵測數值細小的改變，也能夠被放大，及使用一分離式通訊通道來傳訊到一遠方裝置，例如分離式線圈組。在惠斯登電橋系統中，供電線圈及回饋線圈，能夠 被排列，使兩個線圈組之間的干擾變成最小。在一實施例中，反向纏繞的回饋線圈，能夠有效率地來使用，去除來自供電線圈的干擾。在那些包含有光學通訊方案的實施例中，一參考電路及感測器電路能夠加以結合，允許所偵測數值改變，而隔絕於耦合改變，及其他影響到所接收電力的因子。參考電路及感測器電路的接收器線圈，可以在相同的軸上包覆在一起，及穿過相同的平面，以致於它們基本上具有相同的耦合係數(針對感應發射器)。在另一觀點中，本發明提供一無線溫度感測器，其中溫度變動，基於具有相對較高熱膨脹係數的接收線圈基板的尺寸及/或形狀改變，係簡易而正確地被無線地傳訊到一遠方裝置。在本實施例中，該基板係作為溫度感測器使用，因此，去除了對於分離式感測器元件的需求。
這些及其他的本發明特色，在參照實施例及圖式描述之下，將會更加完全地被瞭解及讚同。第一圖
10‧‧‧Wireless remote sensor system 無線遙測器系統
10’‧‧‧Wireless remote sensor system 無線遙測器系統
10”‧‧‧Wireless remote sensor system 無線遙測器系統
12‧‧‧Inductive transmitter 感應發射器
14‧‧‧Wireless remote sensor 無線遙測器
16‧‧‧Transmitter coil 發射器線圈
18‧‧‧driver 驅動器
20‧‧‧Transmitter sensor 發射器感測器
26‧‧‧Receiving coil 接收線圈
28‧‧‧Rectifier 整流器
30‧‧‧Charge/discharge circuit 充電/放電線圈
32‧‧‧Sensor element 感測器元件
34‧‧‧Sensor element 感測器元件
36‧‧‧Charge subcircuit 充電分支電路
38‧‧‧Discharge subcircuit 放電分支電路
40‧‧‧Trigger 觸發器
42‧‧‧Current latch 電流閂
44‧‧‧Modulation leg 調變接腳
110‧‧‧Wireless remote sensor system 無線遙測器系統
114‧‧‧Wireless remote sensor 無線遙測器
126’‧‧‧Receiving coil 接收線圈
128’‧‧‧Rectifier 整流器
128”‧‧‧Rectifier 整流器
132‧‧‧Charge subcircuit 充電分支電路
132’‧‧‧Charge subcircuit 充電分支電路
132”‧‧‧Charge subcircuit 充電分支電路
134’‧‧‧Charge subcircuit 充電分支電路
145‧‧‧Normalization subcircuit 正規化分支電路
145’‧‧‧Normalization subcircuit 正規化分支電路
170‧‧‧VCO 電壓控制的振盪器
170’‧‧‧VCO 電壓控制的振盪器
170”‧‧‧VCO 電壓控制的振盪器
172”‧‧‧MOSFET 金氧場效電晶體
174”‧‧‧Modulating load 調變負載
210‧‧‧Wireless remote sensor system 無線遙測器系統
212‧‧‧Inductive transmitter 感應發射器
214‧‧‧Wireless remote sensor 無線遙測器
226‧‧‧Receiving coil 接收線圈
228‧‧‧Rectifier 整流器
230‧‧‧Charge/discharge circuit 充電/放電線圈
234‧‧‧Sensor element 感測器元件
236‧‧‧Charge subcircuit 充電分支電路
238‧‧‧Discharge subcircuit 放電分支電路
240‧‧‧Trigger 觸發器
260‧‧‧Voltage divider 分壓器
262‧‧‧Comparator 比較器
310‧‧‧Wireless remote sensor system 無線遙測器系統
312‧‧‧Inductive transmitter 感應發射器
314‧‧‧Wireless remote sensor 無線遙測器
326‧‧‧First receiving coil 第一接收線圈
332‧‧‧Sensor element 感測器元件
370‧‧‧Wheatstone bridge arrangement 惠斯登電橋裝置
372‧‧‧Internal resonant circuit 內部共振電路
373‧‧‧Internal coil 內部線圈
374‧‧‧Separate sense coil 分離式感測線圈
378‧‧‧Sensor 感測器
410‧‧‧Wireless remote sensor system 無線遙測器系統
412‧‧‧Inductive transmitter 感應發射器
414‧‧‧Wireless remote sensor 無線遙測器
416‧‧‧Power transfer coil 電力傳輸線圈
426‧‧‧Power transfer coil 電力傳輸線圈
470‧‧‧Wheatstone bridge arrangement 惠斯登電橋裝置
472‧‧‧Internal resonant circuit 內部共振電路
473‧‧‧Feedback coil 回饋線圈
474‧‧‧Feedback coil/Sense coil 回饋線圈/感測線圈
478‧‧‧Coil portion 線圈部
480‧‧‧Coil portion 線圈部
482‧‧‧Coil portion 線圈部
484‧‧‧Coil portion 線圈部
510‧‧‧Wireless remote sensor system 無線遙測器系統
512‧‧‧Inductive transmitter 感應發射器
514‧‧‧Wireless remote sensor 無線遙測器
516‧‧‧Transmitter coil 發射器線圈
526‧‧‧Receiver coil 接收器線圈
528‧‧‧Receiver capacitor 接收器電容
530‧‧‧Sensor LED 感測器LED
532‧‧‧resistor 電阻
534‧‧‧Coil driver 線圈驅動器
536‧‧‧Photo-detector circuit 光偵測器電路
580‧‧‧Reference circuit 參考電路
582‧‧‧Sensor circuit 感測器電路
584‧‧‧Receiver coil 接收器線圈
586‧‧‧Receiver capacitor 接收器電容
588‧‧‧Reference LED 參考LED
590‧‧‧Reference resistor 參考電阻
592‧‧‧Sensor 感測器
594‧‧‧Sensor 感測器
598‧‧‧Optical sensor network 光學感測器網路
614‧‧‧Wireless remote sensor 無線遙測器
614’‧‧‧Wireless remote sensor 無線遙測器
