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CN109074468B - 远距离检测物体的标签、系统和方法 - Google Patents

远距离检测物体的标签、系统和方法 Download PDF

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CN109074468B CN201780023833.1A CN201780023833A CN109074468B CN 109074468 B CN109074468 B CN 109074468B CN 201780023833 A CN201780023833 A CN 201780023833A CN 109074468 B CN109074468 B CN 109074468B
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Abstract

本发明描述了一种包含磁性元件的标签，所述磁性元件以80‑250微米的具有巨磁阻抗的微导线的形式，所述标签与物体结合时，允许通过调制所述微导线的反射率来对物体进行无线检测。通过使用一种系统来进行检测，所述系统发射频率在1GHz和20GHz之间的电磁波和低频磁场(0.01Hz‑50Hz)，并且检测所述微导线的反射率的调制。因此，位于大于1m的距离处的物体可以被检测到。

Description

远距离检测物体的标签、系统和方法
技术领域
本发明属于通过电磁场来检测物体的领域。更具体地，本发明涉及一种通过均为磁性的有源元件和互补元件远距离地无线可检测的标签，以及一种用于使用所述标签对物体进行检测的系统和方法。
背景技术
本发明涉及一种基于磁现象对GHz波的反射率的影响来对物体进行远距离电子检测的系统(该系统特别包括可以被激活或去激活的标签)、其检测系统以及方法。
用于基于磁性材料检测物品的系统是公知的。专利FR763681示出了这种类型的第一设备。所描述的设备基于由坡莫合金类型的软磁材料制成的带条的使用，当受到交变磁场时，该带条在检测器中产生与其它类型的金属所产生的谐波明显不同的谐波。
带条形式的非晶磁性材料具有低矫顽场和高磁化率，该非晶磁性材料可以在磁场存在或不存在的情况下通过合适的热处理被优化以用在电子检测物品的器材中。专利WO0213210涉及基于CoNiFeSiBC的成分的使用。
专利US4660025示出了一种检测器系统，其中具有最小长度为7.6cm的非晶双稳态磁线被用作标签。在这种情况下，交变磁场被应用于该空间的特定区域并且当检测到所述磁场的扰动时激活警报。这在当在该区域中引入标签时产生并且磁场的值超过该磁线的临界场，使得磁化反向。这被称为快动作。这些系统的一个缺点是标签的长度长。
除了专利US4660025的标签中获得的涉及其高谐波含量和高脉冲的优势，重要的是找到去激活这些类型的磁性材料的方法。专利US4686516示出了一种这种基于非晶磁性材料的结晶化来去激活这些类型的磁性材料的方法。这是通过加热标签的至少一部分至高于结晶温度的温度，或者通过施加电流或辐射能(例如激光)来进行。尽管文中描述的一些方法允许在不接触标签的情况下去激活标签，仍然需要小心地实施这些方法。
专利US4980670示出了用于物品的电子监控的磁标记物，其中标签对低于施加的磁场的阈值的值具有“快动作”，并且此外该标签容易被去激活。
专利US5313192改进了一种相当于文献US4980670中描述的标签的标签，并且该标签更稳定且更可控。非晶磁性带条的加工条件是相同的，但是此外在加工过程中标签经受预定的磁场，该磁场允许激活和去激活标签。更特别地，本发明的标签包含构成主芯部的软磁材料和第二硬(或半硬)磁材料。该标签被调节为使得第二材料分别具有激活状态和去激活状态。在激活状态中，标签演示了双稳态磁滞，而在去激活状态下标签具有磁滞回线而没有Barkhausen跳跃。
