Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren zum Erfassen
magnetischer Elemente mit einem hohen magnetomechanischen
Kopplungsfaktor. Beim Erfassen vieler solcher Elemente, die in bestimmten
vorgegebenen Anordnungen vorhanden sind, wird ein kompliziertes Erfassungsverfahren
ausgeführt.
Beschreibung des Standes der Technik
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In vorangehenden Patentbeschreibungen wurde vorgeschlagen, heterogene
Vorspannungsfelder zu verwenden, um identische Sätze von Elementen zu
trennen, die an unterschiedlichen Stellen innerhalb einer Abfragezone
angeordnet sind. Unabhängig davon, wie die Elemente konfiguriert sind, um jeden
Satz mit einem bestimmten Code zu versehen, besteht ein Problem, wenn es zu
einem schnellen Verknüpfen von Signalen von individuellen Elementen in
einer Gruppe kommt, die einem Etikett oder dergleichen zugeordnet sind.
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Die WO-A-93/14478 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Erfassen von Objekten in einer Abfragezone. Jedes Objekt ist mit einem
Etikett versehen, das einen Satz von magnetischen Elementen umfaßt, die in
einer vorgegebenen Codekonfiguration angeordnet sind, um dem Etikett eine
Identität zu verleihen. Die magnetischen Eigenschaften der Elemente werden
erfaßt durch Anregen der Elemente zum Schwingen und Erfassen der
Resonanzfrequenz jedes Elements. Durch Beaufschlagen der Abfragezone mit
mehreren unterschiedlichen heterogenen magnetischen Vorspannungsfeldern
ist es möglich, alle in der Abfragezone vorhandenen Etiketten zu erfassen und
zu trennen. Dies gibt auch für Etiketten mit identischer
Elementcodekonfiguration, da die Nominalwerte der Elementresonanzfrequenzen dank der
heterogenen magnetischen Vorspannungsfelder in unterschiedlichen Ausmaßen
verschoben sind. Wenn die Anzahl der möglichen Elementcodes groß ist
und/oder wenn eine große Anzahl von Etiketten in der Abfragezone vorhanden
ist, müssen viele unterschiedliche Vorspannungsfelder erzeugt werden, um alle
Etiketten vollständig und genau zu erfassen.
Kurzzusammenfassung der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, das Erfassen von magnetischen
Elementen mittels mehrerer Vorbereitungsmaßnahmen effektiver zu machen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1. Weitere
Aufgaben und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung und den
Ansprüchen deutlich.
Beschreibung der Zeichnungen
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In den beigefügten Zeichnungen ist
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Fig. 1 ein Graph, der die Frequenzantwortänderung bezüglich der Größe des
angelegten Vorspannungsfeldes für unterschiedliche Winkel zwischen dem
Element und dem magnetischen Feld zeigt,
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Fig. 2 ein Graph, der den Maximalwert von Hamm in Relation zur Frequenz
zeigt,
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Fig. 3 eine schematische Ansicht der Positionen für drei Elemente,
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Fig. 4 ein Graph, der die Frequenzänderung als Funktion von tε[0,1] zeigt, und
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Fig. 5 ein Graph, der die theoretische Frequenzantwort von Element Nummer
2 zeigt.
Genaue Beschreibung der Erfindung
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Um eine verfolgende Erfassung magnetischer Elemente zu erleichtern, wird
eine Serie von Einstellungen für das magnetische Vorspannungsfeld anfangs
ausgeführt und anschließend die Signale erfaßt, die von den Elementen in der
Abfragezone erzeugt werden. Zwei Serien von Einstellungen für das
Vorspannungsfeld, von denen die erste ein konstantes Vorspannungsfeld in jeder
Richtung aufweist und die zweite ein Vorspannungsfeld aufweist, das in einer
bestimmten Richtung mit einem Gradienten in einer beliebigen Richtung
orientiert ist, zielen ab auf die Reduzierung der unendlichen Anzahl möglicher
Positionen der Elemente auf eine endliche Anzahl. Eine dritte Serie von
Vorspannungsfeldern zielt ab auf das Finden der genauen Anzahl der
Elemente in der Abfragezone, entweder durch Eliminieren solcher Positionen, an
denen keine Elemente vorhanden sind, oder durch Trennen der
Frequenzantwort von einem verdeckten Element.