626‧‧‧Receiving coil 接收線圈
626’‧‧‧Receiving coil 接收線圈
650‧‧‧Substrate 基板
690’‧‧‧Re-resonator coil 再共振器線圈
692’‧‧‧Capacitor 電容
710‧‧‧Wireless remote sensor system 無線遙測器系統
728‧‧‧Diode bridge 二極體電橋
732‧‧‧Variable impedance element 可變阻抗元件
770‧‧‧VCO VCO
780‧‧‧Antenna 天線
790‧‧‧Base sensor 基地感測器
792‧‧‧Antenna 天線
810‧‧‧Wireless remote sensor system 無線遙測器系統
816‧‧‧Transmitter coil 發射器線圈
826‧‧‧Transfer coil 傳輸器線圈
828‧‧‧Diode bridge 二極體電橋
832‧‧‧Variable impedance element 可變阻抗元件
870‧‧‧VCO 電壓控制的振盪器
880‧‧‧coil 線圈
890‧‧‧Base sensor 基地感測器
892‧‧‧Sensor coil 感測器線圈
第一圖係一具有感應發射器及無線遙測器之系統的代表性示意圖。
第二圖係顯示流經兩個不同無線遙測器內調變電阻及它們所附屬之感應發射器之電流的電路圖。
第三圖係具有感應發射器及無線遙測器之可替換系統的代表性示意圖。
第四圖係具有感應發射器及無線遙測器之第二 個可替換系統的代表性示意圖。
第五圖係一無線遙測器系統的代表性示意圖，其具有一依照本發明第二觀點的無線遙測器，配備惠斯登電橋裝置。
第六圖係一電路圖及模擬圖，比較一習知遠方溫度感測方法、及依照本發明一實施例的惠斯登電橋裝置。
第七圖係第四個可替換系統的代表性示意圖，其具有一感應發射器及配備惠斯登電橋裝置的無線遙測器。
第八圖係一電路圖，顯示在不同場合下，發射器線圈及基地感測線圈內的電流。
第九圖係依照本發明一實施例之發射器線圈及基地感測線圈的代表性示意圖。
第十圖係接收線圈及內部線圈的代表性示意圖。
第十一圖係依照本發明第三觀點之無線遙測器的代表性示意圖。
第十二圖係第十一圖之無線遙測器的兩個接收線圈的代表性示意圖。
第十三圖係第十二圖之兩個接收線圈連接到參考及感測器電路的代表性示意圖。
第十四圖係相似於第十三圖的代表性示意圖，其顯示有LEDs。
第十五圖係一感應發射器的代表性示意圖，其係 加以配置來接收第十八圖電路的回饋。
第十六圖係依照本發明第四觀點之無線遙測器的代表性示意圖。
第十七圖係依照本發明第四觀點之可替換的無線遙測器的代表性示意圖。
第十八圖係相似於第三圖，其顯示有一個作為電壓控制的振盪器來使用的閂型振盪的例子。
第十九圖係一通用的電壓控制的振盪器(VCO)之代表性示意圖，其使用一個將接收器上負載加以調變的緩衝輸出。
第二十圖係VCO所產生波形的例子的示意圖。
第二十一圖係電壓控制的振盪器之例子的示意圖，其使用一可變阻抗元件來變動該振盪頻率。
第二十二圖係一VCO輸出的例子之示意圖，其驅動一天線來發射該輸出訊號，經由電場回到一拾波感測器。
第二十三圖係惠斯登電橋輸出的示意圖，顯示有時間優勢輸出(左側影像)及頻率優勢輸出(右邊影像)。
第二十四圖顯示VCO輸出的示意圖，其係連接到一線圈，該線圈發射該輸出訊號通過該電磁場。
第二十五圖係數字8線圈的示意圖，其先前已經加以描述，係可將兩個磁場彼此維持不受干擾的一種方式。
第二十六圖係可替換的VCO例子之示意圖。
第二十七圖係可替換的VCO例子之示意圖。
在本發明實施例詳細解說之前，要瞭解的是，本發明並不局限於以下描述所述或圖式所圖解之詳細操作、或詳細結構及元件排列。本發明可由許多其他實施例加以實施及執行，或以未在本文中明確揭示之可替換方式加以施行。又，應該瞭解的是，在本文中所使用之片語及專業用語，係為了描述之目的而提供，而不應被視為一種限制。”包含”及”包括”及其變型之使用，表示涵蓋該詞之後所列出的品項及其等價者，以及額外的品項及其等價者。又，數字編號可用來描述許多實施例的描述。除非另有明確聲明，數字編號之使用不應被解釋本發明被限制於任何具體元件排列順序或數目。使用數字編號也不得解釋為：任何可能被結合至編號步驟或元件之額外的步驟及元件，係被排除於本發明範圍。10
依照本發明一實施例的無線遙測器系統係示於第一圖。在實施例中，該系統10通常包含一感應發射器12及一無線遙測器14。在本實施例中，該感應發射器12係能夠使用磁場感應來發射無線電力至該無線遙測器14。感應發射器12無線地供應電力至該無線遙測器14及接收感測器資訊。更具體地說，在使用時，感應發射器12供應電力至該無線遙測器14。該無線遙測器14包含一共振電路，其係藉由接收自該感應發射器12的無線電力來活化，並且依照無線遙測器14內 一或更多可變阻元件的數值來回應。
在本實施例中，無線遙測器14包含一或更多可變阻抗元件，其隨著該無線遙測器14所感測的參數來變動。例如，無線遙測器14可包含一可變電阻，其隨著溫度來變動。無線遙測器14係加以配置，產生一振盪波，其具有隨著無線遙測器14所偵測參數來變動的特徵。例如，無線遙測器14可產生一振盪波，其中該波的高及低部的持續期間，可以依照感測參數來變動。在第一圖的實施例中，無線遙測器14包含兩個感測器，及一充電/放電電路，其產生一般正方形波，具有高及低部，可依照該感測器來變動持續期間。該第一感測器可以具有一可變阻抗元件，其隨著所測得的參數來變動。第一感測器的可變阻抗元件可以被配置來變動該電路的充電時間。第二感測器可以具有一可變阻抗元件，其隨著所測得的第二參數來變動。第二感測器的可變阻抗元件可以被配置來變動該電路的充電時間。
基於揭示的目的，本發明係相關於多種無線遙測器來進行描述，該無線遙測器包含溫度感測器，其具有可變電阻，隨著溫度改變來變動。本發明可以合併到無線遙測器之中，其用來監測基本上任何能夠由感測器來測量的參數，該感測器具有一可變阻抗元件，例如可變電阻或可變電容。例如，依照本發明的無線遙測器，能夠測量溫度、已溶解的O2、鹽度、或其他生物電位訊號。本發明係非常良好地適用 於目前及未來之採用這些感測器類型的應用，其包含經皮及內部醫藥感測器、感應供電的加熱及烹調容器、及產品包裝內的感測器。
如前文所述，該無線遙測器系統10一般包含一感應發射器12及一無線遙測器14。該感應發射器12可以是一般習知的感應電力發射器，具有：一發射器線圈16，用來產生一電磁場；一驅動器18，用來供應電力至該發射器線圈16；及一發射器感測器20，用於感測該感應發射器12內的電力特徵。該發射器線圈16在各應用之間係可加以變動，但在本實施例中，其係金屬線圈，能夠產生一合適的電磁場，以便回應流經該線圈16的電流。雖然在本實施例中該發射器線圈16係一個線圈，但是該發射器線圈16基本上可以是任何的感應器，其能夠產生合適的電磁場。發射器線圈16可以合併到一槽路，更加具體地，合併到一串接共振槽路。該串接共振槽路可以具有一本有的共振頻，或可以是一種可適應式電路，其能夠被調節而具有不同的頻率。例如，該槽路可以具有一選擇性可變電容及/或選擇性可變感應器。該驅動器18可加以配置，以所想要的操作頻來供應AC電力至該發射器線圈16。在供應電力至一槽路時，驅動器18可加以配置，以該槽路的共振頻(或接近該共振頻)，來供電至該槽路。在本實施例中，該發射器感測器20係一電流感測器，其被配置來測量該發射器線圈16內的電流。然而該發射器感測器20在各應用之間係 可變動。在可替換的實施例中，該電流感測器可以由任何其他感測器來取代，其能夠測量該感應發射器12內受到該無線遙測器14之反射阻抗所影響的電力特徵。例如，該發射器感測器20可被配置來感測共振頻、電流、電力或相位。