专利US6747559涉及一种用于基于具有低矫顽性(小于10A/m)和高磁导率(大于20,000)的磁性微导线对物体进行电子检测的永久性标签。使用的一个或多个微导线的长度不大于32mm。在这种情况下，这是对于施加的磁场的足够低的值的高磁导率，该高磁导率允许具有大振幅的高谐波，从而使得更容易辨别标签。
专利US7852215具有基于磁性微导线的标签，以便根据与专利US6747559中描述的标签的等效模式的感应方法进行作用。
所描述的所有系统是基于谐波的产生并且对检测距离(限制在90cm)具有明显的限制。另一限制是检测来自其它类型金属的信号的难度。
存在基于磁致弹性共振的允许在更大距离(不超过两米)的检测的系统，例如专利US4510489要求保护的。该系统使用基于在机械共振频率的交变磁场存在的情况下振荡的磁致伸缩元件的磁力学标签。由专利ES2317769(B1)描述了一种等效的但使用磁致弹性的微导线的系统。
这些系统的另一限制是使用的标签的大小。
专利US6232879将远距离检测物体基于由位于特定相对位置的至少两个元件组成的标签，这限制了标签的大小和几何形状。
因此，需要开发具有较小尺寸并且在更长的距离处能容易地检测到的标签。
发明内容
用于远距离检测物体的标签、系统和方法。
本专利示出了磁性微导线作为在远距离(大于1米)可检测到的短长度的传感器元件的可行性，通过该磁性微导线的矫顽场和频率之间的关系决定该磁性微导线的可检测性。
本发明涉及一种由均为磁性的有源元件以及可选地互补元件组成的标签，该标签允许通过调制有源元件的反射率来进行其无线远距离检测。
有源元件是具有在80微米至200微米的范围中的直径的软磁微导线，该软磁微导线具有巨磁阻抗和一长度，该长度由天线的发射频率决定，从而对于1GHz和20GHz之间的励磁频率，待检测的该元件的长度在30cm和1cm之间；更准确地，对于3GHz的频率，将使用5cm的传感器元件，并且对于1.5GHz的频率，将使用10cm的传感器元件。
微导线的矫顽场取决于该低频场的频率。对于频率在10mHz和50,000mHz之间的低频励磁器磁场，所述磁性微导线必须具有具有在10奥斯特(Oe)至20Oe的范围中的横向各向异性的非双稳态磁滞回线及其包括在1Oe和5Oe之间(但不会更大)的矫顽场。
微导线可以为具有一个或多个匝的延伸微导线或闭合微导线或者为微导线粉的形式、所述闭合微导线例如以环、方形或矩形的形式。
更详细地，有源元件为涂有硼硅酸盐玻璃的磁性微导线，该磁性微导线具有基于铁和钴的组成(例如FexCoa-x-yNiySizBwMt(其中a+z+w+t＝100，70≤a-x-y≤75，0≤x+y≤5，0≤z+w≤25，0≤t≤3，M＝Nb、Mo、Hf))，磁致伸缩常数几乎为零，该磁致伸缩常数的值被包含在-1ppm和-0.05ppm之间，该磁性微导线具有不小于10Oe且不大于20Oe的各向异性场、以及具有直径的值包含在30微米和250微米之间的金属芯。有源元件的组分可以为具有在0.5Oe和250Oe之间(对于0.001Hz至50Hz之间的低频励磁器磁场频率，但不会更大)的矫顽场的、具有巨磁阻抗性能的、以及具有导线几何形状、环、线圈、矩形回路或磁性微导线粉的非晶体或纳米晶体，其中通过其在1GHz至20GHz的频率间隔中的几何参数决定那些几何形状的电谐振频率。
导线的尺寸在30cm和1cm之间，环的直径在0.5cm和10cm之间，矩形的边在0.5cm和10cm之间或者粉状微导线的长度在1mm和5mm之间。
由于微导线的磁性各向异性低，通过施加磁场可容易改变磁导率。
此外，当低频磁场的频率增大时，有源元件的导线的矫顽场增大，并且对于与有源元件的矫顽场有关联的在1Hz和20Hz之间的低频磁场，产生有源元件的反射率的最大变化。
通过导线的组分和纳米晶体化的热处理控制有源元件的矫顽场。
通过0和10％之间的纳米晶体化百分比控制20％和50％之间的磁阻抗效应。
第二元件(互补元件)可以为磁性带条、磁粉或具有大于100微米的直径的磁性导线，其剩磁使得，在软微导线的附近，剩磁在励磁器磁场的频率下，产生围绕其矫顽场的磁场。