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Ein Element kann verdeckt sein, wenn es für jedes Vorspannungsfeld mit der
gleichen Frequenz antwortet wie ein weitere Element. Theoretisch ist dies eine
sehr seltene Situation, jedoch ist dies in der Praxis sehr viel häufiger, da die
Frequenzauflösung der elektronischen Schaltung gering ist. Es hat sich
gezeigt, daß dann, wenn zwei Resonanzfrequenzen sich annähern, eine von
diesen plötzlich verschwindet, bevor die zwei Frequenzen gleich sind. Eine
Lösung zur Vermeidung verdeckter Elemente ist daher, die Frequenzauflösung
zu erhöhen. Die ersten zwei Serien von Vorspannungsfeldern sind absolut
notwendig und verwenden einen Satz sehr unterschiedlicher Felder. Die letzte
Serie umfaßt das Hinzufügen von Zwischenvorspannungsfeldern.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Gesamtzahl von Vorspannungsfeldern
zu verringern und somit das Lesen oder Erfassen von Elementen oder
dergleichen schneller zu machen. Dies kann durch Verfolgen bewerkstelligt werden.
Während der Verfolgung werden Vorspannungsfelder zwischen zwei
erzeugten Feldern erzeugt. Folglich können alle Daten, die durch die
Zwischenverfolgungsvorspannungsfelder gegeben sind, gespeichert und am Ende
verwendet werden, um verdeckte Elemente zu finden, statt neue Vorspannungsfelder
zu erzeugen.
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Dies ist unter zwei Bedingungen möglich:
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- Erstens muß dafür gesorgt werden, daß die Zwischenfelder, die durch die
Verfolgung erzeugt werden, ein gutes Feld für die dritte Serie von
Vorspannungsfeldern bilden können. Dies kann bewerkstelligt werden, wenn
die geeigneten Gesetze der Stromänderungen in allen felderzeugenden
Spulen zwischen zwei erzeugten Vorspannungsfeldern verwendet
werden;
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- zweitens muß es möglich sein, ein Vorspannungsfeld in der Verfolgung
zwischen zwei erzeugten Vorspannungsfeldern auszuwählen, so daß die
neuen Daten bedeutungsvoll sind.
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Der Zweck der ersten Serie von Vorspannungsfeldern ist, die unendliche
Anzahl von möglichen Elementorientierungen auf eine endliche Anzahl von
Winkelorientierungen zu reduzieren (es ist noch keine Information bezüglich
der Elementpositionen vorhanden). Diese Serie von Vorspannungsfeldern wird
nün ferner zum Zweck des Erfassens der Länge jedes Elements verwendet.
Um die Länge eines Elements zu erfassen, muß die Frequenzantwort des
Elements über der Intensität des Vorspannungsfeldes aufgezeichnet werden.
Beim Aufzeichnen dieser Kurve ist es das beste, ein konstantes Feld zu
verwenden, wenn weder die Position noch die Orientierung des Elements
bekannt ist. Die Fig. 1 zeigt die Frequenzantwortveränderung über der Größe
des angelegten Vorspannungsfeldes für unterschiedliche Winkel zwischen dem
Element und dem Magnetfeld.
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Der Wert der Minimalfrequenz fmin gibt die Länge des Elements an. Der Wert
der Größe des Vorspannungsfeldes bei der Minimalfrequenz erlaubt die
Berechnung des Winkels des Elements bezüglich des Vorspannungsfeldes.
Wenn der Winkel zu groß ist (z. B. > 80º), sind die Frequenzänderungen sehr
langsam oder das Element kann nicht erfaßt werden. Statt eine feste Sequenz
von konstanten Vorspannungsfeldern für einen Satz gegebener Orientierungen
anzuwenden, wird gemäß der Erfindung die Größe des Vorspannungsfeldes
zwischen einem Minimalwert Hαmin und einem Maximalwert Hαmax für den
gleichen Satz gegebener Orientierungen gewobbelt.
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Es gibt eine weitere Möglichkeit zum Erfassen der Elementlänge direkt ohne
Verändern der Größe des Vorspannungsfeldes; nämlich durch direkte
Verwendung der Informationen, die durch die Rotation der Felder gegeben ist.
Dadurch wird die Anzahl der Vorspannungsfelder reduziert, es ist jedoch ein
etwas stärkeres Magnetfeld erforderlich.
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Es ist wichtig, die Anzahl benötigter Orientierungen in der ersten Serie von
Vorspannungsfeldern zu kennen. Diese Anzahl hängt stark vom maximalen
Erfassungswinkel zwischen dem Vorspannungsfeld und dem Element ab. Es
ist bereits bekannt, daß wenigstens drei Orientierungen benötigt werden, da
Elemente, die mit dem Vorspannungsfeld einen Winkel von 90º bilden, nicht
erfaßt werden können.