無線遙測器14通常包含一接收線圈26、一整流器28及一充電/放電電路30。該接收線圈26可以是一金屬線線圈，或其他的感應器，其中藉由發射器線圈16所生的電磁場來感應出電流。該接收線圈26可以合併到一槽路，及更加具體地，合併到一串接共振槽路。該串接共振槽路可具有一本有共振頻，或可為一種可適應式電路，能夠被調節而具有不同頻率。整流器28基本上可為任何所想要的全橋或半橋整流器。該充電/放電電路30係耦合至該接收線圈26，以致於其代表一種可變負載，依照無線遙測器14所測得參數數值決定，歷時地變動。在操作時，這種可變負載係藉由反射阻抗被回傳到發射器線圈16，於此處，其能夠由該發射器感測器20來識別。在本實施例中，該充電/放電電路30變動而產生一振盪波，其具有高及低部，基於兩個所偵測的參數數值來變動持續期間。雖然本實施的無線遙測器14包含兩個感測器元件32、34，但是若想要的話，該無線遙測器14可以包含單一的感測器32或34。
第一圖顯示本發明一實施例，其中該無線遙測器14包含一充電/放電電路30，其使用一種磁滯控制的可變計時 電路，以便提供回饋至該感應發射器12。在本實施例中，該充電/放電電路通常包含一充電分支電路36、一放電分支電路38、及一觸發器40。本實施例的充電分支電路36，包含一RC電路，其具有一充電電容Ct及一充電電阻R1t。在本實施例中，該充電電阻R1t係一感測器元件32，及其電阻係隨著所測得參數來變動。例如，充電電阻R1t可為一種熱阻器，其電阻隨溫度變動。在使用時，RC電路決定整流器電壓輸出上升的速率。本實施例的放電分支電路38通常包含一調變電阻Rm、一可變電阻R2t、一電流閂42及一調變接腳44。調變電阻Rm可為一種電阻，具有一固定式共振，其係加以選取來提供具有所想要振幅的振盪波。該可變電阻R2t可為感測器元件34，及其電阻可隨著第二感測參數來變動。例如，該感測元件34可為一熱阻器，其電阻係隨著第二溫度測值來變動。電流閂42包含電晶體Q1及Q2，其被排列而允許電流從該充電電容Ct來放電。在本實施例中，觸發器40控制放電分支電路38的計時，及包含一對二極體D1及D2，其決定電流閂42在打開及關閉時的電壓。在所示的實施例中，二極體D1可為齊納二極體(zener diode)，其決定電流閂42在打開時的電壓，及該二極體D2可為一齊納二極體，其決定電流閂42在關閉時的電壓。在RC電路儲存有足夠的電壓之後，二極體D1達到反向崩潰電壓，允許電流經由二極D1來流動。這個電流提昇電晶體Q1基極的電壓，將其打開。打開之後，流入電晶體Q1集極內的電流，係 從電晶體Q2及Q3的基極加以抽出，將它們兩者打開。因為電晶體Q2係開啟的，流經放電電阻R2t及二極體D2的電流，進入電晶體Q1的基極，保持電晶體Q1開啟，一直到抵達二極體D2崩潰電壓時為止。這種反向崩潰電壓係低於二極體D1的反向崩潰電壓，確保電流閂42在較低於其被開啟時電壓之下被關閉。在想要的時候，該放電分支電路38可包含一調變接腳44，其具有一調變電阻Rm。該調變接腳44包含一電晶體Q3，在其開啟時，允許電流流過調變電阻Rm。在本實施例中，電晶體Q3係耦合至電流閂42，以致於電流閂42開啟時電晶體Q3係打開的，及在電流閂42關閉時其係關閉的。在本實施例中，調變電阻Rm的電阻係足夠地小，造成發射基地內電流提升。
因此，該充電分支電路被充電的時間，係由以下來決定：該耦合因子、二極體D1反向崩潰電壓、及充電電阻R1t的電阻。隨著充電電阻R1t的電阻增加，其用來充電該充電分支電路的時間減少。該充電分支電路被放電的時間主要係取決於調變電阻Rm及放電電阻R2t的電阻、及D1及D2的反向崩潰電壓。隨著放電電阻R2t的電阻減少，該充電分支電路的放電時間減少。如果該可變電阻係相同地製造及以相同速率在無線遙測器14內變動，則工作周期(充電時間vs.放電時間)將如同一乘方功能來變動，提供較大的測值解析度至感應發射器12。該感應發射器也能夠藉由測量線圈電流的改變，來決定耦合。
例如，第二圖顯示W1~W4波形，其代表充電/放電電路的振盪波、及該發射器線圈內兩個不同狀態的電流。上方組波形W1、W2顯示出具有大約50%工作周期的振盪波，及下方組的波形W3、W4顯示出工作周期實質較低的振盪波。更具體地說，W1的頂部波形代表該充電/放電電路在一個狀態下所產生的振盪波。第二波形W2代表經由反射阻抗而受到該振盪波W1影響的該發射器線圈16內的電流。下方組的波形顯示出不同狀態下的振盪波W3及發射器線圈電流W4。在這個狀態下，工作周期實質地較低，因而該振盪波W3及發射器線圈電流W4係變動的。如所能見到的，充電期間P1、P1’(亦即，振盪波的低部)，及放電期間P2、P2’(即振盪波的高部)，在各種狀態之間係變動的，及藉由觀察發射器線圈電流W2、W4(或感應發射器12內受到無線遙測器反射阻抗之影響的其他電力特徵)，這種變動在感應發射器12之內係易於偵測的。在充電電阻R1t係感測器元件32之場合下，感測器元件32所偵測之參數數值，能夠影響充電時間的持久度。相似地，在放電電阻R2t係感測器元件34的場合之下，感測器元件34所偵測的參數數值能夠影響放電時間的持久度。因此，當全部的其他因子保持恒定時，感測器元件32的數值，能夠利用發射器線圈電流內已降低的振幅部S1、S1’的持久度，在感應發射器12之內決定，及該感測器元件34的數值，能夠利用發射器線圈電流之已增加的振幅部S2、S2’的持久度，在感應發射器12之內決 定。例如，從代表頂部波形W1、W2的狀態到代表底部波形W3、W4的狀態，可以決定的是，感測器元件32的數值已經增加，及感測器元件34的數值已經減少。所偵測數值之變動量，可以藉由已降低及已增加的振幅部S1、S1’、S2、S2’的具體持久度，來正確地測定。
如前文所述，放電分支電路38可包含一調變接腳44，其具有一調變電阻Rm。調變接腳44可加以配置，以致於電晶體Q3係如同一放大器來運作、或如同一開關來運作，這取決於調變電阻Rm的數值。當電晶體Q3係作為放大器時，放電電阻R2t相對較小的改變，將會造成調變振幅、及放電/充電電路30之放電時間的相對較大的改變。整體的振幅移位可能是較小的，因為Rm係較大的阻抗。結果，對於感應發射器12來說，當電晶體Q3係作為放大器時，可能較容易來偵測第二感測器元件R2t的數值。
當電晶體Q3被配置來作為電流放大器時，流經調變電阻Rm的電流係由以下公式來界定：Im=β 3*I2
其中β 3係電晶體Q3的增益。
然而，一旦電流抵達一臨界值，電晶體Q3將會處於飽和，及再也不會放大電流。取而代之的是，其將會作為一恒定電壓降。因此，在某些應用中，吾人可能想要的是，設定該調變電阻的數值，以致於電流不會扺達該Q3變成飽和 的臨界值。
在第一圖的電路中，調變電阻Rm係由以下來界定：
其中VD2係橫跨二極體D2的電壓降，VCEx係橫跨每一電晶體的電壓降。
為了使電晶體Q3依照電流放大器來操作，Rm的數值係界定如下：
如前文所述，當Vin處於最大值時，電晶體Q3仍然需要在其放大器模式。在這個電路中，Vin等於VD1時，係處於最大值。結果，能夠見到的是，調變電阻Rm需要大於該臨界值，避免電流抵達其最大值。