该第二磁性元件的存在最大化微导线的反射率，其中，该第二磁性元件具有的磁化使得其在微导线的附近产生相当于其矫顽场的磁场。
此外，该第二元件还可以用作标签的去激活器，因为一旦使用标签，其磁化状态可以通过施加强磁场并且使得标签被去激活而被修改。
本发明的另一方面涉及一种通过之前描述的微导线的无线检测而用于物体的远距离检测系统。所述远距离检测系统包括连接至发射天线的发射器系统以及连接至接收天线的接收器系统。发射天线发射具有在0.5GHz和6GHz之间的固定频率的波。利用波偏振器以及低频信号发生器系统，所述波偏振器旋转地或在一个方向上使用以便确保波的电场沿着待测元件的轴向方向，所述低频信号发生器系统被包含在10mHz至50000mHz(但不会更大)之间并连接至用于线圈，所述线圈用于以低频产生具有交变调制的磁场，可选地，在检测区域中的连续场叠加至所述磁场。上述这些都是通过连接至发射装置、接收器和低频信号发生器的控制器系统来控制。接收系统收集待测元件的反射率的变化，所述变化相应地通过连续场与低频磁场的叠加来进行调制。
检测系统包括由能够与另一直流电流(DC)叠加的低频正弦信号馈电的第一电路，所述直流电流对能够用地板隐藏的线圈馈电，所述线圈产生低于所使用的微导线的各向异性场的磁场。所述电流允许周期性磁化和退磁设置在标签上的软磁微导线。所述系统包括第二电路，所述第二电路用于通过发射天线和接收天线两者来进行发射和接收高频信号从而使频率与所选的微导线的电谐振频率一致。此外，所述系统包括用于处理信号的工具，建立检测阈值。
本发明的第三方面涉及一种使用所描述的标签对物体进行远距离检测的方法。该所述方法是基于通过磁性微导线对由发射天线发射的波进行调制。该调制是由于在低频交变磁场存在的情况下微导线的反射率系数的变化引起的，并且当产生与其矫顽场一致的微导线的磁导率的最大变化时，该调制是最大的。
对于该特定的情况，由于磁敏感性，通过以下内容来同时调制电磁波的弥散系数：
-由电路(换句话说，检测系统的第一电路)产生的交变磁场的频率来进行调制，并且该弥散系数涉及以在0.01Hz至50Hz之间的频率的微导线的周期性磁化，检测的最优频率总是低于由导线的微结构决定的特定值。在非晶微结构的情况下，最优频率将低于10Hz，而在晶体微结构的情况下，最优频率将低于20Hz；
-由电路(换句话说，检测系统的第一电路)产生的交变磁场的振幅并且该弥散系数涉及以在0.01Hz和50Hz之间的频率的微导线的周期性磁化，检测的最优振幅总是低于导线的各向异性场并且被包含在各向异性场的一半和各向异性场本身之间。
标签的检测是通过使用出于该目的而可在0.01Hz和50Hz之间的低频磁场，相对于频率在1GHz和20GHz之间的电磁波，调制标签的有源元件(微导线)的反射率来进行的。该电磁场的振幅被包含在0Oe到25Oe之间。
微导线的反射率的调制是通过该低频磁场的频率来实现的，并且该调制是通过有源元件所经历的巨磁阻抗效应的结果。
此外，有源元件的反射率的最大变化是针对于通过几何形状(在导线的情况下的长度、在环的情况下的直径以及在方形或矩形的情况下的边长)限定的其电谐振频率产生的。
在存在有源元件的情况下，所述有源元件的反射率的这种调制涉及GHz波的调制，并且在存在受到低频磁场的磁性有源元件的情况下，该调制的检测是由以GHz的调制波通过天线实现的。
低频磁场的产生可以例如通过隐藏在地板中的矩形线圈来实现，并且GHz波的产生和检测可以通过天花板上的天线的隐藏系统来实现。
附图说明
图1示出了对应于不同的标签配置的图：具有软磁导线1’和软磁导线11’的导线1，具有环2’和环2”的环2，具有方形3’和方形3”的方形3、以及微导线粉4。
图2示出具有以下元件的电磁电路的图：具有微导线的标签5、发射天线6、接收天线7、发射波8、调制波9、具有低频磁场的线圈10、函数发生器11、放大器12、安培计13和矢量信号分析仪14。