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Gemäß der Erfindung wurde berechnet, daß drei unterschiedliche
Orientierungen ausreichen, wenn der maximale Erfassungswinkel mehr als 55º beträgt. In
diesem Fall, wenn drei orthogonale Felder verwendet werden, gibt es immer
wenigstens ein Vorspannungsfeld, dessen Winkel zum Element kleiner als 55º
ist.
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Es ist daher sehr wichtig, den maximalen Erfassungswinkel zu kennen. Die
Informationen werden im allgemeinen Vorspannungsalgorithmus benötigt. Um
diesen Wert des Maximalerfassungswinkels zu messen (zwischen dem
Vorspannungsfeld und dem Element) wird vorgeschlagen, daß dieser Winkel
für jede Elementlänge gemessen wird. Sobald dieser Wert bekannt ist, kann
der allgemeine Vorspannungsalgorithmus entsprechend angepaßt werden.
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Sobald alle möglichen Elementorientierungen erhalten worden sind, muß eine
Magnetfeldorientierung ausgewählt werden, um eine bestimmte Anzahl
möglicher Elementpositionen mittels der zweiten Serie von
Vorspannungsfeldern zu erfassen. Dies kann erreicht werden durch eine Datenverarbeitung der
zur Verfügung stehenden Informationen. Sobald die Orientierung ausgewählt
worden ist, kann ein Vorspannungsalgorithmus verwendet werden, der ein Teil
des allgemeinen Vorspannungsalgorithmus ist, um einen Satz von Elementen
zu erfassen, die im wesentlichen die gleiche Orientierung besitzen. Dies
bedeutet, daß alle Elemente mit einem Vorspannungsfeld mit einer gegebenen
Orientierung erfaßt werden können. Der Algorithmus verwendet eine feste
Sequenz von Vorspannungsfeldern. Die adaptiven
Vorspannungsfeldsequenzen sind entweder durch einen allgemeinen RSO-Algorithmus oder durch
zusätzliche Vorspannungsfelder gegeben, die für die Erfassung verdeckter
Elemente benötigt werden. Es wird vorausgesetzt, daß verdeckte Elemente
mittels Zwischenvorspannungsfeldern in der Verfolgung erfaßt werden
können.
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Um die Elementlänge zu ermitteln, muß zuerst ein konstantes Feld erzeugt
werden, dessen Orientierung längs OX (Erfassungsrichtung) verläuft und
dessen Größe gleich Hamm ist. Es gibt mehrere Möglichkeiten für die Auswahl
von Hαmin. Der Maximalwert von Hamm ist der Minimalwert von HFrmin,
wobei HFrmin der Wert der magnetischen Vorspannungsfeldstärke ist, egal
welche Länge das Element hat; wie in Fig. 2 gezeigt. Der Minimalwert von
Hαmin kann 0 sein oder kann empirisch ermittelt werden.
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Die Größe der konstanten Felder wird gleichmäßig erhöht, bis der Wert Hαmax
erreicht wird, wobei der Verfolgungsalgorithmus verwendet wird. Die Größe
von Hαmax hängt sowohl vom Maximalwert HFrmin ab, unabhängig von der
Elementlänge, als auch vom maximalen Winkel αmax zwischen dem
Vorspannungsfeld und dem derzeit erwünschten erfaßten Element. Wenn αmax = 55º,
dann gilt
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Hαmax = max (HFrmin)/cos 55º = 1,74 max (HFrmin)
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Dank der Kurven, die durch die Verfolgung des RSO-Algorithmus gegeben
sind, wurde ein Satz von Elementen gefunden, deren Längen durch den
obenerwähnten Algorithmus ermittelt werden konnten.
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Dank der Verfolgung zwischen den zwei vorangehenden erzeugten
Vorspannungsfeldern war es ferner möglich, den Winkel zwischen jedem Element und
der OX-Achse zu finden, wobei jedoch die exakten Elementorientierungen
noch nicht bekannt sind. Um diese zu ermitteln, werden wenigstens zwei
andere Vorspannungsfelder mit unterschiedlichen Orientierungen benötigt.
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Die Winkelbestimmung wird mit dem allgemeinen Vorspannungsalgorithmus
korrekt durchgeführt.
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Die Winkelinformationen, die aus dem vorangehenden Vorspannungsfeld
erhalten worden sind, reichen aus, um eine endliche Anzahl möglicher Winkel
zu berechnen, wobei die statistischen Berechnungen des RSO-Algorithmus in
dieser Weise arbeiten. In der Praxis ist die einzige Einschränkung aufgrund
des Nichtwissens der exakten Elementorientierungen, das vorausgesetzt
werden muß, daß es unmöglich ist, zwei Elemente am gleichen Ort zu
positionieren; Elemente, deren Winkel zur OX-Achse gleich sind.