如前文所述，如果電晶體Q3係作為放大器，則感測器元件34(R2t)內較小的偵測數值改變，將會造成調變振幅較大的增加，及較大地改變充電分支電路36的放電時間。整體的振幅移位將會較小，因為調變電阻Rm係較大的阻抗。
為了可替換地來操作電晶體Q3作為一開關，調變電阻Rm的數值係由以下來界定：Rm<R2*(VD2-VCE3) β 3*(-VCE2-VCE1)
當Vin係處於最大值時，其相等於VD2。在這個點上，電晶體Q3仍然需要處於飽和模式，以便持續地依照開關來運作。為了確保這一點，調變電阻Rm必須小於該臨界值，避免電流抵達其飽和臨界值。如果電晶體Q3係作為開關，放電電阻R2t的改變將不會引起調變振幅的大型改變，雖然它可能仍會引起充電時間的輕微改變。整體的振幅移位將會較大，因為調變電阻Rm係一較低的阻抗。
在某些應用中，感應發射器12及無線遙測器14之間的耦合係數可能有變動。例如，當感應發射器及無線遙測器之間的距離或定位變動時，或當金屬物品位於電磁場內時，耦合可能發生變動。耦合係數的變動能夠影響被傳輸到無線遙測器的電量，因而可能影響充電/放電電路的充電時間。例如，如果無線遙測器14係不良地耦合及接收到較少的電力，充電分支電路36可能花費較長時間才充足地充電，以便啟動觸發器40及開始放電。結果，不良耦合能夠造成振盪波變動。在耦合可能變動的場合下，可能想要的是，藉由正規化所接收的電壓成為恒定電壓基準，來實施一種對於耦合變動進行補償的放電/充電電路。第三圖係可替換的無線遙測器系統110的代表性示意圖，其中無線遙測器114包含一正規化分支電路145。在這個可替換的實施例中，系統110基本上相同於系統10，但有例外如所示或所述者。作為一種權宜措 施，第三圖包含的參考字母及數字，係相對應於第一圖的參考字母及數字，但除外的是，其參考數字皆由”1”來起頭。如所能見到的，這個實施例的正規化分支電路145包含一額外的電阻R3，及一額外的齊納二極體D3，其依照電壓箝制來運作。可替換地，電阻R3及齊納二極體D3，可由基本上任何其他類型的恒定電壓基準來取代。藉由利用一參考電壓來充電該充電分支電路132，假設所接收到的電壓係高於D3的反向崩潰電壓，則該充電分支電路132充電的速率再也不依照耦合來決定。
第四圖圖示另一個可替換的無線遙測器系統210，其係加以配置，使耦合的變動避免產生充電時間改變。在本實施例中，系統210通常包含一感應發射器212，及一無線遙測器214，其具有一接收線圈226、一整流器228及一充電/放電電路230。本實施例的充電/放電電路230包含一充電分支電路236、一放電分支電路238及一觸發器240。在實施例中，觸發器240係加以配置，以便針對所接收電力的變動進行補償。更具體地說，觸發器240係加以配置，經由一分壓器260及比較器262，來去除或最小化這些變動，它們係加以排列，以致於從充電到放電之間轉換用的觸發點，係隨著所接收的電壓來變動。如所示者，本實施例的分壓器260係連接在該整流器228及該充電分支電路236之間，且其包含電阻R1及R2。比較器262包含兩個輸入，其連接到充電分支電路232相對側 上的節點。例如，在本實施例中，一輸入係連接到分壓器260的輸出，及另一輸入係連接到充電分支電路236及放電分支電路238之間的節點。在本實施例中，充電電容Ct的充電速率係隨著所接收的電壓來變動，且進入比較器262中的參考電壓也隨著所接收的電壓來變動。這些元件的數值係加以選取，以致於充電速率的改變，基本上係藉由相對應的比較器262參考電壓改變，來進行偏移。結果，充電期間的持久度基本上係維持相同，而無關於所接收的電壓。結果，充電期間持久度的改變，基本上只會隨著感測器元件232(Rt1)的改變來變動，及所偵測參數的數值，藉由振盪波低部的持久度，能夠在感應發射器212中加以決定，如前文所述。在使用時，觸發器240係基於充電分支電路236內的電壓(主要是充電電容Ct的電壓)、及分壓器260的輸出電壓之間的比較，來進行操作。更具體地，一旦充電分支電路236的電壓到達與該分壓器260輸出之電壓相同，藉由打開電流閂(電晶體Q1及Q2)，比較器262致能該放電分支電路238。這個電流閂運用調變電阻Rm，及經由感測器元件234 Rt2來汲取充電電容Ct。調變電阻Rm被使用時，充電分支電路236的電壓就立刻下降而低於比較器的臨界值，強迫該比較器262的輸出再次下降。二極體D1連同一偏壓電阻Rbias，避免電晶體Q1的閘極往下降低，允許電流閂持續地放電該充電電容，一直到到達電晶體Q1的順向偏壓時為止。到達之後，該電流閂關閉，使該放電分支電路238失能， 及該放電分支電路236再一次地開始其充電相位。在本實施例中，電阻Rt2的數值將會影響充電電容Ct放電所需要的時間，因此，將會直接地影響放電期間的持久度。因此，藉由第二感測器元件234(Rt2)來偵測的參數數值，能夠從振盪波的高度之持久度來測定，其如前文所述。
在本發明可替換的實施例中，無線遙測器系統可以使用一電壓控制的振盪器(VCO)，來產生一振盪波。VCO可以耦合到一可變阻抗元件，以致於可變阻抗元件數值的變動，造成VCO振盪頻的變動。一VCO型無線遙測器系統10’實施例，係示於第十八圖。如所能見到者，第十八圖的無線遙測器系統10’，基本上係相同於第三圖者，但除外的是，第三圖的選擇電路元件係合併到第十八圖之VCO 170’。該無線遙測器系統170’一般包含一接收線圈126’、一整流器128’、一正規化分支電路145’及VCO 170’。VCO 170’包含節點N右側上的全部的電路元件。在本實施例中，感測器元件132’及134’可為可變阻抗元件(例如所示的可變電阻)，其影響VCO 170’的振盪特徵，進而藉由反射阻抗來影響發射器線圈所接收的訊號。如所能見到的，第十八圖圖解第三圖的電路如何能夠被特徵化成而提供一VCO型無線遙測器系統。第二十圖係VCO型無線遙測器系統可能提供之輸出波型的例子。如所能見到者，第二十圖係相同於第二圖，及其圖解一VCO型無線遙測器系統可能能夠提供與前文所述基本上相同類型的波形 (如果其被配置來進行此種輸出)。
VCO型無線遙測器系統10”的可替換實施例係示於第十九圖。在本實施例中，無線遙測器系統10”使用一VCO，其耦合至一可變阻抗元件132”。可變阻抗元件132”改變VCO 170”的輸出頻，及可為一種可變的電阻、電容、感應。又，該可變阻抗元件170”可為一半導體，如二極體或電晶體，其中阻抗或電壓改變時，偵測到P-N接合性質改變。然後將這個訊號緩衝，從正弦波轉換成正方形波。在本實施例中，VCO 170”的輸出係施加到MOSFET 172”的閘極，其被利用而藉由VCO170”轉換該正弦波輸出成為正方形波，也施加一調變負載174”至該整流器128”。電壓偏移也可被使用，以便變動MOSFET 172”在打開時的臨界值。例如，可變阻抗元件(未顯示)可用來控制該基準。如果這個偏移係由一可變阻抗元件來控制，則這個元件將變動該調變的工作周期。此起因於：當偏移電壓上升時，正弦波在臨界值以上的部份係下降，儘管頻率維持相同。這樣降低了訊號的工作周期，提供額外的資訊回到基地感測器。更具體地，在這種可替換的實施例的場合下，可變阻抗元件132”的數值能夠藉由訊號的頻率來測定；及能夠藉由訊號工作周期來測定的可變阻抗元件的數值，控制了電壓偏移。如第十九圖實施例的可替換者，VCO 170”的輸出可以直接地驅動一負載，可加以濾波、放大、緩衝、或使用任何其他形式的典型訊號，進行調節以提供合適 的訊號。