图3示出了通过以10Hz的感应方法获得的磁滞回线，在分别地17Oe(15)的值和22Oe(16)的值以及1Oe(17)的矫顽场的该情况下，该磁滞回线与具有各向异性场所需的参数的10cm和15cm的两个微导线有关联。
图4示出了对应于15cm的导线在不同频率下的磁滞回线：10Hz(18)、20Hz(19)、30Hz(20)、40Hz(21)和50Hz(22)。
图5示出了对于15cm的导线，矫顽场随频率的演变。
图6示出了由天线6检测的随着时间的反射率、以及与用于通过天线发射的2.37GHz的波频的低频磁场和施加的2.5 Oe的低频磁场的频率有关的调制波9。
图7示出了对于2.37GHz波，最大反射率随着2.5Oe低频场的频率的演变。
图8示出了当施加连续磁场时，用于10Hz和50Hz之间包含的频率的最大反射率的演变。
图9示出了对于两根微导线(即一根微导线是软的且另一根是硬的)的随着时间的最大反射率：其中，导线消磁(a)和导线饱磁(b)。
具体实施方式
本发明还通过下面的示例进行了说明，该示例不限制本发明的范围。
选择由两根长度为15厘米的平行导线形成的标签，导线成分为FeCoSiB，其中一根导线具有非晶结构并且另一根导线具有晶体导线结构。在不同频率上实施磁滞回线，以便随着频率的变化确定磁滞回线的矫顽场(图3)。
发射天线和接收天线连接至以2.37GHz频率工作的矢量信号分析仪。通过线圈，产生最大振幅为2.5Oe的频率为10Hz至50Hz之间的低频磁场。对于消磁硬导线，测量根据低频磁场的频率的反射率随着时间的演变(图9)以及其中DC场的值与低频的值叠加的反射率的演变(图8)，并且对于磁化的硬导线，随频率的变化来测量反射率(图9)。
微导线的检测是基于所检测到的信号的振幅、及其相对于在没有微导线的情况下观测到的信号的变化而实现的。信号的振幅越大，低频磁场的频率越小。在存在硬磁导线的情况下，可以降低这个信号的电压，这将导致标签的去激活。

Claims (22)

1.一种标签，所述标签包括软磁微导线，所述软磁微导线为有源元件，所述软磁微导线具有在80微米和250微米之间的直径，所述软磁微导线具有巨磁阻抗性能，对于频率从10mHz至50000mHz且振幅在0Oe与25Oe之间的低频励磁器磁场，所述软磁微导线具有含有在10Oe和20Oe之间的横向各向异性的非双稳态磁滞回线、在1Oe和5Oe之间的矫顽场，以及对于在1GHz和20GHz之间的激励频率，在所述软磁微导线的高频中的电谐振频率通过所述软磁微导线的几何参数限定。
2.根据权利要求1所述的标签，其中，所述标签包括直径大于100微米的磁性导线形式的、或磁性带条形式的或磁粉形式的另一硬磁元件，所述硬磁元件的剩磁使得，在所述软磁微导线的附近，所述剩磁以所述励磁器磁场的频率产生围绕所述软磁微导线的矫顽场的磁场。
3.根据权利要求2所述的标签，其中，所述硬磁元件充当所述标签的去激活器，因为一旦使用所述标签，所述标签的磁化状态能够通过施加强磁场来修改以及所述标签能够被去激活。
4.根据权利要求1所述的标签，其中，所述微导线能够为具有一个或多个匝的延伸微导线或闭合微导线、或为粉状微导线。
5.根据权利要求4所述的标签，其中，所述闭合微导线为环、方形或矩形的形式。
6.根据权利要求5所述的标签，其中，所述微导线的尺寸在30cm和1cm之间，所述环的直径在0.5cm和10cm之间，所述矩形的边在0.5cm和10cm之间或所述粉状微导线的长度在1mm和5mm之间。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的标签，其中，对于3GHz的频率，所述微导线的长度为5cm，以及对于1.5GHz的频率，所述微导线的长度为10cm。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的标签，其中，所述微导线的矫顽场随着所述低频励磁器磁场的频率的增大而增大，并且对于与所述微导线的矫顽场相关联的在1Hz和20Hz之间的低频磁场，产生反射率的最大变化。