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Nun wird eine Liste der erfaßten Elemente mit deren jeweiliger Länge
geschaffen. Es können nicht erfaßte verdeckte Elemente vorhanden sein, da
deren Frequenzantwort die gleiche ist wie die Frequenzantwort eines weiteren
Elements. Solche verdeckten Elemente können gefunden werden durch
Anlegen einer festen Sequenz dreier Vorspannungsfelder mit Gradienten in
drei orthogonalen Richtungen.
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- Erstes Vorspannungsfeld: Magnetfeld längs der OX-Richtung mit einem
Gradienten längs der OX-Richtung.
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- Zweites Vorspannungsfeld: Magnetfeld längs der OX-Richtung mit
einem Gradienten längs der OY-Richtung.
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- Drittes Vorspannungsfeld: Magnetfeld längs der OX-Richtung mit einem
Gradienten längs der OZ-Richtung.
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Jedes dieser drei Felder ist eine Näherung einer Vektorpolynomfunktion erster
Ordnung. Somit ergibt jede erfaßte Frequenz für jedes Vorspannungsfeld eine
Gleichung erster Ordnung, die sehr einfach zu lösen ist. Dank der Verfolgung
ist es möglich, jede Elementposition zu berechnen, wobei kein verdecktes
Element mehr bestehen sollte, mit Ausnahme sehr seltener Fälle. Es muß
darauf geachtet werden, daß zwischen zwei Vorspannungsfeldern eine
korrekte Rotation der Gradienten bewirkt wird, so daß Zwischendaten des
Verfolgungsalgorithmus verwendet werden können, um mögliche Probleme
mit verdeckten Elementen zu lösen.
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Es wurde experimentell untersucht, wie ein Element verdeckt werden kann
und wie die Verfolgungsalgorithmusdaten verwendet werden können, um alle
Fälle von verdeckten Elementen zu lösen. Bei diesen Versuchen wurde die
Situation der Fig. 3 in drei Dimensionen untersucht.
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Wenn ein Vorspannungsfeld mit einem Gradienten längs der OX-Richtung
angelegt wird, schwingen die Elemente 1 und 2 mit der gleichen
Resonanzfrequenz. Wenn der Gradient längs der OY-Richtung verläuft, antworten die
Elemente 2 und 3 ebenfalls mit der gleichen Frequenz. Für diese zwei
Vorspannungsfelder werden somit nur zwei Elemente erfaßt, während in
Wirklichkeit drei Elemente vorhanden sind, von denen eines verdeckt ist.
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Die Auflösung des Problems ist, ein zusätzliches Vorspannungsfeld anzulegen,
dessen Gradient längs der (1,1)-Richtung verläuft. Dann können drei getrennte
Frequenzen erfaßt werden. Wenn der Gradient während der Verfolgung
zwischen den ersten und zweiten Vorspannungsfeldern geeignet rotiert wird,
wird das zusätzliche Vorspannungsfeld bereits während der
Vorspannungssequenz erzeugt. Alle benötigten Daten stehen somit bereits zur Verfügung. Die
durch die Verfolgung erhaltene Kurve entspricht der Fig. 4, wobei das dritte
Element zwischen a und b erfaßt wird.
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Diese Technik funktioniert möglicherweise nicht, wenn drei Elemente zu dicht
beieinander angeordnet sind, oder wenn eine zu große Anzahl von Elementen
vorhanden ist. In beiden Fällen wird das Element 2 sozusagen "abgeschirmt"
und kann nicht entsprechend der Fig. 5 erfaßt werden.
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Die theoretische Frequenzantwort des Elements 2 ist durch die gestrichelte
Linie gegeben, jedoch kann das Element während der Verfolgung nicht
gesehen werden. Es besteht ein Abschirmungseffekt. Die Verfolgung wird
zwischen den Vorspannungsfeldern B1 und B2 bewerkstelligt. Beide
Vorspannungsfelder sind in der Figur dargestellt. Der einfache Pfeil stellt die
Magnetfeldrichtung dar, während der Doppelpfeil die Gradientenrichtung
darstellt.
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Die obenbeschriebenen Versuche zielen darauf ab, die Grenzen zu finden, bei
denen ein Element abgeschirmt ist. Es kann beobachtet werden, daß der
Begriff eines abgeschirmten Elements eine Verallgemeinerung des Begriffes
eines minimalen Abstandes zwischen zwei Elementen ist, wenn beide von
diesen erfaßt werden sollen. Die Versuche ergeben ferner den Minimalabstand
zwischen zwei Elementen.