本發明基本上也可以使用任何類型的VCO來實施。可以使用的VCOs的例子係示於第二十一、二十六及二十七圖。在第二十一圖中，一配備可變阻抗元件R3的惠斯登電橋振盪器，係用來產生一正弦波，其頻率係基於R3的阻抗改變來變動。雙T型振盪器係示於第二十六圖，其中電阻R3及R4、連同電容C1，係加以變動，以便變動該振盪器的輸出頻。相位移位振盪器係示於第二十七圖，其中電阻R2、R3及R4可以連同C1、C2及C3一起使用，以便變動該振盪器的輸出頻。除了VCOs之外，本發明基本上也可以使用任何型式的振盪器來實施，及振盪特徵(如頻率或振幅)係可由一感測器來控制，表現出電阻、阻抗、電容及/或感應的變動。這些及其他的振盪器可以參考以下者而更加完全被瞭解：”Practival Solid-State Circuit Design”，由Jerome E.Oleksy發表於1974，其全部內容在本文中併入以供參考。
本發明一可替換的觀點係示於第五~十圖。在本實施例中，該無線遙測器系統310包含一無線遙測器314，其將惠斯登電橋裝置370合併至一內部共振電路372，其產生一個代表一或更多所偵測參數數值的電磁場。在本實施例中，由該內部共振電路372所產生的電磁場，能夠在該感應發射器312內，透過一分離式感測線圈374來接收及分析，以便測定所感測參數的數值。在使用時，該惠斯登電橋裝置370係加以 配置，造成電流在該內部共振電路372內流動(基於被併合到惠斯登電橋裝置370的感測器元件332數值)。結果，該無線遙測器314產生一電磁場，其電磁場表現出所偵測數值的特徵。
第五圖顯示一實施例，其中無線遙測器314使用第一接收線圈326來激發一個利用2組匹配電阻(R1及Rt、R2及3)的惠斯登電橋裝置370，其中，Rt係感測器元件332，其可變電阻係隨著所偵測參數的數值來變動。例如，當無線遙測器314係被配置來測量溫度時，電阻Rt可為一熱阻器。利用惠斯登電橋裝置的可變電阻，由電容CR2及內部線圈373(RX線圈)所產生而跨過內部共振電路372的電壓，將會隨著可變電阻Rt的數值來變動。當電阻Rt的電阻增加時，在內部共振電路372內下降的電壓，將會造成電流流入該內部線圈373。電流流動產生一電磁場，其能夠由感測器線圈374來接收，及其特徵能夠由一個被耦合到感測器線圈374的感測器378來測量。感測器線圈374可以位在感應發射器312之內，或位在其他想要無線偵測所感測參數的位置上。雖然並未顯示，但是該感測線圈374可耦合一電容，以便提供一共振槽路。又，如果電阻Rt的電阻下降，則在內部共振線圈372內所感應出的電壓將會造成電流流入內部線圈373，但其係接收線圈326的相反的相位。這種相位差能夠藉由發射器316及感測線圈374內電流相位之比較來偵測。如果電阻Rt的電阻係符合電阻R1者，則在該內部共振電路372內將不會感應出電壓，及沒有電流將會流 經該內部線圈373。
應該注意的是，內部線圈及感測線圈係非常不良地耦合至發射器線圈316及接收線圈326，進而能夠感測出低量的電流，而不會干擾被用來從感應發射器312無線地傳輸電力至無線遙測器314的電磁場。例如，該內部線圈373及感測線圈374可遠離該發射器線圈316及接收線圈326來安置。如另一個例子，內部線圈373及感測線圈374可被排列而正交於發射器線圈316及接收線圈326。
為了在典型的應用中提供改良的性能，內部線圈373及內部電容CR2能夠調協成為與接收線圈326及接收電容CR1相同頻率，或能夠被調協成為不相同的頻率，如諧波。如此進行之下，感應發射器312能夠施加一個具有多重頻率的訊號，例如正方形波、鋸齒形波、或頂部上有調變訊號的載體波，並且讀取附屬於內部共振電路372共振頻之感測器線圈374內的頻率組成。
第六圖係一電路圖及模擬圖，比較一習知無線遠方溫度感測器(如及上方電路圖及模擬圖所示)、及依照第五圖系統的無線遠方溫度感測器314(如下方的電路圖及模擬圖)。上方模擬圖顯示出三個電流測值M1、M2及M3，係在感測器元件電阻數值0.5%改變之下取得。如所能見到的，0.5%電阻改變，造成約0.2安培電流改變，其數量約為電流幅值2%改變。下方模擬圖顯示出五個電流測值N1、N2、N3、N4及N5， 係在感測器元件電阻數值0.1%改變之下取得。在本模擬圖中，電流改變%明顯地較大。例如，在N1尖峰值之間的改變%係大於600%，其大於N5的尖峰值。結果，能夠見到的是，電阻的小改變在上方模擬圖中係更難以偵測，及在下方模擬圖中係較易於偵測。
在第七圖顯示另一個可替換的無線遙測器系統410，其具有一無線遙測器414，配備有一惠斯登電橋裝置470。在本實施例中，AC惠斯登電橋裝置470包含額外的可變阻抗元件，其能夠用來進一步地影響該內部共振電路472所產生的電磁場。本實施例的無線遙測器410基本上係相同於無線遙測器310，但有些例外，如所示或所述者。作為一種權宜措施，第七圖包含的參考字母及數字一般係相對應於第五圖的參考字母及數字，但是例外的是，其數字係由”4”開頭來取代”3”。在本實施例中，內部電容CR2係一可變電容，其能夠變動該內部共振電路472的共振頻。在一實施例中，內部電容CR2可為一感測器元件，其具有一可變電容，隨著待感測的參數來變動。例如，該內部電容CR2可為一種具有介電材料的電容，其介電常數係隨著溫度變動。又在本實施中，惠斯登電橋裝置470內有一額外的可變電阻。例如，每一個電阻可為一感測器元件，其電阻隨著待測量之參數來變動，如溫度。在所示之實施例中，電阻R1t及R4t係相同的材料，意指它們彼此以接近相同的速率、在相同的方向上來變動。又在本實施例 中，電阻R2t及R3t係由相同材料製成，但是以相反於電阻R1t及R4t的方向來變動。如此，該兩個電阻對互相合作來增加所感測參數變動的衝擊。這樣增加了系統的解析度，因為，針對任何單一電阻值中每一個1%的改變，圶內部共振電路472內的全部的電壓差增加了4個因子。又，可變電阻(R5t)可以添加到該內部共振電路472，以便變動內部共振電路472的Q，這也能夠由感測線圈474來偵測。
第八圖顯示發射器線圈416及感測線圈474內的電流，其中無線遙測器414中已有許多的改變。在本實施例中，曲線T1代表發射器線圈416內的電流；曲線C1代表感測線圈474內的電流，此時，內部電阻R5t有一第一數值；及SC2代表感測線圈474內的電流，及此時內部電阻R5t有一第二數值。在本實施例中，我們從T1相對於SC1及SC2的比較能夠見到：共振頻率已經移位。在本實施例中，共振頻已經藉由內部電容(CR2)的改變來移位。又，Q已經從SC1變動到SC2，起因於內部電阻R5t電阻的改變。雖然未加以顯示，但是所感測的電流的振幅能夠被移位，以便顯示出電阻(R1t、R2t、R3t及R4t)所形成之可變電阻電橋的改變。如所能見者，無線遙測器414內所含之一或更多個可變阻抗元件的改變，係反射在感測線圈474內所感測的電流。雖然以電流感測器相關內容進行描述，但是這些改變可替換地係可由感測線圈474內其他電力特徵的測量來測定，如頻率、電壓、電力及/或相位。