9.根据权利要求1所述的标签，其中，所述微导线的组分基于非晶结构或晶体结构的铁和钴。
10.根据权利要求9所述的标签，其中，所述微导线具有FexCoa-x-yNiySizBwMt的成分，其中，a+z+w+t＝100，70≤a-x-y≤75，0≤x+y≤5，0≤z+w≤25，0≤t≤3，M＝Nb、Mo、Hf。
11.根据权利要求9或10所述的标签，其中，所述微导线的在20％和50％之间的磁阻抗是通过其在0和10％之间的纳米晶体化百分比控制的。
12.根据权利要求9或10所述的标签，其中，所述微导线具有几乎为零的磁致伸缩常数，所述磁致伸缩常数的值在-1ppm和-0.05ppm之间，所述微导线具有不小于10Oe且不大于20Oe的各向异性场、具有包含在30微米和250微米之间的直径的金属芯以及对于0.01Hz和50Hz的低频励磁器磁场的频率而言在0.5Oe和250Oe之间的矫顽场，并且这些几何形状的电谐振频率通过其在1GHz和20GHz之间的频率间隔下的几何参数进行限定。
13.一种根据权利要求1至12中任一项所述的标签用于检测物体的用途。
14.根据权利要求13所述的用途，所述用途用于在大于2米的距离处检测物体。
15.一种用于远距离检测物体的系统，其中，所述物体具有根据权利要求1至12中任一项所述的标签，所述系统包括：
-连接至发射天线的发射传感器，所述发射天线发射具有在1GHz和20GHz之间的频率的波；
-发生器系统，所述发生器系统产生包含在10mHz和50000mHz之间的低频信号，用于产生具有低频交变调制的磁场，所述磁场与在检测区域中的连续场叠加；
-接收器系统，所述接收器系统收集所述标签的微导线的反射率的变化，所述变化相应地通过所述连续场和所述低频磁场的叠加进行调制；
-连接至发射装置、所述接收器和所述低频信号发生器的控制器系统。
16.根据权利要求15所述的检测系统，所述检测系统包括由与另一直流电流(DC)叠加的低频正弦信号来馈电的第一电路，所述直流电流对能够用地板隐藏的线圈馈电，所述线圈产生低于所使用的微导线的各向异性场的磁场；所述直流电流允许周期性磁化和消磁设置在所述标签上的软磁微导线；所述系统包括第二电路，所述第二电路用于通过发射天线和接收天线两者来发射和接收高频信号，从而所述频率与所选的微导线的电谐振频率一致；此外，所述系统包括用于处理所述信号的工具，从而建立检测阈值。
17.根据权利要求15或16所述的检测系统，其中，要使用的所述低频磁场的频率是通过具有待检测的磁性微导线的矫顽场的频率的演变来确定的。
18.根据权利要求16所述的检测系统，其中，所述低频磁场的产生是通过利用所述地板隐藏的线圈来实现的。
19.根据权利要求16所述的检测系统，其中，所述波的产生和检测是通过利用所述地板隐藏的线圈来实现的。
20.一种用于使用根据权利要求15至19中任一项所述的系统对物体进行远距离检测的方法，所述方法中的检测是借助于连续场与所述低频磁场的叠加、通过调制所述微导线的反射率来实现的，所述方法包括：
-发射具有在1GHz和20GHz之间的频率的电磁波；
-产生低频交变磁场，所述低频交变磁场具有在10mHz至5000mHz之间的频率以及在0Oe至25Oe之间的振幅；
-将所述低频交变磁场与直流电流(DC)叠加，所述低频交变磁场产生低于使用的所述微导线的各向异性场的磁场；
-随时间以及所述低频磁场的频率的变化，测量所述微导线的反射率。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，在存在所述微导线的情况下，所述微导线的反射率的调制涉及GHz波的调制，并且在存在承受低频磁场的磁性有源元件的情况下，该调制的检测是由GHz的调制波通过天线实现的。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，对于所述低频磁场的最小可能频率进行最大检测。
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