電力傳輸線捲(如發射器線圈416及接收線圈426)及回饋線圈(如內部線圈473及感測線圈474)，可被配置來最小化該兩組線圈之間的干擾。在第九~十圖的實施例中，電力傳輸線圈416、426，係排列在回饋線圈473、474之外側，及該回饋線圈係以反向繞線配置來排列。如第九圖所示，發射器線圈416及感測線圈474係密切近接地排列。例如，兩個線圈都被合併到感應發射器412中。在本實施例中，發射器線圈416係螺旋纏繞的線圈，其內部空間係加以配置來接收感測線圈474。本實施例的感測線圈474包含兩個線圈部478及480，其以相反方向來纏繞。這兩個線圈部478、480在尺寸、形狀及配置方面，一般係相同的，以致於它們係粗略地對稱，及接收大約相等但相反的影響(來自電力傳輸線圈416及426)。現在參照第十圖，接收器線圈426係螺旋纏繞的線圈，其內部空間係加以配置來接收內部線圈473。本實施例的內部線圈473包含兩個線圈部482、484，相似於感測線圈474，它們係相反方向來纏繞。這兩個線圈部482、484在尺寸、形狀及配置方面，一般係相同的，以致於它們係粗略地對稱，及接收大約相等但相反的影響(來自電力傳輸線圈)。在本實施例中，該電力傳輸線圈及回饋線圈想要彼此直接鄰近地安置，其中相對應的線圈係彼此粗略地共延地來延伸。結果，相對應的線圈基本上具有相同的尺寸、形狀及配置。更具體地，在本實施例中，發射器線圈416及接收器線圈426通常係矩形的線圈，其基本 上有相同尺寸及形狀。相似地，感測線圈474及內部線圈473均為反向纏繞的線圈，其線圈部基本上尺寸及形狀相同。由於回饋線圈的反向纏繞本質，藉由電力傳輸線圈所感應出的電流，在藉由耦合至感測線圈474之電流感測器478來測量時，基本上將被取消。然而，因為感測線圈474及內部線圈373的反向纏繞部之間的物理近接性，來自內部線圈473的磁場，將會有效地被傳訊到感測線圈474。顯示在所示實施例中的線圈配置只是示範性而已。在各應用之間，線圈的尺寸、形狀及配置係可以變動的。例如，回饋線圈473、474並不需要被安置在電力傳輸線圈416、426之內。可取代的是，線圈組能夠被分離，進而最小化該來自電力傳輸線圈的干擾。
雖然以無線遙測器424的相關內容來進行描述，但是這種線圈配置，也能夠被用於其他想要將兩組線圈密切近接來安置以便最小化干擾的應用中。例如，這種線圈配置可以被使用在其他應用中，其中吾人想要有第一組線圈可供傳輸電力使用，及第二組線圈可供訊號、資料及其他類型資訊傳輸使用。
在另一觀點中，本發明提供一種無線遙測器系統510，合併有一光學回饋網路，其具有一參考LED及一或更多的感測器LEDs。在第十一圖的實施例中，無線遙測器系統510通常包含一感應發射器512、一無線遙測器514及一光學感測器網路598。光學感測器網路598可以被安置在感應發射器512 之內，或想要的話，也可以遠方地安置。概略地說，無線遙測器514接收來自感應發射器512的電力，及提供代表一或更多參數數值的光學回饋。為了允許該系統針對耦合的變動、及其他應該被排除而不是因子的改變，例如電路漂移，進行補償，該無線遙測器514包含一參考電路580及一感測器電路582。該參考電路580包含固定式元件，以致於其參考LED 588的強度只隨著所接收電力改變(如耦合改變)、及其他在測定所感測參數數值時應該被排除在因子之外的改變，例如歷時電路漂移，來進行變動。感測器電路582包含至少一個可變阻抗元件，其係加以配置，以致於該感測器LED 530的強度係基於可變阻抗元件的數值、以及所接收的電力，來變動。該光學感測器網路598分別地感測該參考LED 588及感測器LED 530的強度，及該所感測的數值係用來測定所感測參數的數值。因為參考LED 588只隨著耦合改變、及其他改變(如應該被排除而不為感測器LED 530強度之因子的電路漂移)，所以該參考LED 588能夠被使用，將該可變阻抗元件所造成的感測器LED 530之強度差異，隔離於那些藉由耦合改變、及無關可變阻抗元件變動之其他因子(如電路漂移)所造成的差異。例如，在某些實施例中，LEDs在本質上可能歷時而衰減，因而具有一種本有的歷時亮度降。假設參考LED 588及感測器LED 530應該粗略地經歷到相同的天然歷時衰減，則該參考LED 588能夠被使用，將LED衰減加以排除而不為感測器LED 530強度 因子。LED衰減只是一個能夠引導歷時電路漂移因子的例子。歷時電路漂移可能由其他因子所造成，例如電力供應電壓改變、偵測光學的敏感度及電路元件的衰減/降解。
如前文所述，無線遙測器514包含參考電路580及一感測器電路582。然而，在各應用之間，感測器電路的數目可依所想要來變動。例如，在無線遙測器514想要感測兩種不同參數數值時，可以提供第二感測器電路(未顯示)，其感測器LED的強度係隨著所感測的參數數值而變動。例如，第二感測器電路可能包含一可變阻抗元件，其阻抗係隨著所感測的參數數值來變動。再次參照第十一圖，本實施例的參考電路580合併有一串接共振槽路，用於接收來自該感應發射器512的電力。該槽路可包含一接收器線圈584及一接收器電容586。本實施例的參考電路580也包含一參考LED 588及一參考電阻590。在使用時，參考LED 588的強度係隨著從感應發射器510所接收到的電量來變動。隨著感應發射器510及參考電路580之間的耦合變動，參考LED 588的強度將會變動。這種強度變動能夠透過光學感測器(如感測器592)而遠方地測量(例如，從感應發射器510)。
感測器電路582係相似於參考電路580，也包含一串接共振槽路，具有接收器線圈526及接收器電容528；一感測器LED 530及一電阻532。然而，在感測器電路582中，一或更多的接收器線圈526、接收器電容528及電阻532，能夠為可 變阻抗元件，其係被配置而隨著所感測參數數值改變而變動。例如，電阻532可為一熱阻器，其電阻隨著溫度改變。又，接收器線圈526可為可變感應器，及/或接收器電容528可為可變電容。結果，感測器LED 530的強度不只是隨著所接收電力改變而變動，也隨著可變阻抗元件改變而變動。感測器LED 530的強度變動，能夠透過光學感測器(如感測器594)而遠方地測量(例如，從感應發射器510)。
在本實施例中，由可變阻抗元件改變而造成的感測器LED 530的強度變動，藉由使用參考LED 588，能夠被隔絕於：由耦合改變及歷時電路漂移所造成的變動。更具體地說，所偵測的參考LED 588的強度改變，能夠從所偵測的感測器LED 530的強度改變來加以扣除，以便有效地去除因為耦合及歷時電路漂移所造成的改變，藉此隔離該可變阻抗元件變動所造成的改變。例如，由光學感測器592所測得之參考LED 588的強度改變，能夠從光學感測器594所測得的感測器LED 530強度變動來扣除。
在本實施例中，吾人想要配置該接收器線圈526及584，以致於無線遙測器514相對於感應發射器的位置及/或定向的變動，及/或包圍該線圈的環境的變動，基本上對於發射器線圈516及兩個接收器線圈526、584之間的耦合有相同的影響。基於這個結果，吾人想要排列這兩個接收器線圈526、584，使它們通常接收相同的來自該發射器線圈516的磁通 量。在第十二~十四圖所示的實施例中，接收器線圈526、584係大致上包覆相同的軸而纏繞在一起，及處於大致上相同的平面。雖然本實施例的線圈526、584通常係圓形，但是在各應用之間，若相要的話，它們能夠在尺寸及形狀方面加以變動。如所能見到者，線圈526、584係由實質平行的繞線來包覆，其粗略地在相同的軸上延伸及大致上處於相同的平面。在這種配置之下，這兩個線圈在幾乎所有的情況下，應該從感應發射器512上接收實質相同數量的磁通量。第十三圖說明其餘電路元件與線圈之耦合的一種方式。在本實施例中，其餘電路元件只是連接到相對應線圈的相對端上。LEDs的位置在各應用之間係可變動。然而在第十四圖所示之實施例中，參考LED 588及感測器LED 530係被安置在線圈526、584的中心。
感應發射器512的設計及配置，在各應用之間係可變動。第十五圖顯示一實施例，其係加以配置而連同第十四圖所示的無線遙測器514一起使用。在本實施例中，感應發射器512包含一發射器線圈516，其係圓形的，及在尺寸及形狀方面，係相對應於接收器線圈526、584。發射器線圈516可由線圈驅動器534來驅動。如所示者，感應發射器512可包含一光偵測器電路536，其具有光學感測器592、594，位於發射器線圈516之中心，大約相同於參考LED 588及感測器LED 530的位置。
在第四個觀點中，本發明包含一種無線遙測器系統，其具有一無線遙測器614，其中該接收線圈626係安置在一基板650之上，該基板具有相對較高的熱膨脹係數。在本觀點中，基板626尺寸的改變，造成接收線圈626在尺寸及/或形狀上的改變。接收線圈626的改變，造成接收線圈626之反射阻抗的相對應的改變，其能夠在感應發射器(未示)中加以感測。例如，接收線圈626的形狀改變，可以藉由感應發射器來感測，加以識別成為一種電力特徵，其受到反射阻抗的影響。所感測到的特徵可為(例如)電流、電壓、相位或共振頻。
無線遙測器614的配置在各應用之間係可變動。在最簡單的實施例中，無線遙測器614通常可包含基板650、接收線圈626及一電容(未示)。雖然在第十六圖中並未顯示，但是該電容可以連接而跨越線圈626的相對端，以便產生一共振槽路。基板650基本上可為任何能夠支承該接收線圈626的材料，及具有足夠大的熱膨脹係數，使預期的溫度變化將會造成反射阻抗的改變，其能夠藉由感測該感應發射器的電力特徵而加以識別。在可替換的實施例中，該基板可為一種材料，為了回應溫度變動，其經歷更多永久的變形。例如，該基板可為一種熱收縮材料，當被加熱到所想要的溫度時進行收縮。材料的熱收縮可能改變被支承在材料上的線圈之尺寸及/或形狀。這種在尺寸及/或形狀上的改變，可在感應發射器內加以感測。該熱收縮材料可由熱塑性材料來製成，例如聚 烯烴、氟聚合物(如FEP、PTFE或聚偏氟乙烯)、PVC、氯丁橡膠、矽膠彈料、或氟化橡膠。
接收線圈626及電容的特徵，可加以選取，而提供該共振槽路一共振頻，其係該感應發射器之操作頻或與之相近。在所示的實施例中，接收線圈626係由可印刷的墨水加以製成。例如，接收線圈626可被印刷在基板650上。在本實施例中，接收線圈626係直接地印刷在基板上，但是想要的話，無線遙測器614可包含中間材料。
接收線圈626的尺寸、形狀及配置，在各應用之間係可變動。在第十六圖的實施例中，接收線圈626係由不能夠相對於基板650來膨脹及收縮的材料所製成。為了允許接收線圈626無論如何也要隨著基板650來改變形狀，該接收線圈626係形成有多數個波紋。在使用時，當基板650膨脹及收縮時，該波紋彎曲或撓曲。這種彎曲及撓曲，造成全部接收線圈626尺寸及/或形狀的材料改變。可替換地，接收線圈626係可由一種能夠隨著下方基板來膨脹及收縮的材料來製成。例如，接收線圈626可由印刷銀墨水導體來製成。接收線圈626係能夠膨脹及收縮的場合之下，其可能被提供更加規則的形狀，例如簡單的螺旋繞線。
電容(未示)基本上可為任何的電容元件，例如印刷墨水電容或習用的電容。當包含有印刷墨水電容時，若想要的話其可被印刷在基板650上。在某些應用中，該接收線圈 626的內部電容可能足夠來形成一共振槽路。在這樣的應用中，並不包含分離式電容。
在第十七圖的可替換的實施例中，無線遙測器614’包含一再共振器線圈690’，其被安置鄰近該接收線圈626’。如所示者，該再共振器線圈690’可被包覆在接收線圈626’的周圍，其中這兩個線圈分享一般普通的軸，及大致上在相同的平面上延伸。在本實施例中，再共振器690’接收來自該感應發射器(未示)的電力，將所接收電力加以放大，及將它傳輸到接收線圈626’。再共振器線圈690’係可耦合至一電容692’。想要的話，電容692’可為一種印刷墨水電容。
關於第十六圖的實施例，接收線圈626’可串接至一電容(未示)。該電容基本上可為任何電容元件，例如印刷墨水電容或習用的電容。當接收線圈626’的內部電容係足夠來形成合適的共振槽路時，可以去除分離式的電容。
在第五個觀點中，無線遙測器系統710包含一VCO 770，其取決於可變阻抗元件732的數值來產生一訊號。該訊號被施加到一天線780，其將該訊號發射到一基地感測器790(見第二十二圖)。該訊號可以直接地被施加到該天線790，或可透過緩衝器、放大器、濾波器或任何訊號調節電路組合來施加，然後被施加到天線780。該基地感測器790可包含一天線792，其係加以配置來接收該天線780的訊號。藉由使用分離式天線780，該訊號可以具有較小的干擾(相較於主要地使 用電磁場來傳輸電力的電力傳輸訊號)。天線780所產生的電磁波主要是一電場，因為磁場線係垂直於電場線，所以在訊號之間提供向量優勢隔離。然後，基地感測器790監測該訊號的頻率，並將其比較於一參考頻率，或使用其他訊號特徵，來測定相關於感測器的(或可變阻抗元件732的)資訊。例如，該頻率能夠隨著時間來變動，其頻率改變速率係醫療病人之脈衝速率的代表。第二十三圖顯示一頻率的例子，其起因於第二十一圖維恩電橋VCO(Wienbridge VCO)之可變電阻R3的不同數值。第二十三圖左側的長條顯示出一系列的三種不同的波形A1、A2及A3，彼此在頂部上重疊。每一個波形都是從可變阻抗元件R3的不同數值來產生。雖然在第二十三圖的左側難以見到，但是每一波形A1、A2及A3有不同的頻率。這更加清楚地顯示在第二十三圖右側的長條，這是使用FFT來產生的三個波形A1、A2及A3之頻率反應F1、F2及F3的長條。能夠見到的是，訊號的頻率(由代表右側訊號的FFT的尖峰值來代表)，係隨著可變阻抗元件732的電阻來變動。
在第六個觀點中，無線遠方遙測器系統810可包含一VCO 870，其產生一訊號被施加到一分離式線圈880，及傳輸到基地感測器890。這個訊號可以直接地施加到線圈880，或或可透過緩衝器、放大器、濾波器或任何訊號調節電路組合來施加，然後被施加到線圈880。基地感測器890可包含一相對應的接收線圈892，其係加以配置來接收該線圈880 的訊號。使用一分離式線圈880之下，該訊號對於電力傳輸訊號可以有較小的干擾。由分離式線圈880所產生的訊號，藉由使該回饋訊號成為遠遠地較高或較低的頻率(相較於電力傳輸訊號)，在頻率方面可被隔離於電力傳輸訊號。藉由將該線圈遠遠地安放，或藉由將該訊號線圈反向纏繞成為”數字8”拓樸，該場能夠進一步地被隔離於該電力傳輸訊號。第二十五圖顯示在發射器側邊上的反向纏繞或”數字8”拓樸。如所示者，發射器線圈係物理性地安置在基地感測器線圈892的外部，及該基地感測器線圈892係反向纏繞的，如前文相關於第九圖之描述。然後，基地感測器890可監測該訊號的頻率，並將它比較於一參考頻率，或者使用其他的訊號特徵來測定相關於感測器或可變電阻元件832的資訊。VCO 870可以要求正及負的電壓供應，以便正確地測量該可變阻抗元件的阻抗。為了提供此電壓，位在該接收器810上的電力傳輸線圈826，可為中心分接的配置，其中該中心分接頭係附著至該接收器的中點或零電位基準，及一二極體電橋828將該線圈端部連接到該正及負的電壓。藉由利用兩個二極體電橋728(如第二十二圖所示之電路)，電流在一個方向上流動，及能量只在電力傳輸周期一半期間加以接收。藉由利用四個二極體電橋828，如第二十四圖所示之電路，電流在兩個方向上流動，及能量在整個電力傳輸周期被接收。
上述係本發明目前實施例之描述。許多變動及改 變係能夠被完成而不離開本發明精神及較寬大範圍，其係被界定如後附申請專利範圍，而依照包含均等論之專利法原理來加以解釋。本揭示內容係基於說明目的而提供，不應被釋釋成為全部本發明實施例之排他性描述，或限制申請專利範圍於以這些實施例相關來說明或描述之具體元件。例如(及未限制)，任何所述發明之個體元件係可由提供實質相似功能或提供足夠操作之可替換元件來取代。這包含(例如)目前已知之可替換元件、例如一般精於本項技藝人士已熟知者，及可能在未來加以開發之可替換元件，例如，一般於本項技藝人士在研發時，識別出的可替換者。進一步地，所揭示的實施例包含多數個特徵及/或元件，它們可能個別地或互助合作來提供優點加成。除在申請專利範圍內另有陳述之範圍以外，本發明並未限制只包含這些全部特徵、或提供全部所述優點之實施例。請求權利之元件的任何單數的參考符號，例如，使用冠詞”一”(a,an)或”該”(the,said)，並不解釋為限制該元件為單數。

Claims (27)

  1. 一種無線遙測器，用於感測一外部參數，其包括：一接收器線圈，係加以配置而無線式地接收來自一無線電力發射器的電力；及一振盪電路，係耦合至該接收器線圈，藉此該振盪器電路之振盪係藉由反射阻抗被傳送至該無線電力發射器，該振盪器電路具有一可變阻抗元件，其係隨著待感測之外部參數數值來變動，其中該振盪的工作週期基於該可變阻抗元件的變動而改變，藉此該振盪的工作週期將受到待感測之該外部參數數值之變化的影響。
  2. 如申請專利範圍第1項的遙測器，其中該振盪電路包含一充電/放電電路，其係加以配置來可替換地充電及放電該振盪電路，該振盪係相對應於該充電及放電。
  3. 如申請專利範圍第2項的遙測器，其中該充電/放電電路包含一充電分支電路，其具有一充電電容，係透過該接收器線圈無線地接收到的電力來充電。
  4. 如申請專利範圍第3項的遙測器，其中該充電/放電電路包含一觸發器，用於轉變該充電及放電電路於一充電狀態及一放電狀態之間，該觸發器係一種二極體，其具有一反向崩潰電壓，其在該充電電容抵達一臨界值時，被選用來轉變該充電/放電電路從充電到放電。
  5. 如申請專利範圍第3項的遙測器，其中該充電/放電電路 包含一放電分支電路，其具有一電流閂，係加以配置而選擇性地放電該充電電容。
  6. 如申請專利範圍第5項的遙測器，其中該充電分支電路包含一充電電阻，該充電電阻係該可變阻抗元件。
  7. 如申請專利範圍第5項的遙測器，進一步地包含一放電電阻，該放電電阻係該可變阻抗元件。
  8. 如申請專利範圍第5項的遙測器，其中該振盪電路包含第一及第二可變阻抗元件，該第一可變阻抗元件係該充電分支電路內的可變電阻，及該第二可變阻抗元件係一可變電阻，其被配置來變動該放電狀態的持續期間。
  9. 如申請專利範圍第3項的遙測器，進一步地包含一正規化電路，用於將供應到該充電分支電路的電壓進行正規化。
  10. 如申請專利範圍第9項的遙測器，其中該正規化電路包含一電壓箝制。
  11. 如申請專利範圍第3項的遙測器，其中該充電/放電電路包含一觸發器，用於轉變該充電及放電電路於一充電狀態及一放電狀態之間，該觸發器係一種比較器及分壓器，被選用來維持一實質均勻的充電持續期間，即使被供應到該充電分支電路之電壓變動時亦然。
  12. 如申請專利範圍第11項的遙測器，其中該比較器包含一第一輸入，係耦合至該分壓器的輸出；及一第二輸入，係耦合至該充電分支電路之輸出。
  13. 如申請專利範圍第12項的遙測器，其中該充電/放電電路包含一放電分支電路，其具有一電流閂，係加以配置而選擇性地放電及充電該電容，該比較器的一輸出係耦合至該電流閂，藉此該比較器輸出嚙合至該電流閂。
  14. 如申請專利範圍第5項的遙測器，其中放電分支電路包含一調變接腳，該調變接腳設有一調變電阻，該調變接腳耦合至該電流閂，藉此該調變接腳只有在該電流閂係開啟時被應用。
  15. 如申請專利範圍第14項的遙測器，其中該調變接腳係藉由一電晶體而耦合至該電流閂，該調變電阻具有一個數值，係加以選用來造成該電晶體如同放大器來操作，該操作至少係部份地獨立於一可變阻抗元件。
  16. 一種無線遙測器，用於感測一外部參數，其包括：一接收器線圈，係加以配置來無線式地接收一無線電力發射器之電力；一電壓控制的振盪器，係操作性地耦合至該接收器線圈，以便接收該接收器線圈的電力；及一可變阻抗元件，係耦合至該電壓控制的振盪器，藉此該電壓控制的振盪器之輸出振盪係由該可變阻抗元件的數值來決定，該可變阻抗元件係隨著待感測之該外部參數數值來變動，其中該輸出振盪的工作週期基於該可變阻抗元件的變動而改變，如此則藉由該可變阻抗元件感測之該輸出振盪的 該工作週期，將受到該外部參數數值之變化的影響。
  17. 如申請專利範圍第16項的遙測器，進一步包含一天線，該電壓控制的振盪器之輸出振盪係被施加到該天線，藉此該輸出振盪可被傳訊至一基地感測器。
  18. 如申請專利範圍第16項的遙測器，進一步包含一訊號線圈，該電壓控制的振盪器之輸出振盪係被施加到該訊號線圈，藉此該輸出振盪可被傳訊至一基地感測器。
  19. 如申請專利範圍第16項的遙測器，進一步包含一負載，該電壓控制的振盪器之輸出振盪係被施加到一調變分支電路，用於調變該負載至該接收器線圈，藉此該輸出振盪藉由反射阻抗而經由該接收器線圈被傳訊到一基地感測器。
  20. 如申請專利範圍第19項的遙測器，其中該調變分支電路包含一MOSFET，該輸出振盪係被施加到該MOSFET的閘極。
  21. 如申請專利範圍第20項的遙測器，其中該MOSFET係耦合至一電壓偏移電路，其具有一第二可變阻抗元件，藉此該負載的工作週期係依照該第二可變阻抗元件的數值來決定。
  22. 一種無線遙測器系統，用於感測一參數，包括：一指示發射器，設有一發射器線圈；一無線遙測器，具有：一接收器線圈，係加以配置來無線地接收一無線電力發射器的電力；一電壓控制的振盪器，係操作性地耦合至該接收器 線圈，以便接收該接收器線圈的電力；及一可變阻抗元件，係耦合至該電壓控制的振盪器，以致於該電壓控制的振盪器之輸出振盪係依照該可變阻抗元件之數值來決定，該可變阻抗元件係隨著待感測的參數數值來變動，其中該輸出振盪的工作週期基於該可變阻抗元件之變動而改變；及一訊號接收器，係加以配置來無線地接收由該輸出振盪所產生的訊號，該訊號接收器係加以配置來測定該可變阻抗元件的變動，其係依照該接收訊號來運作。
  23. 如申請專利範圍第22項的無線遙測器系統，其中該無線遙測器包含一發射器天線，該電壓控制的振盪器的輸出振盪係被施加到該發射器天線，用於無線地傳輸到該訊號接收器。
  24. 如申請專利範圍第23項的無線遙測器系統，其中該訊號接收器包含一接收器天線，其係加以配置來接收該發射器天線所傳輸的訊號。
  25. 如申請專利範圍第22項的無線遙測器系統，其中該無線遙測器包含一訊號發射線圈，其係與該接收器線圈互相分離，該電壓控制的振盪器之輸出振盪係被施加到該訊號發射線圈，用於無線地傳輸到該訊號接收器。
  26. 如申請專利範圍第25項的無線遙測器系統，其中該訊號接收器包含一與該發射器線圈互相分離的訊號接收線圈，其係加以配置來接收該訊號發射線圈所傳輸的訊號。
  27. 如申請專利範圍第26項的無線遙測器系統，其中該訊號發射線圈及該訊號接收線圈係以數字8構形來進行反向纏繞。
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